光照強度對圓齒野鴉椿葉片光合特性和葉綠素熒光參數的影響

陶凌劍，涂淑萍，金莉穎，劉 聰，黃 航，萬瑞琪

（江西農業大學 園林與藝術學院，江西 南昌 330045）

圓齒野鴉椿Euscaphis konishii為省沽油科Staphyleaceae 野鴉椿屬Euscaphis常綠小喬木，其果皮紅艷、形態優美，觀賞價值高，觀果期可長達7 個月，跨秋、冬、春3 個季節，是集觀賞、藥用及化工原料于一體的優良鄉土樹種，備受專家學者重視，近年來其在苗木市場的需求量較大。光照是影響植物生長發育的重要環境因子之一，為植物進行光合作用所必需，對植物的生長、發育及形態建成具有重要作用。適宜的光照強度能有效改善植物生長的微氣象條件，提高植物的光合生產能力。野鴉椿屬植物幼苗喜陰，故需要對其進行遮陰處理。據報道，遮光率30%～60%是野鴉椿幼苗生長的最適光照條件，此時幼苗光合作用亦較強[1]。不同種類植物進行光合作用的最適光照強度存在差異，所能耐受的遮陰度亦不同。如楨楠Phoebe zhennan幼苗在50%光照條件下光合能力最強[2]，望天樹Parashorea cathayensis幼苗在25%光照條件下光合能力最強[3]。研究苗木進行光合作用的最適光照強度對優化育苗環境、促進苗木生長及培育壯苗等均具有十分重要的意義。葉綠素參與光能的吸收、傳遞和轉化，是植物細胞內參與光合作用的重要色素，葉綠素含量是葉片光合生理活性的重要指標之一。葉片葉綠素相對含量又被稱為葉綠度值（SPAD），與葉綠素含量之間存在顯著正相關關系[4-6]，利用SPAD 葉綠素儀可快速、無損地測定出葉片葉綠素相對含量[7]。根據植物的光合參數，可以預測植物的生長和發育態勢[8]。葉綠素熒光分析技術是研究植物光合生理狀況的新型活體診斷技術，具有方便、快捷、無損的特點[9-10]，被認為是研究植物光合作用與環境關系的內在探針[11-12]，可根據葉綠素熒光參數分析葉片對光能的吸收和利用特性[13]，該技術還可用于判斷外界環境對植物光合生理特性的影響[14]。目前，對圓齒野鴉椿光合生理特性的研究多集中在種源家系[15-16]、施肥配比[17]等對圓齒野鴉椿光合參數和葉綠素相對含量的影響，有關光照強度對圓齒野鴉椿光合生理特性及葉綠素熒光參數影響的研究鮮見報道。本研究中以圓齒野鴉椿2 年生容器苗為研究對象，對不同光照強度條件下葉片葉綠素相對含量、光合參數和葉綠素熒光參數進行測定與對比分析，并采用模糊數學中的隸屬函數法對不同光照強度下苗木的光合能力進行綜合評價，以期篩選出圓齒野鴉椿幼苗光合作用的最適光照強度，為優化圓齒野鴉椿栽培環境提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

在江西農業大學風景園林實訓基地的蔭棚中進行試驗。該基地位于江西省南昌市經濟技術開發區（115°55′E，28°46′N），海拔50 m，年平均氣溫為17.5 ℃，年日照時長為1 903.9 h，年降雨量為1 596.4 mm。蔭棚為鋪磚地面，上面再鋪防草地布，將栽培盆擺放在防草地布上。

1.2 試驗材料

選擇生長狀況良好、長勢基本一致的圓齒野鴉椿2 年生盆栽苗作為研究對象。春季進行換盆，栽培容器為1 加侖盆，盆口直徑、盆底直徑、盆高分別為14.6、12.6、17.2 cm。盆底墊托盤，以防水肥流失。栽培基質為園土、塘泥、泥炭的混合物（體積比2∶1∶1），另加少量生物有機肥。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

通過覆蓋不同層數遮光網（2 針加密，黑色）控制光照強度，共設置4 個處理：處理Ⅰ（CK），自然光照，100% NS（natural sunlight）；處理Ⅱ，覆蓋1 層遮光網，50% NS；處理Ⅲ，覆蓋2 層遮光網，30% NS；處理Ⅳ，覆蓋3 層遮光網，15%NS。每個處理10 盆，每盆定植1 株試驗苗，并設置3 次重復，試驗用苗共計120 株。試驗時間為2020 年6 月5 日—2020 年11 月5 日。在晴朗無云的天氣，使用ZDS-10 型光照度計（蘇州市天威儀器有限公司）對各處理的光照強度進行測定。

