興安落葉松生理指標和光合特性對不同光環境的響應

李金博 曾昭文

摘要：以北方大興安嶺地區主要植被興安落葉松為試驗材料，用黑色遮陰網的方法研究不同光環境下興安落葉松葉片生理指標及光合特性的變化，并利用葉綠素熒光技術研究不同遮陰條件對興安落葉松葉片PSⅡ功能的影響。結果表明，隨著遮陰程度的增加，興安落葉松根系活力呈下降趨勢，葉面積增長緩慢，且葉片數量下降幅度明顯。興安落葉松葉片地上生物量、地下生物量和胸徑均隨遮陰程度的增加呈下降趨勢。在光照度為70%時，地上生物量比10%光環境下提高193.6%。隨著遮陰程度的增加，興安落葉松葉片的凈光合速率（Pn）呈顯著降低趨勢，葉片的氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）變化趨勢與之相似。興安落葉松葉片的光化學淬滅系數（qP）、PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）和電子傳遞速率（ETR）隨著遮陰程度的增加均呈降低趨勢，在光照度為70%時，葉片的非光化學淬滅（NPQ）較10%光環境時降低了26.65%，遮陰顯著降低了興安落葉松的光合能力。

關鍵詞：興安落葉松;不同光環境;葉綠素熒光;光系統Ⅱ

中圖分類號： S791.222.01文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）08-0149-04

收稿日期：2020-08-20

基金項目：黑龍江省科學院青年創新基金面上項目（編號：CXMS2019ZR01）。

作者簡介：李金博（1990―），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，研究實習員，主要從事森林土壤生態學研究。E-mail：505662355@qq.com。

通信作者：曾昭文，研究員，主要從事生態學研究。E-mail：zengzw64@163.com。

植物在不同光環境下的反應是復雜的，在不同遮陰程度下，植物個體可能以不同的策略來維持自身生長。強光或者弱光會降低植物的光化學效率，嚴重的脅迫可能會不可逆轉地損害光合器官。近年來，國內外學者對不同植物光合生理方面的研究不斷深入[1-3]，肯定不同光照度是影響植物生長及存活的重要限制因子[4-6]，通過測定光合和葉綠素熒光參數是能夠描述植物在不同光照度脅迫下生理狀態的重要指標。植物生長發育主要依靠其光合生理過程，而光照度更是直接影響植物的光合生理過程，但過程和機制十分復雜[7-8]，因此研究不同光照度對植物光合生理過程的影響是研究植物生理變化機制的基礎。

大興安嶺是我國面積最大的森林分布區，其中針葉林是大興安嶺地區生態系統的重要組成部分，興安落葉松林是我國大興安嶺森林生態系統研究的重點區域[9-10]。興安落葉松（Larix gmelinii）屬于松科落葉松屬的一個品種，是大興安嶺林區最為重要的樹種之一。興安落葉松是強喜光樹種，且有很高的經濟價值，對維持生態平衡、涵養水源等方面具有極大的促進作用[9]。國內的大量學者已開展對興安落葉松群落溫室氣體排放和土壤微生物方面的研究[10]，那么在針對個體興安落葉松生長過程中各外部環境因子對其生長有怎樣的影響，尤其針對不同光環境下對其個體生長過程的影響研究較少。本試驗通過分析不同遮陰程度下興安落葉松的生理特性及光合能力，研究在不同光環境影響下興安落葉松的生長情況，為興安落葉松的栽培和生長管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

試驗于2019年8月在黑龍江呼中國家級自然保護區（122°42′14″～123°18′05″ E，51°17′42″～51°56′31″ N）進行，試驗材料為興安落葉松。利用遮陰網進行遮陰，用光強測定儀測定，設置光照度分別為100%（CK）、70%、40%、10%，并且利用Li-6400光合測定系統（Licor公司，美國）探頭進行光照度的測定。

