控制光照条件下白桦和油松幼苗的生理响应

王芳，刘宁，冯强

(山西农业大学 林学院,山西 太谷 030801)

光照条件决定着森林群落的更新、发育和演替过程[1]。光照条件的变化可导致树木在生理特征上产生直接而迅速的响应。这种响应的幅度及方向有可能决定着树木对于异质光环境的适应能力，从而间接影响其生长和生存[2，3]，对于正处在发育早期的幼苗更为重要。Niinements 等[4]认为木本植物在光合生理特性上的较高光响应程度与其在林窗和高光环境下的生长密切相关。因此，研究异质性光环境下不同树种苗期在生理特性上的光响应和可塑性差异，有利于了解这些树种不同光适应性的生理基础，从而在森林营造和经营工作中采取相应的措施，更好地服务于林业生产。

油松(PinustabulaeformisCarr.)和白桦(BetulaPlatyphyllaSuk)是华北山地森林生态系统中的两个主要先锋树种，可在林窗和迹地上更新形成成片分布的林分，分布区域较广，是本地区森林资源的重要组成部分[5]。本研究以1年生油松和白桦幼苗为研究对象，在大田条件下人工设置4种控制光照条件，通过测量两种幼苗的光合作用和光合色素含量等光合生理特性指标，以期比较：2种幼苗在光合生理特性上，对于不同程度的遮光处理存在哪些差异以及2种幼苗的生理可塑性是否不同。

1 材料和方法

1.1 试验材料

白桦和油松幼苗是由前一年采集的种子消毒保存过冬后于2010年3月在山西农业大学林学院生态学实验室萌发育成，2010年3月底，每树种选择200株健康生长的幼苗，搬入林学院实验苗圃的温室中缓苗，2010年4月将选择幼苗移至实验地点玻璃房内再次缓苗。2010年5月初，每树种选100株幼苗放置在室外向阳处并采取措施以防止基质土温度过高。培养基采用德国Klasmann TSL泥炭土与粗蛭石的1∶1(体积比)混合物。育苗、缓苗和试验期间每日喷水以保持基质含水量60%左右。由于泥炭土中已配置1 kg·m-3的基本肥料，整个试验期间并未添加任何有机和无机肥料。

1.2 试验设置

试验在山西农业大学林学院苗圃(112°58′E，37°43′N)进行。采用裂区设计，设置4个光照水平，每个光照水平下每树种随机放置20株幼苗，光照条件控制以自然光为基础。通过采用不同密度的遮阴网进行遮光处理。设置0层、1层、2层、3层普通农用黑色遮阳网调节和保持不同的遮光率。设置4种光照条件，100%，50%、25%和12.5%，100%全光照作为对照。经LI-190SA辐射传感器(L-COR Inc.，Nebraska，U.S.A)实际测量，各光照处理的相对透光率水平分别为100%、(49.2±3.8)%、(25.1±4.6)%和(12.7±2.0)%。

1.3 光合参数的测定

2010年8月底至9月初的2 w内，在当年生长季即将结束时，每个处理下选取白桦、油松幼苗各3株，选择每株植株第二侧枝上、健康无病虫害叶片或叶束，使用Li-6400光合系统(LI-COR Inc，Nebraska，USA)配备的标准叶室和LI-6400-02B红蓝光在室内测定幼苗光合光响应曲线，测量时将一束针叶或一片阔叶放在叶室中，测定时叶室内叶温设置为26℃，相对湿度60%。同时为了保证CO2浓度恒定(获得适宜和稳定的环境)，测定时采用CO2钢瓶提供683.84 mg·m-3的稳定CO2源。所有测量在上午9:00～11:30之间进行，以消除日变化对植株的影响。

由于Li-6400标准叶室面积为6 cm2，而油松叶型较小，无法占满叶室，因此在光响应曲线参数和光合参数测定完后，剪下所测量叶束，放入纸袋中带回驻地扫描测定叶束投影面积，然后将叶束投影面积数据导入Li-6400光合仪重新计算后得出光响应曲线并给出最大净光合速率(Amax)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、表观量子效率(AQE)。气孔导度(Gs)、叶束蒸腾速率(E)等参数取自1500 μmol·m-2·s-1有效光合辐射下。

1.4 光合色素含量的测定

光合参数测定完成后，在另外选择的样株上进行光合色素含量的测定。光合色素采用二甲基亚砜(DMSO)法测定[6]。每个光照处理下每树种选择3株幼苗，采样时选择多个叶片或叶束，将0.05 g叶组织切成0.5 mm×10 mm的细条放入7 mL二甲基亚砜溶液的具塞试管中(试管用磨砂口玻璃盖，以免液体挥发影响测定结果)，置于65℃的保温箱，于黑暗条件下存放2 h，浸提后用二甲基亚砜原液作空白，用722型分光光度计在665.0,649.0和480.0 nm下测定吸光率并相应计算叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和类胡萝卜素含量(Car)，同时相应计算类胡萝卜素含量与总叶绿素含量比值(Car/Chl)。

