光強和氮素對芒萁光響應及葉綠素熒光參數的影響

王佳佳，張明如，許 焱，何云核

（1.浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州311300；2.浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州 311300）

在亞熱帶低山丘陵森林植被退化地區，芒萁Dicranopteris dichotoma和五節芒Miscanthus floridulus等［1-2］以極強的擴散定居能力率先成為草本層的絕對優勢種，形成單優草本層片［3］。芒萁是里白科Gleicheniaceae芒萁屬Dicranopteris多年生常綠蕨類植物。野外調查發現，芒萁自然生長于杉木Cunninghamia lanceolata，馬尾松Pinus massoniana和毛竹Phyllostachys edulis單優群落下層、楊梅Myrica rubra，茶園和林緣的土壤深厚肥沃立地上，也可生長于土層瘠薄全光地段和水土流失嚴重的紅壤侵蝕區［4］，適應于從暖性針葉群落下層遮光到全光、從植被退化后土壤資源剩余到資源流失等多種生境［5］，被認為是亞熱帶森林退化植被的 “標志種”［6］。光強和氮素是影響植物光合生理過程的重要生態因子，植物通過形態結構可塑和生理可塑響應光強和氮素的變化［7］。蔡建國等［8］發現：為適應全光照條件，繡球Hydrangea macrophyllavar.macrophylla可通過提高葉片吸收光能向熱耗散等PSⅡ調節性能量耗散途徑的分配，削弱反應中心過量激發能的積累。萬宏偉等［9］在羊草Leymus chinensis等的栽培土壤中添加氮素，發現植物葉綠素相對含量增加，光合作用能力提高。活地被物層優勢種過度發育繁茂，會形成 “生態篩（ecological filter）”［10-11］效應， 即對林下植物多樣性產生 “過濾”， 造成活地被物的植物物種多樣性下降［12］，并阻礙喬木樹種種子更新［13-14］，導致森林植被進展演替受阻。在此背景下，芒萁單優層片形成的原因成為有趣的生態問題。芒萁為強耐蔭且具有一定喜光特性的多年生草本植物［5，15］，本項研究以盆栽芒萁為材料，從光強變化和氮素添加角度出發，模擬暖性針葉單優群落下層遮蔭與土壤較為肥沃、灌草叢全光與土壤貧瘠等不同生境斑塊下芒萁光合生理可塑性變化的規律，揭示芒萁對光強和氮素添加的光合生理響應特征，為亞熱帶低山丘陵區芒萁單優草本層片的調控、促進森林植被的進展演替提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料與試驗方案

選取長勢基本一致的1年生芒萁克隆分株苗，各株保留長10 cm左右的根狀莖，采用盆栽法，于2017年3月栽植于規格為40 cm×21 cm×17 cm的花盆內，1株·盆-1；盆栽土壤為當地紅黃壤，于雙層遮光棚內緩苗2月。于2017年5月選取長勢基本一致的盆栽芒萁分株，隨機分成6組，10盆·組-1，分別置于3個遮光棚內，2組·棚-1，分別對2組進行施氮（N1）和不施氮（N0）處理。

遮光棚分別覆蓋1，2，3層黑色尼龍遮陽網，設置不同光強處理：透光率（35.96±0.04）%（L1），（13.00±0.01）%（L2）和（4.75±0.01）%（L3），以無遮光處理（透光率為 100%）為對照（ck）。 施氮量根據前人對草本植物氮沉降的研究設定［16-17］，稱取3 g硫酸銨［（NH4）2SO4］分析純溶解于200 mL純水中，均勻噴入盆內；不施氮處理組噴入等量的水。處理時間為芒萁快速生長期（5-7月），高溫期間適當澆水以保證試驗材料免受干旱影響。

1.2 研究測定方法

1.2.1 氣體交換特征和光合作用-光響應曲線的測定 利用便攜式光合測定系統Li-6800（Li-COR，美國）測定光響應曲線。于2017年9月晴天8：00-11：00，選取長勢一致的功能葉片，3盆·組-1，重復3次取平均值；設定光合有效輻射梯度為 2000，1500，1200，1000，800，500，300，100，50，30，10 和 0 μmol·m-2·s-1。測定凈光合速率Pn（μmol·m-2·s-1）、 氣孔導度Gs（mmol·m-2·s-1）、 胞間二氧化碳摩爾分數Ci（mmol·mol-1）和蒸騰速率Tr（mmol·m-2·s-1）。 利用測定光響應曲線時獲得的數據進行氣體交換特征的比較，用直角雙曲線修正模型對光響應進行擬合［18］，根據模型計算最大凈光合速率Pnmax（μmol·m-2·s-1）、光飽和點PLS（μmol·m-2·s-1）、光補償點PLC（μmol·m-2·s-1）、表觀量子效率AQY（mmol·mol-1）和暗呼吸速率Rd（μmol·m-2·s-1）。

