遮阴对凤丹生物量分配和化学计量特征的影响1)

汪成忠 于晶 尹原森 钱剑林 宋志平 胡永红

(苏州农业职业技术学院,苏州，215008) (复旦大学生物多样性研究所) (上海辰山植物园)

光是植物光合作用的能量来源，光因子是影响植物生长及种群更新的重要生态因子之一[1]。光照强度不同会引起生物量及分配格局的变化[2]。一般情况下，植物在强光条件下，会降低比叶面积和节间长度，增加地径横向生长[3-4]以避免光抑制现象(即光合构件吸收的光能超过光合作用的利用量时光合活性降低的现象)；而弱光条件下生长的植物通过增加叶片面积和增加株高实现对光能的捕获和利用[5]。最佳分配理论认为植物总是将生物量分配给最短缺资源的构件[6]。植物各构件生物量占比代表植物光合产物分配的重要指标，植物通过调整各构件的分配比例来适应不同光环境条件。在弱光条件下，植物将更多的生物量分配到地上部分特别是叶片来增加对光能的捕获[7]；而在强光照下植物地下部分的投资更大[8]。据报道在遮阴条件下植物存在避阴和耐阴两种不同的策略[9]。适度遮阴可减轻牡丹的光抑制，改善其光合功能以增加光合产物的积累[10-11]。

生态化学计量学是研究植物在生活史过程中元素的质量分数及元素平衡的理论[12]。化学计量比特征能够反映植物的生态策略[13]。对于植物化学计量特征研究主要强调C、N和P元素的关系，研究对象集中在天然林下的草本和低矮灌木，而对于人工经济林关注的不多。马志良等[14]研究指出，适度遮阴提高了紫花苜蓿地上部分C、N、P、K化学元素的质量分数，说明植物的化学计量学特征具有很强的可塑性，这种可塑性实际上反映了植物对环境变化的响应，可能直接影响植物的生长能力和对环境的适应能力。

凤丹即杨山牡丹，为芍药科芍药属牡丹组植物，是林下小灌木，其结实能力强，能够用来生产种籽、加工食用牡丹籽油，是目前油用牡丹栽培的主要牡丹类型。目前，凤丹经济林栽培采用大田栽培和套种栽培模式(如与文冠果或美国山核桃套种)，凤丹从林下药用栽培到油用作物栽培，其对光照的利用效率、生长模式和适应性尚不完全清楚，牡丹花农的栽培经验和相关研究结果[15]暗示，适当遮阴有利于牡丹的生长发育，影响牡丹的成花，但牡丹如何响应光照条件变化的问题尚未阐明。文中以安徽铜陵4年生凤丹人工林为研究对象，采用不同遮阴处理来改变光照强度的策略，比较分析不同处理下凤丹的生物量和营养元素质量分数的变化，来探讨凤丹对光照强度变化的响应，从而为优化凤丹复合栽培模式提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料

凤丹为亚灌木植物，以种子繁殖为主，从播种到定植一般需要2 a时间，定植后1～3 a可开花，通常定植2 a后开花居多。凤丹年周期总体上可分为萌芽期、花期、果熟期、落叶期和休眠期，在果熟期生物量达到最大值。本研究取自铜陵市凤凰山牡丹园(30°52′14.28″N，118°1′13.39″E)，4年生凤丹种群，株行距为60 cm×60 cm，所有植株均以2年生实生苗定植。

1.2 方法

1.2.1 试验设计及取样

于2018年5月初在凤凰山凤丹园选择地形平坦、长势良好的地块，随机设置9个小区，其中3个小区不遮阴,即全光照(CK)，另外6个小区分别搭设长6 m，宽8 m，高2 m钢架，在钢架上覆盖65%和75%黑色遮阳网(各3个)，遮阳网内的光照强度由台湾泰仕数字照度仪TES-1332A照度计测得后换算成相对光照强度(63%和34%的全光照)，即本试验设置3个光照处理，即100%(CK)、63%和34%的全光照，分别以CK、L63和L34表示。试验期间所有凤丹均进行相同的水分和施肥管理，于8月中旬果熟期进行破坏性采样，每个处理随机取5个样株，挖取整株(包括全部根系)，现场用水冲洗根系泥土后带回实验室供使用。

