竇志揚，任 改，苗德志，鄧海瑜，孫宇軒，徐 涵，李 輝，張光燦?

(1.山東農(nóng)業(yè)大學，山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位研究站，271000，山東泰安；2.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所，510655，廣州；3.臨沂市沂水縣水利工程保障中心，276000，山東臨沂；4.臨沂大學，276000，山東臨沂)

楊樹具有適應(yīng)性強、用途廣、生長快和輪伐期短等特點，是我國營造用材林、防護林和四旁綠化的優(yōu)良速生樹種，其林分在風沙區(qū)防風固沙、平原區(qū)農(nóng)田防護、山丘區(qū)涵養(yǎng)水源等方面具有重要水土保持地位與作用[1]。因林地資源的限制和栽培經(jīng)營習慣的影響，我國楊樹速生豐產(chǎn)林培育多實行短輪伐期和多代連作模式，由此導(dǎo)致林木生長緩慢，病蟲害嚴重，木材蓄積量減少等現(xiàn)象。多年來，連作人工林地力衰退與化感效應(yīng)之間的關(guān)系受到廣泛關(guān)注[1-2]。有研究表明：楊樹人工林生長衰退、生產(chǎn)力下降與土壤酚酸等化感物質(zhì)的累積密切相關(guān)[3-4]；土壤酚酸累積會明顯抑制楊樹苗木的根系發(fā)育和植株整體生長[5]；酚酸類物質(zhì)可以抑制楊樹根系超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性，降低根系活力[6]；土壤酚酸類物質(zhì)抑制氮素的固定及轉(zhuǎn)化等過程，進一步導(dǎo)致植物缺乏氮元素而不能正常生長[7-8]。以上研究主要集中在土壤酚酸的累積效應(yīng)、根際效應(yīng)等方面，尚缺乏土壤中的酚酸類物質(zhì)對楊樹光合作用的影響等相關(guān)研究[9]，尤其是系列酚酸質(zhì)量濃度對楊樹光合作用光響應(yīng)特征、葉綠素熒光特征參數(shù)的影響，還需要深入研究和認識。

歐美楊107(Populus×euramericanacv.‘Neva’)是我國北方地區(qū)楊樹人工林栽培中應(yīng)用較多的優(yōu)良無性系品種[10]，尤其在黃淮海平原區(qū)栽植規(guī)模較大，是楊樹人工林栽培中具有典型性和代表性的品種。筆者以盆栽1年生歐美楊107苗木為試驗材料，通過土壤酚酸質(zhì)量濃度處理，測定與分析楊樹葉片氣體交換和葉綠素熒光參數(shù)的變化，旨在揭示土壤酚酸脅迫對楊樹光合作用效率的影響特征與機理，為深入認識土壤酚酸累積對楊樹生長的抑制作用提供植物生理依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)置在山東農(nóng)業(yè)大學泮河校區(qū)林學試驗站(E 116°02′～117°59′，N 35°38～36°33′)。試驗地位于泰安市泰山區(qū)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年平均年降水量795 mm(多集中在7—9月)，年均氣溫13.2 ℃，無霜期187 d。試驗地土壤類型為棕壤，質(zhì)地為沙壤土，土壤密度1.29 g/cm3，肥力中等，pH值為8.4。

1.2 試驗設(shè)計

試驗材料為盆栽扦插培育的1年生歐美楊107植株，試驗設(shè)置4個區(qū)組，每區(qū)組分7個小區(qū)。2020年4月上旬進行盆栽植株培育，2020年5月下旬進行盆栽土壤處理。土壤處理以楊樹第二代林分(林齡為4 a，其第一代林分輪伐期為10 a)的土壤酚酸質(zhì)量濃度[4]為參考值(1.0T)進行酚酸質(zhì)量濃度梯度設(shè)置(表1)，分別為0.5T、1.0T、1.5T、2.0T、2.5T、3.0T和0T(對照)。

表1 土壤酚酸質(zhì)量濃度處理

1.3 觀測方法

2020年7月下旬，測定不同酚酸質(zhì)量濃度下楊樹葉片的光響應(yīng)參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)。