1.2 測定項目和方法

生長參數測定：選擇各處理中生長相對一致（三年生）的興安落葉松測量單株葉片數，測量興安落葉松幼苗主干上倒數第2～3張完全展開葉的葉片長度和葉片寬度，并計算其葉片面積，公式為葉長×葉寬×0.634 5，其中0.634 5為葉面積指數;每個處理各收獲長勢均勻的5株待測植株，根系洗凈，分別將根和地上部105 ℃殺青30 min、60 ℃烘干 30 h 至恒質量后稱其干質量，即得到地下生物量和地上生物量，并計算總生物量（地下生物量+地上生物量），胸徑測量采用軟尺測量[11]。

對興安落葉松葉片葉綠素含量和葉綠素熒光參數的測定：葉綠素含量利用CCM-200型葉綠素儀（OPTI-SCIENCES，美國）測定，以葉綠素儀的讀數SPAD值作為相對葉綠素含量。

光合氣體交換參數的測定：選興安落葉松新生枝條上倒數第2張完全展開葉，利用Li-6800光合測定系統（Licor公司，美國）將光照度（PFD）設定為 8 000 lx，分別測定對照和不同光照度處理下興安落葉松葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）等參數。光合氣體交換參數測定時氣路用空氣緩沖瓶連接大氣，大氣CO2濃度約為390～410 μL/L，每個處理測定10次重復。

葉綠素熒光參數的測定：將興安落葉松新梢倒數第3張或第4張葉片利用暗適應夾進行0.5 h暗適應后采用便攜式脈沖調制熒光儀FMS-2（Hansatch公司，英國）參照張治安等的方法[12]測定初始熒光（Fo）、光系統Ⅱ（PSⅡ）最大光化學效率（Fv/Fm）、電子傳遞速率（ETR）、光化學淬滅系數（qP）、非光化學淬滅（NPQ）等，各處理均測定3次重復。

快相葉綠素熒光動力學曲線的測定：選擇頂端第2張完全展開葉片，進行30 min暗適應后利用Mini調制式掌上葉綠素熒光儀（FluorPen FP 100 max，捷克）測定各暗適應后葉片的OJIP曲線。OJIP曲線由3 000 μmol/（m2·s）的脈沖紅光誘導，相對熒光強度的記錄從10 μs開始至1 s結束。其中OJIP曲線上O、J、I、P點分別為0、2、30、 1 000 ms 對應的時刻，L和K點分別表示0.15、0.30 ms對應的時刻。

1.3 數據處理方法

運用Excel 2003和SPSS 22.0軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同數據組間的差異。

2 結果與分析

2.1 不同光照度對興安落葉松葉面積、根系活力和葉片數的影響

由表1可知，隨著遮陰程度的增加，興安落葉松葉面積均呈下降趨勢。在遮陰處理時，興安落葉松葉面積均顯著低于對照，說明不同光照度對興安落葉松葉面積的影響較大。在光照度為40%時，興安落葉松根系活力與光照度為10%時差異不顯著。在光照度為70%、40%和10%時，與對照相比興安落葉松葉片數表現為顯著下降，分別下降了15.7%、37.2%和72.7%。

2.2 不同光照度對興安落葉松葉片地上生物量、地下生物量和胸徑的影響

從表2可以看出，興安落葉松葉片地上生物量隨脅迫遮陰程度增加呈下降趨勢。在光照度為70%時，興安落葉松葉片地上生物量含量與對照處理差異顯著。地下生物量表現出與地上生物量相同的趨勢。興安落葉松的胸徑隨著遮陰程度的增加呈現下降的趨勢，與光照度為70%時相比，光照度為10%時降低了66.5%。

2.3 不同光照度對興安落葉松葉片葉綠素熒光動力學曲線的影響

由圖1可以看出，不同光照度下興安落葉松葉片葉綠素動力學曲線差異顯著。在光照度為40%時，與對照相比差異明顯，當光照度處理為70%和100%時興安落葉松葉片葉綠素動力學曲線相似。

2.4 不同光照度對興安落葉松葉片光合氣體交換參數的影響

由圖2可見，隨著光照度的減弱，興安落葉松葉片的凈光合速率（Pn）均呈明顯下降趨勢，在光照度為70%和40%時，興安落葉松葉片Pn分別顯著低于對照15.46%和56.29%。興安落葉松葉片的氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）變化趨勢與Pn相似，在光照度為10%時，興安落葉松葉片的Gs和Tr均急劇降低。