1.2.2 指标检测

在实验室将植株的根、茎、叶和果实分开，在65 ℃下烘干至恒质量后分别称质量，通过称量和计算获得如下指标，即根生物量、茎生物量、叶生物量、繁殖生物量(果实生物量)、总生物量=根生物量+茎生物量+叶生物量+果实生物量、根分配=(根生物量/总生物量)×100%、茎分配=(茎生物量/总生物量)×100%、叶分配=(叶生物量/总生物量)×100%、果实分配(繁殖分配)=(果实生物量/总生物量)×100%。

烘干的样品混合均匀后取一部分，用多功能植物样品粉碎机粉碎后过筛，用于测定样品全C、N、P、K和可溶性糖质量分数。样品全C质量分数采用重铬酸钾容量法测定;样品全N、全P和可溶性糖质量分数(SS)分别采用H2SO4-H2O2消煮的凯氏定氮法、钒钼黄吸光光度法和蒽酮比色法测定。在此基础上计算化学计量特征，即质量分数w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)和w(N)∶w(P)。

此外，根据可溶性糖在源-库结构之间的联系，将可溶性糖作为表征源、库活性的指标。源、库强度是指源、库的大小与其活性的乘积[16]，采用生物量与可溶性糖质量分数的乘积来间接表征凤丹的源[17-18]或库[16-19]的强度(g·株-1)，并计算源强度/库强度(源/库)，文中分析了果熟期的源、库强度和源强度/库强度。

1.2.3 数据处理

采用单因子方差分析(one-way ANOVA)来检验遮阴对生物量及分配和营养元素质量分数及w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)和w(N)∶w(P)的效应，如果检验结果存在明显效应，则采用多重比较来检验两两之间的差异，表中数据为平均值±标准差。所有数据分析由统计软件SPSS20.0完成。

2 结果与分析

2.1 遮阴对凤丹生物量分配的影响

2.1.1 生物量

ANOVA分析表明，遮阴处理对凤丹各构件的生物量和分配具有显著效应(表1)。随着遮阴程度加剧，凤丹总生物量和根、茎均呈现不同程度下降，而叶片和果实生物量则在L63处理显著增加，果实生物量在L63处理中达(9.70±0.24)g·株-1，为CK(2.23±0.12)g·株-1的4.35倍，而叶片和果实生物量在L34处理中显著下降。

表1 遮阴对凤丹生物量的影响

由表1显示，与CK处理相比，经L63和L34处理后总生物量分别降低5.89%和34.02%；根生物量分别降低25.42%和26.98%；叶生物量经L63处理后增加10.75%，而经L34处理后下降33.33%；果实生物量经L63处理后增加335.69%，L34处理后下降29.51%。

2.1.2 生物量分配

随着遮阴程度加剧，凤丹各构件生物量分配呈现不同的变化(表2)，与CK处理相比，根生物量分配经L63处理后下降，经L34处理后升高，达64.15%±0.85%；茎生物量随遮阴程度加剧逐渐降低；叶片生物量分配均升高；果实生物量分配均升高，但经L63处理后最大，达15.44%。

表2 遮阴对凤丹生物量分配的影响

2.2 遮阴对凤丹化学计量特征的影响

ANOVA分析表明，遮阴处理对凤丹单株水平和各构件全C、N、P、K元素质量分数及质量分数比(w(C)∶w(N)，w(C)∶w(P)和w(N)∶w(P))具有显著效应。

2.2.1 凤丹单株水平化学元素特征

从单株水平(表3)来看，与CK相比，全C、全N和全K质量分数经遮阴处理显著增加，经L63和L34处理后，全C质量分数分别为54.00%和57.21%，全N质量分数分别为1.47%和1.34%，全K质量分数分别为0.90%和0.72%；全P质量分数经L63处理后显著提高，为0.190%，而经L34处理后下降，为0.130%。

