遮荫对青钱柳苗期光合特性和生长的影响1)

李雨霏 郭鹏飞 张小燕 邓波

(安徽农业大学，合肥，230022)

太阳辐射是植物进行光合作用的能量来源，同时也是影响植物生长、发育及生理生化代谢最重要的环境因子之一。植物在其生长与发育进程中，根据生境可利用光能的多少来调节其叶片的形态结构、光合机构的结构、组成，以在生物化学、生物学上产生一系列适应性变化来适应其特定光环境[1-2]。光合作用是植物响应光环境的初始生理过程，影响植物细胞的其他代谢活动[3]。通常，生长于强光环境的植物具有阳生植物特性，生长于弱光环境的植物具有阴生植物特性[4-6]。植物通过其生境中光照强度大小在形态结构、功能进行的一系列适应性调整，使其可以有效利用环境中的光能，增强生态适应性[7-9]。但植物对光环境可塑性适应在种属、发育阶段等方面有一定差异，过度遮荫会抑制生长，甚至自疏。因此，通过研究植物光合生理特性可以在一定程度反映植物对光环境的适应情况，为人工林培育提供参考。

青钱柳(Cyclocaryapaliurus)为胡桃科青钱柳属的单种属植物，是我国重点保护的濒危植物之一[10-11]。青钱柳作为木本药用植物，在中国民间具有悠久的应用历史。现代研究发现其叶提取物含有多种对人体有益的生理活性物质，如黄酮类、三萜类等。对青钱柳进行开发利用，首先面临自然资源少的困境，其次光照等环境条件对其生长及次生代谢物的积累存在的影响，目前还无详实的资料。青钱柳生长速度较快，萌芽能力强，大树树高可达30～45 m，其主要利用部位为叶片。药用青钱柳叶用林的定向培育，采用矮化密植是一个必然的发展趋势，该培育模式时，光环境的变化对青钱柳生长、代谢产生的影响也急需解答。本研究以2年生青钱柳苗为对象，开展遮荫处理对青钱柳叶片叶绿素质量分数、光响应曲线及光合色素荧光参数等影响的研究，以期为优化青钱柳栽培条件和集约化管理提供参考。

1 试验地概况

试验地位于安徽合肥林业高科技开发中心基地，其地理坐标为31°49′48″N、117°15′E。该地属北亚热带湿润季风区，雨热同季，光照、热量充足，年均气温为15.7 ℃，年均降水量约为1 000 mm，年均日照时间约达2 000 h。土壤类型为黄棕壤，土质较黏重，pH值为6.1。

2 材料与方法

2.1 试验材料与试验设计

本研究以安徽绩溪种源的2年生青钱柳苗作为试材。所有青钱柳苗于2017年2月初种植于基地大田中，株行距为3 m×3 m。遮荫试验开始于2017年4月下旬，共设置3个不同的遮荫强度，分别为全光(A1)、遮光50%(A2)、遮光80%(A3)。遮阳网为遮阳率60%的黑色聚乙烯材料，放置于距离地面2 m处，A2处理组遮1层，A3处理遮2层。本试验共包含3个试验处理，每个处理重复3次，每个重复包括20株青钱柳苗，共180株苗。

2.2 主要气象因子和生长测定

2017年9月初，使用U14LCD型温湿度采集器测定不同遮荫处理的环境温度、相对湿度。对所有处理的青钱柳植株进行株高、地径调查，根据株高、地径测定结果，从每个处理中选取接近其平均值的6株青钱柳苗进行标记(每个重复2株)。进行光合与荧光参数测定及采集用于叶绿素质量分数测定的样品后，将标记植株挖出，分解为根系、茎秆、叶片3部分，在70 ℃烘干至恒质量，测定各部分的干质量。

2.3 叶绿素质量分数测定

从标记的植株上采集完全成熟的新鲜小叶，洗净、擦干、剪碎后作为叶绿素质量分数测定的样品。称取0.2 g样品，并用体积比为V(丙酮)∶V(乙醇)=8∶2的溶液浸提样品，避光保存过夜，待样品变白后取浸提液分别于波长为663、645 nm测定吸光度，叶绿素质量分数根据以下公式计算[12]。

