鄒海冬，韓陽媚，歐陽嗣航，劉葉凡，陳海鵬，李玉靈

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000)

光照可以通過光合作用影響植物的生長發(fā)育。然而，對于植物而言，光照既是必不可少的資源，又易對植物造成脅迫。如對于耐陰樹種而言，植物間的遮陰可以促進(jìn)其生長[1]；而對于喜光樹種，弱光條件下的光照作為有限的資源，可能引起植物間的競爭[2]。但是，過量的光照會(huì)引起包括光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)在內(nèi)的植物細(xì)胞組織損傷，進(jìn)而降低光合作用的效率,而植物也會(huì)通過多種措施減少光脅迫對植物產(chǎn)生的影響[3]。從形態(tài)結(jié)構(gòu)上，植物可以通過葉形差異或葉片傾角不同，避免吸收過多的光照，進(jìn)而提高對光照資源的合理利用，如胡楊垂直冠層自上而下分別為闊葉、卵圓形和披針形，及冠層中部出現(xiàn)少量的腎性葉和菱形葉等過渡葉，這種同一株植物上生長不同形狀葉片的現(xiàn)象，稱為異形葉性(Heterophylly)[4-8]。此外，植物也會(huì)通過生理活動(dòng)減少光脅迫對植物帶來的不利影響。當(dāng)植物吸收過多的光照時(shí)，可以通過葉黃質(zhì)循環(huán)等光保護(hù)機(jī)制，將光照以熱量的形式耗散出去[9]。因此，探明光照在植物葉片異型分化中的作用及植物對光環(huán)境的響應(yīng)情況，對更好的調(diào)控植物生長具有重要意義。

臭柏，學(xué)名叉子圓柏(Sabinavulgaris)，柏科(Cupressaceae)刺柏屬(Juniperus)常綠匍匐狀小灌木，其冠層高度一般不超過1.5 m，因其生命力極強(qiáng)、適生范圍廣泛、生態(tài)功能良好，對于我國北方干旱和半干旱地區(qū)的植被恢復(fù)、防風(fēng)固沙、園林綠化等均有重要作用[10-12]。但是，不同發(fā)育階段臭柏對于光照條件的適應(yīng)性有所差異。天然更新下的幼齡臭柏必須依靠烏柳等灌叢形成的遮陰環(huán)境才能正常生長，而成年臭柏則因完全適應(yīng)強(qiáng)光環(huán)境而取代“保姆植物”，形成灌木純林，其葉形也從以刺葉為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐憎[葉為主，為典型異形葉性植物[11-13]。因此，基于本課題組前期研究結(jié)果，通過臭柏盆栽試驗(yàn)，研究10%和100%光照環(huán)境下1年生和3年生臭柏典型鱗葉和典型刺葉空間分異特征和光合生理特性，為異形葉分異及其對光環(huán)境適應(yīng)性提供理論依據(jù)[12，14-15]。

1 材料與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為河北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場第三分廠(E 115°24′33″，N 38°48′20″)，位于保定市南部地區(qū)，該地區(qū)屬于暖溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)。

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)苗木為臭柏扦插苗，由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)清西陵教學(xué)林場臭柏苗木繁育圃提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2021年4月29日，1年生臭柏和3年生臭柏扦插苗分別盆栽100株。本試驗(yàn)所用土壤為田間壤土。花盆容量為21 L，半埋入土中。臭柏株行距為50 cm×80 cm，露天栽植。

2021年5月29日，臭柏緩苗滿1月后，開始進(jìn)行遮光處理?；谇捌谘芯拷Y(jié)果[12,14-15]，按照兩因子完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將1年生和3年生臭柏扦插苗雄株作為2個(gè)苗齡組，用黑色塑料遮陽網(wǎng)設(shè)置透光率10%光照(遮光)處理，100%光照(全光)處理，則不進(jìn)行遮光處理。每個(gè)苗齡、每個(gè)處理50盆。