表3 凤丹单株水平化学计量特征

就质量分数比而言，与CK相比，w(C)∶w(N)和w(C)∶w(P)经L63处理后均显著下降，分别为36.77和283.00，经L34处理后w(C)∶w(N)和CK无显著性差异，w(C)∶w(P)显著增加，为424.53；w(N)∶w(P)随着遮阴程度加剧而增加，分别为7.72和9.96。

2.2.2 凤丹各构件化学元素计量特征

由表4可以看出，与CK相比，全C质量分数经遮阴处理凤丹各构件质量分数均有所增加(除L63处理中根)；全N质量分数在根、叶和果实中均增加，茎部的质量分数L63和L34处理中均下降；全P质量分数在所有处理所有构件中随着遮阴加剧而升高(L34处理根除外)；全K元素在各构件在遮阴处理中质量分数均显著增加。

表4 凤丹各构件化学计量特征

凤丹经遮阴处理后，与CK相比，根和叶的w(C)∶w(N)均下降，茎和果实均有所增加；L63处理中凤丹所有构件的w(C)∶w(P)均下降，在L34处理中均增加(除叶片外)；根w(N)∶w(P)随遮阴加剧而显著增加，茎、叶和果实w(N)∶w(P)经遮阴处理后均显著降低。

2.3 凤丹源-库关系变化

基于可溶性糖质量分数，检测了凤丹在果熟期的源强度、库强度和源强度/库强度(表5)。结果显示，凤丹的源-库关系遮阴效应显著，凤丹的源强度和库强度经L63处理后均增加，分别为1.66和1.04 g·株-1，经L34处理后均降低，分别为0.49和0.15 g·株-1；源库比在经L63和L34处理后均下降，分别为1.60和3.21。

表5 凤丹源-库关系

3 结论与讨论

光是影响植物生长发育和生存的重要环境因子之一，植物对不同光环境的响应策略具有很大差异[20]。绝大多数研究结果表明，降低光照强度，植物光合作用减弱，初级生产力降低，单位叶面积上制造的有机质减少，从而单位面积上累积的生物量减少[21]，与本研究遮阴处理降低凤丹总生物量和茎的生物量结果一致；在过度遮阴条件下，植物净光合速率一直维持较低的水平，不能制造更多养分运输到各构件，与本研究中经L34遮阴处理后根、茎、叶和生物量均显著下降结果相一致；适度遮阴可以增加牡丹净光合速率(Pn)、解除Pn在自然光下出现的“光合午休”现象[11]，所以L63处理与CK相比，凤丹叶片生物量增加，净光合速率较高，能制造较多的养分，按照“就近原则”运输到果实内；光合构件吸收的光能超过光合作用的利用量时，光合活性就会降低，过剩的光能通过多种途径在植物体内产生有毒的活性氧，导致光合机构的光氧化破坏。对辣椒[22]、草莓[23]等作物光合作用日变化的研究证明，光抑制是普遍存在的现象，本研究凤丹在全光照(CK处理)条件下，明显出现了光抑制现象，所以光合产物运输到凤丹的果实较少。

最佳分配理论认为，植物总是将生物量分配给最短缺资源的构件，植物通过调整各构件的分配比例来适应不同的环境条件。在本研究L34处理中，因过度遮阴各生物量显著下降，但各构件生物量分配却有所调整，与CK相比，根和果实的生物量分配均显著高于CK，说明在极端光环境下凤丹在生存和繁殖存在权衡，将64.15%生物量分配到地下部分，确保成活。而L63处理中因是适度遮阴，无光抑制现象，植株光合效率较高，没有生存压力，所以将生物量更多的分配到果实中，用于后代的繁衍。