1)光合作用光響應(yīng)參數(shù)。各酚酸質(zhì)量濃度下選取長勢健壯的3株苗木，從每株苗木中上部選取3個生長成熟的葉片，應(yīng)用光合測定儀(CIRAS-2)測定不同葉片對14個光合有效輻射下的光響應(yīng)數(shù)據(jù)，測定時間在每天08:00—11:30，具體觀測過程采用李輝[7]、郎瑩等[11]報道的方法。光合測定儀自動記錄凈光合速率(Pn，μmol/(mol2·s))、氣孔導(dǎo)度(Gs，mmol/(mol2·s))、胞間CO2摩爾分數(shù)(Ci，μmol/mol)、大氣CO2摩爾分數(shù)(Ca，μmol/mol)和光合有效輻射(photosynthetically active radiation,PAR，μmol/(mol2·s))等。

繪制凈光合速率對光合有效輻射的響應(yīng)曲線(Pn～PAR曲線)，由響應(yīng)曲線判讀得到光合作用的最大凈光合速率(Pnmax，μmol/(mol2·s))和飽和光強(LSP，μmol/(mol2·s))范圍[12]。利用弱光下(PAR≤200 μmol/(mol2·s))的Pn和PAR數(shù)據(jù)，經(jīng)進行線性回歸分析得到表觀量子效率(Φ，mol/mol)、暗呼吸速率(Rd，μmol/(mol2·s))和光補償點(light compensation point,LCP，μmol/(mol2·s))。

計算光合作用氣孔限制值

Ls=1-Ci/Ca。

2)葉綠素熒光參數(shù)。葉綠素熒光參數(shù)利用調(diào)制式熒光儀(FMS-2型)進行測定(采用的樣本葉片與光響應(yīng)觀測的相同)，具體觀測過程采用許大全[12]、朱英華等[13]報道的方法。測定的葉綠素基礎(chǔ)熒光參數(shù)包括：葉片暗適應(yīng)下的初始熒光(F0)和最大熒光產(chǎn)量(Fm)，光適應(yīng)下的初始熒光(F′0)、最大熒光(F′m)和穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量(Fs)。

計算的葉綠素熒光參數(shù)包括：最大光化學效率(Fv/Fm)、實際光化學效率(ΦPS Ⅱ)、光化學猝滅系數(shù)(qP)和非光化學猝滅系數(shù)(qN)。計算公式為：

Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm；
ΦPSⅡ=(F′m-Fs)/F′m；
qP=(F′m-Fs)/(F′m-F′0)；
qN=(Fm-F′m)/F′m。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酚酸對楊樹光合速率光響應(yīng)過程的影響

圖1表明，不同酚酸質(zhì)量濃度下，楊樹葉片凈光合速率(Pn)的光響應(yīng)過程具有明顯差別，光響應(yīng)曲線對酚酸質(zhì)量濃度變化表現(xiàn)出一定的閾值響應(yīng)特征。在低酚酸質(zhì)量濃度(低于2.0T)時，低光強(光合有效輻射PAR<400 μmol/(mol2·s))下的Pn隨PAR增加呈近似直線上升的趨勢，高光強(如PAR >1 200 μmol/(mol2·s))下的Pn隨PAR增大呈緩慢增加趨勢。而在高酚酸質(zhì)量濃度(大于2.0T)時，低光強下的Pn明顯降低，高光強下Pn隨PAR增加呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。以上結(jié)果表明，土壤酚酸脅迫明顯抑制楊樹的光合作用，當酚酸質(zhì)量濃度超過2.0T時，高光強下的光合作用會發(fā)生明顯的光抑制。

誤差線為標準偏差(SD)。下同。The error line is the standard deviation (SD). The same below. 圖1 楊樹葉片凈光合速率(Pn)光響應(yīng)過程Fig.1 Photoresponse of net photosynthetic rate (Pn) of poplar (Populus×euramericana cv.‘Neva’) leaves

圖2顯示，在PAR=1 400 μmol/(mol2·s)光強下，低質(zhì)量濃度(0.5T～1.5T)酚酸時，隨酚酸質(zhì)量濃度增加，楊樹的胞間CO2摩爾分數(shù)(Ci)呈下降趨勢，氣孔限制值(Ls)呈上升趨勢，由此根據(jù)光合作用限制因素判別準則[12,14]表明，此時Pn降低的主要原因為氣孔因素的限制，即氣孔導(dǎo)度(Gs)減小引起光合機構(gòu)的CO2供應(yīng)受阻為主。在高質(zhì)量濃度(超過1.5T)酚酸時，隨酚酸質(zhì)量濃度增加，楊樹的Ci呈上升趨勢，Ls呈下降趨勢，表明此時Pn降低的主要原因為非氣孔因素的限制，即光合機構(gòu)受到脅迫傷害導(dǎo)致光合活性降低。綜合上述，隨土壤酚酸質(zhì)量濃度增加，限制楊樹光合速率的主要原因會由氣孔因素轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩兀l(fā)生這一轉(zhuǎn)變的土壤臨界酚酸質(zhì)量濃度在1.5T左右。