1.5 数据分析

测定的光响应数据用非直角双曲线模型进行拟合[7]，以绘制光响应曲线。非直角双曲线模型的表达式为：

Pn=(a×I+Amax-((a×I+Amax)2-4×a×I×k×Amax)0.5)/(2×k)-Rd

式中，Pn为净光合速率/μmolCO2·m-2·s-1,I为光量子通量密度/μmol·m-2·s-1，a为表观量子利用效率，Amax为光饱和时的最大净光合作用速率/μmol·m-2·s-1，k为曲率，Rd为暗呼吸速率/μmol·m-2·s-1。

数据使用SAS/STAT®8.0分析软件进行树种和光照条件的双因素方差分析(ANOVA)，各测定指标的表型塑性指数(Phenotypic Plasticity Index)为各光照处理下该指标最大和最小平均值间差异与最大平均值之比，即光合塑性指数为所有光合指标塑性指数的平均值。2种幼苗间光合塑性指数差异的显著性采用t检验方法检验，树种间塑性指数的差异用单因素方差分析检验。以上统计分析均采用SPSS10.1统计分析软件完成。

2 结果与分析

2.1 光合生理指标

对不同光照水平下的白桦、油松一年生幼苗的最大净光合速率、光饱和点、光补偿点、表观量子效率、气孔导度和蒸腾速率等光响应曲线参数的测定值进行方差分析，结果见表1。

表1不同光照水平下白桦和油松一年生幼苗光合参数方差分析结果

Table1 ANOVA results for photosynthetic parameters of one year old seedlings of Birch and Pine growing under different light levels

差异来源Source最大净光合速率Amax光饱和点LSP光补偿点LCP表观量子效率AQE气孔导度Gs蒸腾速率E光照0.018<0.0010.016<0.001<0.001<0.001树种0.1150.1710.0080.1430.0020.012交互作用<0.001<0.0010.0170.011<0.0010.002

由表1可见，遮光处理显著影响2种幼苗的光饱和点、表观量子效率、气孔导度及蒸腾速率(p<0.05)；2种幼苗则在光补偿点、气孔导度和蒸腾速率指标上表现出显著差异(p<0.05)；然而，光照和树种的交互作用显著影响了所有光合指标(p<0.05)。对差异显著的生理指标进行多重比较，结果见表2。

表2 不同光照强度条件下白桦和油松幼苗光合生理指标的差异

注：不同小写字母表示同一行内各树种光照处理间差异显著(p<0.05)。

Note： Different lowercase letters in same row indicate differences between light treatments within a species at p<0.05.

遮荫处理后，白桦幼苗的最大净光合速率显著升高，在50%光照条件下达到最高值。油松幼苗的最大净光合速率在50%光照条件下显著下降，但在25%和12.5%光照条件下显著高于全光条件下生长的幼苗。在光饱和点指标上，白桦幼苗仅在50%光照条件下显著升高，油松幼苗在50%光照条件下显著下降，在12.5%光照条件下却又显著高于全光条件下。油松和白桦幼苗的光补偿点均随遮光处理显著下降，而白桦幼苗的降幅较大。另外，白桦的表观量子效率在12.5%光照条件下显著增加，油松幼苗则无变化。白桦和油松幼苗的气孔导度均在25%和12.5%的光照条件下显著增大，在蒸腾速率指标上，仅白桦幼苗在50%光照条件下增加。

遮光处理下白桦和油松一年生幼苗在光补偿点、气孔导度指标上表现出相同的响应趋势，在最大净光合速率指标上于25%和12.5%光照条件具有相近的响应，而在其它光合指标上的响应表现出较大差异。

2.2 叶片色素

对不同光照水平下的白桦、油松一年生幼苗叶片叶绿素a、b、总叶绿素和类胡萝卜素含量以及叶绿素a/b比值和类胡萝卜素/叶绿素比值进行方差分析，结果见表3。

表3 不同光照水平下白桦和油松一年生幼苗叶片色素的方差分析结果

由表3可见，遮光处理仅显著影响2种幼苗的类胡萝卜素/叶绿素比值(p<0.05)；2种幼苗则在叶绿素a、总叶绿素含量和类胡萝卜素/叶绿素比值指标上表现出显著差异(p<0.05)；然而，光照和树种在交互作用上，白桦和油松一年生幼苗在叶片色素含量上均无显著差异。

由表4可见，虽然方差检验结果并不显著，但白桦幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量在25%和12.5%光照条件下呈上升趋势，导致类胡萝卜素与叶绿素比值呈下降趋势，油松幼苗叶片的光合色素含量无明显变化。