1.3.2 指標測定

1）葉綠素熒光參數。9 月初，選擇晴朗無云天氣，每處理選取5 株幼苗作為測定株，使用PAM-2500 便攜式調制葉綠素熒光儀（德國），對幼苗頂芽向下第3 或第4 枚復葉的中間2 片小葉進行測定。葉片經過20 min 暗適應后，測定其葉綠素初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、PS Ⅱ實際光合效率（ФPSⅡ）、非光化學猝滅系數（NPQ）、光化學熒光猝滅系數（qP）。計算可變熒光（Fv），以及PS Ⅱ最大光合效率（R），每指標重復測定3 次，取平均值。

2）葉綠素相對含量。9 月中旬，每處理選擇3 株，分別從樹冠層不同方位（東、南、西、北、中）隨機選擇5 枚當年生成熟葉片，使用SPAD-502 型手持便攜式葉綠素儀（日本）進行測定，取平均值。

3）光合參數。9 月中下旬，選擇晴朗無云天氣的9：00—11：00，每處理選取5 株幼苗作為測定株，使用Li-6400 便攜式光合儀（美國），對幼苗頂芽向下第3 或第4 枚復葉的中間2 片小葉進行測定。測定參數包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2摩爾分數（Ci），每指標重復測定3 次，取平均值。計算各處理幼苗的水分利用效率（EWU）。

1.4 數據統計分析

使用Microsoft Excel 2017 軟件進行數據整理，使用OriginPro 2018 軟件進行繪圖，使用SPSS 22軟件進行多重比較（Duncan 氏法）和皮爾遜（Pearson）相關性分析。采用模糊數學中的隸屬函數法[18]對不同處理苗木的光合能力進行綜合評價。

分別求出各處理中各項指標的具體隸屬函數值（Xu）：

式中：X表示各處理中某指標的測定值；Xmin表示所有處理中該指標的最小值；Xmax表示所有處理中該指標的最大值。

把每處理中各項指標的隸屬函數值累加，取平均值。平均值越大，表示光合作用越強。

2 結果與分析

2.1 光照強度對圓齒野鴉椿幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響

PS Ⅱ最大光合效率反映的是PS Ⅱ反應中心的潛在最大光能轉換效率，在葉綠素熒光參數中，該參數使用頻率最高、應用最廣泛。PS Ⅱ最大光合效率降低表示植物正遭受逆境脅迫。因此，PS Ⅱ最大光合效率是研究各種逆境脅迫對植物光合作用生理過程影響的重要指標。PS Ⅱ實際光合效率反映的是PS Ⅱ反應中心的實際光能轉換效率。不同光照強度處理中圓齒野鴉椿幼苗葉片的葉綠素熒光參數見表1。由表1 可知：處理Ⅳ（15%自然光照強度）中PS Ⅱ最大光合效率和PS Ⅱ實際光合效率均為最高，且與其他3 個處理相比差異均達顯著水平；處理Ⅰ（100%自然光照強度）中PS Ⅱ最大光合效率和PS Ⅱ實際光合效率均為最低，且與其他3 個處理相比差異均達顯著水平。各處理之間光化學猝滅系數與非光化學猝滅系數差異不顯著。

表1 不同光照強度處理中圓齒野鴉椿幼苗葉片的葉綠素熒光參數?Table 1 The chlorophyll fluorescence parameters of leaves of E. konishii seedlings under different light intensity treatments

2.2 光照強度對圓齒野鴉椿幼苗葉片葉綠素相對含量的影響

不同光照強度處理中圓齒野鴉椿葉片的葉綠素相對含量如圖1 所示。由圖1 可以看出，處理Ⅳ（15%自然光照強度）中葉片葉綠素相對含量最高，處理Ⅰ中葉綠素相對含量最低，二者與其他各處理的差異均達顯著水平；處理Ⅱ（50%自然光照強度）與處理Ⅲ（30%自然光照強度）之間葉綠素相對含量的差異不顯著。可見，遮陰可以提高圓齒野鴉椿幼苗葉片的葉綠素含量。

圖1 不同光照強度處理中圓齒野鴉椿幼苗葉片的葉綠素相對含量Fig. 1 Relative chlorophyll content of leaves of E. konishii seedlings under different light intensity treatments

