不同种源砂生槐幼苗的生长及光合特征

赵玉文，段少荣，郑雨，南吉斌，米桑，赵亚磊，林玲*

（1.西藏农牧学院资源与环境学院，西藏 林芝 860000；2.西藏农牧学院高原生态研究所，西藏 林芝 860000）

植物的光合作用是能量流动、有机物的主要来源途径，在一定程度上影响植物的生长速率[1-2]。光照、叶绿素含量、CO2浓度等因素直接影响植物的光合作用。光合作用的主要参数净光合速率（net photosynthetic rate,Pn）、气孔导度（stomatal conductance,Gs）、蒸腾速率（transpiration rate,Tr）、胞间CO2浓度（intercellular CO2concentration,Ci）等，可衡量植物的光合潜力，反映植物的生长速率[3]。研究植物的生长速率与光合特征之间的关系，有助于深入研究植物在当地环境中的生态生理适应性。

砂生槐（Sophora moorcroftiana）又名“西藏狼牙刺”，为豆科（Leguminosae）槐属（Sophora）中的一种矮而多枝的灌木，是西藏的特有物种[4]。其生于海拔2 800～4 400 m的山坡灌丛中、河漫滩砂质地上，在西藏的“一江两河”流域及支流宽谷区均有分布，并且是高原生态植被恢复中的理想树种之一[5]。国内学者对砂生槐的生态效益[6]、种群结构[7]、药理作用[8]、抗旱性[9-13]等方面的研究较多，对种子萌发特性和苗木生理也有报道[14]。已有的研究表明，砂生槐分布海拔跨度大，不同海拔梯度下的种源、种子大小、种子萌发差异显著[15]，而有关不同种源砂生槐幼苗生长及光合特征研究未见系统报道。为此，本研究以砂生槐全分布区生境差异显著的8个种源为研究材料，采集砂生槐种子，带回西藏农牧学院苗圃进行种植。以种源为处理因素，完全随机设计进行育苗，研究和比较各种源间生长性状、叶绿素含量、光合特征参数、不同光强和CO2浓度响应等特征，揭示各种源间生长特征和光合利用效率的差异性，以期为砂生槐的人工培育、遗传资源的保护、优良种源的筛选提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料来源

试验地设在西藏农牧学院苗圃中，地处西藏东南部（29°33´N，94°28´E），海拔2 978 m，属于高原温带半湿润季风气候，年均气温8.9℃，年降水量730 mm，降水主要集中在8—10月，占全年降水量的60%，年日照时数2 000 h，无霜期180 d。砂生槐生长当年的气象数据来自试验基地附近的林芝市巴宜区气象局和西藏农牧学院校内PC-4自动气象站。

试验材料为来自砂生槐全分布区巴宜区（BYQ）、朗县（LX）、曲水县（QSX）、林周县（LZX）、白朗县（BL）、谢通门县（XTM）、昂仁县（AR）、拉孜县（LZ）的8个种源，具体来源及种源地自然地理基本概况见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 砂生槐生长性状测定

砂生槐种子经25℃沙藏层积催芽后，以种源为处理因素，完全随机设计，30个重复（每钵为1个重复）。于2017年4月18日，种植在21 cm×21 cm的营养钵内，营养钵内基质以m（珍珠岩）∶m（腐殖质）∶m（蛭石）∶m（黑土）=3∶2∶1∶2配置，上面覆盖约1 cm厚的细沙，每钵2～3株幼苗，并且进行适当的田间管理。8月底待砂生槐幼苗生长稳定后用电子游标卡尺（精度0.01 mm）和卷尺进行地径和苗高的测定。

表1 不同种源砂生槐自然地理基本概况Table 1 Natural geographical condition of different provenances of S.moorcroftiana

1.2.2 砂生槐叶绿素含量测定

砂生槐叶片叶绿素（chlorophyll,Chl）含量采用乙醇提取法测定[16]，用美国哈希公司生产的DR6000型紫外分光光度计测定。每个种源测定4株，除去叶脉后剪碎、混匀、研磨，每个重复称取0.1 g，共3份，分别装入15 mL离心管中，加入提取液10 mL（96%的无水乙醇），充分摇匀后用黑色塑料膜遮盖并避光保存48 h，然后用DR6000型紫外分光光度计在665 nm和649 nm的波长下测定其吸光度，并按下列公式计算叶绿素a和叶绿素b的含量。

