魏春燕 李月靈* 金則新 羅光宇，3 陳 超，3 單方權

（1. 浙江省植物進化生態(tài)學與保護重點實驗室，臺州 318000；2. 臺州學院生態(tài)研究所，臺州 318000；3. 上海師范大學生命科學學院，上海 200234；4. 臺州市綠心旅游開發(fā)促進中心，臺州 318000）

光是影響植物存活、生長發(fā)育和分布的重要環(huán)境因子之一，同時也是光合作用的主要驅(qū)動力，可改變碳同化和分配［1］。植物與光環(huán)境之間的生存-生長權衡關系一直是生態(tài)學研究的熱點問題［2-3］。在自然條件下，植物生命周期要經(jīng)歷不同程度的遮蔭環(huán)境，幼苗期對光照的耐受和適應能力是其生長和種群更新演替的關鍵。近年來，有關光環(huán)境對珍稀瀕危植物種群更新和生長繁育影響的研究日益得到關注，如連香樹（Cercidiphyllum japonicum）、長序榆（Ulmus elongata）等一些喜光植物，其幼苗期呈現(xiàn)對光照有較高的需求及一定的耐蔭性，當光照不足時會影響植株的生長更新［4-5］。但對于一些耐蔭植物而言，如堇葉紫金牛（Ardisia violacea）、金花茶（Camellia nitidissima）等，輕度或重度遮蔭更有利于其生長，植株會增加光合色素含量、比葉面積和葉片氮含量，降低光補償點、暗呼吸速率，改變碳水化合物的分配格局等，以適應較低光量子密度的環(huán)境［6-7］。這說明不同植物及同一植物對不同光環(huán)境的需求、響應與適應特性存在較大差異。非結構性碳水化合物（Non-structur?al carbohydrate，NSC）是植物生長代謝過程中重要的能量物質(zhì)，其主要由淀粉和可溶性糖組成，是植物適應脅迫環(huán)境的一個重要指標［8］。植物可通過增加NSC 的投入和不同器官的儲存和分配以應對光環(huán)境的變化。研究瀕危植物光合生理變化和NSC 含量對不同光環(huán)境的響應，可以了解其在分布環(huán)境中碳水化合物的供應狀況及適應機制，對于瀕危植物的保護及復壯具有重要意義。

七子花（Heptacodium miconioides）是忍冬科（Caprifoliaceae）七子花屬（Heptacodium）的落葉小喬木，是我國特有單種屬植物，主要分布于浙江天臺、磐安和安徽宜城、涇縣等少數(shù)地區(qū)，為國家II級重點保護植物［9-10］。七子花在研究忍冬科系統(tǒng)發(fā)育及冰川氣候變遷等方面具有重要科研價值，同時也是優(yōu)良的園林觀賞植物［11-12］。目前對七子花的研究主要集中在種群與群落生態(tài)學［13］、繁殖生物學［14］、遺傳多樣性［15］和生理特性［16］等方面，對其瀕危機制有一定的了解，而有關七子花幼苗培育和種群更新緊密相關的光環(huán)境適應的光合生理生態(tài)方面研究較少。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)七子花多呈集群分布，大多分布在喬木層和少量灌木層中，其種群的年齡結構為中衰型，成年植株數(shù)量最多，小樹次之，幼苗和幼樹儲備嚴重不足，在林下幾乎未觀察到天然更新幼苗［12］。因此，林下遮蔭環(huán)境可能是限制七子花幼苗更新的主要環(huán)境因子，不同光環(huán)境對七子花幼苗生長與更新的影響尚不明確。基于此，本研究以2 年生七子花幼苗為研究對象，通過人工模擬遮蔭處理，對幼苗不同遮蔭環(huán)境下葉片的光合特性和非結構性碳含量進行比較研究，以期了解七子花幼苗在不同光環(huán)境中的適應能力與生長策略，為七子花引種栽培和保護提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