不同字母代表不同處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。There are significant differences between different letters representing different treatments(P<0.05). The same below. 圖2 楊樹葉片光合氣體交換參數(shù)(PAR=1 400 μmol/(mol2·s)Fig.2 Gas exchange parameters of poplar leaves(PAR=1 400 μmol/(mol2·s))

2.2 土壤酚酸對楊樹光響應(yīng)特征參數(shù)的影響

表2表明，隨土壤酚酸質(zhì)量濃度增加，楊樹的最大凈光合速率(Pnmax)、表觀量子效率(Φ)、暗呼吸速率(Rd)、光飽和點(LSP)均呈減小趨勢，而光補償點(LCP)呈增大趨勢。

表2 楊樹葉片光響應(yīng)特征參數(shù)

表觀量子效率(Φ)可反映植物光合機構(gòu)在弱光下吸收、轉(zhuǎn)換和利用光能的效率[15]。由表2看出，對照處理下楊樹的Φ值在0.04 mol/mol以上，隨酚酸質(zhì)量濃度增加，Φ值明顯減小。酚酸質(zhì)量濃度增加至2.5T～3.0T時，Φ值顯著降低至0.02 mol/mol左右，與對照組相比降低幅度達到約52%～62%。最大凈光合速率(Pnmax)可表征植物實際的光合能力。表2顯示，楊樹Pnmax隨酚酸質(zhì)量濃度增加明顯下降，高酚酸質(zhì)量濃度(2.5T～3.0T)下的Pnmax與對照組相比降低幅度達到約45%～60%。以上結(jié)果表明，高質(zhì)量濃度酚酸脅迫會顯著抑制楊樹的光合能力以及對弱光的吸收轉(zhuǎn)化利用效率。

光補償點(LCP)和飽和光強(LSP)分別代表植物對弱光和強光的利用能力，在一定程度上反映植物對光環(huán)境的適應(yīng)能力[16]，表2顯示，隨土壤酚酸質(zhì)量濃度增加，楊樹的LCP不斷增大，LSP明顯降低；在高酚酸質(zhì)量濃度(2.5T～3.0T)下，LCP與對照組相比增大了12%～13%，LSP降低了40%～50%。這表明，在高質(zhì)量濃度酚酸脅迫時，楊樹光合作用對光能(弱光和強光)的利用能力會明顯降低。暗呼吸速率(Rd)在一定程度上表征了植物葉片生理活性的高低[17]，表2顯示，隨酚酸質(zhì)量濃度增加，楊樹葉片的Rd逐漸降低，酚酸質(zhì)量濃度增加至2.5T～3.0T時，與對照組相比Rd降低了48%～58%。表明高質(zhì)量濃度酚酸脅迫會導(dǎo)致楊樹葉片的生理活性明顯降低。

2.3 土壤酚酸對楊樹葉綠素熒光參數(shù)的影響

由圖3看出，隨著土壤酚酸質(zhì)量濃度的增加，楊樹葉綠素的最大光化學效率(Fv/Fm)、實際光化學效率(ΦPSⅡ)、光化學猝滅系數(shù)(qP)和最大熒光(Fm)呈現(xiàn)減小趨勢，非光化學猝滅系數(shù)(qN)和初始熒光(F0)呈現(xiàn)增大趨勢。