式中：Ca、Cb分别代表叶绿素a和b的质量浓度，mg/L；D665和D649分别为叶绿素提取液在波长665 nm和649 nm下的吸光度；Chl a和Chl b分别表示叶绿素a、b的质量分数，mg/g；V为提取液体积，mL；n为稀释倍数；mf为样品鲜质量，g。

1.2.3 光合特征测定

光合作用测量工作于2017年8月下旬在不同晴朗天的上午8：00—12：00开展。选取一年生苗木生长健康的功能叶，用美国Li-Cor公司生产的LI-6400XT光合仪测定不同种源植株的光响应曲线、CO2浓度响应曲线和光合特征参数。每个种源测量3株，每株测量3个叶片。由于所选砂生槐叶片不能充满叶室，试验测定完后将叶片摘下，用LI-3000C便携式叶面积仪测定叶面积。

光响应曲线测定：在气体流速为0.5 L/min、叶片温度为20 ℃、CO2浓度为400 μmol/mol、相对湿度（relativehumidity,RH）为50%的条件下，设置光合有效辐射（photosynthetically active radiation,PAR）0、25、50、100、150、200、400、600、800、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 μmol/(m2·s)（内置光源）14个光照强度梯度，测定叶片光合-光响应曲线。

CO2曲线测定：使用CO2钢瓶为气源，设置红蓝光源光合有效辐射（PAR）为1 400 μmol/(m2·s)，气体流速、叶片温度、相对湿度（RH）与光响应曲线测定相同，参比室CO2浓度设为0、50、100、150、200、300、400、600、900、1 200、1 500、1 800、2 100 μmol/(m2·s)，共 13个梯度，测定叶片光合-CO2响应曲线。

最大净光合速率（maximum net photosynthetic rate,Pnmax）、光饱和点（light saturation point,LSP）、光补偿点（light compensation point,LCP）、表观量子效率（α）、暗呼吸速率（dark respiration rate,Rd）、CO2饱和点（CO2saturation point,Csp）、CO2补偿点（CO2compensation point,Г）的测算方法见文献[17]。

1.2.4 统计分析

分别应用Excel 2013和SPSS 21.0对试验数据进行统计分析，使用光合计算软件拟合光合特征参数[17]，用Duncan法在95%水平上检验各种源间相关指标的差异性，并进行图形绘制和用模型计算相关指标。

2 结果与分析

2.1 不同种源砂生槐生长性状比较

从表2可看出，8个一年生砂生槐种源苗高和地径生长存在显著差异。不同种源苗高生长量在19.55～31.78 cm之间，表现为朗县＞曲水县＞巴宜区＞林周县＞白朗县＞昂仁县＞谢通门县＞拉孜县，其中朗县种源苗高最大，为31.78 cm，显著大于其他7个种源（P＜0.05）。地径生长量在1.39～2.84 mm之间，表现为朗县＞曲水县＞巴宜区＞林周县＞白朗县＞拉孜县＞昂仁县＞谢通门县，其中朗县种源地径生长量最大，为2.84 mm，显著大于其他7个种源（P＜0.05），谢通门县种源地径最小，为1.39 mm，显著低于其他7个种源（P＜0.05）。

表2 不同种源砂生槐生长性状比较结果Table 2 Comparison result of morphological features of S.moorcroftiana in different provenances

2.2 不同种源砂生槐叶片叶绿素含量比较

从图1可看出，8个种源砂生槐叶片Chl含量存在一定差异。朗县种源叶片含叶绿素a、叶绿素b最高，分别为4.470 mg/g和1.601 mg/g；其次是林周县种源叶片叶绿素a、叶绿素b含量，分别为4.405 mg/g和1.535 mg/g；拉孜县种源叶片含叶绿素a、叶绿素b最低，分别为3.554 mg/g和1.241 mg/g。

