肉豆蔻科4種植物幼苗生長與光合生理特性研究

張鳳良 李小琴 楊 湉 者國雄,2 毛常麗 趙 祺 吳 裕

( 1. 云南省熱帶作物科學研究所，云南 西雙版納 666100；2. 西南林業大學林學院，云南 昆明 650233)

植物與環境的關系體現在植物生長發育的各個環節，包括其生活史、物候、形態及生理生化等多個方面，不同植物種類會隨生態環境形成不同的適應策略。目前，國內外對植物性狀以及它們與環境因子之間的關系進行了大量的研究[1-4]。在所研究的各類性狀中，葉片性狀、光合生理等與植物的生長及生物量的合成關系最為密切[5-7]。葉片性狀可劃分為功能型性狀和結構型性狀2類，功能性狀如葉片結構及與植物碳的同化等與生長代謝密切相關的性狀，它隨時間和空間的變化復雜多變，這些性狀之間的協同變化關系使得植物的葉片在一定的環境條件下能以最小的資源投入獲得最大的碳同化能力[8]；結構型性狀主要包括葉片大小、比葉面積（SLA）、葉片干物質含量及葉厚等，其中比葉面積是最重要的結構性狀之一，現已成為植物比較生態學研究的熱點性狀之一[9-10]。光合作用是植物生長和對環境變化響應的主要決定因子之一[11]，它不僅能反映植物在不同光環境下的存活和生長，還能說明植物對長期環境變化的適應能力。植物葉片結構特征和光合生理共同體現了植物的生長策略和對資源的利用能力，是植物與環境長期互作的結果。因此，研究同一地域或不同地域不同植物光合和葉片特征之間的差別與聯系，對于理解和預測植物對資源利用及對生態功能結構影響具有重要的意義[12]。

肉豆蔻科（Myristicaceae）是熱帶雨林主要代表樹種，對研究熱帶雨林區系構成、地理分布和生態習性有重要價值，其中一些種類具有很高的經濟價值，多種植物的種子含以肉豆蔻酸為主的油脂，是化工用油重要材料。肉豆蔻科全世界約有21屬，近500種[13]，主要分布在南美洲和中美洲、非洲大陸、馬達加斯加及東南亞到西太平洋等4個地區[14]。我國有風吹楠屬（Horsfieldia）、肉豆蔻屬（Myristica）和紅光樹屬（Knema）3個屬10余種[15]，分布于云南、廣西、廣東、海南、臺灣等地，常生長于海拔1 000 m以下的熱帶雨林中，且以云南南部為主要分布中心，約占全國種類總數的80%以上。由于人類的破壞和盜伐，中國分布區內的肉豆蔻科植物野生種質資源數量日漸稀少。目前，有關肉豆蔻科研究較多的集中在分類學、形態學、油脂化學、資源調查和遺傳多樣性等方面，尤其是從油脂成分及應用上做了大量研究[16-23]，對于這些瀕危種、漸危種的生態適應性研究極少[24]，而關于植株生長與形態、光合生理特性之間的關系研究未見研究。本研究對云南分布區內的肉豆蔻科資源進行調查、收集，共收集到風吹楠屬3個種和紅光樹屬1個種共4種幼苗的種子，并播種保存，本研究以這4種幼苗的實生苗為材料，對其1年生幼苗的生長、葉片性狀及光合特性等進行了比較分析，以期為4種幼苗苗木適應性評價及資源保護和利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究材料

于2016年4—6月，對西雙版納州景洪市（100°36′～101°06′E，21°41′～22°26′N）、勐臘縣（101°00′～101°15′E，21°51′～22°00′N）、勐海縣（100°02′～100°08′E，21°41′～21°55′N）、普洱市瀾滄縣（99°47′～99°53′E，23°13′～23°16′N）、德宏州盈江縣（97°36′～97°51′E，24°29′～24°36′N）及臨滄市滄源縣（99°01′～99°05′E，23°14′～23°18′N）等6個縣內肉豆蔻科植物資源進行調查，按同一地段內株間距離大于50 m以上的原則進行調查采樣，采收到成熟種子的資源包括風吹楠（Horsfieldia glabra）、大葉風吹楠（Horsfieldia kingii）和琴葉風吹楠（Horsfieldia pandurifolia）及紅光樹（Knema furfuracea），采收種子帶回，按株行距60 cm×80 cm直接播種于云南省熱帶作物科學研究所苗圃地內（混合播種），常規育苗管理，苗木生長良好。云南省熱帶作物科學研究所（100°40′～100°50′E，21°59′～22°01′N），海拔約 550 m，年平均氣溫18.6～21.9 ℃，最冷月份平均氣溫15.6 ℃，最熱月份平均氣溫25.2 ℃，年均降雨量約1 200 mm，土壤為酸性紅土，pH值4.5～5.5，適合風吹楠正常生長。