1.3 測定方法

1.3.1 臭柏異形葉空間分異 每個(gè)處理選擇15株長勢健康的臭柏，每株臭柏冠層分為上、中、下3個(gè)部位。自9月起，每7 天記錄1次臭柏1級側(cè)枝上典型刺葉小枝和典型鱗葉小枝的數(shù)量(后文均簡稱為鱗葉和刺葉，且不區(qū)分不同大小和葉片傾角的刺葉，統(tǒng)記為刺葉)，每個(gè)部位記錄5枝1級側(cè)枝。

1.3.2 臭柏異形葉光合生理特性 2021年9月，選擇晴朗無風(fēng)的天氣進(jìn)行臭柏光合生理參數(shù)測定。每個(gè)處理下選取長勢健康且具有代表性3株臭柏，使用Li-6800便攜式光合儀(Li-Cor，Lincoln,NE，美國)對臭柏異形葉進(jìn)行光合指標(biāo)的測定。分別選取1年生臭柏冠層下部的鱗葉和上部的刺葉，3年生臭柏冠層上部的鱗葉和下部的刺葉進(jìn)行測量。

測定光合特性包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)，測量時(shí)間為8：00-18：00，每2 h測定1次，重復(fù)數(shù)為3，并計(jì)算水分利用效率(WUE=Pn/Tr)和氣孔限制值[Ls=(Ca-Ci)/Ca)，Ca為大氣CO2濃度][16]。測定光合特性同時(shí)記錄部分葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率[Fv′/Fm′=(Fm′-Fo′)/Fm′]、電子傳遞效率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)。光合生理測定結(jié)束后，用錫紙將臭柏葉包裹住，進(jìn)行30 min暗適應(yīng)，隨后測定暗適應(yīng)下最小初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)，并計(jì)算暗適應(yīng)下光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學(xué)效率[Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm]和PSⅡ潛在活性[Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo][17-18]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。使用SPSS 24.0進(jìn)行多因素方差分析，其中正態(tài)性檢驗(yàn)采用Shapiro-Wilk方法，方差齊性檢驗(yàn)采用Levin等同性檢驗(yàn)，采用一般線性模型的單變量功能檢驗(yàn)主效應(yīng)和交互效應(yīng)，對于主效應(yīng)和交互效應(yīng)顯著(P<0.05)，繼續(xù)簡單效應(yīng)的檢驗(yàn)；使用Origin 8.6軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 空氣溫度和不同光照環(huán)境下光合有效輻射變化

試驗(yàn)期間空氣溫度和光合有效輻射日變化，見圖1。

圖1 空氣溫度和光合有效輻射日變化

由圖1可知，光合有效輻射和空氣溫度日變化均為單峰曲線。全光環(huán)境下光合有效輻射峰值出現(xiàn)在12：00，達(dá)到1 700 μmol/(m2·s)，遮陰環(huán)境的光合有效輻射為全光環(huán)境0～20%之間，遮陰處理符合預(yù)期效果；空氣溫度峰值出現(xiàn)在14：00，達(dá)到31.42 ℃，其峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于光合有效輻射峰值出現(xiàn)的時(shí)間。

2.2 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉空間分異特征

不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉空間分異特征，見表1。臭柏鱗刺比的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，見表2。

表1 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉空間分異特征

表2 臭柏鱗刺比的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

由表1可知，1年生臭柏僅全光環(huán)境下冠層下部鱗刺比顯著高于其冠層上、中部，而遮光處理顯著降低了1年生臭柏冠層上、下部的鱗刺比，因此遮光處理對1年生臭柏異形葉分異的影響高于葉片部位對鱗刺比的影響。全光和遮光環(huán)境下，3年生臭柏冠層自上而下鱗刺比均顯著減少，但僅遮光環(huán)境下3年生臭柏冠層上部顯著低于全光環(huán)境下3年生臭柏冠層上部，因此葉片所處部位對3年生臭柏異形葉分異的影響高于遮光處理的影響。而除全光環(huán)境下3年生臭柏冠層下部鱗刺比顯著低于全光環(huán)境下1年生臭柏冠層下部鱗刺比外，相同光照環(huán)境相同冠層下其余處理均3年生臭柏鱗刺比高于1年生。因此，1年生臭柏處于異形葉分異的關(guān)鍵時(shí)期，而3年生臭柏完成異形葉分異過程，以鱗葉為優(yōu)勢葉片，且葉片所處冠層位置成為主要影響因素。