2.3 不同种源砂生槐叶片光响应特性

2.3.1 不同种源砂生槐叶片净光合速率的光响应曲线

图1 不同种源砂生槐叶片叶绿素含量Fig.1 Chlorophyll content of S.moorcroftiana in different provenances

从图2A可看出，8个种源的Pn随着PAR的增大出现明显的“单峰”变化趋势，并且变化趋势基本相似。当PAR在0～200 μmol/(m2·s)时，8个种源的Pn呈直线快速增长，PAR在200～800 μmol/(m2·s)时，Pn增长趋势变缓；PAR高于800 μmol/(m2·s)时，Pn增长趋于平缓，各种源逐渐达到峰值，超过峰值后，Pn开始慢慢减小，出现光抑制现象。拉孜县种源在PAR为 1 400 μmol/(m2·s)左右时出现明显的“拐点”，Pn值随着PAR的增强而出现下降趋势。不同种源光响应曲线变化规律相近，但林周县和巴宜区种源Pn明显大于其他6个种源，Pn最大值出现在1 600 μmol/(m2·s)附近。

2.3.2 不同种源砂生槐叶片气孔导度和胞间CO2浓度的光响应曲线

从图2B可看出，8个种源砂生槐的气孔导度（Gs）随着PAR的增大也出现明显的“单峰”变化趋势，且变化趋势基本相似，并与叶片Pn的规律一致。Gs是反映CO2由叶片表面层进入气孔的扩散能力的大小，其中：巴宜区和林周县种源的Gs明显高于其他6个种源；拉孜县种源Gs最低。

从图2C可看出，在8个种源砂生槐胞间CO2浓度（Ci）与PAR梯度的响应曲线中，随着PAR的增大而Ci降低，下降变化趋势基本相同，因此出现8条倒“J”型曲线。各种源PAR在0～200 μmol/(m2·s)时，Ci降低的速率最快，PAR 在 200～500 μmol/(m2·s)时，降低幅度开始减小；PAR在500～1 300 μmol/(m2·s)时，降低速度趋于平缓，各种源Ci出现最小值；当PAR大于1 300 μmol/(m2·s)时，各种源Ci又出现缓慢上升的趋势，但变化较小，上升趋势不明显。

2.3.3 不同种源砂生槐叶片蒸腾速率的光响应曲线

从图2D可看出，8个种源砂生槐的蒸腾速率（Tr）随PAR的增强而增加，该曲线与Pn、Gs与PAR的响应曲线相似，也出现明显的“单峰”变化趋势，且变化趋势基本相似。Tr是反映植物体内水分以气态方式向外界散失的快慢程度，各种源Tr值随着PAR的增强而出现下降趋势，但各种源间蒸腾速率增加幅度有所差异，其中：巴宜区、昂仁县和林周县种源随PAR增强，Tr增加幅度较高；拉孜县种源在PAR为1 400 μmol/(m2·s)左右时Tr同样也出现明显的“拐点”。

图2 不同种源砂生槐净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率的光响应曲线Fig.2 Pn，Gs，Ciand Tr-light response curves of S.moorcroftiana in different provenances

2.3.4 不同种源砂生槐叶片光响应参数比较

通过双曲线修正模型对光响应曲线进行拟合，计算出光响应曲线参数（表3）。8个种源砂生槐叶片的光响应参数差异显著（P＜0.05）。其中Pnmax在4.524～11.679 μmol/(m2·s)之间，林周县种源的Pnmax最高，为11.679 μmol/(m2·s)，朗县种源的Pnmax最低，为 4.524 μmol/(m2·s)，各种源间Pnmax差异显著（P＜0.05）。8个种源砂生槐的光饱和点（LSP）在740.467～1 773.078 μmol/(m2·s)之间。林周县种源光饱和点（LSP）为 1 773.078 μmol/(m2·s)，最高，其次是巴宜区种源，为1 348.481 μmol/(m2·s)；最低的是曲水县种源 ，仅为 740.467 μmol/(m2·s)，各种源光饱和点（LSP）存在显著差异（P＜0.05）。8个种源砂生槐的光补偿点（LCP）在 1.408～43.381 μmol/(m2·s)之间，其中昂仁县种源的光补偿点（LCP）达到43.381 μmol/(m2·s)，显著高于其他7个种源（P＜0.05）。8个种源砂生槐的表观量子效率（α）在0.015～0.056之间。谢通门种源的表观量子效率（α）最高，为0.056，拉孜县种源的表观量子效率（α）最低，为0.015，说明各种源对光的响应敏感性差异显著（P＜0.05）。8个种源砂生槐的暗呼吸速率（Rd）在 0.051～1.504 μmol/(m2·s)之间，最高为昂仁县种源 ，达到 1.504 μmol/(m2·s)，最低的是白朗县种源。