研究區(qū)域位于浙江臺州學院臨海校區(qū)瀕危植物園基地（28°87′N，121°17′E）。該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，光照充足，溫暖濕潤，四季分明。選取長勢一致的2 年生七子花扦插幼苗進行盆栽試驗，每個花盆栽種1 株，花盆上口徑23.50 cm、下口徑20.80 cm、高26.30 cm。供試土壤由泥炭土、黃壤土和河沙（體積比為6∶3∶1）混合而成。土壤的基本理化性質(zhì)：pH（6.89±0.03），硝態(tài)氮（0.01±0.00）mg·kg-1，全 氮（2.34±0.13）mg·g-1，速 效 磷（0.03±0.00）mg·kg-1，全磷（0.41±0.00）mg·g-1，速效鉀（1.00±0.02）mg·kg-1，全鉀（3.31±0.09）g·kg-1，有機質(zhì)（85.76±4.63）g·kg-1。

于2019 年3 月上旬，將七子花幼苗分別搬至不同孔徑和層數(shù)的遮陽網(wǎng)下進行光照控制試驗，分別設置全光照（100%光照）、中度遮蔭（60%遮蔭）和重度遮蔭（90%遮蔭）3 種處理。3 種光環(huán)境處理的光合有效輻射（PAR）和大氣溫度（Ta）日變化如圖1 所示，均呈“倒V 型”曲線。其中在中午12：00 前各處理的Ta值差異顯著，而到中午12：00左右達到最高值，隨后各處理的Ta值無顯著差異。試驗采用單因素完全隨機設計，每個處理5 個重復。遮蔭處理4 個月后對植株相關指標進行測定。

圖1 不同光環(huán)境條件下光合有效輻射（A）和大氣溫度（B）的日變化Fig.1 The diurnal changes of photosynthetically active radiation（A），air temperature（B）under different light conditions

1.2 測定指標與方法

1.2.1 光合日進程測定

于2019 年7 月上旬進行光合參數(shù)測定，選擇晴朗的天氣，用Li-6400XT 便攜式光合作用系統(tǒng)（Li-Cor，USA）從06：00—18：00 每2 h 測定葉片的光合指標。測定時選擇長勢一致、健壯的植株，從上往下第3 對功能葉，共3 個重復。測定參數(shù)包括凈 光 合 速 率（Pn，μmol·m-2·s-1）、氣 孔 導 度（Gs，mmol·m-2·s-1）、胞間CO2摩爾分數(shù)（Ci，μmol·mol-1）和蒸騰速率（Tr，mmol·m-2·s-1），計算水分利用效率（WUE，mmol·mol-1），WUE=Pn/Tr。同時記錄不同處理的環(huán)境因子參數(shù)，包括光合有效輻射（PAR，μmol·m-2·s-1）、大氣溫度（Ta，℃）等。

1.2.2 光合-光響應曲線測定

采用Li-6400XT 測定葉片光響應曲線，通過LED 紅藍光源設置13 個光合有效輻射，分別為2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20 和0 μmol·m-2·s-1，設置CO2摩爾分數(shù)400 μmol·mol-1，葉室溫度25 ℃，相對濕度（65±5）%，氣體流速500 μmol·s-1，測定前用1 500 μmol·m-2·s-1的誘導光強對葉片進行15 min 左右的光誘導，每個測量光強下穩(wěn)定2 min 后記錄數(shù)據(jù)。不同處理隨機選取3株，每株測量3個葉片，取平均值。根據(jù)Ye［17］的新型指數(shù)方程對光響應曲線進行擬合，同時計算出最大凈光合速率（Pnmax，μmol·m-2·s-1）、光補償點（LCP，μmol·m-2·s-1）、光飽和點（LSP，μmol·m-2·s-1）、暗呼吸速率（Rd，μmol·m-2·s-1）、表觀量子效率（AQY，μmol·mol-1）等參數(shù)。