1.2.2 葉綠素熒光參數的測定 選擇測定光響應曲線的葉片，先進行40 min的暗適應處理；利用YZQ-500動態熒光儀（翼鬃麒科技公司）測定葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（O-J-I-P曲線），得到初始熒光（Fo）、 最大熒光（Fm）。 并根據 SRIVASTAVA 等［19］方法計算得到可變熒光（Fv）、 PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）、PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）以及以吸收光能為基礎的性能指數（Piabs）。

1.2.3 葉綠素質量分數的測定 將測定葉綠素熒光的葉片摘下，丙酮浸提得到芒萁提取液，利用分光光度計測定浸提液在波長470，663和645 nm下光密度值，按照LICHTENTHALERD［20］的方法計算得到葉綠素 a（mg·g-1）、 葉綠素 b（mg·g-1）和類胡蘿卜素（mg·g-1）質量分數， 總葉綠素（mg·g-1）以葉綠素 a 與葉綠素b的總和表示。

1.3 數據分析

所有數據均利用Excel，SPSS進行處理，利用Origin Pro 8.0制圖。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）比較不同數據組間的差異性。利用雙因素方差分析（two-way AVOVA）檢驗光強、氮素及其交互作用對光合特征參數、各色素質量分數及熒光參數的影響。試驗所有數據用平均值±標準誤表示。

2 結果分析

2.1 光強和氮素對盆栽芒萁光合-光響應特征參數的影響

不同光強和氮素處理，盆栽芒萁最大凈光合速率（Pnmax）、光飽和點（PLS）、光補償點（PLC）、暗呼吸速率（Rd）及表觀量子效率（AQY）變化規律表現不一（表1）。未施氮組中，盆栽芒萁Pnmax和PLS隨光強增加先升后降，且均在L2光強下出現最大值；PLC和Rd隨光強增加呈 “N”字形變化；PLC，Rd和AQY在L2光強時出現最小值。施氮和未施氮，L1和L2光強下Pnmax均顯著高于L3（P＜0.05），但L3和對照差異不顯著（P＞0.05）。施氮組與未施氮組相比，所有光強下盆栽芒萁的Pnmax均有所提高，且L1和L2下盆栽芒萁PLS上升，L3下降，但差異不顯著（P＞0.05）；L1下盆栽芒萁的PLC，Rd及AQY均降低，L2下均上升，L3下無統一變化規律。

雙因素方差分析表明（表1）：氮素對盆栽芒萁光合特征參數均影響不顯著（P＞0.05），光強對芒萁光合特征參數均影響顯著（P＜0.05），光強和氮素對盆栽芒萁光補償點和暗呼吸速率具有顯著性交互影響（P＜0.05），對其他光合特征參數交互作用不顯著。

2.2 光強和氮素對盆栽芒萁光合氣體交換參數的影響

隨著光合有效輻射的增加，盆栽芒萁Pn總體呈增加趨勢。L1和L2光強下，施氮組盆栽芒萁Pn在光合有效輻射為 1500 μmol·m-2·s-1時， 未施氮組在 1200 μmol·m-2·s-1時達到最大， 隨后下降（圖 1A）， L3下則未出現下降趨勢。未施氮組盆栽芒萁Pn變化順序為L2＞L1＞對照＞L3，施氮組為L1＞L2＞L3。隨光合有效輻射增加，芒萁Tr總體呈上升趨勢；與未施氮相比，施氮組L2和L3光強下盆栽芒萁Tr降低。未施氮組盆栽芒萁Tr大小順序為L2＞L1＞對照＞L3，施氮組為L1＞L2＞L3（圖1B）。隨光合有效輻射增加，盆栽芒萁Ci總體呈降低趨勢，與未施氮相比，施氮組L1和L2光強下盆栽芒萁Ci升高。未施氮組盆栽芒萁Ci大小變化順序為對照＞L1＞L2＞L3，施氮組為L1＞L2＞L3（圖1C）。盆栽芒萁Gs隨光合有效輻射的增加變化較為復雜（圖1D），L3光強下，盆栽芒萁Gs在光合有效輻射為1000 μmol·m-2·s-1時達到最大，隨后下降；未施氮組Gs大小變化為L1＞對照＞L3＞L2；施氮組為L1＞L2＞L3。3種光強下，未施氮組盆栽芒萁Gs均高于施氮組。

