外生菌根菌肥对白皮松光响应的影响1)

闫帅 崔明

(中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京，100091)

周金星 刘玉国 唐夫凯 李桂静 周薇

(水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室(北京林业大学)) (中国林业科学研究院荒漠化研究所)

责任编辑:程 红。

白皮松(Pinus bungeana)是我国北方庭院和城市园林中重要的绿化树种，但由于白皮松在苗期生长较为缓慢，一定程度上影响了白皮松的推广。研究表明，外生菌根对白皮松、油松(P．tabulaeformis)等松科植物具有积极的促生作用［1－3］。在长期进化中，松科植物已经对外生菌根形成了较强的依赖性，其中厚环乳牛肝菌(Suillus grevillei)和褐环乳牛肝菌(S．luteus)形成的外生菌根对松科植物的促生作用较为显著，同时应用于菌根苗的培育、荒山绿化和人工造林，取得了显著成效［4－5］。由于外生菌根在植物生理生态以及农林业生产等方面表现出的重要性和巨大的研究价值，越来越受到人们的关注［6］。

植物与光的关系一直都是植物生理学和植物生态学研究的热点问题［7－8］，植物的光合作用是构成植物生长的主要因素，而由于外生菌根的促生作用，许多研究者开始研究菌根对植物光合作用的影响。柴迪迪等［9］研究发现，接种外生菌根后板栗(Castanea mollissima)的光能利用率增高，增强了对强光和弱光的利用能力，并减少了消耗光合产物的速率。蔚晓燕等［10］以油松为研究对象，发现在不施氮肥时，接种外生菌根可以显著提高植物叶绿素a，叶绿素b和总叶绿素含量，同一氮素水平下，接种可以显著提高植物的净光合速率，但不同菌种的促进效果有差异。研究植物的光响应曲线，对了解植物光合效率及其影响因素有重要意义［11］，国内外有多种模型适用于拟合光响应曲线，与其他模型不同的是，直角双曲线修正模型可以直接计算得到光饱和点，并可以拟合在饱和光强之后植物净光合速率的光响应过程，受到广泛关注［12］。本研究以田间种植的白皮松幼苗为研究材料，采用直角双曲线修正模型拟合光响应曲线，通过研究不同剂量的菌根生物活性肥以及施用方式对白皮松叶片光合作用的影响，试图进一步阐明白皮松对施用菌肥的生理响应，探讨科学合理的菌肥施用剂量以及施用方式，为广大北方地区白皮松菌根化育苗和植树造林提供依据。

1 试验地概况

试验地地处北京市西北部，地势平坦，四季分明，昼夜温差大，1月份最冷，7月份最热，年平均气温为11．8℃，年平均日照时间为2 826 h，年均降水量为550 mm。试验地土壤pH=7．9，有机质、全氮、全磷、全钾质量分数分别为17．52、0．88、0．69、15．80 g·kg－1，有效磷、有效钾质量分数分别为18．97、25．30 mg·kg－1。

2 材料与方法

试验设计:以田间8年生白皮松为试验材料。菌根生物活性肥(以下简称“菌肥”)为快根宝菌根生物活性肥，该菌肥是由北京林学会、中国林业科学研究院和德国专家自主开发研制的系列高效复合型生物肥料，菌根真菌为褐环牛乳肝菌和厚环牛乳肝菌。2013年8月对白皮松进行施肥处理。设置200、400、600 mL 3种剂量，采用干施(直接施用菌肥)和湿施(菌肥施用后浇水1 L)2种方式，即未施用菌肥的对照植株(CK)，菌肥200 mL(处理P1)，菌肥400 mL(处理P2)，菌肥600 mL(处理P3)，菌肥200 mL加水(处理PW1)，菌肥400 mL加水(处理PW2)，菌肥600 mL加水(处理PW3)，共计7个处理组，每组5株长势基本一致的白皮松幼苗，株距1．0 m。施肥位置在白皮松根部周围，施肥后菌根真菌均已侵染了白皮松，侵染率采取统计计算法［3］，侵染率为(35±4)%。

