光照增強對林下云錦杜鵑樹苗光合作用的影響

柯世省，張云生

（1.臺州學院生命科學學院，浙江 臺州 318002；2.浙江省臺州市椒江區林業特產總站，浙江 臺州 318000）

云錦杜鵑（Rhododendron fortunei）為杜鵑花科（Ericaceae）杜鵑花屬常綠灌木或小喬木，是常綠杜鵑亞屬中最原始的一個類群[1]，自然分布于長江流域各省，生于海拔400 ～ 1 900 m的溝谷闊葉林或山頂灌草叢，生境陰涼潮濕，雨水充沛。云錦杜鵑為常綠樹種，葉片壽命2 ～ 3 a，每年3月底新葉開始長出，枝條和葉片生長迅速，5月中上旬開花，花期約半個月，6月中上旬葉片基本成熟，新葉不再長出。云錦杜鵑適宜作觀花或觀葉植物，是一種觀賞價值高、開發潛力大的園林樹種[2]。在自然條件下，云錦杜鵑在林窗、林緣和林下均可生長，但林下生長緩慢，開花數目極少。云錦杜鵑種子掉落后萌發成為幼苗，絕大部分的幼苗見于林下。

在良好的森林生態系統中，林下的光照水平往往不足冠層的 5%，成為植物生長的嚴重制約因素。由于森林生境片段化、冠層樹木倒伏或斷枝等原因形成新的林窗，使得原林下的光照突然和劇烈地增強，而原林下生長的植物能否適應這樣的變化將成為影響植株生長的關鍵因素。當植物生長環境從低光強轉變為高光強時，正在展開或新長出的葉片可能會適應高光強，但在林下已發育成熟的葉片則往往會遭受一段時間的光抑制，導致光合速率的降低和光合器官的損傷[3]。隨著強光照射時間的延長（兩周或更久），不同種類植物在林下發育成熟的葉片的光合作用光抑制的持續時間差異甚大，有些種類會遭受長期的光抑制，而有些種類的光合速率會回復到初始值或者更高，也有一些植物在強光照射下甚至不會出現明顯的光抑制[4]。對于具有明顯光抑制的植物而言，耐蔭植物往往比通常生長在高光環境中的植物更容易發生光抑制。因此，林下植物的種類和其葉片的發育程度決定著光抑制的嚴重程度并成為該植物能否適應光照增強這種新生長環境的重要限制因素。本文以林下生長的云錦杜鵑樹苗為材料，模擬林窗和林緣生境，研究不同光照強度對其成熟葉片光合作用的影響，并與長期生長在這三種光環境下的云錦杜鵑進行比較，探討其光適應能力和機制，也為園林建設中云錦杜鵑樹苗的移栽提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 樣地選擇和材料處理

研究在浙江省天臺縣華頂國家森林公園云錦杜鵑林進行。海拔約900 m，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年降水量1 700 mm，年平均相對濕度85%以上，年平均氣溫13℃，無霜期約230 d。山地土壤系水成巖及火成的花崗巖母質上發育的黃壤土，土層厚30 ～ 100 cm，尚屬濕潤肥沃。與云錦杜鵑伴生的主要種類有金鐘花（Forsythia viridissima）、灰白蠟瓣花（Corylopsis glanduliferavar.hypoglauca）、綠葉甘橿（Lindera fruticosavar.fruticosa）、半邊月（Weigela japonicavar.sinica）、白檀（Symplocos paniculata）、山橿（Lindera reflexa）、黃山松（Pinus taiwanensis）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、檫木（Sassafras tzumu）等。2012年3月上旬，即云錦杜鵑新葉未長出前，在云錦杜鵑林林下挖取4 ～ 5年生云錦杜鵑樹苗（約50 cm高）移栽到塑料花盆中，一盆一株，共50盆。各將10盆放置于云錦杜鵑林的林窗和林緣生境中，另30盆置于林下。林窗生境能接受到約7 h/d的陽光直接照射（高光強，H），林緣生境在中午前陽光直接照射約4 h（中光強，M），林下生境的光強約為林窗的5%（低光強，L）。當年7月初，當年生葉片成熟后，分別將置于林下的樹苗各10盆轉移到林窗（L-H）和林緣（L-M）生境中，留下10盆仍放置于林下（L）作為對照。

1.2 光合作用光響應測試

于植株轉移前和轉移后每隔5 d對各生境植株當年生成熟葉片進行持續30 d的光響應測試，測試在控制條件下進行。用Li-6400XT型光合測定儀（Li-Cor，Lincoln，Nebraska，USA）控制葉室溫度為25℃，進氣CO2濃度為350 μmol/mol，由儀器配備的LED提供光源，測試光強分別為2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20和0 μmol·m－2·s－1。測得從低到高一系列光合有效輻射下葉片的凈光合速率。利用光合助手軟件（LI-COR Application Note #105）擬合光響應曲線，求得表觀量子效率（AQY）、光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）、暗呼吸速率（Rd）和最大凈光合速率（Pnmax）。