Ca=12.7A663-2.69A645；

Cb=22.9A645-4.64A663；

Ca+b=20.2A645+8.02A663；

式中：Ca为叶绿素a质量分数；Cb为叶绿素b质量分数；Ca+b为总叶绿素质量分数；V为提取液总体积；W为样品鲜质量；α为稀释倍数。

2.4 光合-光响应曲线的测定

以每个处理中标记的青钱柳幼苗作为光合-光响应曲线测定对象，测定时间为上午的09:00—11:30。从测定植株顶芽向下第5片复叶的中间部位选取健康的完全功能小叶进行测定，并对拟测定的小叶再次进行标记。使用红蓝光源叶室测定光合-光响应曲线，叶室温度控制在(20±0.5)℃，CO2摩尔分数为380 μmol·mol-1，相对湿度为(40±5)%。本试验共设置12个不同的光强梯度，分别为1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、500、200、100、50、20、0 μmol·m-2·s-1，每个光强梯度的测定时间为3 min。测定前用1 800 μmol·m-2·s-1的光强对各处理的青钱柳叶片进行20 min的光诱导，测定时尽量保持叶片在植株原位。

2.5 光合-光响应曲线的拟合

在植物的光合-光响应曲线模拟中，拟合模型的选择十分重要。不同拟合模型得到的光合参数间往往较实测值存在显著差异，强烈影响拟合结果的准确性。目前，直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数函数模型、叶子飘模型等是较为常用的光合-光响应曲线模型。经研究发现，前3种模型在拟合光抑制现象时，会造成拟合最大净光合速率(Pnmax)较实测值偏大，拟合光饱和点(Ls,p)较实测值偏小或无法得出Ls,p等光合参数值[13-18]。叶子飘模型则考虑了植物进行光合作用时产生的光抑制现象，对植物光合-光响应曲线有较好的拟合性，同时可得出一些传统模型难以表现的光合参数值，如Ls,p等。

本试验采用叶子飘直角双曲线修正模型对不同光环境的青钱柳幼苗叶片光合-光响应曲线进行拟合。叶子飘直角双曲线修正模型的表达式为：

式中：Pn为净光合速率；I为光照强度；α为光合-光响应曲线在L=0时的斜率，即光响应曲线的初始斜率，又称初始量子效率；Rd为暗呼吸速率；β、γ为系数。

光饱和点(Ls,p)为：

最大净光合速率(Pnmax)为：

2.6 叶绿素荧光参数的测定

PSII原初光能转化效率：Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm。

电子传递速率为(υe)：υe=YPSII×ρq，F/2。

式中：ρq，F为光量子通量密度，指在植物用于光合作用的特定波长范围(400～700 nm)每平方米每秒光源辐射出的微摩尔数量。

2.7 数据处理

叶子飘直角双曲线修正模型通过光合计算(版本4.1.1)[20]，利用SPSS 18.0进行单因素方差分析、Duncan氏多重比较分析，分析结果表示在95%置信水平的显著水平，利用Excel 2010对试验数据进行初步处理并绘图。

3 结果与分析

3.1 遮荫处理对环境因子的影响

遮荫处理在改变青钱柳幼苗的光照环境的同时，对温度、湿度等环境因子造成影响。9月，进行光合参数测定，同时采用U14LCD型温湿度采集器对青钱柳幼苗生长微气候环境进行监测，测得不同遮荫强度的白天空气温度、相对湿度(表1)。随着遮荫强度增加，空气温度逐渐下降，空气相对湿度逐渐上升，二者的变异范围分别为25.7～30.6 ℃，69.6%～85.4%。

