干旱和遮蔭對馬尾松幼苗生長和光合特性的影響

鄧秀秀,施 征,肖文發,*,曾立雄,雷 蕾

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室, 北京 100091 2 南京林業大學南方現代林業協同創新中心, 南京 210037

水分和光照是限制植物生長的主要環境因子。當水分和光照發生變化時,會導致植物形態結構和光合特性的改變。干旱脅迫使葉片氣孔關閉或葉肉細胞損傷、光合酶活性降低,引起植物的光合速率降低[1],同時破壞葉綠體結構,使葉綠素含量降低[2],影響對光能的吸收和利用。在弱光環境中,植物對光能的捕獲受到限制,制約了植物的光合能力,引起光合速率的下降,但會增加光合色素含量[3],以增大對光能的捕獲能力。而干旱與遮蔭的交互作用對植物生長的影響有四種假說：“權衡理論”[4],認為在遮蔭環境下,植物傾向于向地上部分分配更多的生物量,而減小向根中分配,影響水分的吸收,加重干旱對植物生長的影響；“相互作用理論”[5],認為中度遮蔭能緩解干旱的負面影響,而高光照和過度遮蔭則會加重干旱的影響；“促進理論”[6],認為遮蔭可以改善干旱影響下的微環境,從而緩解植物受干旱的影響；“獨立影響理論”[7],認為二者的交互作用不存在影響,相互獨立。

馬尾松(Pinusmassoniana)廣泛分布于我國亞熱帶東部地區,不僅是造林的主要先鋒樹種,還是我國主要的產脂樹種[8],發揮著重要的生態和經濟作用,具有喜光、耐干旱、耐貧瘠的生長特性。受光照環境異質性和降水分布不均的影響,馬尾松的生長難免受干旱和弱光環境的脅迫,且相關研究表明,干旱會顯著抑制馬尾松的生長[9-10],在遮蔭環境中馬尾松的適應能力較差[11],但尚不清楚馬尾松的光合生理特征對干旱和遮蔭環境的響應情況,且遮蔭能否緩解干旱對馬尾松植株生長的影響也還未見報道。因此,本研究以2年生馬尾松幼苗為對象,通過模擬遮蔭和干旱環境,測定馬尾松植株的生長指標、光合生理指標和光合色素含量,研究其生長和光合特性在干旱和遮蔭環境下的變化特征,并驗證遮蔭和干旱的交互作用對馬尾松生長的影響符合哪種假說,以揭示馬尾松植株對干旱和遮蔭環境的響應規律和適應機制,為林木造林管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2年生的馬尾松容器苗,來自浙江省龍泉市林業科學研究院苗圃。2018年3月中旬將300株2年生的馬尾松幼苗移栽入花盆(直徑32 cm,高22 cm)中,每盆1株,種植土壤為馬尾松林下土。置于湖北秭歸三峽庫區森林生態系統國家定位觀測研究站(110°54′E,30°53′N,海拔296 m),進行相同光照和水分條件管理。

1.2 試驗設計

2018年7月1日,選擇120株生長一致(平均株高為65.52 cm,平均基徑為11.61 mm)的馬尾松幼苗放入透明遮雨棚中,進行光照和水分處理,分別為對照(土壤水分為70%飽和含水量和全光照,CK),干旱(土壤水分為30%飽和含水量和全光照,DR),遮蔭(土壤水分為70%飽和含水量和光照強度為全光照的30%,LL),干旱和遮蔭交互處理(土壤水分為30%飽和含水量和光照強度為全光照的30%,DRLL)。共4個處理,每個處理30個重復。遮蔭處理采用市場上銷售的遮蔭網進行遮蔭處理,干旱通過整盆稱重法控制,每天18：00補充當天損失的水分。

1.3 生長指標的測量

分別于處理前和處理2個月后用游標卡尺和鋼尺測定試驗植株的基徑和株高,并計算基徑和株高的增長量：處理后的基徑(株高)-處理前的基徑(株高)。采集植株的當年生針葉,首先,用鋼尺測量一部分針葉的長度,每株取平均值作為1次重復。然后,將一部分針葉利用掃描儀獲取針葉的圖像,經過 PS軟件識別,計算針葉的葉面積,將針葉放入65℃烘箱中,烘干至恒重之后稱量干物質量,比葉面積的計算為葉面積/干物質量。一部分當年生針葉在采完后立即稱重(記為鮮葉重),放入烘箱中,65℃烘干至恒重后稱重(記為干葉重),針葉含水量的計算為(鮮葉重-干葉重)/鮮葉重×100%[12]。每個處理選4株,作為4個重復。