表3 不同种源砂生槐光响应曲线的特征参数Table 3 Light response curve parameters of S.moorcroftiana seedlings in different provenances

2.4 不同种源砂生槐叶片CO2响应曲线

2.4.1 不同种源砂生槐叶片净光合速率的CO2响应曲线

从图3A可以看出，砂生槐叶片对CO2的适应能力可以由Pn对CO2的响应曲线反映。8个种源的Pn随着CO2浓度的增大出现明显的上升趋势，并且变化趋势基本相似。CO2浓度在0～400 μmol/mol时，Pn几乎呈直线增加，之后增加趋势逐渐变缓，随着CO2浓度的逐渐增大，各种源Pn逐渐上升。其中，林周县种源Pn高于其他种源，白朗县种源Pn最低。

2.4.2 不同种源砂生槐叶片气孔导度和胞间CO2浓度的CO2响应曲线

从图3B可以看出，在不同CO2浓度范围变化下，8个种源砂生槐的气孔导度（Gs）随着CO2的增强呈现先下降后上升的“勺子”型变化趋势。Gs是反映CO2由叶片表面层进入气孔的扩散能力的大小。8个种源砂生槐幼苗Gs响应曲线存在差异，林周县种源的Gs最高，明显高于其他种源，且变化幅度较大，其他种源Gs变化幅度较小。

从图3C可以看出，在CO2浓度较低的条件下（40 μmol/mol左右），8个种源胞间CO2浓度（Ci）随CO2浓度升高，呈直线快速增加。CO2浓度大于40 μmol/mol时，Ci随着CO2浓度的增大而出现逐渐增加的趋势。其中，林周县和昂仁县种源的Ci明显高于其他种源，朗县种源的胞间Ci最低。

2.4.3 不同种源砂生槐叶片蒸腾速率的CO2响应曲线

从图3D可以看出，8个种源砂生槐的蒸腾速率（Tr）的CO2响应与Gs的响应曲线相似。随着CO2的增强呈现先下降后上升的“勺子”型变化趋势。Tr是反映植物体内水分以气态方式向外界散失的快慢程度。8个种源砂生槐Tr响应曲线也存在差异，其中，Tr较高的为林周县种源，巴宜区和白朗县的Tr较低。

图3 不同种源砂生槐净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率的CO2响应曲线Fig.3 Pn，Gs，Ciand Tr-CO2response curves of S.moorcroftiana in different provenances

2.4.4 不同种源砂生槐叶片CO2响应参数比较

如表4所示，8个种源砂生槐叶片对CO2的响应参数差异显著（P＜0.05）。其中，CO2饱和点（CSP）、CO2补偿点（Г）、羧化效率（Vc）、暗呼吸效率（Rp）等光合参数是反映砂生槐叶片生长过程中同化CO2的能力大小。8个种源砂生槐的CSP在1 769.632～2 678.136 μmol/(m2·s)，其中，昂仁县种源的CSP最大为 2 678.136 μmol/(m2·s)，说明该种源在高CO2浓度下具有很强的光合作用能力，巴宜区种源的CSP最低，为 1 769.632 μmol/(m2·s)，说明该种源在高 CO2浓度下的光合能力很弱。从Г和Vc来看，拉孜县种源的Г最高，达到111.430 μmol/(m2·s)；朗县种源的Г最低。林周县种源的Vc最高，说明该种源固定CO2的能力较强。林周县种源的Rp最高，为3.577 μmol/(m2·s)，与其他种源间存在差异（P＜0.05）；白朗县种源的Rp最低。