1.3 葉綠素熒光參數測定

凌晨，用OS30P型葉綠素熒光儀（OPTI-sciences，USA）采用快速動力學法測定最大光化學效率（Fv/Fm），所測葉片與測定光合作用光響應的相同，測定前將葉片夾入暗適應夾2 h。

轉移后第30 d，按Pastenes等[5]的方法用FMS-2便攜式調制熒光儀（Hanstech, UK）測定葉綠素熒光參數，計算實際光化學效率（PhiPSⅡ）、光化學淬滅系數（qP）和非光化學淬滅系數（qN），所測葉片與測定光合作用光響應的相同。

1.4 其他參數測定

光合作用測定結束后，采集樣品葉帶回實驗室。用WinFOLIA系統（Regent，Canada）測定葉面積，在60℃烘箱中干燥48 h后稱重，計算比葉重（LMA）。干燥樣品粉碎后用微量凱氏定氮法測定葉片單位重量氮含量，根據葉片的LMA換算為單位面積氮含量（Narea）。葉綠素但用丙酮提取，比色法測定[6]。

1.4 數據的統計分析

試驗設5個重復，用DPS軟件對實驗結果進行方差分析，顯著性差異運用Duncan’s檢驗法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 光合作用光響應參數的動態變化

通過光合速率的光響應測試，可以計算出Pnmax、Rd、LCP、LSP和AQY等光合參數。不同光環境下生長的云錦杜鵑樹苗光合作用的光響應參數如圖1所示。一直分別生長在三種光環境下的云錦杜鵑樹苗在30 d的實驗期間沒有新葉長出，也沒有葉片掉落，它們的Pnmax在實驗前后變化不大，但三者之間的Pnmax差異顯著。林下云錦杜鵑（以下稱L）的Pnmax最低，林緣云錦杜鵑（M）的Pnmax最高，是L的2.4倍，而林窗云錦杜鵑（H）Pnmax顯著降低，只是M的77%，表明云錦杜鵑雖然在三種光環境下都能生長，但過強（全光照）或過弱的光環境都不利于其光合作用的進行。將林下云錦杜鵑轉移到林窗（L-H）和林緣（L-M）生境后，它們Pnmax的動態變化發生了明顯差異。轉移后10 d內，L-H的Pnmax降至最低，以后逐漸恢復并達到穩定水平，但仍顯著低于轉移前水平（即L的Pnmax）。L-M在轉移后5 d其Pnmax就有所增加，在以后的15 d內增加較為迅速并接近H的Pnmax，接著繼續慢速增加，轉移后30 d達到L-H的2.6倍，但仍顯著低于M（圖1）。三種光環境下，L的Rd最低，H最高，是L的1.8倍，M降低幅度較大，僅為L的1.2倍。林下的云錦杜鵑在轉移后，其Rd即逐漸增高，L-M增加較為平緩，L-H的增加則較為迅速，至實驗結束時，L-M的Rd達到M水平，L-H則是M的1.26倍，是L的1.43倍，但顯著低于H。M的LCP雖然高于L，但差異并不顯著，H的LCP是M的1.86倍。林下云錦杜鵑轉移至另二種光環境后（L-M，L-H）其LCP均增加，轉移后5 d即基本上已接近相應環境中的對照植株。三種光環境中云錦杜鵑的LSP差異顯著，L最低，H最高，H是L的1.74倍，M是L的1.33倍。林下云錦杜鵑轉移后，L-M的LSP變化較為平緩，稍高于L值；L-H的LSP變化幅度較大，轉移后前15 d均低于L值，后逐漸增加，至實驗結束時接近M值。M的AQY稍高于L，但差異不顯著，兩者均顯著高于H。林下云錦杜鵑在轉移后第5 d其AQY即顯著降低，L-M的AQY略低于H，而L-H的AQY僅為H的68.9%；第10 d后，L-M和L-H的AQY有所恢復并維持穩定，至實驗結束時，L-M的AQY達到L和M的水平，但L-H的AQY仍顯著低于H，是H的85.5%，是L-M的74.4%。

圖1 云錦杜鵑樹苗Pnmax、Rd、LCP、LSP和AQY的動態變化Figure1 Dynamics of Pnmax, Rd, LCP, LSP and AQYin the leaves of R.fortuneisaplings