2.3 光照強度對圓齒野鴉椿幼苗葉片光合參數的影響

不同光照強度處理中圓齒野鴉椿葉片的光合參數見表2。由表2 可知，處理Ⅲ中凈光合速率最大，為5.65 μmol/(m2·s)，與處理Ⅰ、處理Ⅳ差異不顯著，與處理Ⅱ差異達顯著水平。處理Ⅰ中氣孔導度最大，為0.10 mol/(m2·s)，處理Ⅲ最小，為0.06 mol/(m2·s)，二者差異達顯著水平。處理Ⅰ中胞 間CO2摩 爾 分 數 最 大，達324.89 μmol/mol，與處理Ⅳ差異不顯著，與處理Ⅱ、處理Ⅲ差異達顯著水平。處理Ⅰ中葉片蒸騰速率最大，為1.42 mmol/(m2·s)，與處理Ⅱ、處理Ⅳ差異不顯著，與處理Ⅲ差異達顯著水平。處理Ⅲ中葉片水分利用效率最高，達7.06 mmol/mol，與其他3 個處理相比差異達顯著水平。

表2 不同光照強度處理中圓齒野鴉椿幼苗葉片的光合參數?Table 2 The photosynthetic parameters of leaves of E. konishii seedlings under different light intensity treatments

2.4 圓齒野鴉椿幼苗葉片光合作用相關指標間的相關性

圓齒野鴉椿幼苗葉片光合作用相關指標間的相關系數見表3。由表3 可知：光照強度與氣孔導度、胞間CO2摩爾分數呈顯著正相關，相關系數分別為0.280 和0.319；光照強度與水分利用效率呈顯著負相關，相關系數為-0.291；光照強度與PS Ⅱ最大光合效率、PS Ⅱ實際光合效率、葉綠素相對含量均呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.725、-0.729 和-0.904。

表3 圓齒野鴉椿幼苗葉片光合作用相關指標間的相關系數?Table 3 Correlation coefficients between photosynthesis-related indexes of leaves of E. konishii seedlings

凈光合速率與水分利用效率呈極顯著正相關，相關系數為0.420；凈光合速率與胞間CO2摩爾分數呈極顯著負相關，相關系數為-0.384；凈光合速率與光化學猝滅系數呈顯著負相關，相關系數為-0.269。氣孔導度與胞間CO2摩爾分數、蒸騰速率、非光化學猝滅系數均呈極顯著正相關，相關系數分別為0.708、0.927 和0.499；氣孔導度與水分利用效率呈極顯著負相關，相關系數為-0.631。胞間CO2摩爾分數與蒸騰速率呈極顯著正相關，相關系數為0.622；胞間CO2摩爾分數與非光化學猝滅系數呈顯著正相關，相關系數為0.282；胞間CO2摩爾分數與水分利用效率呈極顯著負相關，相關系數為-0.918。蒸騰速率與非光化學猝滅系數呈極顯著正相關，相關系數為0.502；蒸騰速率與水分利用效率呈極顯著負相關，相關系數為-0.668。水分利用效率與非光化學猝滅系數呈顯著負相關，相關系數為-0.281。

PS Ⅱ最大光合效率與PS Ⅱ實際光合效率、葉綠素相對含量呈極顯著正相關，相關系數分別為0.860 和0.736。PS Ⅱ實際光合效率與光化學猝滅系數、葉綠素相對含量呈極顯著正相關，相關系數分別為0.496 和0.705；PS Ⅱ實際光合效率與非光化學猝滅系數呈極顯著負相關，相關系數為-0.385。光化學猝滅系數與非光化學猝滅系數呈極顯著負相關，相關系數為-0.498。

2.5 不同光照強度下圓齒野鴉椿幼苗光合能力的綜合評價

采用凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2摩爾分數、蒸騰速率、水分利用效率、PS Ⅱ的最大光合效率、PS Ⅱ的實際光合效率、光化學猝滅系數、非光化學猝滅系數、葉綠素相對含量共10 個指標，綜合評價4 種光照強度下圓齒野鴉椿幼苗葉片的光合能力。不同光照強度處理中各指標的隸屬函數值及綜合排序見表4，其中胞間CO2摩爾分數和光化學猝滅系數與凈光合速率呈負相關，故求出其反隸屬函數值。由表4 可知，隨著光照強度減弱，圓齒野鴉椿幼苗光合作用逐漸增強，處理Ⅳ中苗木的光合作用最強。