表1 3个不同遮荫水平白天(08:00—17:00)主要环境因子的平均值

3.2 遮荫处理对生长及叶绿素质量分数、组成比例的影响

青钱柳的株高、地径生长在不同遮荫处理时差异显著(表2，P<0.05)。随着透光率下降，青钱柳苗的地径生长也直线下降，A1处理的地径为1.74 cm，A3处理的地径生长仅为0.94 cm。株高生长在A2处理时达到最大，为152.6 cm，在A3处理时最低，为88.5 cm。

遮荫处理显著影响青钱柳苗叶中的叶绿素质量分数和组成(表2)。随着遮荫强度的加大，叶绿素a的质量分数虽在一定范围内增加，但并未达到显著水平；叶绿素b、总叶绿素的质量分数则显著增大(P<0.05)，二者的变异范围分别为0.34～0.47、1.69～2.14 mg·g-1。在该过程中，ω(叶绿素a)∶ω(叶绿素b)显著降低(P<0.05)。由此可知，遮荫处理不仅提高青钱柳苗叶片中的叶绿素总质量分数，还改变叶绿素的组成比例。

表2 不同遮荫处理下青钱柳的生长及叶片叶绿素质量分数、组成

3.3 不同光生长环境青钱柳的光合-光响应曲线

采用叶子飘直角双曲线修正模型对光合-光响应曲线进行拟合，计算得到5个特征参数：初始量子效率(α)、最大净光合速率、光饱和点、光补偿点(Lc,p)、暗呼吸速率(Rd)，拟合结果的决定系数(R2)均大于0.99(表3)。Pnmax的拟合值与实测值基本一致，二者间无显著差异，但A3处理的最大净光合速率明显低于A1、A2处理，仅为A1处理的47%，说明轻度遮荫对青钱柳的潜在光合能力无显著影响，重度遮荫则会强烈抑制其光合潜力(图1)。Ls,p、Lc,p也随光照减弱而明显下降(P<0.05)，二者的拟合值变异范围分别为1 844.0～2 253.0、7.3～28.9 μmol·m-2·s-1，Lc,p值在A2、A3处理时仅为A1处理的61.6%、21.2%。另外，弱光时青钱柳苗的呼吸消耗显著下降，A2、A3处理的Rd仅为A1处理的47.8%、19.9%，表明在弱光环境，青钱柳幼苗可通过降低暗呼吸作用来减少有机物消耗，从而适应弱光环境。

图1 3个不同遮荫处理的青钱柳幼苗在不同光强梯度时的光合速率拟合值

表3 不同遮荫处理的青钱柳幼苗光合-光响应曲线特征参数

3.4 不同遮荫处理的青钱柳幼苗叶片叶绿素荧光参数

为了反映遮荫处理对青钱柳叶片光能利用效率的影响，分别测定了PSII原初光能转化效率(Fv/Fm)、PSII量子产率(YPSII)、光化学猝灭系数(Qp)、非光化学猝灭系数(Qn，p)、电子传递速率(υe)5个荧光参数(表4)。Fv/Fm是反映光合系统潜在光能利用效率的指标，在不同处理间其变异范围为0.84～0.88，遮荫及种源均未对其产生显著影响。遮荫虽然提高了YPSII，但没有达到显著水平。其他3个能反映叶片光合系统实际光能利用效率的荧光参数Qp、Qn，p、υe均受到遮荫的显著影响(P<0.05)，变异范围分别为0.75～0.86、0.27～1.53、4.53～5.71。这表明遮荫处理使植物可利用的光能资源减少，PSII反应中心开放程度增大，增强光能捕获能力，使光合系统对光的利用效率明显提高，未利用光能比例降低，同时降低光能损耗，抑制光合器官受到过量激发能造成的损伤。PSII电子传递活性的增大，可以加快电子传递以降低荧光发射造成的耗散，光能传递效率增大。由此分析，青钱柳光合结构及生理生化过程进行了适应性调整，以高效利用有限光能。

