泡核桃凋落葉對生菜光合特性的影響

鄭崇蘭，龍 麗，黃 慶，李 培，李志超，祝銘謙，巫玲琳，劉永安*

（1.涼山彝族自治州林業(yè)草原科學(xué)研究院，四川西昌 615000；2.涼山彝族自治州張林國有林場，四川西昌 615000）

植物化感作用是指植物通過向外界環(huán)境中釋放有效的化合物，對自身和相鄰的其他植物（包括微生物）產(chǎn)生的促進或抑制作用[1]。泡核桃（Juglans sigillataDode）廣泛分布于我國西南地區(qū)，是分布區(qū)重要的果用、油料、材用和綠化的經(jīng)濟林樹種，被許多地區(qū)列入經(jīng)濟建設(shè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)進行重點開發(fā)。開展泡核桃林下種植可充分利用土地資源，但已有研究表明核桃葉片中含有大量的醌類、黃酮類、二芳基庚烷類、萜類、多酚類等化感物質(zhì)[2-3]，林下凋落葉勢必對林地環(huán)境及林下植物產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，核桃凋落葉在土壤中分解，顯著抑制蘿卜、白菜、芥菜葉片中的葉綠素合成、降低三種作物的光合能力[4]，且抑制作用隨著凋落葉添加量的增加而增強[5]。而將核桃凋落葉化感作用耐受性強的植物用于開展林下套作，能有效提高土地利用率[5]。有研究表明生菜對麻風(fēng)樹葉子、種子殼的水浸提液[6]及橡膠葉水浸提液[7]的化感作用較不敏感，受銀杏凋落葉[8]和銀杏外種皮[9]的化感抑制作用卻很顯著。

本研究以生菜（Spinaciao leracea）為受體植物，采用盆栽試驗，向土壤中添加不同量的泡核桃凋落葉，模擬泡核桃凋落葉自然分解，探討泡核桃凋落葉對生菜光合作用的影響，為泡核桃林下種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用四川省涼山州木里縣15 年生泡核桃人工林中采集的新鮮凋落葉，粉碎后，混合均勻，備用。

選擇大小均勻、飽滿的生菜種子，播種前用0.5%K2MnO4溶液消毒20 min，用蒸溜水沖洗5 次，備用。

栽種土壤選擇芬蘭進口泥炭土，基本理化性質(zhì)見表1。栽種器具選用上口徑24 cm、下口徑17 cm、高14 cm的聚乙烯塑料盆。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physico-chemical properties of the soil samples

1.2 試驗設(shè)計

本試驗于2021 年5—9 月在涼山州林業(yè)草原科學(xué)研究院塑料大棚內(nèi)進行。試驗采取單因素隨機試驗設(shè)計，依據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，人工泡核桃林每年平均凋落葉量約為8 000 kg/hm2，按盆口徑22 cm 折合量為30 g/盆，故本試驗設(shè)置凋落葉添加量分別為T15（15 g/ 盆，約4 000 kg/hm2）、T30（30 g/ 盆，約8 000 kg/hm2）以 及T60（60 g/盆，約16 000 kg/hm2）3 個處理組，以不添加凋落葉為對照組。每個組設(shè)置10 個重復(fù)，共計40 盆。

按處理要求，將定量的凋落葉與試驗用土充分混勻后澆透水，1 d 后播種生菜。播種時覆蓋0.5 cm 試驗用土，澆透水以便種子發(fā)芽。各處理全部出苗后10 d 進行間苗，然后實施常規(guī)田間管理。

1.3 指標(biāo)測定及方法

葉片光合生理指標(biāo)采用便攜式光合作用儀（ADClci-t，英國）測定，光合儀選擇開放氣路，人工設(shè)置光照強度為1 000 μmol/(m2·s)，選取莖中部完全成熟的葉片測定葉片凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速 率（transpiration rate，Tr）、氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance，Gs）和胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci），每個處理重復(fù)測定3 次，每次重復(fù)記錄5 個數(shù)據(jù)。日進程于8：00—18：00 進行測定，光合生理特征參數(shù)在上午9：00—11：00 進行測定。

1.4 計算方法

化感作用效應(yīng)敏感指數(shù)簡稱化感指數(shù)（RI），計算公式如式（1）（2）所示。

式中，C為對照CK 光合參數(shù)測定值，T為處理T15、T30、T60 光合參數(shù)測定值。

葉片水分利用效率（WUE）計算公式如式（3）所示。式中，Pn 為葉片凈光合速率，μmol CO2/(m2·s)；Tr為葉片蒸騰速率，mmolH2O/(m2·s)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 19.0 進行單因素方差分析，LSD 法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 泡核桃凋落葉對生菜光合特征參數(shù)的影響