1.4 葉片光合參數的測定

用便攜式光合測定儀Li- 6400測定葉片氣體交換參數,測量時分別設定全光照和全光照30%處理的光照強度為1000 μmol m-2s-1和300 μmol m-2s-1。每處理選擇4株幼苗,每株幼苗在莖干上選擇2簇生長健康的當年生葉分別連續測3次,測定凈光合速率Pn、胞間CO2濃度Ci、氣孔導度Gs和蒸騰速率Tr,并計算植株的瞬時水分利用效率：WUE=Pn/Tr和氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca(Ca為空氣中的CO2濃度)。

1.5 葉綠素含量的測定

選用當年生針葉用于葉綠素含量的測定,每個處理4個重復。針葉葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、總葉綠素(Chlt)和類胡蘿卜素(Car)含量采用乙醇提取法測定[13]。

1.6 可塑性指數(PI)計算

PI=(Pmax-Pmin)/Pmax

式中,Pmax為各參數在所有處理中的最大平均值,Pmin為各參數在所有處理中的最小平均值。

1.7 數據處理

采用SPSS 18.0進行數據進行統計分析,利用LSD進行顯著性檢驗,用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱和遮蔭處理對馬尾松幼苗生長的影響

如圖1所示,馬尾松幼苗基徑和株高的增長量在干旱、遮蔭和二者的交互處理下均顯著減小,且二者的交互處理加重了干旱和遮蔭單一處理下的減小趨勢。與對照處理相比,在干旱、遮蔭以及二者的交互處理下基徑和株高的增長量分別減少了52.76%、42.77%和84.22%,28.08%、42.78%和81.36%。

圖1 干旱和遮蔭處理下馬尾松幼苗生長量的差異Fig.1 The difference of growth increment in P. massoniana seedlings under drought and shading treatment 不同字母表示同一指標在處理之間存在顯著差異(P<0.05)

2.2 干旱和遮蔭處理對馬尾松針葉特征的影響

馬尾松幼苗的針葉特征受干旱和遮蔭的影響相對較小，但其在不同處理下的變化趨勢存在差異。從圖2可知，與對照相比，針葉長度受干旱影響下雖未發生顯著改變，但卻減小了9.80%；遮蔭處理顯著增加了針葉長度，與對照相比，增加了15.96%；二者的交互處理顯著減小了針葉長度，減小了14.41%。各處理下，針葉的相對含水量和比葉面積與對照相比均未發生顯著改變，但均在干旱和二者的交互處理下呈減小的趨勢，在遮蔭處理下呈增加的趨勢。

圖2 干旱和遮蔭處理下馬尾松幼苗當年生針葉形態特征差異Fig.2 The difference of morphological features in current-year needles of P. massoniana seedlings under drought and shading treatment

2.3 干旱和遮蔭處理對馬尾松幼苗氣體交換參數的影響

從表1可知,受干旱和遮蔭影響下馬尾松幼苗的氣體交換參數呈現不同程度的影響。與對照相比,干旱處理下植株的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和細胞間隙CO2濃度(Ci)均顯著減小,分別減小37.55%、62.08%、75.21%和31.09%,水分利用效率(WUE)和氣孔限制值(Ls)顯著增大,分別增大67.96%和123.68%；遮蔭處理下植株的Pn、Tr和Gs顯著減小,分別減少42.22%、40.16%和49.11%,Ci、WUE和Ls基本未發生改變；二者的交互處理下各參數的變化趨勢同干旱處理較一致,Pn、Tr、Gs和Ci顯著減小,分別減小64.58%、77.39%、85.70%和30.54%,WUE和Ls顯著增大,分別增大60.78%和122.37%。

表1 干旱和遮蔭處理下馬尾松幼苗氣體交換參數的差異

CK：對照，Control；DR：干旱，Drought；LL：遮蔭，Shading；DRLL：干旱遮蔭，Drought plus shading;不同字母表示同一指標在處理之間存在顯著差異(P<0.05)