1.2 測定方法

1.2.1 生長和葉片性狀測定

2017年8月中旬，分別對4種幼苗的苗木生長進行每株測定，用WKE3205型塔尺（蘇州億升五金工具有限公司，中國）（精確到0.01 m）測定株高，用IP67型游標卡尺（深圳市沈良精密測量有限公司，中國）（精確到0.01 mm）測定離地10 cm處地徑。每個樹種選擇10株長勢均勻的植株，每株采集主干中部健康葉片15片，測定指標及標準見表1，葉片性狀分別采用直尺（精確到0.1 cm）及YMJ-D型葉面積測量儀（浙江托普儀器有限公司，中國）（精確到0.01 cm2）測量，葉片鮮質量及干質量用1/10 000天平稱量，用烘箱烘干至恒質量。

表 1 葉片性狀指標與測定方法Table 1 Indexes and measurement method of leaf traits

1.2.2 葉片光合生理測定

1）葉片氣體交換參數測定 于2017年8月下旬，選擇晴朗無風的天氣，利用LCpro-SD便攜式光合測定儀（ADC Bioscientific Ltd.，英國）進行植株葉片氣體交換參數測定，時間為上午9：30—11：00，測定過程中全程使用自然光，將光合有效輻射控制在 1 000 μmol/（m2·s），葉溫設定 30 ℃，CO2濃度為400 μmol/m2，相對濕度為75 %。選擇采集過葉片的植株作為測定光合生理的樣株，每個種標記3個單株，選擇向陽面主干中部Ⅰ級側枝中部葉片，每株選擇5片健康功能葉進行測定，數據穩定后讀數。氣體交換參數測定指標主要包括凈光和速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）及蒸騰速率（Tr）等。葉片瞬時水分利用效率（WUEi），用凈光合速率與蒸騰速率之比來表示。

2）光響應曲線測定 于2017年8月下旬，利用LCpro-SD便攜式光合測定儀配套的LED紅藍光源葉室，在晴朗無風時，對4種幼苗的光響應曲線進行測定，測定時間為上午9：30—11：00。設定CO2濃度以當地環境CO2濃度為基準，氣體流速控制在（500±0.1）μmol/s，樣品室葉片溫度控制在（30±3）℃，光合有效輻射（PAR）梯度設置為 1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50 μmol/（m2·s），每個光強下穩定2min后記錄數據，3次重復。

利用葉子飄報道的雙曲線修正模型進行4種植物光合—光響應曲線擬合[25]，得出相應的光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）、最大凈光合速率（Pnmax）、暗呼吸速率（Rd）、表觀量子效率（AQY）及決定系數（R2）。

1.3 數據分析

采用Excel 2007軟件對數據進行錄入、匯總并制圖，用SPSS 23.0軟件進行方差分析和Duncan多重比較。

2 結果與分析

2.1 肉豆蔻科4種幼苗生長性狀比較分析

由表2可知，4種幼苗間苗高和地徑差異達極顯著水平（P＜0.01），4種幼苗苗高生長排序從大到小依次為風吹楠＞大葉風吹楠＞琴葉風吹楠＞紅光樹，地徑生長與苗高生長一致，紅光樹生長量最小。從變異程度來看，紅光樹苗高變異最大，地徑變異且最小，而大葉風吹楠、風吹楠和琴葉風吹楠較接近。

2.2 肉豆蔻科4種幼苗葉片性狀比較分析

由表3可知，4種幼苗的葉片性狀差異較大，其中葉長、葉寬、葉面積、葉厚、比葉面積及葉脈密度等指標種間差異均達到極顯著水平（P＜0.01），風吹楠、大葉風吹楠和琴葉風吹楠在寬基距/葉長、脈左寬/葉寬及葉柄/葉長間差異不顯著，4種幼苗葉片主脈兩側均具有良好的對稱性。4種幼苗葉面積大小排序為大葉風吹楠＞琴葉風吹楠＞紅光樹＞風吹楠；4種幼苗比葉面積差異極顯著（P＜0.01），排序依次為琴葉風吹楠＞風吹楠＞大葉風吹楠＞紅光樹，比葉面積在不同種間的變化趨勢與葉片厚度相反，即葉片越厚，比葉面積越小；葉脈分布上紅光樹呈緊密狀，大葉風吹楠最稀朗。以上分析說明，4種幼苗葉片大小呈現出了較大的差異，而對于葉片伸長生長方面，風吹楠、大葉風吹楠和琴葉風吹楠較相似，而紅光樹與之存在較大差異，葉片更狹長一些。