数据采集:2013年10至11月初，在晴朗的天气进行，采用Li－6400便携式光合测定系统分析仪以及Li－6400－02BLED红蓝光源进行光响应曲线的测定，空气流量为500μmol·s－1，人工控制叶室CO2摩尔分数为400μmol·mol－1，叶室相对湿度维持在35%。选择白皮松幼苗上部、颜色正常的约10根针叶，测量前在1 500μmol·m－2·s－1光合有效辐射下进行光诱导30 min。测量时，将光合有效辐射梯度设定为2 000、1 500、1 000、500、200、100、50、20、0 μmol·m－2·s－1，每组处理5次重复。在每株白皮松光合测定完成后，收集所测的叶片，装入自封袋并做好标记，在实验室扫描后用IPP6．0图像分析软件计算叶面积。

光响应曲线的拟合方法:采用直角双曲线修正模型对白皮松光响应曲线进行拟合［13－14］，方程如下:

式中:Pn为净光合速率;α为表观量子效率;β和γ为修正系数;I为光合有效辐射;Rd为暗呼吸速率。根据相应公式［13－14］计算得到光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)和最大净光合速率(Pn，max)等生理参数。所有数据均采用单因素方差分析，用LSD法进行多重比较和差异显著性分析，采用SPSS 18．0和Excel 2010进行数据分析和作图。

3 结果与分析

3．1 菌肥处理对白皮松光合作用的影响

3．1．1 净光合速率的光响应特征

由图1可知，采用直角双曲线修正模型的拟合值与实测值都较为接近(图中点为实测数值，曲线为模型拟合)，7条曲线拟合方程的R2均大于0．98，说明该模型适合菌肥施用条件下白皮松叶片的光响应曲线模拟，能够较好地反映叶片对光的响应过程，拟合效果较好。7条白皮松净光合速率(Pn)光响应曲线的变化趋势基本一致(图1)，均表现为低光强下(＜500μmol·m－2·s－1)白皮松Pn随光强增加迅速上升，此后随着光合有效辐射(I)的增加，Pn总体呈增加趋势，但趋于缓慢，当光强达到一定数值后，出现了光饱和现象，此时白皮松的Pn均保持在较高的水平。当光强超过1 500μmol·m－2·s－1后，PW1处理组Pn有所下降(I=1 500μmol·m－2·s－1时Pn为7．10μmol·m－2·s－1，I=2 000μmol·m－2·s－1时Pn为6．99μmol·m－2·s－1)，出现了一定程度的光抑制现象，但其他处理组白皮松在强光下未表现出明显的光抑制现象。当光强超过500μmol·m－2·s－1后，施肥方式成为白皮松Pn增加的主要限制因子，在I=2 000μmol·m－2·s－1时，P1、P2、P3、PW1、PW2、PW3处理的白皮松叶片的Pn分别为4．84、4．09、4．65、6．99、4．84、5．87μmol·m－2·s－1，分别比对照CK(2．88μmol·m－2·s－1)增加68．1%、42．0%、61．5%、142．7%、68．1%和103．8%。各处理组Pn由大到小依次为PW1、PW3、PW2、P1、P3、P2、CK(图1)。研究发现，施用菌肥的白皮松Pn显著高于对照植株CK，PW1组白皮松Pn最高;白皮松Pn的大小与施用菌肥剂量的高低无明显规律，但湿施处理组(PW1、PW2、PW3)的Pn明显高于干施处理组(P1、P2、P3)，且差异显著(P＜0．05)，即湿施处理比干施处理更能显著提高白皮松叶片的Pn。

图1 不同施肥处理下白皮松P n的光响应曲线

3．1．2 对气孔导度和胞间CO2摩尔分数的影响

各处理白皮松气孔导度(Gs)在低光强(I＜200 μmol·m－2·s－1)下，随着光强的增加而缓慢增大;当I＞500μmol·m－2·s－1，Gs增加缓慢并伴有减小的趋势，这是由于高光强下植物叶片自我调控气孔的原因。胞间CO2摩尔分数(Ci)的变化趋势与Pn的变化趋势正好相反，低光强下(I＜200μmol·m－2·s－1)Ci随着I的增加而急剧减小，高光强下(I＞200 μmol·m－2·s－1)Ci逐渐减小，下降趋势变缓。