由表2 可以看出，T15 處理的生菜凈光合速率最大，然后依次為CK、T30，最小為T60，泡核桃凋落葉對生菜凈光合速率的影響總體表現(xiàn)為低量促進、高量抑制。低量處理T15 的凈光合速率為13.08 μmol CO2/(m2·s)，顯著高于CK，且其化感指數(shù)為0.081，表現(xiàn)為促進效應(yīng)。高量處理T30、T60 的凈光合速率分別為6.32 μmol CO2/(m2·s)和4.65 μmol CO2/(m2·s)，化感指數(shù)為-0.474 和-0.613，表現(xiàn)為抑制效應(yīng)，且各處理間凈光合速率測定值的差異顯著（P＜0.05）。由此可見，每盆土添加15 g 泡核桃凋落葉，可顯著促進生菜的凈光合速率，添加量超過30 g 之后，變?yōu)橐种谱饔谩?/p>

由表2 可知，胞間CO2濃度表現(xiàn)為隨泡核桃葉添加量的增加逐漸增加，CK 最低為271.59 mmol/mol，T15 較CK 稍高，為272.69 mmol/mol，但與CK 無顯著差異，化感指數(shù)僅為0.004。處理T30 與T60 的胞間CO2濃度顯著高于CK的，分別為 308.37 mmol/mol 與 332.16 mmol/mol。化感指數(shù)達到了0.119 和0.182，表現(xiàn)為促進作用。這表明，每盆土添加量15 g 泡核桃凋落葉對生菜胞間CO2濃度影響不大，添加量達30 g 之后，胞間CO2濃度表現(xiàn)出上升趨勢。

氣孔導(dǎo)度變化與凈光合速率類似，表現(xiàn)出低促高抑的趨勢，T15 氣孔導(dǎo)度為0.21 mol/(m2·s)，顯著高于對照CK，化感指數(shù)為0.098，表現(xiàn)為促進作用。當(dāng)每盆泡核桃凋落葉添加量達到30 g 時，其對生菜葉片氣孔導(dǎo)度的影響變?yōu)橐种疲琓30、T60 氣孔導(dǎo)度下降為0.11 mol/(m2·s)和0.12 mol/(m2·s)，化感指數(shù)為-0.401 和-0.350，T30 和T60較CK 相比顯著下降，但處理間無較大差異。

泡核桃凋落葉對生菜片蒸騰速率的影響結(jié)果見表2。由表知，低量處理T15 的蒸騰速率為4.90 mmol/(m2·s)，顯著高于對照，化感指數(shù)為0.147，表現(xiàn)為促進作用。高量處理（T30、T60）降低了生菜葉片蒸騰速率，化感指數(shù)為-0.097 和-0.033，表現(xiàn)為抑制效應(yīng)。

由表2 可以看出，土壤中添加泡核桃凋落葉降低了生菜葉片的水分利用效率，且降低程度隨添加量的增加而增加，且各處理間差異顯著（P＜0.05），化感指數(shù)達到了-0.072、-0.417 和-0.595。

表2 不同泡核桃葉添加量處理下生菜的凈光合速率及氣體交換參數(shù)Table 2 Net photosynthetic rate and gas exchange paramaters of lettuce under different amount of J. sigillate leaf litter

2.2 泡核桃凋落葉對生菜光合特征參數(shù)日變化的影響

由圖1A（見下頁）可看出，CK、T15、T30 和T60 四種處理凈光合速率日變化均呈現(xiàn)“雙峰型”，在10：00 時和14：00 分別達到峰值，有明顯的“光合午休”現(xiàn)象。4 個處理均在10：00 時達到全天的最高峰，T15 最大，為11.63 μmol/(m2·s)，之后依次為CK、T30 和T60，且各處理間有顯著差異（P＜0.05）。在14：00 時達到第二次高峰，各處理均低于第一次高峰，其峰值以CK 為最高，凈光合速率達到8.01 μmol/(m2·s)，與T15（凈光合速率為7.99 μmol/(m2·s)無顯著差異，均顯著高于T30 和T60。

由圖1B（見下頁）可知，CK、T30 和T60 處理下生菜苗氣孔導(dǎo)度均呈現(xiàn)“雙峰型”，在10：00 出現(xiàn)第一個峰值，14：00 出現(xiàn)第二個峰值。CK 處理的最大峰值出現(xiàn)在下午16：00，達到0.188 mol/(m2·s)，而T30 和T60 峰值出現(xiàn)在12：00，分別為0.128 mol/(m2·s)和0.154 mol/(m2·s)。T15 的氣孔導(dǎo)度在14：00 以前未出現(xiàn)明顯的峰值，最大值為0.148 mol/(m2·s)，但各時間（除CK 16：00 外）均顯著高于其它處理。

由圖1C 可知，四個處理的胞間CO2濃度均呈現(xiàn)“W型”，在早上8：00 的胞間CO2濃度較高，然后下降，在中午12：00 出現(xiàn)第二個峰值，隨后下降，在下午14：00 出現(xiàn)第二個低谷，隨后逐漸上升，在下午18：00 達到全天的峰值。胞間CO2濃度大小依次為T60＞T30＞CK＞T15。