在不同的环境条件下植物会进行不同的生理生化反应，植物通过调节C、N、P的代谢和循环使其具有不同的质量分数和分布，最终表现出特定的元素生态化学计量学特征[24]。植物在遮阴环境下生长及C、N、P、K元素的利用与分配格局可能与自然光照下不同，其生态化学计量特征也可能存在差异，不同元素对不同荫蔽度的响应敏感度不一[14]，在自然条件下，一般认为C不会限制植物的生长，N和P的变化则是生态系统生产力的主要限制因素。本研究中L63和L34遮阴处理有利于提高凤丹单株和地上部分(茎、叶、果实)全C质量分数，这说明遮阴条件下更多的有机物质在茎、叶和果实中积累；N和P元素是植物生长的限制，遮阴条件下N元素质量分数与CK相比在根、叶和果实中均有所提高，P元素质量分数与CK相比在茎、叶和果实中均有所增加，说明遮阴条件下一定程度上增加了N和P营养元素的吸收；K是植物正常生长发育所不可缺少的金属元素，为植物提供必需营养的同时，可以通过其渗透调节功能参与植物的抗逆性过程[25]，K元素质量分数在所有构件中均有所增加，说明遮阴条件下，K元素在一定程度上参与抗逆过程，实现正常代谢和光合产物运输。

本研究中，凤丹化学计量特征与马志良等[14]遮阴条件下紫花苜蓿化学计量特征的结果相差较大，可能是由于植物种类和遮阴的时间不同导致的。本研究表明，w(C)∶w(N)随着遮阴加剧，根和叶均表现为经L63处理的w(C)∶w(N)最小，可能因为在光抑制(CK)和光胁迫(L34)的条件下做出的生理反应。综合凤丹果实和产量因素，经L63处理的w(C)∶w(N)在一定程度上可以作为在苹果的栽培中“看碳施氮，以氮促碳”的依据[26]。w(C)∶w(P)在L63处理中单株水平全C质量分数增加4.31%，而全P质量分数增加11.76%，全C质量分数增长速度低于全P质量分数增长速度，所以相对于CK处理w(C)∶w(P)下降，而在各器官也是如此；而经L34处理后，因全C质量分数增长，而全P质量分数增长速率低于全C质量分数增长速率或负增长，所以导致凤丹根、茎和果实的w(C)∶w(P)增长。N和P是陆地植物生长最主要的限制性元素，w(N)∶w(P)能反映N、P养分限制情况，指示对植物群落生产力起限制性作用的营养元素[27]。植物是受N还是P限制一般通过w(N)∶w(P)值来判断：当w(N)∶w(P)<14时，为N限制；w(N)∶w(P)>16时，为P限制；而14≤w(N)∶w(P)≤16为N、P共同限制或者二者都不限制[13]。本研究中，凤丹单株和各构件的w(N)∶w(P)分别为7.72～9.96和6.2～12.18，显然为N限制，因为较低的光照强度影响了凤丹对N元素的吸收利用能力，也可能是土壤中有效态N质量分数不足以满足凤丹生长发育的需求，在生产中应适当补充N肥可能会增加牡丹籽产量。本研究结果还表明，叶片的w(N)∶w(P)随着遮阴程度加剧而降低，是因为凤丹对N、P的吸收和运输所需的能量最终靠光合作用提供，养分充足时，光照减弱会导致凤丹叶片快速生长以捕获更多的光能，所以叶片w(N)∶w(P)下降。

要提供作物产量，除了培育高产的品种外，还必须通过栽培措施建立合理的冠层结构(如控制种植密度，套种等)，将库大、源强及源库协调落实到具体指标上。本研究表明，适度遮阴提高凤丹的源大小(叶片生物量)/库容量(果实生物量)和源/库活性(可溶性糖质量分数)，从而实现源强度和库强度的增大；叶源量既决定着库的建成，又参与库的充实，而过度遮阴造成叶片的早衰，导致凤丹在籽粒彭大过程中没有较大的叶源量，源性能下降，使流向库的光合产物明显不足，最终导致减产。本研究显示，凤丹源库比为1.60～6.69，说明其源库比具有较大的可塑性，L63遮阴源库比低，仅1.60，但果实的产量是最高的(9.70 g·株-1)，而CK和L34处理源和库强度均不大，进而库强度较小，所以产量不高(2.23和1.58 g·株-1)，因此可以认为，影响4年生凤丹产量是源限制。当然影响源、库强度和源库协调的因素很多，如株龄、发育时期、栽培密度、修剪方式等，因此需要设置专门试验确定凤丹最佳的光照强度和最协调的源库比。