表 2 肉豆蔻科4種幼苗生長量統計Table 2 Statistics of growth in 4 species of Myristicaceae

表 3 肉豆蔻科4種幼苗葉片性狀比較Table 3 Comparison of leaf traits in 4 species of Myristicaceae

2.3 肉豆蔻科4種幼苗光合生理特性比較分析

2.3.1 肉豆蔻科4種幼苗葉片的氣體交換參數

由表4可知，4種幼苗的Pn、Tr、Gs和Ci均達到極顯著水平（P＜0.01），WUEi差異達顯著水平（P＜0.05）。大葉風吹楠的Pn極顯著高于其他3 個種（P＜0.01），達到 8.35 μmol/（m2·s）；琴葉風吹楠和風吹楠相當，其值分別為7.71 μmol/（m2·s）和 7.35 μmol/（m2·s）；紅光樹最小，為6.88 μmol/（m2·s）。風吹楠、大葉風吹楠和琴葉風吹楠的Tr相當，顯著高于紅光樹（P＜0.05），進而導致紅光樹WUEi顯著高于其他3個種（P＜0.05）。4種幼苗Gs變化情況是琴葉風吹楠最大，風吹楠和大葉風吹楠相當，紅光樹最小，與Pn的變化基本一致；Ci變化與Pn趨勢基本相反，紅光樹極顯著大于其他3種（P＜0.01）。

表 4 肉豆蔻科4種幼苗葉片氣體交換參數統計表Table 4 Statistics of leaf gas-exchange parameter in 4 species of Myristicaceae

2.3.2 4種幼苗光響應曲線比較分析

由圖1可知，4種植物幼苗葉片光合—光響應曲線擬合良好，總體趨勢相似，整個過程大致可分為4個階段。第1階段（PAR為50～300 μmol/（m2·s））為Pn隨PAR增加而呈直線上升階段，即Pn迅速增加，這一階段風吹楠和大葉風吹楠上升速度更快，其次為琴葉風吹楠，紅光樹最慢；第 2 階段（PAR 為 300～900 μmol/（m2·s））為Pn隨PAR增加略呈曲線緩慢上升階段，僅有紅光樹 PAR 從 300 μmol/（m2·s）開始就逐漸保持平穩狀態；第3階段（PAR為900～1 500 μmol/（m2·s））幾乎保持平穩狀態，這時Pn幾乎不再隨PAR增加而變化過大，Pn基本達到飽和水平；第 4 階段（PAR 超過 1 500 μmol/（m2·s））Pn隨PAR增加而呈下降趨勢，這時PAR過大可能對苗木產生了光合抑制。不同光強下，風吹楠、大葉風吹楠和琴葉風吹楠的Pn相當，均遠高于紅光樹，4種幼苗中紅光樹的Pn一直處于較低水平。

前人對許多樹種光響應曲線研究得出，最佳光合—光響應曲線擬合模型為直角雙曲線修正模型[26-28]，故本研究采用葉子飄[25]研

究的直角雙曲線修正模型對4種幼苗的光響應曲線進行了擬合，并計算其特征參數（圖1，表5）。在一定生長環境下，Pnmax反映了單葉光合能力的強弱，大葉風吹楠、風吹楠和琴葉風吹楠的Pnmax相當，均極顯著大于紅光樹（P＜0.01），總體紅光樹光合能力較弱，苗木生長較緩慢，植株矮小。各樹種 LCP 為 10.03 ～ 16.92 μmol/（m2·s），LSP 為885.08～1 067.29 μmol/（m2·s），其中紅光樹和風吹楠具有較低的LCP和較高的LSP，說明這2個樹種對光環境適應范圍更寬，而琴葉風吹楠和大葉風吹楠對光的要求更高，在實際中觀測到強光會對這2個種葉片造成灼傷，對光環境的改變更敏感。

圖 1 肉豆蔻科4種幼苗葉片光響應曲線Fig. 1 Light response curves of leaves in 4 species of Myristicaceae

表 5 肉豆蔻科4種幼苗光響應曲線特征參數Table 5 Characterstica parameters of light response curves in 4 species of Myristicaceae