由圖1D 可看出，不同泡核桃葉添加量處理的生菜蒸騰速率日變化均呈現(xiàn)為“單峰型”，各處理均從8：00 開始上升，在中午12：00 達到峰值，隨后逐漸下降。T15、CK、T60 和T30 各處理的峰值大小分別達到8.809、7.211、6.450、5.971 mmol/(m2·s)。

由圖1E 可知，不同泡核桃凋落葉處理生菜的水分利用效率的日變化，總體呈現(xiàn)下降趨勢，在中午12：00 時出現(xiàn)一個低谷，在下午14：00 時出現(xiàn)一個小高峰，其峰值遠低于早上8：00，然后開始下降。各處理的全天平均水分利用效率由大到小依次為CK、T15、T30 和T60，分別為1.095、1.075、0.909、0.655 μmol CO2/mmol H2O。

圖1 不同泡核桃凋落葉添加量處理下生菜葉片氣體交換參數(shù)日變化Fig.1 Diurnal variation characteristics of gas exchange parameters of lettuce under different amount of J. sigillate leaf litter

3 討論與結(jié)論

本試驗中，生菜的凈光合速率隨凋落葉添加量增加先升高后降低，胞間CO2濃度隨凋落葉添加量的增加而增加，且均高于對照，而氣孔導(dǎo)度則表現(xiàn)為先升高后降低。植物葉片光合效率降低有氣孔部分關(guān)閉導(dǎo)致的氣孔限制和葉肉細胞光合活性下降導(dǎo)致的非氣孔限制兩類[10]。Farquhar 等[11]認為，如果凈光合速率的降低伴隨著胞間CO2濃度的降低，則凈光合速率的下降主要是受部分氣孔關(guān)閉的氣孔限制所致；反之，如果凈光合速率下降伴隨著胞間CO2濃度升高或不變，則凈光合速率的下降主要是由葉肉細胞光合活性下降導(dǎo)致的非氣孔限制引起的。初步可以推斷，本試驗中生菜凈光合速率的下降是非氣孔限制導(dǎo)所致。低量添加泡核桃凋落葉提高了生菜的凈光合速率，而土壤中泡核桃葉凋落葉增多時其凈光合速率降低，且顯著低于CK，說明添加一定量的泡核桃凋落葉能提高生菜的光合效率，可能是因為低量的凋落葉分解產(chǎn)生的化感物質(zhì)較少，不足以對生菜生長產(chǎn)生影響，反而通過凋落葉分解產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)促進了生菜的生長；超過一定量后，過多凋落葉分解產(chǎn)生的化感物質(zhì)積累，破壞了生菜葉片光合器官的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致凈光合速率顯著下降。

另外，與對照相比，不同處理生菜水分利用效率均顯著下降，T15 可能是因為化感物質(zhì)使生菜葉片的氣孔導(dǎo)度增加，從而提高了蒸騰速率；而高添加量處理T30、T60 生菜的水分利用效率下降，可能是因為高濃度的化感物質(zhì)抑制了生菜的光合作用。光合作用是植物能量的來源，也是植物生長、發(fā)育及代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)。環(huán)境因子的改變會影響植物的光合特性[12]，化感物質(zhì)對植物體光合作用的影響主要表現(xiàn)在使葉綠素含量和光合速率的降低上[13-15]。曾有研究表明，核桃凋落葉的化感物質(zhì)能顯著地降低小麥、燕麥、黑麥草和萵筍等植物的葉綠素含量[16-17]。化感物質(zhì)可以通過影響氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率等氣孔因素直接影響植物的光合作用[18]。

本試驗中，低濃度泡核桃凋落葉處理的生菜凈光合速率在上午12：00 以前顯著高于對照，在下午16：00 其凈光合速率從“午休”后恢復(fù)較慢，其凈光合速率和氣孔導(dǎo)度提高較小，胞間CO2濃度降低較小，由此暗示經(jīng)泡核桃凋落葉處理后，因泡核桃葉中的化感物質(zhì)影響了氣孔開張，從而影響了生菜的光合效率和水分利用效率。馬紅葉等[19]研究也表明化感物質(zhì)可通過降低葉片中的葉綠素含量、影響蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度等方式來降低植物的光合速率。

綜上，泡核桃凋落葉中的化感物質(zhì)對生菜植物的光合生理產(chǎn)生顯著的影響，盆土中泡核桃凋落葉添加量為15 g，即約4 000 kg/hm2時，能促進生菜光合作用；盆土中泡核桃凋落葉添加量達到30 g，即約8 000 kg/hm2時，能提高胞間CO2濃度，降低氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率和水分利用效率，從而降低植物吸收、轉(zhuǎn)化和利用光能的能力，導(dǎo)致光合速率的降低，影響植物對碳的固定和同化，從而抑制植物的光合效率。試驗結(jié)果表明，在去除部分凋落物之后，可在泡核桃林下套種生菜，以提高土地利用率，但具體栽培方式需進行大田試驗進一步確定。