表4 不同种源砂生槐CO2响应曲线的特征参数Table 4 CO2response curve parameters of S.moorcroftiana seedlings indifferentprovenances

2.5 不同种源砂生槐生长性状与光合特征参数相关性分析

如表5所示，各种源苗高与地径（R=0.973**）生长呈极显著正相关（P＜0.01），即8个种源均表现出随苗高增加地径增粗。叶绿素a与叶绿素b含量（R=0.923**）也呈极显著正相关（P＜0.01），随叶绿素a含量的增加，叶绿素b含量也正向增加。生长性状与叶绿素含量表现出：叶绿素a与苗高和地径间无显著相关性；叶绿素b与苗高呈显著正相关（P＜0.05），即叶绿素b含量高的种源，苗高也较高。Pn与Gs呈极显著正相关（P＜0.01），与LSP呈显著正相关（P＜0.05）；Tr与Ci呈显著正相关（P＜0.05）；Ci与LCP呈极显著正相关（P＜0.01），和Rd呈显著正相关（P＜0.05）；LSP和Pn与苗高和地径表现为正相关，但未达到显著水平，LCP和Rd与苗高和地径表现出负相关，其相关性也未达到显著水平。

表5 砂生槐生长性状与光合特征参数相关性分析Table 5 Correlation analysis of photosynthetic parameters and growth indicators of S.moorcroftiana

3 讨论与结论

3.1 不同种源砂生槐生长性状差异

研究表明，不同种源苗木生长性状的变化差异受光合能力的影响，光照的强弱和CO2浓度的高低直接影响植物的光合速率，进而影响植物生长及养分的吸收[18]。本研究中，砂生槐苗高表现为朗县＞曲水县＞巴宜区＞林周县＞白朗县＞昂仁县＞谢通门县＞拉孜县；地径生长量表现为朗县＞曲水县＞巴宜区＞林周县＞白朗县＞拉孜县＞昂仁县＞谢通门县，朗县种源苗高和地径生长量最大，显著高于其他7个种源（P＜0.05）。这可能与各种源苗木长期处于不同生境中，由于海拔、温度、光照差异等因素，其生长情况、形态特征等发生明显的变化，而出现的趋异适应[19]。

3.2 不同种源砂生槐叶绿素含量差异

叶绿素是植物光合作用的“光敏催化剂”，其比例和含量与光合速率直接相关，同时，也是植物适应和利用环境因子的重要指标[20-21]。研究表明，Chl a和Chl b具有传递和吸收光能的作用，尤其Chl b含量高利于叶片吸收更多的光能[22]。本研究表明，8个种源砂生槐叶片叶绿素含量存在一定差异（P＜0.05）。朗县种源Chl a、Chl b含量最高，其次是林周县种源，拉孜县种源最低。对生长性状与叶绿素含量相关性分析得出，苗高与Chl b含量呈显著正相关（P＜0.05），即朗县与林周县的Chl b含量高，因而植株生长也较高。可见，砂生槐叶片叶绿素含量也是影响其植株有机物储备及生长速率的因素。