由表2可知，苗齡、透光率和葉片部位主效應(yīng)均對鱗刺比有顯著影響，且苗齡、透光率和葉片部位兩兩之間的交互效應(yīng)及三者間的交互效應(yīng)均達(dá)到顯著水平。因此本次試驗(yàn)中，苗齡、透光率和葉片部位的主效應(yīng)及其交互效應(yīng)均能影響臭柏異形葉空間分異。

2.3 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉光合特性

不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉凈光合速率和氣孔限制值日變化，見圖2。

圖2 不同光照條件下不同苗齡臭柏異形葉凈光合速率和氣孔限制值日進(jìn)程曲線

由圖2-a所知，100%光照環(huán)境下1年生臭柏鱗葉和刺葉和10%光照環(huán)境下1年生臭柏刺葉凈光合速率(Pn)均為雙峰曲線，即出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，而由圖2-c可知，100%光照環(huán)境下，1年生臭柏鱗葉和刺葉“午休”時(shí)相應(yīng)的氣孔限制值(Ls)較高，因此，全光環(huán)境下1年生臭柏刺葉和鱗葉“午休”現(xiàn)象出現(xiàn)與氣孔限制有關(guān)；而遮陰處理下，1年生臭柏刺葉“午休”時(shí)相應(yīng)的Ls較低，因此,導(dǎo)致1年生臭柏刺葉出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象的原因不是氣孔限制。而100%光照環(huán)境下3年生臭柏刺葉Pn也出現(xiàn)了“午休”現(xiàn)象(圖2-b)，此時(shí)相應(yīng)的Ls較高(圖2-d)，因此氣孔導(dǎo)度降低引起了全光環(huán)境下3年生臭柏刺葉“午休”現(xiàn)象的出現(xiàn)；雖然10%光照環(huán)境下3年生臭柏鱗葉Pn出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象(圖2-b)，但Ls日變化不顯著(圖2-d)，因此，氣孔導(dǎo)度不是10%光照環(huán)境下3年生臭柏鱗葉Pn出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象的原因(圖2-b)。此外，1年生鱗葉在全光環(huán)境下出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，在遮光環(huán)境下未出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象(圖2-a)。而3年生臭柏鱗葉在遮光環(huán)境下出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，在全光環(huán)境下未出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象(圖2-b)。因此，同為鱗葉，但是隨著苗齡的改變，臭柏鱗葉對不同光環(huán)境的響應(yīng)出現(xiàn)了差異；而僅遮光環(huán)境下3年生臭柏刺葉未出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，其余臭柏刺葉處理均出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象(圖2-a,2-b)。另外，10%光照環(huán)境下1年生臭柏鱗葉和刺葉的Pn均較低，而3年生臭柏鱗葉Pn因遮光處理而降低，3年生臭柏針葉在10%和100%光照環(huán)境下Pn僅在12：00有所差距(圖2-a,2-b)。因此,臭柏刺葉也隨著苗齡的增加而對光環(huán)境的響應(yīng)有所差異。

不同光照環(huán)境下臭柏異形葉光合生理參數(shù)日均值，見表3。臭柏異形葉光合特性主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，見表4。