最大光化學效率(Fv/Fm)是植物在暗適應(yīng)下光合機構(gòu)全部PS Ⅱ反應(yīng)中心都開放時的光化學效率或光能轉(zhuǎn)換效率。非環(huán)境脅迫時不同植物的Fv/Fm都比較恒定，一般都在0.80～0.85之間[12,18]，但植物受到脅迫時Fv/Fm會明顯下降。本研究(圖3)表明，楊樹在非酚酸脅迫(0T)時的Fv/Fm為0.83左右，隨土壤酚酸質(zhì)量濃度增加，F(xiàn)v/Fm持續(xù)降低，在酚酸質(zhì)量濃度大于1.5T后，F(xiàn)v/Fm的降低幅度增大。實際光化學效率(ΦPS Ⅱ)是植物在光適應(yīng)下PS Ⅱ反應(yīng)中心部分關(guān)閉時(光合作用達到穩(wěn)態(tài)時)的光化學效率或光能轉(zhuǎn)換效率[12,18]。隨著土壤酚酸質(zhì)量濃度增大，楊樹的ΦPS Ⅱ持續(xù)下降，當酚酸質(zhì)量濃度大于1.0T后，ΦPS Ⅱ下降的幅度會顯著增加。在相同酚酸脅迫質(zhì)量濃度梯度下，ΦPS Ⅱ的下降幅度大于Fv/Fm的下降幅度。以上結(jié)果表明，土壤酚酸質(zhì)量濃度增加，楊樹光合機構(gòu)最大光化學效率或光能轉(zhuǎn)化效率受到抑制的程度增大。

圖3 楊樹葉片葉綠素熒光特征參數(shù)Fig.3 Fluorescence parameters of poplar leaves

初始熒光產(chǎn)量(F0)是植物在暗適應(yīng)下光合機構(gòu)全部PS Ⅱ反應(yīng)中心都開放時的葉綠素熒光參數(shù)。F0升高，表征PS Ⅱ反應(yīng)中心可能出現(xiàn)可逆的失活或遭到不易逆轉(zhuǎn)的破壞[18,12]。本研究(圖3)表明，隨土壤酚酸質(zhì)量濃度增加，楊樹的F0持續(xù)升高，且當酚酸質(zhì)量濃度大于1.5T后，F(xiàn)0的升高幅度增大。表明土壤酚酸質(zhì)量濃度增加導(dǎo)致楊樹PS Ⅱ反應(yīng)中心失活或遭受破壞的程度增大。

最大熒光產(chǎn)量(Fm)是植物在暗適應(yīng)下光合機構(gòu)全部PS Ⅱ中心都關(guān)閉時的葉綠素熒光參數(shù)。Fm可反映通過PS Ⅱ電子傳遞的潛在最大能力[12,19]。光化學猝滅系數(shù)(qP)是由PS Ⅱ光化學過程中能量轉(zhuǎn)換所引起的熒光產(chǎn)量下降，反映PS Ⅱ?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化成化學能的效率。qP變小，表征PS Ⅱ的實際電子傳遞活性變小，電子流動受到抑制，參與CO2固定的電子減少[19-20]。本研究(圖3)表明，隨土壤酚酸質(zhì)量濃度增大，楊樹的Fm和qP都持續(xù)下降；當酚酸質(zhì)量濃度大于1.0T后，qP的下降程度顯著增大。以上結(jié)果表明，土壤酚酸脅迫導(dǎo)致楊樹PS Ⅱ潛在的電子傳遞能力和實際的電子傳遞活性明顯降低；土壤酚酸質(zhì)量濃度增大，PS Ⅱ?qū)嶋H電子傳遞活性降低的程度會顯著增加。

非光化學猝滅系數(shù)(qN)是由PS Ⅱ非光化學過程引起的熒光產(chǎn)量降低，通常反映PS Ⅱ熱耗散過剩光能的能力。非光化學猝滅是植物的一種自我保護機制[20-21]，可在PS Ⅱ吸收過量光能時通過熱耗散保護其光合機構(gòu)；qN增大，表征PS Ⅱ向反應(yīng)中心傳遞的光能減少，通過熱耗散方式減少的過剩光能增加[21-22]。本研究(圖3)表明，隨著土壤酚酸質(zhì)量濃度增加，qN逐漸增大。表明在土壤酚酸脅迫增強時，楊樹通過熱耗散保護其光合機構(gòu)的能力增大。