3.3 不同种源砂生槐光合特征差异

光照及CO2是影响植物生长的2个重要生态因子，植物的光合作用强弱由光合速率直接反映[23]。8个种源砂生槐的Pn、Tr、Gs、Ci在种源间差异显著（P＜0.05），说明不同种源砂生槐的光合特征和对相同环境的适应能力有所差别。FARQUHAR等[24]指出，阻碍植物叶片光合速率的重要因子可分为2类：非气孔因素和气孔因素。气孔作为植物叶片中最重要的气体运输通道，直接控制CO2向叶片的传导速率和蒸腾效率[25]。本研究表明：不同种源砂生槐幼苗Pn受Gs的影响，林周县和巴宜区种源的气孔导度较大，光合作用固定CO2的能力较强，净光合速率较快；且随光照强度增加砂生槐气孔开放程度增加，Tr也增加，叶片Ci降低，Pn升高，进而更有利于增加光能利用效率和固定CO2；巴宜区种源在CO2响应曲线中的Pn较低，这可能是由于测定当天在早上8：00先测定巴宜区种源，大气CO2浓度达到448 μmol/mol，空气湿度达到50%～56%，光照强度较弱，环境变化相对复杂，苗木气孔开放程度较弱，Ci较高，导致Pn、Tr和Gs都低。可见，光合作用与Gs之间存在一定的调节机制，这与WONG等[26]的研究结果相似。8个种源砂生槐幼苗的Pn、Tr和Gs存在显著（P＜0.05）差异，经相关性分析发现，Pn与Gs之间存在极显著相关关系（P＜0.01）。这也体现了Pn与Gs、Tr、Ci有较好的协同响应特征。植物的Pn是生长和形成品质产量的物质基础，影响着植物的生长量和生长速率。苗高和地径与光合参数相关性结果表明，苗高和地径与光合参数之间都未达到显著相关性水平，可能是由于砂生槐生长在高寒干旱环境中，光合产物更多地分配到适应性状上，这与邱权等[9]、尼玛曲珍[11]研究砂生槐生物量分配结果较为一致。

3.4 不同种源砂生槐光合参数差异

8个种源砂生槐叶片的Pnmax、LSP、CSP、Г、Rp、α、Rd等指标也在种源间差异性显著（P＜0.05），表明各种源砂生槐的光合特性有差异，以及对环境的适应能力有所差别。8个种源的Pnmax均低于一般木本阳生植物叶片Pnmax的范围值[10～25 μmol/(m2·s)]。在一定的光照条件下，植物的光合速率随着光强的减弱而下降，在光强较弱的条件下，光强变成了影响光合速率的首要因素[27]。8个种源砂生槐光饱和点（LSP）高于一般阳生木本植物[600～1 500 μmol/(m2·s)][23]，表明砂生槐在高光强下还具有很强的光合作用能力，并且比一般的阳生木本植物强，这可能是砂生槐长期适应高原环境的结果。8个种源砂生槐的CSP为 1 769.632～2 678.136 μmol/(m2·s)，昂仁县种源的CSP最大，说明该种源同化CO2的能力较强。LCP是反映植物利用弱光能力的一个参数，通常，LCP越低表明植物利用弱光的能力越强，LCP小于30 μmol/(m2·s)的植物属于低LCP植物[28]。在本研究中昂仁县种源的LCP超过 30 μmol/(m2·s)，其余均未超过该值，可见，昂仁县种源与其他7个种源相比，利用弱光能力最强，在弱光下呼吸消耗较大。研究表明，在PAR低于200 μmol/(m2·s)时，Pn的PAR响应直线的斜率即为表观量子效率（α），α是反映植物对光能利用强弱的指标。本研究中，林周县和巴宜区种源的α较高，加之，林周县、巴宜区种源在光响应曲线中Pnmax较其他种源高，其植株生长量也高，说明较强的光合利用能力能够促进植株的生长[29-31]。首先，林周县、巴宜区种源苗木光合色素含量较高，在白天Gs较大，Tr较高，CO2进出胞间的速度较快，进而光合速率较高；其次，在强光照下林周县和巴宜区种源的Pnmax、LSP和α较高，可以迅速带走叶片周围的热量，减轻强光对叶片的伤害，气孔开放，CO2进出胞间的速度较快，有机物大量积累，这与白文玉等研究不同种源桤木的结果[32]相似。

综上所述，8个种源砂生槐幼苗生长及光合特性参数之间存在显著差异（P＜0.05），表明各种源砂生槐的光合特性有差异，对环境的适应能力也有所差别。总体来看，本研究中林周县和巴宜区种源的Pn、Lsp和α较高，其植株生长量高，Chl a和Chl b含量也较高，说明这2个种源具有较高的光能生产潜力，适合于光照较强地区；昂仁种源的Csp、Lcp和Rd较高，说明在弱光下呼吸消耗大，大量消耗储备的有机物，其植株的生长速率较慢。由于苗木的光合特性较易受到环境因素、苗木自身生长等复杂性的影响，因而光合特性的测定还需通过研究不同种源砂生槐的日进程、季节进程及叶绿素荧光等的差异来进一步辅助深入研究。