表3 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉光合生理特性

表4 臭柏異形葉光合特性主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

由表3可知，在全光和遮光環(huán)境下，1年生臭柏刺葉凈光合速率(Pn)顯著高于鱗葉，此外，遮光環(huán)境下刺葉胞間CO2濃度(Ci)、水分利用效率(WUE)顯著高于鱗葉(P<0.05)。而遮光處理顯著降低了1年生臭柏鱗葉的Pn、WUE、氣孔限制值(Ls)，提高了其Ci；遮光處理還顯著降低了1年生臭柏刺葉的Pn、蒸騰速率(Tr)。由此，遮光和葉形雖然對1年生臭柏葉片光合生理存在交互作用，但遮光對1年生臭柏葉片光合生理特性影響比葉形更顯著，且遮光處理對1年生臭柏鱗葉光合生理特性影響大于刺葉。全光環(huán)境下，3年生臭柏鱗葉Pn和WUE顯著高于刺葉，遮光環(huán)境下，3年生臭柏鱗葉Tr、Ci和Ls均有顯著差異。而遮光處理僅顯著增加了3年生臭柏刺葉的Ci，對其余3年生臭柏刺葉光合生理指標(biāo)影響不顯著，對除氣孔導(dǎo)度(Gs)外其余3年生臭柏鱗葉光合生理指標(biāo)影響均顯著。因此，葉形對3年生臭柏葉片光合生理影響比遮光處理更顯著。

由表4可知，本次試驗(yàn)葉形和苗齡單因素僅對Pn和WUE存在顯著影響，透光率單因素除對Gs無顯著影響外，對其余光合生理參數(shù)均有顯著影響(P<0.05)。葉形和苗齡雙因素交互作用對臭柏異形葉Pn、Ci、WUE有顯著影響，葉形和透光率雙因素交互作用對臭柏異形葉Pn、WUE、Ls有顯著影響，而苗齡和透光率雙因素交互作用僅對Pn有顯著影響。葉形、苗齡、透光率三者間對除Gs外的光合生理指標(biāo)均有顯著交互作用。因此研究臭柏異形葉光合特性差異時(shí)，應(yīng)兼顧光照環(huán)境主效應(yīng)及其與苗齡、葉形的交互效應(yīng)。

2.4 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)

不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)日均值，見表5。臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，見表6。

表5 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)

表6 臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

由表5可知，全光環(huán)境下1年生臭柏鱗葉電子傳遞效率(ETR)和實(shí)際光化學(xué)效率(Fv′/Fm′)顯著高于刺葉，遮光環(huán)境下1年生臭柏刺葉非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)顯著低于鱗葉。而遮光處理顯著降低了1年生臭柏鱗葉ETR，顯著增加了Fv′/Fm′和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)；遮光處理顯著降低了1年生臭柏刺葉ETR和NPQ，顯著增加了Fv′/Fm′和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)。因此，1年生臭柏葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)受到遮光處理的影響大于葉形間差異帶來的影響。全光環(huán)境下3年生臭柏鱗葉和刺葉ETR，F(xiàn)v′/Fm′和NPQ均有顯著差異；遮光環(huán)境下3年生臭柏鱗葉和刺葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)無顯著差異。而遮光處理顯著降低了3年生臭柏鱗葉ETR，顯著提高了Fv′/Fm′和qP；遮光處理顯著提高了3年生臭柏刺葉Fv′/Fm′和qP，顯著降低了NPQ。因此，遮光處理對3年生臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響也高于葉形間差異。

由表6可知，葉形、苗齡和透光率對臭柏暗適應(yīng)下Fv/Fm和Fv/Fo均無顯著主效應(yīng)和交互效應(yīng)，而葉形、光照和苗齡對臭柏葉片的主效應(yīng)及交互效應(yīng)主要集中在光環(huán)境下葉綠素?zé)晒鈪?shù)。其中，葉形單因素主要影響臭柏異形葉ETR和Fv′/Fm′，苗齡單因素僅對NPQ存在顯著影響，透光率對ETR，F(xiàn)v′/Fm′，qP，NPQ均存在顯著影響。葉形和苗齡雙因素交互作用對臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)均沒有顯著影響，葉形和透光率雙因素交互作用對ETR，F(xiàn)v′/Fm′，qP，NPQ均存在顯著影響，苗齡和透光率雙因素交互作用對ETR，qP，NPQ存在顯著影響。葉形、苗齡和透光率三因素交互作用僅對ETR存在顯著影響。因此，光照環(huán)境變化對臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)產(chǎn)生主要影響。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