施用菌肥的白皮松Gs均高于对照，方差分析表明，白皮松湿施处理组(PW1、PW2)的Gs显著高于干施处理组(P1、P2)，P3和PW3差异不显著，即干施与湿施2种施用方式对白皮松Gs有显著的影响。Ci随光强增加而减小的原因可能是由于低光强下，白皮松Pn快速增加的同时，Gs较低，外界空气不能充分进入植物细胞，使得Ci急剧下降，而后Gs变化趋于平缓，光合消耗的CO2量与外界达到动态平衡，Ci减小幅度降低，趋于平缓。白皮松湿施处理组(PW1、PW2、PW3)的Ci与干施处理组(P1、P2、P3)差异不显著(P＞0．05)，即干施与湿施2种施用方式对白皮松Ci无显著影响。

图2 气孔导度(G s)的光响应曲线

3．1．3 对蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)的影响

各处理白皮松叶片的Tr均随光强的增强而增大，施肥处理的白皮松的Tr均显著高于对照，PW1处理下的Tr最大，并显著高于其他处理。方差分析表明，白皮松湿施处理组(PW1、PW2、PW3)的Tr显著高于干施处理组(P1、P2、P3)，即干施与湿施2种施用方式对白皮松Tr有显著影响。

图3 胞间CO2摩尔分数(C i)的光响应曲线

植物叶片水平的WUE是Pn与Tr的比值，可以表征植物叶片尺度上光合能力变化情况。各处理组白皮松WUE的光响应曲线趋势相似，在低光强(I＜200μmol·m－2·s－1)下，随着光合有效辐射的增加，WUE迅速上升，之后缓慢增加，当高光强(I＞500 μmol·m－2·s－1)下，WUE的变化幅度很小，基本保持稳定状态。一般来说，植物叶片的WUE在适度干旱条件下会升高［15］，干施处理组P1水分利用效率最高，CK水分利用效率最低。施肥处理组白皮松水分利用效率均显著高于对照组，湿施处理组(PW1、PW2、PW3)的水分利用效率与干施处理组(P1、P2、P3)差异不显著，即干施与湿施2种施用方式对白皮松水分利用效率没有显著影响。

图4 不同处理下白皮松T r的光响应曲线

图5 不同处理下水分利用效率(W UE)的光响应曲线

3．2 菌肥处理对白皮松光响应特征参数的影响

直角双曲线修正模型拟合后的光合特征参数见表1。施用菌肥后，各项参数均有一定程度的变化。暗呼吸速率(Rd)是植物在无光照下的呼吸速率，呼吸速率越低，相对消耗的光合产物越低，P3、PW1、PW2的Rd显著低于CK，P1和P2与CK差异不显著，各处理中，P3的Rd最低，为0．48μmol·m－2·s－1。表观量子效率(α)的高低可以反映植物光能转换效率的高低，P1、PW1和PW3的α显著高于CK，其中P1的α最高，为0．028 mol·mol－1。Pn，max反映植物叶片的最大光合能力，各处理组白皮松Pn，max均显著高于对照，其中PW1的Pn，max最高，为6．97 μmol·m－2·s－1。光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP)可以反映植物利用弱光和强光能力的大小，其中P1、PW1和PW2的LCP显著低于CK，其他处理组LCP和对照差异不显著，PW1的LCP最低，为26．9 mol·m－2·s－1;各处理组LSP均显著高于对照。

表1 不同菌肥处理下白皮松光合特征参数

施用菌肥不同程度地提高了白皮松α、Pn，max和LSP，并降低了Rd和LCP，说明施用菌肥可以有效促进白皮松叶片的光合作用，增强植物对强光和弱光的利用能力与效率，利于植物光合产物的积累。湿施和干施对白皮松光合特征值变化无明显的规律，但湿施处理组的α和Pn，max均大于干施处理组，LCP均低于干施处理组。