3 討論

本研究(表2)表明，在不同土壤酚酸質(zhì)量濃度(0T～3.0T)下，隨酚酸質(zhì)量濃度升高，楊樹的最大光合速率(Pnmax)和表觀量子效率(Φ)都呈現(xiàn)明顯降低趨勢。許楠等[23]研究表明，連作降低了烤煙葉片的Pnmax和Φ；李輝等[24]研究表明，隨土壤酚酸質(zhì)量濃度升高，垂柳(Salixbabylonica)的Pnmax和Φ也顯著降低；這與本試驗研究結(jié)果相類似。有研究[25]發(fā)現(xiàn)，楊樹在0T～1.0T酚酸質(zhì)量濃度下，隨酚酸質(zhì)量濃度升高，葉片凈光合速率(Pn)降低，而胞間CO2摩爾分數(shù)(Ci)升高，由此根據(jù)Farquhar等的光合作用限制因素判別準則[12,14]表明，Pn降低的主要原因是非氣孔因素的限制(即光合機構(gòu)的光合反應(yīng)活性降低)；而本研究結(jié)果(圖2)顯示，楊樹在0T～1.5T處理下，土壤酚酸質(zhì)量濃度升高時，楊樹的Pn和Ci下降，氣孔限制值(Ls)上升，表明Pn下降的主要原因是氣孔因素的限制(即光合機構(gòu)的CO2供應(yīng)受阻)；以上結(jié)果不同的具體原因有待進一步研究。本研究(圖2)發(fā)現(xiàn)，土壤酚酸質(zhì)量濃度大于1.5T后，酚酸質(zhì)量濃度增加，楊樹的Pn和Ls下降，而Ci升高，表明楊樹Pn降低主要的原因轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩氐南拗?。由此可判定，土壤酚酸質(zhì)量濃度大約在1.5T，是楊樹光合作用降低原因由氣孔限制為主轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪紫拗茷橹鞯霓D(zhuǎn)折質(zhì)量濃度。

本研究(圖3)發(fā)現(xiàn)，隨土壤酚酸質(zhì)量濃度升高，楊樹葉片光合作用的最大光化學效率(Fv/Fm)、實際光化學效率(ΦPS Ⅱ)、光化學猝滅系數(shù)qP和最大熒光(Fm)呈減小的趨勢，初始熒光(Fo)和非光化學猝滅系數(shù)qN呈增大的趨勢。這些葉綠素熒光參數(shù)對土壤酚酸質(zhì)量濃度升高的變化響應(yīng)，都表現(xiàn)出一定的質(zhì)量濃度閾值特征；在土壤酚酸質(zhì)量濃度超過大約1.0T后，F(xiàn)v/Fm、ΦPS Ⅱ、Fm、qP降低的幅度和F0升高的幅度都明顯增大。由此推斷認為，可能楊樹在第二代林分時，林木的光合作用已經(jīng)受到土壤酚酸累積(本試驗處理質(zhì)量濃度1.0T)的明顯制約，表現(xiàn)為葉片凈光合速率、表觀量子效率、光化學效率等光合效率參數(shù)都明顯降低。

相關(guān)研究表明，酚酸類物質(zhì)主要來源于植物根系分泌，被土壤和植物根系吸收后產(chǎn)生化感作用[26-27]，通過影響細胞膜透性、保護酶活性、養(yǎng)分吸收和光合作用等多種途徑抑制植物生長[28-29]。酚酸類物質(zhì)對光合作用影響的重要方面是造成植物葉綠素減少和光合效率降低[30-31]。光合作用效率是表征光合機構(gòu)運轉(zhuǎn)狀況的重要指標，也是植物生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量高低的根本性因素[12,18]。楊樹連作栽培會引起土壤酚酸物質(zhì)不斷積累，導(dǎo)致林分生產(chǎn)力明顯下降[1,4]，本研究結(jié)果可為深入了解林分生產(chǎn)力下降的程度與原因提供光合生理生態(tài)依據(jù)。

4 結(jié)論

1)土壤酚酸脅迫對楊樹光合作用有明顯抑制作用。酚酸質(zhì)量濃度增加，光合速率明顯降低，高質(zhì)量濃度(超過1.5T)時發(fā)生光抑制；光合速率下降的原因，低質(zhì)量濃度(0.5T～1.5T)時以氣孔因素限制為主，光合機構(gòu)的CO2供應(yīng)受阻；高質(zhì)量濃度時轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩叵拗茷橹?，光合機構(gòu)的光合反應(yīng)活性降低。

2)土壤酚酸質(zhì)量濃度增大時，楊樹光合機構(gòu)的光能轉(zhuǎn)換效率和電子傳遞活性下降，光合機構(gòu)向反應(yīng)中心傳遞光能的能力降低。在土壤酚酸脅迫環(huán)境下，楊樹光合機構(gòu)可通過增加熱耗散釋放過剩的光能，以此避免或減輕光損傷實施光保護，這是楊樹光合作用適應(yīng)土壤酚酸脅迫的一種生理策略。