3 結論與討論

生態環境因素和植物適應性是導致物種稀有和瀕危的重要原因。由本研究及前人對云南分布區內肉豆蔻科野生資源調查資料可知，風吹楠生長于平壩疏林或山坡，居群落的中層；大葉風吹楠生長于雨林充足的溝谷密林及坡地密林中，零星分布，喜濕熱環境，居喬木上層樹種；琴葉風吹楠生長于熱帶雨林內水熱條件較好溝谷密林中，喜濕熱環境，屬于群落中的主要建群種，居上層者多，下層零星分布；紅光樹多生長于溝谷密林中，居群落的中下層樹種，零星分布[19,22,29]。在云南分布區，風吹楠多生長于山坡和山脊，土地干旱和貧瘠，光照充足；紅光樹多生長于密林，樹體不大，長年光照不足；而琴葉風吹楠和大葉風吹楠居上層樹種，樹體高大，屬于群落中的主要建群種，主要生長于溝谷或洼地，土壤相對濕潤和肥沃。一定環境條件下，風吹楠、大葉風吹楠和琴葉風吹楠這3個種幼苗生長都較快，而紅光樹生長較慢，這與植物種性有關，即野生分布狀態下，成年大樹大葉風吹楠、琴葉風吹楠和風吹楠生長勢粗壯而高大，紅光樹較矮小，前三者幼苗生長排序雖與成年大樹有一定的差異，這可能是與林木的生長節律和生長環境有一定的關系，但總體上野生分布地屬于高大的樹種，其幼苗生長也較快，說明該區域適合4種植物的生長，其苗木的生長特性主要由植物種性決定。在實際觀測中，發現局部遮陰嚴重的地方，風吹楠和大葉風吹楠苗木生長嚴重受影響，琴葉風吹楠次之，紅光樹受到遮陰脅迫，說明遮陰環境對這幾種植物的生長可能影響比較大，具體影響程度如何有待進一步研究。

關于植物葉片性狀與苗木生長及光合特性的關系前人做了大量的研究，得出苗木的生長與葉面積呈顯著正相關，比葉面積大的植物，往往光合速率低，并指出葉的大小是一項可以遺傳的性狀[30-31]。從同一物種內部無性系或家系間做了關于葉片性狀與生長的關系得出，生長快的苗木往往具有較大的葉面積、葉脈稀朗，但本研究中4種幼苗葉面積大小排序為大葉風吹楠＞琴葉風吹楠＞紅光樹＞風吹楠，對應的大葉風吹楠和琴葉風吹楠單葉凈光合速率也較高，其中大葉風吹楠比葉面積相對較小，苗木生長較快，琴葉風吹楠比葉面積較大，苗木生長相對大葉風吹楠小一些，這與前人研究的結論較一致；但風吹楠的單葉葉面積最小，比葉面積較大，苗木生長最快，這跟前人在很多樹種上研究的差異較大，在實際測定中發現，風吹楠整株葉片總數顯著大于其他3個種，結合氣體交換參數綜合分析可以推測風吹楠苗木整株Pn應該是4種幼苗中最高的；紅光樹葉片數量較少，葉片Pn最低，植株生長最慢。這就說明，種與種遺傳背景差異很大時，僅從單一性狀進行相關性分析，往往指標間會存在諸多的不一致，導致許多研究結果與實際存在較大差異，加之生物量的合成是長期積累的過程，與季節和年份間氣候變化、生長環境及其林齡等關系密切。

由光響應曲線模型擬合的結果來看，Pnmax風吹楠、琴葉風吹楠和大葉風吹楠相當，紅光樹最低。LSP風吹楠也較大，參數Pnmax和LSP綜合反映植物在強光下的光合效率[32]，可見風吹楠對強光有較強的適應能力，這可能是野生狀態下長期生長于山脊的結果。紅光樹具有較高的LSP和較低的LCP，表明該種具有一定的耐陰性又適應陽光充足的環境，對光適應范圍大，而紅光樹瞬時水分利用效率也較高，綜合說明雖然紅光樹植株相對較小，但對環境的適應能力則較強。通過方程回歸擬合計算出4種幼苗的AQY結果表明，風吹楠最大，紅光樹最小，而對應的LCP又相對較小，LSP相對較大，導致這3個指標評價出來的結果不一致，故重點通過4種幼苗間LCP和LSP的差異性來評價苗木的適應性，對AQY作為反映植物吸光性重要參數的討論，在后續研究工作中將作進一步論證。

綜上所述，紅光樹對光適應范圍較大，植株生長相對慢一些，風吹楠適應范圍次之，生長最快，而琴葉風吹楠和大葉風吹楠對光的適應范圍相對窄一些，生長較快。在大田調查中發現，琴葉風吹楠苗期葉片容易在夏季高溫時受到太陽灼傷，但這些樹種具體適合怎樣的生長環境，還需要結合不同的生態環境做深入研究。