表4 不同光照強度處理中圓齒野鴉椿幼苗葉片光合作用相關指標的隸屬函數值及綜合排序?Table 4 Subordinate function values and comprehensive ranking of photosynthesis-related indexes of leaves of E. konishii seedlings in different light intensity treatments

3 結論與討論

本試驗結果表明：秋季光照強度為自然光照強度的15%時，圓齒野鴉椿2 年生苗的光合作用最強；光照強度為自然光照強度的30%時，其水分利用效率最高。

3.1 光照強度對圓齒野鴉椿幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響

植物葉綠素熒光參數與植物光合作用關系密切，是研究植物光合作用的有效探針。PS Ⅱ的最大光合效率反映了PS Ⅱ反應中心葉片進行光化學反應的“域”或“能力范圍”。PS Ⅱ最大光合效率的值越低，表明植物的光抑制程度越強。有研究結果表明，在不受光抑制的條件下，PS Ⅱ最大光合效率值為0.80 ～0.83[19]。本試驗結果表明，4種光照強度處理下圓齒野鴉椿幼苗葉片的PS Ⅱ最大光合效率值均低于0.80。在15%自然光照強度條件下，圓齒野鴉椿幼苗葉片的PS Ⅱ最大光合效率最高，為0.76，隨著光照強度升高，PS Ⅱ最大光合效率和PS Ⅱ實際光合效率降低。

PS Ⅱ的實際光合效率反映了PS Ⅱ反應中心部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率，可作為表征植物葉片光合電子傳遞速率的指標。較高的PS Ⅱ實際光合效率，能夠為暗反應的光合碳同化積累更多所需的能量，促進碳同化的高效運轉和有機物積累[20]。本試驗結果表明，在15%自然光照強度條件下，圓齒野鴉椿幼苗的PS Ⅱ實際光合效率最高，顯著高于其他各處理。說明在弱光照條件下，圓齒野鴉椿幼苗光能捕獲效率和電子傳遞速率升高。

熒光猝滅是指葉綠素熒光產量的下降，可以由光合作用的增強引起，也可以由熱耗散的增加引起。光合作用增強引起的熒光猝滅稱為光化學猝滅，為PS Ⅱ吸收的光能用于進行光化學反應的比例，在一定程度上反映了PS Ⅱ反應中心的開放程度[21]，光化學猝滅系數反映了植物的光合活性。熱耗散增加引起的熒光猝滅稱為非光化學猝滅，反映了植物耗散過剩光能為熱量的能力，即光保護能力。本試驗結果表明，不同光照強度條件下圓齒野鴉椿幼苗光化學猝滅系數和非光化學猝滅系數的差異均不顯著。

3.2 光照強度對圓齒野鴉椿幼苗葉片葉綠素含量的影響

葉綠素作為植物光合色素之一，在植物光合作用過程中發揮光能的吸收、傳遞及轉化等功能。在遮光條件下，植物可通過增加單位面積色素密度來吸收更多的光能，故總葉綠素含量升高可作為植物利用弱光能力增強的判斷標準[1]。據報道，2 年生閩楠Phoebe bournei實生苗[22]和1 年生觀光木Tsoongiodendron odorum實生苗[23]葉片葉綠素a、葉綠素b 和總葉綠素含量均隨光照強度的減弱而升高。本試驗結果表明，圓齒野鴉椿幼苗葉片葉綠素相對含量亦隨光照強度的減弱而增強，與上述研究結果相似。說明遮陰可以提高幼苗葉片葉綠素含量，提高植物在弱光環境下的光能利用率。

3.3 光照強度對圓齒野鴉椿幼苗葉片光合參數的影響

光合速率是一系列光化學反應綜合作用的結果，凈光合速率可最直接體現植物的光合效率[24]。有研究結果表明，在適宜的光照（42.3%自然光照強度）條件下，1 年生火力楠Michelia macclurei實生苗葉片的凈光合速率最強，光照過強（100%自然光照強度）或過弱（12.6%自然光照強度）葉片的凈光合速率均有所降低[25]。本試驗結果表明，在30%自然光照強度條件下圓齒野鴉椿幼苗葉片的凈光合速率和水分利用效率均為最高，與上述試驗結果相似。

本研究中初步分析了4 種光照強度下圓齒野鴉椿2 年生苗葉片葉綠素相對含量、光合參數及葉綠素熒光參數的差異，為了篩選出圓齒野鴉椿幼苗生長狀況佳、光合能力及抗逆性強的最佳光照強度，后續將進一步研究不同光照強度對苗木的生長量及抗逆性的影響。