表1 不同光強與施氮處理盆栽芒萁光合特征參數的變化Table 1 Changes in photosynthetic characteristics of potted D.dichotoma under different light intensityies and nitrogen applications

圖1 不同光強和氮素處理后盆栽芒萁氣體交換參數的變化Figure 1 Changes of gas exchange parameters of potted D.dichotoma in different light intensits and nitrogen treatments

2.3 光強和氮素對盆栽芒萁葉綠素及類胡蘿卜素質量分數的影響

隨光強降低，未施氮組盆栽芒萁葉片的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數均增加（圖2），L2和L3光強下葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數均顯著高于L1和對照（P＜0.05）。葉綠素a/b隨光強降低先升后降，且差異顯著（P＜0.05）。L1光強下，施氮組盆栽芒萁葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數均顯著高于未施氮組（P＜0.05），但L2和L3條件下，施氮組低于未施氮組。施氮組盆栽芒萁葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素質量分數及葉綠素a/b大小順序均為L1＞L3＞L2，且差異達顯著水平（P＜0.05）。

雙因素方差分析結果表明（表2）：光強、氮素及光強×氮素處理對芒萁葉綠素a，葉綠素b，總葉綠素及類胡蘿卜素質量分數的影響均達顯著水平（P＜0.05）。

2.4 光強和氮素對盆栽芒萁葉片葉綠素熒光參數的影響

由表3可知：與未施氮組相比，施氮組3種光強下盆栽芒萁Fo均顯著降低（P＜0.05）；L1和L3的Fm，L3的Fv/Fm，Fv/Fo及Piabs降低；L2的Fm， L1和L2的Fv/Fm，Fv/Fo和Piabs升高。 未施氮組盆栽芒萁Fo，Fm，Fv/Fm及Fv/Fo的大小順序表現均為對照＜L1＜L2＜L3，Piabs表現為對照＞L3＞L2＞L1；施氮組盆栽芒萁Fo和Fm表現為 L2＞L3＞L1；Fv/Fm，Fv/Fo和Piabs表現為 L2＞L1＞L3。

圖2 不同透光率和氮素處理后盆栽芒萁葉片色素質量分數變化Figure 2 Pigment content of potted D.dichotoma under different light intensities and nitrogen treatments

表2 透光率和氮素對盆栽芒萁葉片色素相對含量的效應分析Table 2 Effect of different light intensity （L）,nitrogen （N） and light× nitrogen （L × N） on the pigment content of potted D.dichotoma

表3 不同透光率與施氮處理后盆栽芒萁葉片葉綠素熒光參數的變化Table 3 Changes of chlorophyll fluorescence parameters of potted D.dichotoma with different light intensity and nitrogen application

雙因素方差分析結果表明（表3）：光強、氮素及光強×氮素均顯著影響了盆栽芒萁的初始熒光和最大熒光（P＜0.05），但對PSⅡ最大光化學效率影響未達到顯著水平（P＞0.05），光強對吸收光能的性能指數無顯著影響（P＞0.05），氮素及光強×氮素則對其影響顯著（P＜0.05）。

3 討論與結論

光照和氮素是植物生長發育的重要影響因子［21］。植物對光強改變最直接的生理響應就是光合作用能力的改變［22］。氮素影響植物的葉綠素質量分數，間接影響植物光合作用［23］。光合特征參數可反映植物光合作用和光能利用能力。本研究發現：光強對芒萁光合特征參數影響顯著，但氮素對光合特征參數均影響不顯著，而光強和氮素的交互作用對各色素質量分數影響極顯著。無論施氮與否，L2下芒萁光飽和點（PLS）出現最大值，光補償點（PLC）出現最小值，表明芒萁在此光強下具有較寬的光生態幅。研究可知，L3下芒萁Pnmax小于對照，顯著小于L1，Rd值顯著小于對照和L1，認為芒萁通過降低呼吸消耗積累有機物質，體現了芒萁對弱光環境的適應。表觀量子效率（AQY）反映了植物對弱光的利用能力。自然條件下長勢良好的植物AQY為0.04～0.07［27］。本研究中，施氮組L3處理下芒萁AQY低于正常值，說明此處理下芒萁受到一定的脅迫。

