西南丘陵地區紫色土酸性對無患子幼樹生長和光合特性的影響

田秋玲,樂佳興,吳焦焦,張 文,高 嵐,錢 春,劉 蕓,*

1 西南大學資源環境學院, 重慶 400700 2 西南大學園藝園林學院, 重慶 400700

無患子(SapindusmukorossiGaertn.)是無患子科(Sapindaceae)無患子屬(Sapindus)落葉喬木,其種仁含油率高達40%,可用于提煉生物柴油和制備高級潤滑油,果皮提取的皂苷具有洗滌降污、洗脫重金屬、抗菌抗腫瘤等多種生物活性[1],材質致密、花紋美觀,富含的天然皂素可自然防腐防蟲,是木質家具和工藝品的優良原料[2],也因樹形優美、樹干通直、秋季葉色金黃被廣泛用作行道樹[3]?？梢?無患子是集醫藥化工、生物質能源、工業制造和園林綠化于一體的多用途經濟樹種。無患子屬在全世界共13種,我國有4種1變種,適宜熱帶、亞熱帶地區生長,分布中心位于熱帶美洲,我國淮河流域以南是邊緣分布區,主要分布于東部、南部、西南部,為低山、丘陵及石灰巖山地常見樹種[4- 6]。近年來,無患子在重慶、貴州、云南等西南貧困山區的退耕還林、植被恢復中作為重要經濟生態樹種被大力推廣種植。

西南丘陵地區退耕還林土地以紫色土居多,紫色土是由紫色母巖發育而成的幼年土,風化程度低,原生礦物和鹽基離子含量豐富,粘土礦物以蒙脫石和水云母為主使得土壤鉀含量豐富,種植經濟林木效益高[7- 8]。但有研究表明,近年來紫色土受酸沉降和氮肥施用影響,已出現不同程度酸化,紫色土強酸化(pH<4.5)后具有交換性酸和交換性鹽基離子同時增多的“雙面性”酸化特征,交換性酸含量遠多于同等酸度的黃壤和磚紅壤[9- 11]。土壤是植物完成生活史最重要的介質,中性紫色土尚可維持較高肥力水平,但酸性紫色土由于交換性酸含量極高并且活化了重金屬離子而對植物根系產生毒害[12- 13],不利于植物生長發育。目前,有關無患子的研究多集中于化學成分的作用分析和提取工藝[14- 15]、種質資源調查[5]、物候期觀測[16]等方面,而關于原料林培育中受酸性土壤脅迫則未見研究報道。

光合作用是綠色植物將光能和化學能轉化為有機物的唯一途徑,植物受到逆境脅迫時,光合作用減弱,生產力低,植物生長發育受阻。因此,本試驗研究了重慶市紫色土不同程度酸性區(中性區為對照)3年生無患子幼樹的生長、光合特性差異,初步探討土壤酸性對無患子生長及光合作用的影響,為無患子在西南地區紫色土推廣種植之適生區選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 紫色土酸性區試驗選址

根據李忠意等[17]研究,重慶市紫色土土壤pH范圍為3.7—8.8,土壤 pH在6.5—7.5之間屬中性,5.5—6.5范圍內以交換性H+為主組成的交換性酸含量極低,屬弱酸性,土壤pH < 5.5時交換性酸和交換性Al3+隨土壤pH降低呈指數增長且交換性Al3+占土壤交換性酸的比重不斷增加[18],屬強酸性。本試驗根據前人研究,結合前期調查結果,分別選址重慶市北碚區西南大學水保園中性紫色土區(簡稱S1)、墊江縣長龍鎮長堰村紫色土弱酸性區(簡稱S2)、合川區西山坪鎮野貓坪村紫色土強酸性區(簡稱S3),上述3個試驗區均屬于川東平行嶺谷區,丘陵地形,亞熱帶濕潤季風氣候,年均降水量1230 mm,集中在6—8月,年均日照時間1245.5 h,最高溫40℃,最低溫4℃,年均溫17℃。基本信息見表1。

表1 試驗區概況

1.2 實驗設計

3個試驗區均采用完全隨機區組設計,在每個試驗區選擇地勢平坦的地方設置3個實驗小區,小區規格12 m × 12 m,每小區內重復16株,株行距3 m × 3 m。于2016年11月選取長勢一致的1年生健壯幼苗,平均株高和地徑分別為(95.71±3.07) cm、(10.75±0.18) mm,按試驗設計隨機定植于小區,共144株。后期采用相同田間管理措施,均無任何形式的肥料添加。2018年7月初,同時對3個試驗區的無患子進行生長和光合參數測定。