1.2.3 光合-CO2響應曲線測定

利用Li-6400XT測定葉片CO2響應曲線，設置測定光強為1 500 μmol·m-2·s-1，該光強接近葉片的飽和光強，控制條件與光響應測定條件相同，以小鋼瓶內(nèi)液態(tài)CO2為氣源，設置CO2摩爾分數(shù)梯度為1 500、1 200、1 000、800、600、400、300、200、100、50 μmol·mol-1，每個CO2梯度穩(wěn)定2 min后記錄數(shù)據(jù)。不同處理隨機選取3株，每株測量3個葉片，取平均值。CO2響應曲線根據(jù)非直角曲線模型進行擬合，根據(jù)Farquhar等［18］、Long 等［19］修正后的生化模型，用Photosyn Assistant 1.1.2 軟件計算得到最大羧化速率（Vcmax，μmol·m-2·s-1）、最大電子傳遞速率（Jmax，μmol·m-2·s-1）、磷酸丙糖利用率（TPU，μmol·m-2·s-1）。

1.2.4 非結構性碳水化合物測定

采集七子花葉片后進行105 ℃殺青15 min，并于75 ℃烘干至恒重，隨后研磨過100目篩標記備用。稱取研磨樣品0.05 g，加入蒸餾水10 mL，沸水浴10 min后4 000 r·min-1離心10 min，上清液采用蒽酮法，利用紫外可見分光光度計測定625 nm下可溶性糖的吸光值，并計算其含量，通過沉淀物測定樣品中淀粉含量［20］。非結構性碳水合物含量為可溶性糖與淀粉含量之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同光環(huán)境處理對植株各參數(shù)指標的差異，若方差齊性用多重比較（LSD）進行顯著性分析，若方差不齊性用Tamhane’s T2 顯著性分析。用Pearson 相關性分析植株的可溶性糖、淀粉、非結構性碳水化合物、光合特性指標等參數(shù)之間的相關性。采用Excel 2010和Origin 8.5對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 遮蔭對七子花幼苗葉片光合作用參數(shù)的影響

圖2表明，不同光環(huán)境處理下七子花幼苗葉片的凈光合速率（Pn）日變化均呈“單峰型”曲線。整體而言，全光照和60%遮蔭處理間無明顯差異，但90%遮蔭處理下各時間段的Pn均顯著低于全光照和60%遮蔭處理。此外，胞間CO2摩爾分數(shù)（Ci）的日變化曲線與其Pn相反，呈“V 型”曲線。其中全光照處理的Ci在08：00—14：00顯著高于60%遮蔭處理，而90%遮蔭處理的Ci在各時間段均顯著高于全光照和60%遮蔭處理。全光照和60%遮蔭處理的氣孔導度（Gs）日變化為“雙峰型”曲線，而90%遮蔭處理的Gs日變化呈“單峰型”。各光環(huán)境處理的蒸騰速率（Tr）日變化均呈“單峰型”。

圖2 不同光環(huán)境條件下七子花葉片凈光合速率（A）、胞間CO2摩爾分數(shù)（B）、氣孔導度（C）和蒸騰速率（D）的日變化圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差；下同F(xiàn)ig.2 The diurnal changes of net photosynthetic rate（A），intercellular CO2 concentration（B），stomatal conductance（C），and transpiration rate（D）in leaves of H.miconioides seedlings under different light conditions Data in figure are mean±standard error；The same as below

從表1可知，各光環(huán)境處理中植株的Pn日均值大小順序為全光照>60%遮蔭>90%遮蔭，90%遮蔭較全光照和60%遮蔭處理分別下降了67.87%、65.28%。各處理中植株的Ci日均值大小順序為90%遮蔭>全光照>60%遮蔭，Gs日均值為全光照>90%遮蔭>60%遮蔭，Tr日均值為90%遮蔭最大，而全光照和60%遮蔭差異不顯著。90%遮蔭植株的水分利用效率日均值與全光照處理相比下降了80.06%，與60%遮蔭處理相比下降了74.53%。