2.4 干旱和遮蔭處理對馬尾松幼苗光合色素含量的影響

從表2可知,干旱對馬尾松針葉光合色素的影響較小,與對照相比,葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、總葉綠素、葉綠素a/b以及類胡蘿卜素/總葉綠素基本未發生改變。遮蔭處理下各光合色素的含量顯著增加,與對照相比,葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素的含量分別增加54.02%、71.10%、38.63%和58.45%,葉綠素a/b和類胡蘿卜素/總葉綠素顯著減小,分別減小10.48%和12.17%。二者的交互處理同遮蔭處理一致均增大了各光合色素的含量,與對照相比,葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素的含量分別增加44.02%、59.48%、41.58%和48.02%,葉綠素a/b顯著減小,減小了9.63%,而類胡蘿卜素/總葉綠素未發生顯著改變。

表2 干旱和遮蔭處理下馬尾松幼苗光合色素含量的差異

不同字母表示同一指標在處理之間存在顯著差異(P<0.05)

2.5 馬尾松幼苗受光照和水分影響下的可塑性變化

圖3 光照和水分影響下可塑性指數的雙變量示圖Fig.3 The bivariate expression of plasticity index under the influence of light and water

植株性狀的可塑性變化與植株適應環境的能力和資源的可利用情況有關。從圖3可知,整體上看,馬尾松幼苗受光照和水分影響下可塑性能力的差異不大(PI水分總平均=0.26,PI光照總平均=0.26),但不同性狀受光照和水分影響的可塑性能力存在差別。具體表現為,植株的生長、針葉特征受光照和水分影響下的可塑性能力較一致,其可塑指標的平均值分別為植株的生長：PI水分=0.40、PI光照=0.43,針葉特征：PI水分=0.07、PI光照=0.09；光合色素含量受光照影響下的可塑性能力比水分大440%(PI水分=0.05、PI光照=0.27)；氣體交換參數受光照影響下的可塑性能力比水分小53%(PI水分=0.50、PI光照=0.24)。

3 討論

環境發生變化時,植物的生長將受到一定程度的影響,這主要歸結于光合產物合成能力的改變。在本研究中,干旱和遮蔭均抑制了馬尾松幼苗基徑和株高的生長,這與相關學者的研究結果一致[12,14],這是因為在受到光照和水分條件制約的影響下,植株的凈光合速率下降,光合產物的合成受到影響,從而限制了植株的增粗和增高生長。而在干旱與遮蔭的交互處理下,馬尾松幼苗基徑和株高的生長量,以及凈光合速率均受到了更嚴重的抑制,說明遮蔭未能緩解干旱對植株的負面影響。二者的交互作用對馬尾松幼苗生長的影響不符合“權衡理論”、“促進理論”和“獨立影響理論”,更傾向于符合“相互作用理論”。這與Guo等[15]對三角楓(Acerbuergerianum)的研究結果一致,而與劉翠菊等[12]對耐冬山茶(Camelliajaponica)研究中,發現二者交互作用的影響符合“促進理論”的結論不一致,這種結果的差異可能與不同物種對不同環境因子的響應程度存在差別有關。

環境脅迫對植物生長的影響機制因不同的環境因子而存在差別。通常認為,在干旱環境中,植物光合速率下降分別受“氣孔限制”[14,16]和“非氣孔限制”[12,17]的影響。根據Farquhar等[18]的光合控制理論認為,當氣孔導度、細胞間隙CO2濃度降低,氣孔限制值增大時,凈光合速率的降低主要受“氣孔限制”的影響；而當細胞間隙CO2濃度升高、氣孔限制值降低時,凈光合速率的降低則主要受“非氣孔限制”的影響。在本研究中,干旱處理下馬尾松植株Pn的下降伴隨著Gs和Ci的下降和Ls的升高,因此可以認為馬尾松幼苗光合速率的下降受到了“氣孔限制”的影響,導致進入葉片的CO2受到阻礙,減少了植株進行光合作用時所需原料的供應。植株的蒸騰速率顯著減小,水分利用效率顯著增加,這與氣孔關閉減少了針葉表面的水分蒸發,提高了植株對水分的利用效率[19]有關。另外,馬尾松幼苗的針葉長度和比葉面積顯著減小,針葉含水量有所減小,但變化不顯著。說明通過針葉形態特征和氣孔限制等的調節減小了馬尾松在干旱脅迫下水分損失的機會,維持了相對較穩定的含水量,表現了較強的保水能力,以保證馬尾松植株在生長過程和生理活動中所需水分的供應。相關學者表明,干旱脅迫可使葉綠素的合成受阻或加速葉綠素的降解[20-21],進而減弱對光能的吸收和傳遞能力,引起植株光合功能的改變。而在本研究中,馬尾松幼苗的葉綠素含量、葉綠素a/b和類胡蘿卜素/總葉綠素的比值均未在干旱處理下發生顯著改變,表明植株對光能的吸收和利用能力并未因干旱而受到較大影響。