2.5 不同光照度對興安落葉松葉片PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）和電子傳遞速率（ETR）的影響

由圖3可以看出，興安落葉松葉片的Fv/Fm和ETR隨著光照度的減弱均呈降低趨勢，且ETR的降低幅度大于Fv/Fm。在光照度為40%時，興安落葉松葉片Fv/Fm與光照度為70%時差異不顯著，但隨著遮陰程度的增加，光照度為10%時興安落葉松葉片的Fv/Fm和ETR均呈顯著降低趨勢，與對照相比分別低于48.94%和72.98%。

2.6 不同光照度對興安落葉松葉片光化學淬滅系數（qP）、非光化學淬滅（NPQ）的影響

由圖4-A可以看出，隨著光照度的減弱，興安落葉松葉片的qP呈顯著降低趨勢，在光照度為70%時，興安落葉松葉片的qP較對照顯著降低13.32%。由圖4-B可以看出，興安落葉松葉片的NPQ隨著光照度的減弱整體呈增加趨勢，在光照度為40%時，興安落葉松葉片的NPQ較對照顯著升高47.06%。

3 討論與結論

植物幼苗由于受到不同光強的影響，葉片的生長會受到較大的影響，從而進一步影響植物的生長，植物的葉面積和根系活力可以反映植物應對外界環境的表現[13-14]。本試驗中，在光照度為70%和40%時，興安落葉松的葉面積顯著低于對照，說明遮陰對興安落葉松葉面積的影響較大。葉片數作為重要的生長指標，在植物生產生長中有著至關重要的作用。在光照度為70%時，興安落葉松能維持較高的葉面積、根系活力和葉片數，而光照度為40%和10%時，葉面積、根系活力、葉片數、地上生物量、地下生物量和胸徑下降幅度均較大，遮陰對興安落葉松的生長產生極大的影響。

光合作用是植物有機物質積累、生長發育的基礎，受植物本身生理特性和環境因素的共同影響，植物光合能力的高低是反映植物生長能力的重要指標[12]。本試驗中，隨著遮陰程度的增加，興安落葉松葉片的Gs和Tr均呈顯著降低趨勢，即在遮陰作用下植物葉片同化能力的降低除了有氣孔限制因素外，非氣孔因素也會限制葉片的光合作用[15]。本研究結果表明，隨著遮陰程度的增加，興安落葉松葉片Pn均呈顯著降低趨勢，并且伴隨著Gs和Tr的降低，遮陰處理導致興安落葉松葉片光合碳同化能力降低的原因直接與氣孔導度降低有關，這與前人的研究結果[16-18]一致。但隨著遮陰程度的增加，Pn的降低幅度明顯大于Gs和Tr，特別是在光照度為40%和10%時，興安落葉松葉片的Pn仍隨著遮陰程度的增加呈線性降低趨勢，并且Gs和Tr變化趨勢較為一致。這說明在光照度為40%和10%時，興安落葉松葉片的Pn主要受氣孔因素的限制。

遮陰處理下光合作用受到抑制[19-21]，由于涉及PSⅡ反應中心的生化過程受到干擾，導致電子的產生和利用之間的不平衡，從而導致電子傳輸率的降低。利用葉綠素熒光技術分析不同程度遮陰處理下興安落葉松葉片光合指標對不同遮陰程度的響應。結果表明，不同遮陰下興安落葉松葉片葉綠素動力學曲線差異顯著。在光照度為40%和10%時，與對照處理（100%）差異顯著。隨著遮陰程度加大，興安落葉松葉片的Fv/Fm、ETR和qP均顯著降低，說明在遮陰處理下，葉片光合碳同化能力降低是導致興安落葉松PSⅡ功能降低的原因，其主要過程包括PSⅡ反應中心光化學活性的降低和電子傳遞的受阻等。

綜上所述，遮陰不僅會導致興安落葉松根系活力下降，葉面積增長緩慢和葉片數量降低，而且還會導致興安落葉松地上生物量和地下生物量降低，并會明顯抑制興安落葉松葉片的凈光合速率和PSⅡ光化學活性，從而導致興安落葉松葉片光能吸收和利用能力的改變。

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