表1 不同光環(huán)境條件對七子花葉片光合參數(shù)日均值的影響Table 1 Effects of different light conditions on daily mean value of photosynthetic parameters of H.miconioides

2.2 遮蔭對七子花幼苗葉片光合-光響應參數(shù)的影響

3 種光環(huán)境處理下七子花光響應曲線的變化趨勢基本一致（見圖3），隨著光合有效輻射的增加，Pn均表現(xiàn)為先增加后趨向穩(wěn)定，當PAR>400 μmol·m-2·s-1時，Pn的變化趨于平緩。光響應參數(shù)表明，與全光照相比，60%遮蔭處理下植株葉片的光補償點和暗呼吸速率均顯著降低，分別減少了64.86%、61.78%，而最大凈光合速率、光飽和點、表觀量子效率無顯著差異（見表2）。90%遮蔭處理下植株的Pnmax和LSP顯著低于全光照處理，分別下降了34.11%、28.55%。與60%遮蔭相比，90%遮蔭處理下植株的Pnmax顯著下降了25.26%，而LSP則差異不顯著。

圖3 不同光環(huán)境條件對七子花葉片光響應曲線的影響Fig.3 Effects of different light conditions on light response curves of H.miconioides

表2 不同光環(huán)境條件對七子花葉片光響應特征參數(shù)的影響Table 2 Effects of different light conditions on light response parameters of H.miconioides

2.3 遮蔭對七子花幼苗葉片光合-CO2響應參數(shù)的影響

七子花葉片光合-CO2響應曲線如圖4 所示，不同光環(huán)境處理下植株的Pn均隨著Ci濃度的增加而增大，當達到CO2飽和后，增加趨勢逐漸減慢，Pn趨于平緩。3 種處理中，60%遮蔭條件下CO2響應曲線值最高，其次是全光照，90%遮蔭最低。不同遮蔭處理對植株的CO2響應參數(shù)產(chǎn)生影響（見表3），其中90%遮蔭植株的最大羧化速率、最大電子傳遞速率、磷酸丙糖利用率分別較全光照處理減少了30.72%、29.85%、51.28%，較60%遮蔭處理減少了29.63%、27.63%、48.36%。整體而言，全光照和60%遮蔭處理下植株的CO2響應參數(shù)均無顯著差異。

圖4 不同光環(huán)境條件對七子花葉片CO2響應曲線的影響Fig.4 Effects of different light conditions on CO2 response curves of H.miconioides

表3 不同光環(huán)境條件對七子花葉片CO2響應特征參數(shù)的影響Table 3 Effects of different light conditions on CO2 response parameters of H.miconioides

2.4 遮蔭對七子花幼苗葉片非結構性碳水化合物含量的影響

由圖5可知，不同光環(huán)境處理下七子花植株葉片淀粉、可溶性糖和非結構性碳水化合物含量變化趨勢相似。在各處理中，60%遮蔭植株葉片的可溶性糖、淀粉和NSC 含量最高，分別為90%遮蔭的1.23倍、1.88倍、1.45倍，且差異顯著。而全光照與60%遮蔭處理下葉片的可溶性糖、淀粉和NSC含量無顯著差異。

圖5 不同光環(huán)境條件對七子花幼苗淀粉（A）、可溶性糖（B）和非結構性碳水化合物質(zhì)量分數(shù)（C）的影響Fig.5 Effects of different light conditions on starch（A），soluble sugar（B）and non-structural carbohydrate content（C）of H.miconioides

2.5 遮蔭處理下七子花幼苗光合參數(shù)與非結構性碳水化合物含量的相關性

由表4相關性分析表明，葉片的Pn與Vcmax、Jmax、可溶性糖含量、淀粉含量呈顯著正相關，與TPU和NSC含量呈極顯著正相關。NSC含量與Vcmax、Jmax呈顯著正相關，與TPU和淀粉含量呈極顯著正相關。