2.2 葉綠素熒光參數

2.2.1 光系統Ⅱ最大量子效率的動態變化 暗適應后三種光環境下的云錦杜鵑（L，M，H）的最大光化學效率（Fv/Fm）差異不顯著，盡管 H相對較低（圖2）。從圖2還可以看出，林下的云錦杜鵑在轉移后其Fv/Fm顯著降低，L-H降低幅度大于L-M，兩者在第5 d后開始恢復，至實驗結束時，仍顯著低于相應光環境中的對照植株，L-M的Fv/Fm是M的89.1%，L-H的Fv/Fm是H的68.2%。

圖2 云錦杜鵑樹苗光系統Ⅱ最大光化學效率的動態變化Figure2 Dynamic of maximum photochemical efficiency of

圖3 云錦杜鵑樹苗最大量子效率、實際量子效率、光化學淬滅系數和非光化學淬滅系數Figure3 ComparisonsofFv/Fm,PhiPSII,qPandqNintheleavesof R.fortunei saplings

2.2.2 不同光環境下葉綠素熒光參數的比較 至實驗結束時，各種光環境中云錦杜鵑（L，M，H，L-M，L-H）的葉綠素熒光參數如圖3所示。L、M和H具有較高和相似的Fv/Fm，L-M和L-H顯著降低，L-M是L的88.3%，L-H是L的65.1%。L和M具有較高和相似的PhiPSⅡ，顯著高于H，L-M的PhiPSⅡ低于L和M，高于H，但差異均不顯著，而L-H的PhiPSⅡ最低，僅為L-M的62.3%和H的67.7%。各種光環境中云錦杜鵑的qP與PhiPSⅡ的變化趨勢相似。L-H的qN顯著高于其他光環境中的云錦杜鵑，L、M和L-M的qN則相對較低。

圖4 云錦杜鵑樹苗葉片比葉重、葉氮含量、葉綠素含量和葉綠素a/b值Fig ure 4 Comparisons of LMA, Narea, Chlmass, Chlareaand ratio of Chl a/b in the leaves ofR.f ortunei saplings

2.3 葉片的其他性質

從圖4可以看出，實驗結束時，M和H具有相似的單位面積葉重量（LMA），并顯著高于其他三種類型，后三者的LMA差異不顯著。從葉氮含量（Narea）來看，M最高，L最低；L-M的Narea顯著高于L，但顯著低于M；而L-H的Narea則顯著低于H，與L差異不大。隨著環境光強的增加（L，M，H），云錦杜鵑以葉片重量計量的葉綠素含量（Chlmass）顯著降低；L-M的Chlmass低于L，高于M，但差異不顯著；L-H的Chlmass顯著低于H，為各生境中的最低值。與Chlmass不同，以葉片面積計量的葉綠素含量（Chlarea）M最高，其次為L，并顯著高于其他三種類型；L-M的Chlarea顯著低于M，與L差異不顯著；L-H的Chlarea最低。隨著環境光強的增加（L，M，H），云錦杜鵑葉綠素a/b值逐漸增高，H顯著高于L；在轉移實驗過程中（L-M，L-H），林下發育成熟的云錦杜鵑葉片的葉綠素a/b值變化不大，與L差異不顯著。

3 討論

光照強度是影響植物光合作用、生長和繁殖的主要環境因素之一。本研究結果表明，不同的光環境（林下、林緣、林窗）明顯影響云錦杜鵑樹苗的光合作用，導致光合能力的顯著差異，其中林緣生境中最高。這與對一些植物的研究結果相同[7]，但也有一些植物在全光照條件下其光合能力最強[8]。本研究結果可能與云錦杜鵑在高光強下產生輕度的光抑制有關。將葉片已在林下發育成熟的云錦杜鵑樹苗分別轉移到林緣和林窗生境，其光合作用發生了明顯分化。在實驗持續期間，轉移到林緣生境的云錦杜鵑的 Pnmax顯著增加，并最終超過了林窗生境的對照植株，而轉移到林窗生境的云錦杜鵑的 Pnmax則顯著降低，最終也沒有恢復到原來的水平，這表明突然增強的光照能否促進成熟陰生葉的光合作用取決于葉片所接受到的光的強度。從本文的結果來看，林緣的光環境有利于云錦杜鵑成熟陰生葉光合水平的提高，但林窗的光環境則嚴重抑制了光合作用的進行。