1.3 土壤理化性質測定

分別于2016年11月(幼苗種植前)、2018年7月采集試驗區土壤,每小區以“S”型采樣法采集根際耕層(0—20 cm)土壤混勻后用四分法保留約1 kg土壤樣品,帶回實驗室自然風干后過2.00、1.00 mm和0.25 mm尼龍篩備用。采用楊劍虹等[19]的方法測定土壤理化性質。

1.4 生長、葉性狀指標測定

每小區隨機選取10株,用卷尺(1 cm精度)測量株高和冠幅,游標卡尺(精度0.02 mm)測量地徑(從樹基部向上1 cm處樹干直徑)。利用智能葉面積測量系統(浙江托普云農科技股份有限公司,中國)測量葉片的葉面積(LA),掃描結束后置于65 ℃烘箱內烘至恒重,用電子天平(0.0001 g精度)稱量葉干質量,比葉面積(SLA)= 葉面積/葉干重,每小區重復5株,每株20片,結果取平均值。本實驗中測量葉片均為樹冠中上段向陽方向復葉頂端的第3或第4片健康小葉。

1.5 葉片全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)含量測定

取小葉裝入冷藏箱帶回實驗室,65 ℃烘箱內烘干至恒重,磨細過2 mm尼龍篩備用,每小區重復3株,每株200片。葉片TN采用凱氏法測定,葉片TP用H2SO4-HClO4消化后,鑰蘭比色法測定,葉片TK采用火焰分光光度計測定[19]。

1.6 光響應曲線及氣體交換參數測定

采用Li- 6800光合測定系統(Li-COR,美國) 2 cm × 3 cm葉室測定葉片光響應曲線,通過LED紅藍光源設置12個光合有效輻射(PAR,μmol m-2s-1)強度梯度：1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50和0 μmol m-2s-1,CO2濃度400 μmol m-2s-1(由小型 CO2鋼瓶提供),溫度25℃,相對濕度60% ± 5%,氣體流速500 μmol/s,測定前在1200 μmol m-2s-1光強下誘導15 min,每個光強下穩定2 min后記錄數據。利用葉子飄[20]的光合計算方法,使用直角雙曲線修正模型擬合并計算最大凈光合速率(Pnmax)、光補償點(LCP)、光飽和點(LSP)、暗呼吸速率(Rd)、表觀量子效率(AQY) 及擬合決定系數(R2)。每小區重復3株,每株測量3片,結果取平均值,同時標記測量葉片。

2018年7月初選取連續晴天9: 00—11: 30,利用上述Li- 6800光合測定系統測定氣體交換參數,空氣流速為500 μmol/s,每個點穩定2 min后讀數,記錄凈光合速率(Pn) 、蒸騰速率(Tr) 、氣孔導度(Gs) 、胞間CO2濃度(Ci),葉室CO2濃度(Ca),氣孔限制值(Ls)= 1 -Ci/Ca。測定的葉片和重復數與上述光響應曲線相同。

1.7 光合色素含量及葉綠素熒光參數測定

利用JUNIOR-PAM便攜式脈沖調制熒光儀(WALZ,德國)測定葉片熒光特性,測定前暗適應20 min,后照射檢測光測得初始熒光(Fo)；然后用強飽和脈沖光(10000 μmol m-2s-1) 激發,使原初電子受體QA全部處于還原狀態,測定最大熒光(Fm),可變熒光Fv=Fm-Fo,最大光化學效率(Fv/Fm) 、光化學猝滅系數(qP) 、非光化學猝滅系數(qN) 、電子傳遞速率(ETR)和實際原初光能捕獲效率(Y(Ⅱ))均由儀器計算給出。測定的葉片和重復數與光響應曲線相同。

葉綠素熒光測定完成后,立即摘下葉片,-80℃液氮低溫保存,帶回實驗室立即測定光合色素,總葉綠素(Chls)、葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、類胡蘿卜素(Cars)含量采用乙醇提取法測定[21]。

1.8 統計分析

使用Excel軟件完成數據整理、制表和繪圖,SPSS 23.0統計軟件進行單因素(one-way ANOVA)方差分析、Pearson相關性分析和Duncan多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤酸性對紫色土速效養分和葉片氮(TN)、磷(TP)、鉀(TK)含量的影響

由表1、2、3知,各試驗區土壤TN和SOM含量為S3 > S1 > S2,與土壤pH均無顯著相關性,酸性區土壤TP、TK含量低于中性區,與土壤pH極顯著正相關(P<0.01)。與中性區相比,酸性區土壤AN、AP含量極顯著增加(P<0.01),且均與土壤pH極顯著負相關,酸性區土壤AK含量極顯著減少,與土壤pH極顯著正相關,不同試驗區之間差異極顯著(P<0.01)。與中性區相比,酸性區葉片TN和TK含量顯著減少,土壤越酸,含量越低,葉片TP含量在弱酸性區最高,不同試驗區之間葉片TN、TP和TK含量差異均極顯著(P<0.01)。