表4 不同光照强度条件下白桦和油松幼苗叶片色素含量的差异

2.3 两种树种对光照条件变化的表型可塑性

如表5所示，t检验结果表明油松幼苗的生理可塑性显著低于白桦(p=0.04)。

表5白桦、油松一年生幼苗的光合生理表型塑性指数

Table5 Photosynthetic phenotypic plasticity indices of Birch and Pine seedling

特性Traits白桦BetulaPlatyphyllaSuk油松PinustabulaeformisCarr.最大净光合速率0.4860.359光饱和点0.4130.485光补偿点0.7080.741表观量子效率0.3750.368气孔导度0.3470.466蒸腾速率0.4630.362叶绿素0.4470.269叶绿素0.4450.248总叶绿素含量0.4580.265类胡萝卜素含量0.1850.188叶绿素a/b0.0940.120类胡萝卜素/叶绿素比值0.3300.164光合生理0.396a0.336b

3 结论与讨论

3.1 两种幼苗的光合生理响应差异

最大净光合速率是反映植物光合潜能的指标[8]。本研究中，遮光处理后，白桦和油松幼苗最大净光合速率均在25%和12.5%光强下显著增大，表现出光合器官的运行效率并未受到较大的抑制，而在50%光强下，油松幼苗的最大净光合速率显著下降，表明其受到了一定的限制。植物光补偿点和光饱和点的高低直接反映了植物对弱光的利用能力，是植物光适应性评价的重要指标，植物在其光补偿点上的响应可能与光适应性的关系更为密切[9]。本研究中，白桦和油松幼苗的光补偿点指标均在遮光后显著下降，其中白桦变化的降幅大于油松，说明白桦在光合生理上的响应较强。气孔导度和蒸腾速率反映了植物的水分关系，并与光合作用的强弱关系紧密[10]。白桦和油松幼苗在25%和12.5%光强下气孔导度的增加说明深度遮荫带来的水分条件的改善有利于幼苗的光合作用，从而获得较高的净光合速率。

叶绿素是光合作用的光敏催化剂，与光合作用密切相关，其含量和比例是植物适应和利用环境因子的重要指标[11]。植物在弱光照条件下叶绿素含量增加，是植物对弱光照环境的适应性表现，较高的叶绿素含量有助于植物有效利用林下有限的光资源[12]。弱光下，叶绿素含量较高和叶绿素a比例较低的植株光合效率较高，是适应林下弱光环境的有利反映[13]。本研究中，遮光处理没有影响油松幼苗叶绿素含量的变化，却导致白桦幼苗的叶绿素a、b和总叶绿素含量呈上升趋势。虽然这一趋势并不显著，但这表明白桦幼苗在叶绿素指标上的光适应性优于油松幼苗。

综上所述，一年生白桦和油松幼苗在光合生理特性上对遮光处理既表现出相同之处，也具有不同之处，即白桦幼苗在光补偿点和气孔导度上具有与油松相同的响应趋势，但在其它光合生理指标上的响应差异较大。

3.2 两种幼苗的生理可塑性差异

植物在生理生态上对于异质性环境表现出的响应可称之为可塑性，其目的是优化树种对资源的获取方式和途径[14,15]。传统观念认为，喜光树种的表型可塑性较小，适应性差；而耐阴树种的表型可塑性较大，能较好适应异质光环境[16]。也有观念认为，植物的形态可塑性会影响植物在林冠下的生存和生长能力，而光合、水分等生理可塑性会影响其占据林窗的能力和高光照环境下的生长能力[17,18]。本文中对白桦和油松2个树种的生理可塑性结果与已有研究中形态可塑性研究结果相对照，发现同一幼苗期的2个树种其生理可塑性明显大于形态可塑性(白桦为0.108，油松为0.190)[19]，表现出对高光照环境的适应，符合后一种理论。作为喜光植物，白桦幼苗的生理可塑性(0.396)大于油松(0.336)，说明白桦幼苗适应高光环境的能力高于油松，能够更好的获取和利用光资源。

3.3 结论

遮光处理后，一年生白桦和油松幼苗的光补偿点显著下降，气孔导度显著增加，表现出相同的响应趋势。油松幼苗的最大净光合速率和光饱和点在50%光强下显著下降，但白桦幼苗的叶绿素a、b和总叶绿素含量随光强降低呈上升趋势。与之相对的是白桦幼苗的光合生理可塑性指数大于油松，且两种幼苗的光合生理可塑性指数均大于其形态可塑性指数。以上结果说明，白桦和油松幼苗在光合生理指标上都具有较强光响应性和可塑性，与其先锋树种的生态特点相对应，同时，白桦幼苗的高光环境适应能力高于油松。

参 考 文 献

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