施氮提高了各光強下芒萁的Pnmax，說明施氮一定程度上提高了芒萁的光合作用能力。施氮組中L1芒萁的Pnmax，葉綠素a和葉綠素b質量分數均顯著高于L2和L3，說明施氮提高了植株對光照的捕獲能力和利用能力［24］；L1較高的類胡蘿卜素可吸收過多的光能，保護芒萁的光合器官免受傷害。葉綠素a/b提示了植物弱光條件下的捕光效率［26］。本研究發現：隨光強降低，芒萁葉綠素a/b呈降低趨勢，但施氮組L3的葉綠素a/b有所上升，說明芒萁能夠通過改變葉綠素a和葉綠素b質量分數來適應弱光環境。早先研究認為施氮有利于增加植物葉片的葉綠素含量［23，25］。本研究發現：相比于未施氮組，施氮組在L2和L3光強下，芒萁葉片葉綠素質量分數降低，可能是此光強不利于芒萁對氮素的吸收利用，出于對弱光的生理適應，芒萁需通過提高其他生理功能以提高對光能的吸收、傳遞和轉換。

植物光合速率的提高得益于氣孔導度Gs和蒸騰速率Tr的提高［29］，而植物光合速率的降低有氣孔限制和非氣孔限制兩方面的因素，若Pn下降且Gs和Ci同時下降，則為氣孔限制，而非氣孔限制因素主要是葉肉細胞羧化能力的降低造成［28］。本研究中施氮組芒萁Pn均為氣孔限制，而未施氮組2種因素均存在。

與 “表觀性”的氣體交換指標相比，熒光測量參數具有反映 “內在性”的特點，是無損研究光合作用的重要手段［30］，同時能夠反映植物對生長環境的適應和耐受能力［31］。Fo為葉片暗適應后再完全開放、未發生光化學反應狀態下的參數，Fo降低，植物熱耗散增加；Fm為PSⅡ光體系完全關閉下的熒光產量，Fv/Fo表示捕獲光能和熱耗散能量的比例。本研究中Fo，Fm和Fv/Fo隨光強的增加而降低，表明芒萁增加了熱耗散啟動光保護機制，同時降低了PSⅡ電子傳遞能力。Fv/Fm和Piabs均能反映PSⅡ的功能［32］，但Piabs主要反映植株的整體功能，Fv/Fm下降則植物受到光抑制。本研究中Fv/Fm隨光強的增加而降低，Piabs在全光時出現最大值，說明光強增加使芒萁受到了光抑制作用；全光下植株啟動體內其他防御系統從而保證植株的整體功能。李偉成等［33］研究發現：施氮能降低植物發生光抑制的可能；本研究發現：施氮使得L1和L2光強下芒萁的Fv/Fm和Fv/Fo均增加，表明盆栽芒萁捕獲光能增加的同時熱耗散也增加，光抑制減弱。但是L3光強下施氮組各熒光參數均降低，可能是芒萁為偏陽性植物，雖然有一定的耐蔭性，但極度弱光條件下施氮不能補償光照的不足，反而降低了光合氮利用率，造成光合色素含量降低，從而降低了熒光輻射的可能。

綜上所述，光強對盆栽芒萁光合作用有顯著影響，氮素主要影響光合色素質量分數。L2光強（透光率為13.00%）時盆栽芒萁光生態幅較寬；強光（L1）及較強光（L2）下盆栽芒萁出現光抑制，施氮能調整光能分配，增加熱耗散減輕光抑制傷害；L3光強（透光率為4.75%）時，盆栽芒萁通過調整各光合色素質量分數來提高對弱光的吸收、傳遞和轉換，較低的暗呼吸速率有利于積累光合有機物質；相比于未施氮組，施氮出現負補償現象。未施氮盆栽芒萁凈光合速率降低的原因有氣孔限制和非氣孔限制，而施氮盆栽芒萁凈光合速率降低的原因均為氣孔限制。