2.2 土壤酸性對無患子幼樹生長及葉性狀的影響

如表4所示,株高為S1 > S2 > S3,不同試驗區之間差異極顯著(P<0.01),地徑在S2最大,S3最小,S1與S2差異不顯著(P>0.05),酸性區的幼樹冠幅顯著高于中性區(P<0.05)。各試驗區SLA、LA均是：S2 > S1 > S3,LA在不同試驗區之間差異極顯著(P<0.01)。

2.3 土壤酸性對無患子幼樹葉片光合色素含量及葉綠素熒光參數的影響

由表5可知,中性區幼樹葉片Chl a、Chls、Cars含量以及Chl a/b比值最大,而Chl b含量和Chls/Cars比值最小,且與酸性區差異極顯著(P<0.01),酸性區之間無顯著差異(P> 0.05)。與中性區相比,酸性區的 Y(Ⅱ)、ETR和qP顯著增大(P<0.05),其中Y(Ⅱ)和ETR在酸性區之間無顯著差異(P>0.05),不同試驗區qP差異極顯著(P<0.01)。酸性區Fv/Fm和qN顯著小于中性區,不同試驗區間Fv/Fm差異極顯著(P<0.01),qN表現為中性區極顯著高于酸性區(P<0.01)。

表2 不同試驗區土壤速效養分和葉片氮(TN)、磷(TP)、鉀(TK)含量

表3 土壤養分與土壤pH相關性分析

表4 不同試驗區無患子幼樹生長及葉性狀指標

表5 不同試驗區無患子幼樹葉片光合色素含量及葉綠素熒光參數

圖1 不同試驗區無患子葉片凈光合速率Pn對光照強度的響應Fig.1 Response of net photosynthetic rate Pn to light intensity in of leaves of S. mukorossi in different test areas

2.4 土壤酸性對無患子幼樹葉片光響應曲線及氣體交換參數的影響

在CO2恒定400 μmol/mol濃度和0—1800 μmol m-2s-1光強范圍內測得光響應曲線并得出擬合參數。由圖1可知,不同試驗區葉片Pn隨PAR的變化趨勢基本一致,PAR從0增至400 μmol m-2s-1時,葉片Pn快速增加,PAR>400 μmol m-2s-1后,Pn緩慢增加,S3在PAR趨近1000 μmol m-2s-1時Pn出現緩慢下降趨勢。

如表6所示,與中性區相比,酸性區Pnmax顯著減小,與中性區差異極顯著(P<0.01),S3的LSP極顯著下降(P<0.01),各試驗區AQY、LCP和Rd均為S3 > S1 > S2,其中 AQY和Rd在不同試驗區之間差異極顯著(P<0.01)；酸性區Pn極顯著下降(P<0.01),試驗區之間差異達極顯著水平(P<0.01),Tr表現為S2極顯著高于S1和S3(P<0.01),S1和S3之間差異不顯著(P>0.05),Ci和Gs均為S2 > S1 > S3,S1和S2極顯著高于S3(P<0.01),Ls為S3 > S1 > S2,S1和S2極顯著低于S3(P<0.01)。

表6 不同試驗區無患子幼樹葉片光響應曲線及氣體交換參數

3 討論

土壤pH能夠影響或指示土壤養分的轉化、釋放、有效性及植物根系吸收養分的能力。有研究表明,酸性紫色土中氮素更易礦化,土壤pH越低,氮礦化量越多[22- 23]。肖懿、Zhang等[24- 25]認為土壤酸性會導致固定的磷素溶解,與中性和石灰性紫色土相比,酸性紫色土磷素最大吸附量、吸附緩沖容量低,磷素解吸能力高,磷素釋放風險大。本研究結果發現,紫色土酸性促進了土壤氮磷元素向其有效態轉化,使得土壤AN、AP含量高。這與李忠意等[17]的研究結果一致。土壤酸性會加速土壤礦物分解,促進礦質態鉀轉變成有效態鉀,而鉀素極易被淋失,從而造成鉀素養分庫損失嚴重[26- 27]。本研究中,紫色土酸性區土壤AK與TK含量低可能與其長期酸性條件下鉀素轉化為有效態后大量淋失有關。

