郭小琰，雷京奇，劉靈娣，姜 濤，田 偉

(河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，河北石家莊 050051)

光合作用是綠色植物所特有的生命現(xiàn)象，是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，在林藥復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，下層弱光環(huán)境是抑制林下藥用植物光合作用的關(guān)鍵因素[1-2]。大多數(shù)藥用植物在自然群落中通常處于下層，一般都具有一定的耐陰特性[3]。植物耐陰性是植物為適應(yīng)遮陰環(huán)境的一種復(fù)合性狀，在植物群落生長動(dòng)態(tài)中起重要作用[4-5]。目前國內(nèi)外對(duì)耐陰性植物的研究涵蓋了多個(gè)層次，包括植物的形態(tài)特征、生理特征、個(gè)體發(fā)育等，但植物耐陰性受外界環(huán)境的影響表現(xiàn)出很大差異[6]，并且以往對(duì)植物耐陰性的研究主要集中在農(nóng)作物、地被植物、園林植物等方面[7-9]，在野外自然條件下，對(duì)林下藥用植物耐陰性的研究鮮見報(bào)道。因此，該研究以邢臺(tái)市內(nèi)丘縣東秋村的林藥復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了6種林下藥用植物(蒼術(shù)、黃精、桔梗、射干、紫蘇和玉竹)光合特性的變化，對(duì)比了6種植物的耐陰程度，以期獲得不同植物對(duì)生長環(huán)境光強(qiáng)的要求，為林藥復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地與材料試驗(yàn)于2021年9月2日在河北省邢臺(tái)市內(nèi)丘縣獐么鄉(xiāng)東秋村中藥材野生生長基地(114°21′E、37°32′N)進(jìn)行，海拔為560～570 m。該試驗(yàn)選擇野生生長、長勢均勻、無病蟲害的蒼術(shù)[Atractylodeschinensis(DC.)Koidz.]、黃精(PolygonatumsibiricumRed.)、桔梗[Platycodongrandiflorum(Jacq.)A.DC.]、射干[Belamcandachinensis(L.)DC.]、紫蘇[Perillafrutescens(L.)Britt.]、玉竹[Polygonatumodoratum(Mill.)Druce]6種林下藥用植物作為試驗(yàn)材料。選擇晴朗無風(fēng)的天氣進(jìn)行測定，所選葉片均為完整、成熟且長勢一致的葉片。

1.2 測定指標(biāo)與方法

1.2.1葉片光合指標(biāo)測定。選擇晴朗無云的天氣，使用Li-6400便攜式全自動(dòng)光合測定系統(tǒng)(美國LI-COR公司生產(chǎn))，設(shè)置固定光強(qiáng)500 μmol/(m2·s)，對(duì)6種試驗(yàn)材料進(jìn)行凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率等生理學(xué)指標(biāo)的測定。測量時(shí)間控制在09：00—11：00和13：00—15：00。測定的同時(shí)還要記錄空氣濕度、大氣溫度、葉片溫度等環(huán)境因子，水分利用效率為凈光合速率與蒸騰速率的比值。每種植物選擇6片完整、成熟且長勢一致的葉片進(jìn)行測定，每片葉重復(fù)3次。

1.2.2葉片光合色素含量測定。采用紫外分光光度計(jì)法(TU1800，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)測定光合色素含量。每種植物選擇6片長勢均勻、生長健康的葉片，清理干凈后去除葉脈并剪成1 mm寬的細(xì)條，稱取0.1 g放至95%乙醇浸提液中，在室溫下用錫箔紙包裹并放置暗處，放置期間不定時(shí)搖勻，浸提24 h，待葉片完全發(fā)白后，用紫外可見分光光度計(jì)對(duì)提取液在665、649、470 nm波長下進(jìn)行比色，記錄各波長下的消光值(OD值，即ABS值)，每個(gè)樣品進(jìn)行3次重復(fù)測定。其中光合色素含量的計(jì)算公式如下：

Ca=13.95OD665-6.88OD649

(1)

Cb=24.96OD649-7.32OD665

(2)

Cxc=(1 000OD470-2.05Ca-114.8Cb)/245

(3)

式中，Ca、Cb為葉綠素a、葉綠素b的濃度(mg/L)。Cxc為類胡蘿卜素的總濃度(mg/L)。

樣品中各色素的含量計(jì)算公式如下：

色素含量(mg/g)=色素濃度(mg/L)×提取液體積(L)×稀釋倍數(shù)/樣品鮮重(g)

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析使用Excel 2019、SPSS 26.0、Origin 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林下6種藥用植物的光合參數(shù)由圖1可知，林下6種藥用植物中，紫蘇的凈光合速率最大，其次是桔梗、蒼術(shù)、玉竹和黃精，射干的凈光合速率最小。其中紫蘇的凈光合速率顯著高于其他5種植物，并與它們之間都存在顯著差異。

對(duì)比林下6種植物之間的氣孔導(dǎo)度變化(圖1)發(fā)現(xiàn)，蒼術(shù)與玉竹的氣孔導(dǎo)度差異不大，玉竹與射干的氣孔導(dǎo)度差異不大，射干與桔梗的氣孔導(dǎo)度差異較小，紫蘇的氣孔導(dǎo)度最大，且顯著高于其他5種植物，黃精的氣孔導(dǎo)度最小。

對(duì)比林下6種植物的蒸騰速率(圖1)發(fā)現(xiàn)，蒼術(shù)和紫蘇的蒸騰速率無顯著差異，但顯著高于其他4種植物，玉竹、桔梗和射干的蒸騰速率差異不明顯，黃精的蒸騰速率最小，且顯著低于其他5種植物，與氣孔導(dǎo)度的變化規(guī)律有相似之處。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Note：Different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05).圖1 6種藥用植物凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率、蒸騰速率的比較Fig.1 Comparison of net photosynthetic rate，stomatal conductance，water use efficiency and transpiration rate of six medicinal plants