AQY和Fv/Fm的明顯降低是光抑制發生的可靠判據[9]。林窗對照植株的AQY和PhiPSⅡ明顯低于其他兩個生境的結果表明，在全光照條件下，云錦杜鵑陽生葉的光合作用已受到了光抑制的影響，盡管Fv/Fm降低不明顯，光抑制是林窗云錦杜鵑Pnmax低于林緣的一個重要原因。當林下云錦杜鵑接受的光照突然增加時（L-M，L-H），AQY和Fv/Fm立即降低隨后不同程度地逐漸恢復，表明發生了光抑制和光抑制不同程度地解除。一方面，光抑制的程度取決于葉片接受的光照強度。另一方面，在強光下是否易于產生光抑制又決定著植物對生長環境光強的耐受性。同時，植物轉移先后所在生長環境光強的變化情況也是決定植物光抑制程度的重要因素，因為光能的過剩會有很大的差異。林下云錦杜鵑轉移到林窗后（L-H），光飽和點降低，雖然后來有所增加，但遠低于H，光能嚴重過剩，其平均AQY和Fv/Fm不僅明顯低于L-M，還低于H，表明L-H的光抑制比其他植株更嚴重，導致其Pnmax低下，生長狀況惡化，難以適應林窗的高光強環境。林下云錦杜鵑轉移到林緣后（L-M），其Pnmax即迅速增加，其AQY、PhiPSⅡ和Fv/Fm接近正常值，表明L-M基本上沒有發生光抑制。植物葉片的光合特性對光環境具有明顯的適應性，與陰生葉相比，通常陽生葉的葉片較厚，以容納更多的葉綠體，并表現出較高的光合能力，但高光合能力并不總是伴隨著較厚的葉片。葉片厚度主要取決于葉片發育時的光照強度，一旦葉片已成熟，其厚度就基本上不會發生大的變化[10]。當陰生葉成熟后轉移至合適光強的環境中后，其光合能力通常會增加，但葉片厚度的變化則很小。Oguchi等[11]的相關研究表明，當陰生成熟葉轉移到光線較強的生境時，其葉片厚度決定著 Pnmax的上限，因為沒有足夠的空間容納伸長的葉綠體，盡管在這樣的生境中葉片的LMA和厚度會稍有增加。本文的研究結果也表明，L-H和L-M的LMA雖然比L有所增加，但差異并不顯著，L-M的Pnmax比L有了顯著提升，但仍然顯著低于M。葉片氮含量取決于其生長環境的光強，葉片中1,5-二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）和光系統Ⅱ的數量隨著生長環境光強的增加而增加，并與葉氮含量和Pnmax有密切的正相關[12]。L-M云錦杜鵑的葉氮含量比L有了顯著增加，使得L-M葉片的Rubiso和光系統Ⅱ的數量得以增加，光合能力增強，較高的氮含量似乎是維持葉片較高的Pnmax的重要因素。葉綠素a/b值的變化與兩個光系統的光吸收能力的平衡有關，通常情況下，陽生葉的葉綠素含量較低，但葉綠素a/b值較高，增加葉綠素a/b值可減少光系統Ⅱ集光天線色素的數量，以減少光能的過剩并減輕光抑制程度[13]。本文的結果與上述觀點一致，隨著生長環境光強的增加，云錦杜鵑（L，M，H）葉綠素含量顯著降低；轉移后，L-M和L-H的葉綠素含量也顯著降低，但L-H降低的程度更大。生長在不同光環境下云錦杜鵑葉片葉綠素a/b值的變化可能受到光的量和質的共同調節，這樣的變化有助于糾正兩個光系統在不同光條件下對光能吸收的失衡，既可以提高光合效率，又可以減輕光損傷。葉片吸收的光能可通過光化學和非光化學途經耗散。隨著光照強度的增加，過剩光能的比率也隨之增加，而在強光條件下過剩的光能就會引起光抑制和光損傷。不同光環境中云錦杜鵑的光飽和點盡管差異顯著，但最高也不超過 800 μmol·m－2·s－1（H），但林窗生境中午的光照強度可達 1 800 μmol·m－2·s－1，遠遠超過云錦杜鵑的光飽和點。所以，林窗云錦杜鵑較低的光合能力、AQY和PhiPSⅡ應歸因于光抑制的發生和光系統Ⅱ的部分關閉。通過葉黃素循環進行的非光化學淬滅是植物應付過剩光能最常用的方式。林窗生境云錦杜鵑（H，L-H）的非光化學淬滅系數（qN）顯著高于其他植株（L，M，L-M），并分別達到了 0.53（H）和0.69（L-H），而對許多植物而言，0.5左右的qN是判斷是否發生了光抑制的閾值[5]。

4 結論

生長在不同光環境下云錦杜鵑的光合特性反映了其對光照強度變化的生理適應性，光合作用對不同光強的適應狀況與LMA、葉氮含量、葉綠素含量及葉綠素a/b值、熱耗散方式等有關，云錦杜鵑光合作用對較大范圍光照條件的成功適應是其地理分布較廣的重要原因，但林下生長的云錦杜鵑對光照突然增強的適應能力較弱。為了使林下云錦杜鵑能最終成功地適應強烈的光照水平（如全光照），減輕光抑制，加速其生長，應逐漸增加其生境的光強。本文的研究結果為野外云錦杜鵑的管理策略（伐疏、整枝等）和云錦杜鵑樹苗的園林化移栽提供有用的指導。

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