葉片氮作為構建葉綠素的主要成分,當其顯著下降時必然導致葉綠素含量降低,不利于光能的吸收和轉化[28]。本研究結果顯示,中性區幼樹葉片較高的TN含量促進了葉綠素合成,葉片高的Chls、Chl a含量和Chl a/b比值與其高光合能力相對應[29]。Chl a和Chl b分別表征葉片光能利用和捕獲能力的指標[30],酸性區生長的無患子通過增加Chl b含量提高葉綠體弱光捕獲能力,而Chl a含量極顯著減少造成葉綠體光電轉化效率降低,進而光合速率顯著下降。Lichtenthaler等[31]認為陸地陽生植物葉片Chl a/b比值是3.0—3.4,Chls/Cars比值是3.8—4.4；陰生植物Chl a/b比值為2.4—2.7,Chls/Cars比值為4.8—5.7。本研究中,中性區葉片Chl a/b和Chls/Cars比值極具陽生植物特性,而酸性區葉片Chl a/b和Chls/Cars比值更趨向陰生植物特性。實際上,無患子屬陽生植物,喜全光照。與中性區葉片色素含量相比,土壤酸性導致無患子色素含量失衡,對光照的需求表現出陰生植物特性,即更偏愛相對低的光照和散射光?？梢?土壤酸性可通過影響無患子色素含量和比值,進而影響其光合能力。LSP和LCP的高低能夠反映植物的需光特性和環境適應能力[32]。本研究表明,強酸性區LSP低,強光利用能力弱,LCP和Rd較高,屬于低生產高消耗,生態適應性弱；弱酸性區LSP高,LCP和Rd最低,光能利用能力強,屬于高生產低消耗,生態適應性強；中性區LSP高,LCP和Rd較高,弱光利用能力差,消耗較大,但Pnmax最大,葉片有機物質積累多,生態適應性強。可見,本實驗中,紫色土中性區和弱酸性區是無患子生長適宜區。

葉綠素熒光參數可反映植物受逆境脅迫的光合機構響應方式[33]。Fv/Fm是表征PSII反應中心內稟光能轉化能力的指標,非脅迫條件下一般為0.75—0.85[34]。本研究中,酸性區Fv/Fm極顯著降低,表明無患子葉片光合潛能受土壤酸脅迫影響而下降,與張翠萍等[35]研究結果相同；qN是PSⅡ反應中心以熱形式耗散過剩光能的比例[36],無患子幼樹葉片應對土壤酸脅迫沒有增加熱耗散來消耗過剩激發能,與李清雪等[37]研究結果相似。此外,中性區葉片高的Cars含量對其通過葉黃素循環耗散過剩光能以應對夏季高光環境下光合機構免受破壞有積極作用[38- 39]。本實驗范圍內,酸性區qP、Y(II)和ETR均顯著高于中性區,說明酸性區葉片吸收的光能用于光化學傳遞的份額大,酸性區無患子葉片在光能捕獲量不足條件下通過調整光合結構,以提高光合電子傳遞速率和光能捕獲效率,實現吸收的光能利用效率最大化?？梢?無患子在土壤酸性脅迫下,具有一定的主動適應逆境能力。

葉性狀與植物資源利用策略及生存環境適應能力間存在一定協調性。無患子在土壤酸脅迫影響下,其葉片表現出具有一定適應性的表型可塑性。鉀在增大葉面積、延長葉的功能期、提高葉片葉綠素含量和氣孔開張靈活度等方面起重要作用,從而提高凈光合速率,促進有機物質積累[40- 41]。本研究中,強酸性區葉片TK含量低可能與其Tr、Gs下降有關,同時 LA、SLA、Chls和Chl a含量減小,使得光合生產力下降,植株生長受阻；弱酸性區幼樹葉片大的LA、SLA有利于攔截光能[42],從而補償較低光量子通量密度造成的光合速率下降,薄而大的葉片Tr和Gs高,使其運輸水分、養分的量和速率增加,并且CO2供應充足,與其高光合速率相適應[43],有利于光合產物積累,表現出地徑和冠幅均最大。酸性區幼樹株高顯著減小,但冠幅顯著增大,可能是土壤酸性影響了植物激素合成而削弱了無患子樹體的頂端優勢,關于這一點,有待進一步研究。

4 結論

紫色土酸性通過影響土壤養分轉化、根系吸收能力顯著降低了無患子幼樹的光合能力；強酸性區幼樹葉片氮、鉀含量低,導致其光能利用能力差,光能捕獲總量低,有機物質消耗大,不利于無患子生長；弱酸性區幼樹葉片通過增大光能捕獲面積,提高PSⅡ光合電子傳遞速率和光能捕獲效率,降低有機物質消耗,表現出較強的生態適應性。研究結果表明,無患子在重慶紫色土區種植的pH適宜范圍為5.5—7.5,而在pH值低于5.5的紫色土種植無患子,對其生長發育不利。