植物異形葉分異受到多種因素調(diào)控，如生長環(huán)境、生理活動(dòng)和遺傳機(jī)制的差異等[19-21]。本次試驗(yàn)通過研究光照、苗齡和葉片所處空間位置對臭柏異形葉鱗刺比影響，發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度是影響1年生臭柏異形葉空間分異的主要因素，為生態(tài)異形葉性[8]；而葉片所處空間位置是影響3年生臭柏空間分異的主要因素，為系統(tǒng)發(fā)育異形葉性[22]。這與胡楊異形葉性相異，其幼苗為條形葉，幼樹兼有條形葉和披針形葉，成樹自樹冠下層至樹冠上層分布披針形、卵圓形和闊葉等異形葉，由系統(tǒng)發(fā)育異形葉性轉(zhuǎn)為生態(tài)異形葉性[5-6]。本次試驗(yàn)中，臭柏鱗葉和刺葉在1年和3年2個(gè)苗齡下對光環(huán)境適應(yīng)性的差異也表明，臭柏異形葉在冠層上分布的差異與其葉片光合生理分異有關(guān)；相較于1年生臭柏刺葉，3年生臭柏刺葉在全光和遮光環(huán)境下凈光合速率沒有顯著差異。因此，臭柏刺葉隨著苗齡的增加由喜陽轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢ǖ哪完幮?，?年生和3年生臭柏鱗葉在全光環(huán)境下凈光合速率均顯著高于遮光環(huán)境。在本次試驗(yàn)中2種苗齡臭柏鱗葉均表現(xiàn)出喜陽性，2種葉片對光環(huán)境適應(yīng)的分異也進(jìn)一步導(dǎo)致1年生和3年生臭柏在冠層上分布的差異；1年生臭柏正處于葉片分異的關(guān)鍵時(shí)期，3年生臭柏完成葉片分異，冠層由上而下，鱗刺比逐漸降低。

3.2 結(jié)論

通過對10%和100%光照環(huán)境下1年生和3年生臭柏異形葉空間分異研究發(fā)現(xiàn)，苗齡、透光率和葉片部位單因素均對臭柏異形葉鱗刺比有顯著影響，且雙因素交互及三因素交互效應(yīng)也對臭柏異形葉鱗刺比存在顯著影響。1年生臭柏異形葉正處于分異的關(guān)鍵時(shí)期，空間分異受到光照環(huán)境的調(diào)控；3年生臭柏異形葉已完成空間分異，鱗刺比由冠層上部至冠層下部逐漸降低。

臭柏光合特性研究結(jié)果表明，透光率單因素對臭柏異形葉光合特性影響多于苗齡和葉形單因素的影響，雙因素交互作用對臭柏異形葉光合特性影響較小，但三因素交互作用對臭柏光合特性存在影響。簡單效應(yīng)分析表明，遮光處理是影響1年生臭柏異形葉光合特性主要因素，而3年生臭柏異形葉光合特性影響因素則為葉形間的差異。

臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)研究結(jié)果表明，透光率單因素對臭柏異形葉光合特性影響多于苗齡和葉形單因素的影響；雙因素交互作用中，葉形和透光率、苗齡和透光率雙因素交互作用對臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響多于葉形和苗齡雙因素的交互作用；三因素交互作用僅對電子傳遞效率存在顯著作用；且苗齡、透光率、葉形三因素的主效應(yīng)及交互效應(yīng)對臭柏異形葉暗適應(yīng)下葉綠素?zé)晒鈪?shù)均沒有顯著影響。簡單效應(yīng)分析結(jié)果表明，1年生和3年生臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要受到透光率的影響，受到苗齡和葉形的影響較小。

綜上，1年生臭柏正處于分異的關(guān)鍵時(shí)期，較易受到環(huán)境因素的影響；而3年生臭柏已完成葉形分異，其鱗葉在數(shù)量和生理上均存在優(yōu)勢，刺葉則表現(xiàn)出耐陰性。