表4 不同光環(huán)境條件下七子花葉片光合參數(shù)與非結構性碳水化合物含量的相關性Table 4 Correlations coefficients of photosynthetic parameters and non-structural carbohydrate content of H.miconioi‐des under different light conditions

3 討論

光合作用是一系列復雜的生理過程，植物能通過改變自身光合特性來適應光環(huán)境的變化，其中葉片的光合能力與植株生長的速度密切相關［21］。本研究發(fā)現(xiàn)，3種光環(huán)境處理下七子花幼苗葉片的Pn日變化呈明顯“單峰型”曲線，且在全光照環(huán)境下七子花幼苗具有相對較高的Pn日均值，未出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象，表明夏季中午的自然強光并未對七子花幼苗光合器官造成明顯影響。這與連香樹［4］、長序榆［5］和堇葉紫金牛［6］等瀕危植物的研究結果相似，說明七子花幼苗對強光具有較強的耐受性和喜光性。60%遮蔭處理下，雖然七子花幼苗所處環(huán)境中光合有效輻射下降明顯，但幼苗仍能保持相對較高的日均Pn和WUE，表明七子花幼苗對外界光環(huán)境的變化也具有一定可塑性和適應能力。這與七子花種群野外自然分布的生境基本一致，對浙江天臺山七子花的群落結構調(diào)查發(fā)現(xiàn)，植株一般多居群落中喬木層第2 亞層，少量個體分布于喬木層第1亞層和灌木層中，種群呈斑塊狀分布于林內(nèi)，存在一定程度的遮蔭環(huán)境［22］。但隨著遮蔭程度的增加，在重度遮蔭處理下七子花葉片的Pn下降更顯著，此時光合有效輻射是幼苗光合作用的主要限制因子，說明七子花幼苗不耐蔭，在自然環(huán)境中林下幼苗的生長處于不利地位，常因光照不足而更新困難。

不同光照條件下七子花幼苗的光響應曲線特征值明顯不同。LCP反映植物對弱光的利用能力，LCP越低，植物呼吸消耗的能量少，有利于植物同化產(chǎn)物的積累；LSP反映植物對強光的利用能力，LSP越高，植物的耐光性越強，同時也表明植物在受到強光刺激時，不容易發(fā)生光抑制現(xiàn)象［23］。本研究中，不同光照處理下七子花幼苗的LSP為1 178.53～1 649.56 μmol·m-2·s-1，LCP為6.02～21.66 μmol·m-2·s-1，遮蔭處理下植株仍保持相對較高的LSP，表明七子花葉片對強光的利用能力較強。這與劉鵬等［16］對野外片段化生境中七子花最適光強（350～650 μmol·m-2·s-1）的研究結果不一致，這可能是野外七子花所處生境的濕度、光照、溫度等環(huán)境因子差異和長期光適應的結果導致，與本研究控制試驗條件不同，從而間接影響了植株的光合特性。通常認為，LCP和Rd是植物在弱光下的一種適應機制，在較低光照強度下葉片降低Rd和LCP來減少光合產(chǎn)物的消耗以維持碳平衡［24］。七子花幼苗在60%遮蔭處理下的LCP和Rd顯著低于全光照，且Pnmax無顯著差異，說明七子花幼苗具有一定的耐蔭性，適度遮蔭下植株增強對弱光的利用能力和減弱了呼吸作用的能量消耗。這與栓皮櫟（Quercus variabilis）和刺槐（Robinia pseudoacacia）在不同光環(huán)境下的光合作用研究結果相似，林內(nèi)葉片的Rd、LCP明顯低于林緣，其主要是通過減少碳損耗來適應較低的光合速率［25］。