表4 不同遮荫处理青钱柳幼苗叶片的荧光参数

4 讨论与结论

光合作用是植物生长、发育等生命活动的基础。光照条件的改变引起植物系统性的变化，如光合器官和组织的发育、结构、组成及功能的变化，进而影响其生长、代谢、物质积累。这种组织、结构、代谢、生态习性的一系列变化，使植物在特定环境中获得相应的生态适应性。根据在不同光照强度时植物的光合代谢、叶片结构、光合器官结构功能变化，Lichtenthaler et al.[1]将同种植物分为强光植物、弱光植物。许多研究发现，弱光环境时植物的光合能力降低[21-23]，本研究与其研究结果基本一致。随着遮荫加强，青钱柳的Pnmax、Ls,p均显著下降(P<0.05，表3)。遮荫不仅使光合速率发生改变，还使青钱柳光合产物的呼吸消耗、光能利用效率均发生改变。在本研究中，Lc,p、Rd均显著下降(P<0.05，表3)，表明青钱柳可通过减少呼吸消耗主动适应弱光环境。反映叶片光合系统实际光能利用效率的指标Qp、Qn，p、υe在遮荫处理时均显著增大(P<0.05，表4)，与已有研究结论一致[24-25]。遮荫处理时，由于光照不足，提高光能利用效率对弱光植物维持正常的生命活动及其他有关的生理、生化过程都至关重要。在青钱柳天然林中，青钱柳往往处于林分林冠上层，是喜光树种[11]。本研究证明，青钱柳苗在遮荫处理时光合合成代谢降低，但其光能利用效率显著提高，因此，在光合代谢水平，青钱柳在生长前期具有一定的耐阴性。

光合能力与光能利用效率在不同遮荫水平的变异间接反映遮荫对光合色素及其组成的影响。大量研究发现，全光叶片与弱光叶片在叶绿体的超微结构、化学组成均存在差异。强光叶绿体中叶绿素少，但ω(叶绿素a)∶ω(叶绿素b)比值更高[26-29]。更高质量分数的叶绿素及更高比例的叶绿素b，表明叶绿体光合膜上含有更多的捕光色素ω(叶绿素a)∶ω(叶绿素b)结合蛋白，该变化使遮荫叶片在弱光环境时捕获有限的光能以进行光合作用。另外，更高比例的叶绿素b可以帮助弱光叶片更好的从弱光环境中吸收短波长的蓝紫光[1，25]。另有研究发现，强光叶绿体中包含较高比例的β-胡萝卜素[30]，其对植物叶片适应光环境也有重要作用，但本研究中未进行类似测定。

植物具有形态的可塑性，以适应不同的光环境[31-32]。Ruberti et al.[33]指出，在光照限制时，增加树高生长是有效的避阴措施，本试验结果与文献研究结果基本一致(表2)。当光照受限时，植物会将光合作用中固定的碳优先分配于地上部分，使植株地上所占比例增大，以获取更多光能[34]。在森林生态系统中，林分密度上升使林木个体间对太阳辐射的竞争加剧，树高生长增加，这对增加竞争优势以获取更多太阳光能至关重要。但在高强度遮荫时，树高生长低于全光、中等强度遮荫时，表明过度遮荫会强烈抑制青钱柳的生长。不同遮荫水平对树高生长的影响在其他木本植物的研究中也有所发现，如麻栎、刺槐、白桦、落叶松等[35-36]。地径生长、树高生长对光照的反应并不相同。地径大小完全依赖于光照强度，且与光照强度呈正相关，树高的增长不仅反映植物本身生物量的积累，并在植物获取光源过程中具有重要的生态功能。地径的增长，更主要是由于生物量积累。因此，地径生长更能反映与植物生物量积累相关的环境因子变化情况。

综上所述，适度遮荫对青钱柳的光合速率及树高生长影响不大，但过度遮荫则会强烈抑制青钱柳的生长及光合生产能力。随着遮荫的加强，青钱柳的光合速率受到一定程度抑制，但可以通过提高光能利用效率、减小光合产物呼吸消耗以增强青钱柳幼苗对弱光环境的适应。本研究表明青钱柳在生长前期具有一定的弱光适应能力。