黃精的凈光合速率雖然較小，但同時(shí)它的蒸騰速率也明顯低于其他5種植物，它能通過較小的蒸騰速率來減少水分散失，因此其水分利用效率反而最高。射干的凈光合速率最小，蒸騰速率較高，因此其水分利用效率反而最低。在這6種植物中，黃精、紫蘇和桔梗的水分利用效率差異不顯著，蒼術(shù)和玉竹的水分利用效率差異不大，射干的水分利用效率最低，且顯著低于其他5種植物。

2.2 林下6種藥用植物的光合色素含量光合色素含量是植物葉片適應(yīng)外部生長環(huán)境條件的特征之一。從表1可以看出，6種藥用植物的光合色素含量指標(biāo)均存在差異。6種藥用植物的葉綠素a含量在0.67～2.57 mg/g，葉綠素b含量在0.26～0.94 mg/g，類胡蘿卜素含量在0.22～0.57 mg/g。黃精的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均顯著高于其他5種植物，射干的葉綠素含量顯著低于其他5種植物。6種植物之間的葉綠素a/b沒有顯著差異，且比值均在2～3。

表1 林下6種藥用植物的光合色素含量(n=3)

2.3 林下6種藥用植物耐陰性的聚類分析影響植物耐陰性的因素有很多，從不同因素和不同角度進(jìn)行分析，得到的結(jié)果可能會(huì)有所不同。在生長環(huán)境和林下植被覆蓋度基本一致的前提下，該研究用光合參數(shù)指標(biāo)和光合色素含量指標(biāo)作為綜合變量對(duì)6種植物進(jìn)行最鄰近聚類分析，其中光合參數(shù)指標(biāo)為凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用效率，光合色素含量指標(biāo)為葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、葉綠素a/b、類胡蘿卜素。分析結(jié)果如圖2，當(dāng)用光合色素含量指標(biāo)和光合參數(shù)指標(biāo)聚合距離為30時(shí)，這6種藥用植物可分為3類，桔梗、黃精為一類，這類植物耐陰性較強(qiáng)；玉竹、紫蘇和蒼術(shù)為一類，這類植物耐陰性一般；射干為單獨(dú)一類，這類植物耐陰性較弱；綜合指標(biāo)聚類分析結(jié)果與實(shí)際情況較相符。

圖2 6種植物耐陰性的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of 6 species of plants with shade tolerance

3 討論與結(jié)論

林下植物的耐陰性是植物的重要性狀，主要是由其遺傳特性和對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)性決定的。在林藥復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，下層環(huán)境一般光照較弱，弱光環(huán)境限制了植物葉片的光合作用，而植物能通過生理和形態(tài)的調(diào)整來適應(yīng)弱光環(huán)境：一方面可以通過增加葉綠素含量來增強(qiáng)利用弱光的能力，進(jìn)而提高光能利用效率[10]；另一方面可以通過降低呼吸來減少其生長的能量消耗，使光合作用積累的有機(jī)物以最大量儲(chǔ)存在光合組織中[11]。

葉綠素在植物的光合作用中起重要作用，主要由葉綠素a和葉綠素b組成。一般來說，耐陰性越強(qiáng)的植物，葉綠素b含量越高，對(duì)林下散射光的利用效率越高，更能充分捕獲林中透過的藍(lán)紫光，獲得更多的光能[12]。該研究中，通過測定相同遮陰度下不同植物的光合色素含量，發(fā)現(xiàn)葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量由高到低均為黃精、桔梗、紫蘇、玉竹、蒼術(shù)和射干，這與綜合聚類分析的結(jié)果一致，可見葉綠素含量指標(biāo)能較好地區(qū)分植物的耐陰性。

除了葉綠素含量，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等也常被用來衡量植物的耐陰特性。植物能否適應(yīng)外部環(huán)境的生長，光合參數(shù)就能較好地反映出來。通常耐陰植物的凈光合速率較小，光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)也較小，陽生植物則相反[13-14]。6種林下藥用植物的光合測定結(jié)果表明，黃精和射干的凈光合速率較小，屬于耐陰性較強(qiáng)的植物；紫蘇和桔梗的凈光合速率較大，屬于耐陰性較弱的植物，這與綜合聚類分析結(jié)果不太一致，因此不能單獨(dú)用光合參數(shù)指標(biāo)對(duì)植物的耐陰性進(jìn)行分類判別。

植物的耐陰性是受多種因素影響的，用單一指標(biāo)很難準(zhǔn)確評(píng)定，在藥用植物種植過程中，了解各種植物的生長習(xí)性是種植的基礎(chǔ)。聚類分析是統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的分類方法，在科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，此方法具有較高的可信度。為了準(zhǔn)確地對(duì)6種林下藥用植物進(jìn)行聚類，該研究選擇光合色素含量指標(biāo)和光合參數(shù)指標(biāo)共同作為聚類分析的因素變量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，6種林下藥用植物可分為3類，第1類為耐陰性較強(qiáng)的桔梗和黃精；第2類為耐陰性一般的玉竹、紫蘇和蒼術(shù)；第3類為耐陰性較弱的射干，這一結(jié)論與6種植物的實(shí)際情況較相符。因此，在林藥復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，應(yīng)適當(dāng)種植耐陰性較強(qiáng)的黃精和桔梗，該研究為推薦耐陰性藥用植物種類提供科學(xué)依據(jù)，也為林藥復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建提供技術(shù)支撐。