4 结论与讨论

植物光响应曲线的拟合方法较多，非直角双曲线模型是国内外学者广泛使用的模型，但该模型估算的光合参数值与实测值之间的偏差较大，且无法估算植物的饱和光强。非直角双曲线和直角双曲线修正模型的参数均为4个，因此国内很多学者在对比了2个模型在不同植物以及不同生境下的拟合效果后发现，直角双曲线修正模型的适用范围更广，不仅可以完整拟合植物在饱和光强之后光合速率不下降的光响应曲线以及在饱和光强之后光合速率随光强增加而下降的光响应曲线，还可以估算较为准确的植物饱和光强，各参数的拟合结果更接近实测值［15－16］。本研究中，直角双曲线修正模型对白皮松的光响应模拟效果好，7条曲线拟合方程的R2均大于0．98，拟合了白皮松在高光强下Pn下降的曲线，而且通过直角双曲线修正模型计算的饱和光强等光合特征值，拟合结果与实测值十分接近(以PW1的饱和光强为例，实测值约为1 600μmol·m－2·s－1，拟合值为1 679μmol·m－2·s－1)，能够全面反映施用菌肥后白皮松叶片光合特性的变化。

研究表明，由于外生菌根的外延菌丝，扩大了植物吸收养分的范围，并提高了植物对磷和氮元素的吸收能力［6］，此外菌根真菌会分泌某些特殊酶，加快植物对矿物质的吸收［17］，满足植物光合代谢的需要，从而提高光合效率。本研究中，施用菌肥对白皮松光合作用影响显著。施用菌肥后，6个处理组白皮松Pn、Tr、Gs和WUE均显著高于对照;不同程度地提高了α、Pn，max和LSP，并降低了Rd和LCP，说明施用菌肥可以有效促进白皮松叶片的光合作用。通常在适宜生长的条件下，植物光合量子效率在0．03～0．05，本研究中得出的表观量子效率在0．017～0．028。测量时间为10月份，气温较低，可能受到温度的胁迫，而由于温度对表观量子效率的研究相对较少，无法得到一个合理准确的结论［18］。施用的菌肥真菌为厚环乳牛肝菌和褐环乳牛肝菌，这2种菌根真菌对苗木具有明显的促生效果，其中褐环乳牛肝菌与植物形成菌根后，可以增加土壤中解磷钾细菌的数量，可以使大量的磷钾矿物转化为可溶性磷钾［5］，而磷、钾元素是植物光合作用的必需矿物营养。此外，外生菌根可以改善植物的水分状况，即可以促进植物根系对土壤水分的吸收，其菌套还能防止植物根系内水分的丢失，一定程度上提高寄主植物的抗逆性［3］。

白皮松叶片Pn的大小与施用菌肥剂量的高低无明显的规律，不同菌肥施用方式对白皮松光合作用影响显著。湿施处理比干施处理更能显著提高白皮松叶片的Pn、Tr和Gs，湿施处理组的Pn，max均大于干施处理组，LCP均低于干施处理组。施用菌肥后，白皮松菌根侵染率均为35%左右，干施与湿施法有所区别的原因可能是土壤水分含量。土壤水分的变化会影响植物的光合生理特性，植物的光合速率、Tr的变化具有明显的阈值响应。此外，水分有助于外生菌根孢子的扩散，扩大形成菌根的范围。

本研究中，PW1处理组对白皮松光合作用的促进作用最为明显，即光响应曲线中Pn最大，高于对照140%，高于其他处理约50%;光合特征参数中表观量子效率也较高;Pn，max明显高于其他处理;Rd较低，为0．64μmol·m－2·s－1，LCP较低，为26．9μmol·m－2·s－1。相比于其他处理，200 mL施肥量，并采用湿施方式可有效促进白皮松的光合作用，有利于积累光合产物，促进白皮松生长，且200 mL菌肥施肥量，可最大程度控制成本，利于大田施肥。

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