植物的光合速率同時還受光合作用的基本底物CO2濃度的影響，其中Vcmax、Jmax以及TPU反應了植物對CO2的利用能力［26］。植物碳同化與Rubisco活性和RuBP 再生速率有關，葉片Vcmax的速率大小受到固定CO2的Rubisco 酶活性、數(shù)量的影響，葉片Jmax代表著RuBP 再生能力，為RuBP 再生的電子傳遞速率［26］。對瀕危植物閩楠（Phoebe bournei）的研究發(fā)現(xiàn)，遮蔭環(huán)境顯著增加了葉片Vcmax、Jmax，低光環(huán)境下這些指標的變化與葉綠素含量、光捕獲效率、Rubisco 酶活性和數(shù)量的提高密切相關［27］。但也有研究表明，光照不足會顯著影響植株葉片的Vcmax、Jmax和TPU，導致碳同化效率下降［5］。本研究中，重度遮蔭處理顯著降低了七子花幼苗葉片的Vcmax、Jmax和TPU，而60%遮蔭下各指標變化不明顯。說明七子花幼苗葉片在適應光環(huán)境變化過程中，適當遮蔭環(huán)境對其葉片碳同化效率影響不顯著。但隨著遮蔭程度的加劇，重度遮蔭對葉綠體內(nèi)固定CO2的Rubisco酶的活性或數(shù)量產(chǎn)生顯著抑制作用，較低的電子傳遞鏈使光合磷酸化和NADPH 的合成受阻，從而影響RuBP 再生能力，不利于碳同化進程。

NSC 是植物生長代謝過程中重要的能量供應物質(zhì)，其含量的高低是植物響應不良環(huán)境或潛在脅迫的一個重要策略［8］。遮蔭會打破植物體內(nèi)NSC 的動態(tài)收支平衡，不同植物表現(xiàn)出不同適應策略。對耐蔭植物而言，其生存機制主要是通過提高光截獲能力、養(yǎng)分存儲，降低呼吸強度、比葉面積、潛在相對生長率等維持體內(nèi)一定的NSC 濃度［3，28］。對非耐蔭植物而言，由于低光環(huán)境限制了幼苗NSC 的獲取，植株體內(nèi)碳的供需關系發(fā)生改變，導致碳饑餓不利于其生長發(fā)育［29］。劉青青等［30］研究表明輕度遮蔭處理下杉木（Cunning?hamia lanceolata）幼苗的NSC 含量能維持在一定水平，而在重度遮蔭下幼苗因碳收支平衡被破壞而影響幼苗的生長和生存。銳齒槲櫟（Quercus ali?enavar.acuteserrata）幼苗在嚴重遮蔭環(huán)境下植株的NSC 濃度均顯著低于對照處理，但光斑環(huán)境可緩解遮蔭對其幼苗碳儲備的不利影響［31］。本研究也有相似結果，60%遮蔭處理下七子花幼苗葉片淀粉、可溶性糖及NSC 含量較高，且LCP和Rd顯著低于全光照，故消耗的干物質(zhì)少從而可積累更多NSC，說明適度遮蔭有利于非結構性碳的轉(zhuǎn)化與光合產(chǎn)物的積累。但隨著遮蔭程度的增加，淀粉、可溶性糖及NSC 含量顯著降低，90%遮蔭處理下由于幼苗碳同化水平降低、較強的呼吸作用，導致碳消耗增加，從而不利于七子花幼苗的生長發(fā)育，這可能是七子花幼苗在天然種群更新困難，幼苗存活率低的原因之一。

4 結論

夏季七子花幼苗具有一定喜光性和耐蔭能力。隨著遮蔭程度的增加，七子花幼苗通過降低LCP和Rd等來適應弱光環(huán)境，維持較高的光合能力和NSC 含量。但重度遮蔭下七子花幼苗由于光合能力下降和碳收支不平衡，從而不利于植株的生長。光照不足可能是林下七子花幼苗更新困難的主要限制因子之一。因此，為滿足七子花幼苗生長發(fā)育的需求，夏季在人工繁殖育苗與遷地保護過程中建議有效光強輻射應保持在自然光照的40%以上。