遮蔭處理顯著減小了馬尾松植株的Pn,同時使Gs和Tr也均顯著下降,說明在受弱光環境的影響下,馬尾松植株的蒸騰速率因氣孔導度的閉合而有所下降,這與魏明月等[22]對煙草(Nicotianatabacum)以及呂程瑜和劉艷紅[23]對梓葉槭(Acercatalpifolium)的研究結果一致。氣孔閉合會限制對CO2的吸收,而馬尾松植株的Ci卻保持不變,且遮蔭減少了植株的凈光合速率,表明此時對CO2的吸收和同化情況仍保持相對協調。此外,相關研究表明,在弱光環境中,植株可通過增大針葉長度、比葉面積[24]和光合色素含量[25- 28]來增大對光能的捕獲機會和對光能的吸收和利用能力,以適應弱光環境。在本研究中,遮蔭處理不僅增大了馬尾松植株的針葉長度和比葉面積,還顯著增加了植株的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類葫蘆卜素含量,這就保證了在弱光環境中馬尾松幼苗能盡可能多的吸收和利用光能進行光合作用,緩解一部分受光照不足的影響。同時,遮蔭處理使馬尾松針葉的葉綠素a/b顯著減小,說明葉綠素b的增長量相對更高,根據薛思雷等[29]的研究認為,葉綠素b相對含量的增高可提高對弱光的捕獲能力,由此可見馬尾松通過對光合色素含量的調節增強了對弱光環境的適應；類胡蘿卜素/總葉綠素的值顯著減小,而類胡蘿卜素具有猝滅過剩光能的作用[30],說明相較于強光環境,馬尾松植株在弱光環境中對過剩光能淬滅能力會有所減弱,這也是植株對脅迫環境長期適應的體現。

在干旱和遮蔭的交互處理下,馬尾松植株的Pn下降伴隨著Gs和Ci下降以及Ls的升高,表明光合速率的下降仍受到了“氣孔限制”的影響；且植株的氣孔導度顯著小于干旱和遮蔭的單一處理,這與Quero等[6]對歐洲栓皮櫟(Quercussuber)、冬青櫟(Quercusilex)、非洲櫟(Quercuscanariensis)和比利牛斯櫟(Quercuspyrenaica)以及劉翠菊等[12]對耐冬山茶的研究中,發現遮蔭處理增大了干旱脅迫下葉片的氣孔導度,緩解了一部分水分虧缺影響的研究結果不一致,說明在本研究中,遮蔭未能緩解干旱脅迫中馬尾松幼苗受水分虧缺的影響。植株的針葉長度和比葉面積的變化同干旱處理一致,均顯著減小,即在弱光、缺水的環境中,馬尾松植株的針葉會優先保證適應干旱,保證針葉的含水量,以維持正常的生理活動。但光合色素含量的變化趨勢同遮蔭處理一致,均顯著增加,而葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素的增長量小于遮蔭單一處理,說明干旱減弱了在遮蔭環境中針葉光合色素的合成能力。綜上所述,二者的交互處理不僅未能緩解干旱對馬尾松植株的負面影響,還削弱了對光能的捕獲能力和機會。這也解釋了植株的凈光合速率進一步受到抑制的原因,證實了干旱和遮蔭二者的交互作用對馬尾松幼苗生長的影響更符合“相互作用理論”。

4 結論

本研究表明,干旱、遮蔭均抑制了馬尾松幼苗的生長,二者的交互作用符合“相互作用理論”。馬尾松的針葉形態和光合生理特征在干旱和遮蔭環境下呈現不同的響應和適應機制。干旱環境下,馬尾松植株通過減小針葉長度和比葉面積,減少了水分損失的機會；通過氣孔關閉,減少蒸騰速率,提高水分利用效率,使植株凈光合速率的下降受到了“氣孔限制”的影響。遮蔭環境下,馬尾松植株通過增大針葉長度、比葉面積和光合色素含量,提高對光能的捕獲能力和機會,來適應弱光環境。在二者交互處理下,馬尾松植株的生長和凈光合速率均進一步降低；遮蔭環境不僅未能緩解受干旱的影響下使針葉長度、比葉面積和氣孔導度減小的趨勢,還使光合色素含量的增長量受干旱的影響下有所減小,從而加重了對馬尾松生長的影響。