不同断根处理对坡垒大苗生理特性的影响

方发之，吴二焕，桂慧颖，麦有专，张晓凤，黎肇家

海南省林业科学研究院(海南省红树林研究院)，海南 海口 571100

断根是林木植物苗木育苗中常用的培育措施。相关断根措施对植物生理指标影响研究方面较为常见，主要研究集中在作物方面[1-4]。林木断根处理研究相对较少。林木植物在受到外界环境的刺激时产生一系列生理上变化，会使林木植物的光合能力下降[5]，叶片中超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性降低、丙二醛含量升高[6]，还会使得根部吸收水分能力减弱[7]，树枝、叶片会逐渐失水，甚至失活。

坡垒为龙脑香科坡垒属植物，常绿乔木，由于对坡垒过度采伐，和坡垒苗期生长缓慢因素，被列为国家Ⅰ级重点保护野生植物[8]。坡垒为有名的高强度用材，有“海南神木”之称，观赏价值高，是近年来园林绿化新热门物种。为了加强坡垒等珍贵用材树种研究保护，苗木园林培育可解决坡垒苗期生长缓慢问题。对坡垒的研究主要集中在群落特征、种群分布特征、种子育苗等方面[9-14]，对于坡垒大苗的培育技术却极少有研究，对其进行断根处理研究更是没有报道。

合理的断根可增加苗木须根量，提高根系吸收水分和矿物质的能力，是植物苗木生长发育过程中的重要培育手段。为探究坡垒大苗在培育过程中断根抗性生理生长指标变化状况，该文对坡垒大苗进行断根处理，探讨在不同断根处理下，其光合特性与生理指标变化规律，采用主成分分析方法进行综合评价，探究最有利于坡垒生长发育的断根措施。研究结果可为坡垒苗木优质栽培提供技术参考，为坡垒园林培育工作及相关研究的发展奠定基础，为坡垒人工林可持续经营管理提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设于海南省定安县的近郊金鸡岭林场苗圃内。苗圃地形平坦，土地肥沃。属亚热带气候，雨量充沛，光照充足。年平均气温24℃，月平均气温最高28℃（6月～7月），最低气温17℃（1月）；极端高温38.5℃，极端低温4℃。年平均降水量1600mm以上。土壤类型为红壤土，土层深厚，石粒较少[15-16]。

1.2 试验材料与试验处理

1.2.1 供试材料

供试材料为7a生坡垒，共18株，由海南省林业科学研究院（海南省红树林研究院）位于定安县金鸡岭苗圃提供。同时试验样品采集于安县金鸡岭林场苗圃育苗基地。

1.2.2 试验处理

2021年12月中旬到2022年1月中旬，在海南省定安县金鸡岭试验地内分别选取18株生长健壮、同时期种植的坡垒大苗，测量其处理前的光合作用速率，之后进行原地断根模拟试验。试验采取3种断根措施（D）、4种回土措施（H）及2种修剪枝叶措施（X），具体为：D1为断根处断去所有侧根，留底部支撑主根；D2为断根处断去所有侧根，断去底部支撑主根；D3为断根时保留东、西方向各一根支撑侧根；H1为回填所有边土；H2为回填1/2边土；H3为不回填边土；H4为回填边土至无纺布袋及土坑；X1为去除全株的3/4枝叶；X2为去除全株的1/2枝叶。将上述断根、回土及修剪枝叶措施进行组合，形成如下T1～T6处理。

表1 不同处理坡垒大苗基本特征Tab.1 Basic Feature Different Root-pruning Treatments of Hopea hainanensis Large Seedlings

1.2.3 样品采集

样品采集于2021年12月中旬到2022年1月中旬进行，分4次采样，且第1次采样于坡垒断根处理前，此后采样时间分别为断根处理后10d、20d、30d，以第1次采样为对照，每次采样从树冠上中下分别采摘健康叶子，每株重复3次，每个处理3株重复。

1.2.4 光合气体交换参数的测定

断根处理前后均采用光合仪Li-6800对标记坡垒大苗进行光合气体交换参数测定。第1次坡垒光合气体交换参数测定于断根处理前，此后在断根处理后10d、20d、30d分别对坡垒进行光合气体交换参数测定，每次测定为每株树冠上中下叶片各3片，每株测定3次重复，每次重复3片叶子。选择晴朗天气测定不同处理坡垒大苗向阳成熟叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Cond）等生理指标。瞬时水分利用效率（WUE）采用WUE=Pn/Tr计算[17]。

1.2.5 叶片生理指标的测定

超氧化物歧化酶SOD、过氧化物酶POD、过氧化氢酶CAT、丙二醛MDA均采用Solarbio检测试剂盒测定；可溶性总糖测定采用蒽酮法[18]；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝比色法[18]；叶绿素测定采用比色法[18]。

1.3 统计分析

数据统计和分析使用WPS和SPSS 17.0软件进行，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD法检验不同断根处理间的各生理、光合指标的差异显著性。采用Pearson法对各生理及光合指标间的相关性进行双尾检验。采用主成分分析方法综合分析不同断根处理对坡垒大苗生理特性的影响。使用SPSS统计分析软件，通过描述分析的方法将数据进行标准化，标准化的数据将通过降维的方式进行主成分分析。根据相关系数矩阵对坡垒大苗的12个生理特性指标进行相关性分析，在主成分提取结果表中，主成分按照特征根大小以此排列，根据特征根大于1以及累计贡献率大于85%的原则确定主成分的数量，主成分的特征根用λ表示。

主成分系数由等于各变量因子载荷向量除以各自主成分的特征根的算术平方根获得，公式如下：

因子载荷值指的是确定各个指标对各成分的影响，在成分矩阵中表示。

计算各指标的综合得分，以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合评价模型：

其中，λi表示第i主成分因子的特征值。主成分分析的综合评价参考冯海萍等[19]所采用的方法。

2 结果与分析

2.1 不同断根处理对坡垒大苗光合特性的影响

不同断根处理对坡垒大苗光合特性的影响如下图1～5所示。由图1～5可知，所有的坡垒大苗的叶片净光合速率、水分利用效率及叶绿素含量均显著低于不断根处理，蒸腾速率、气孔导度及胞间CO2浓度均显著高于不断根处理。坡垒大苗叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及叶绿素含量在断根后整体上呈现先升后降低的趋势胞间CO2浓度在断根后是一个“高—低—高”的变化；坡垒大苗的水分利用效率下降，在第10d到20d之间有一个短暂的回升。各处理中，以T3处理的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度最高，以T1的胞间CO2浓度和水分利用效率最高。

图1 断根后坡垒大苗净光合速率的变化Fig.1 Photosynthetic Rate Dynamics of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

图2 断根前后坡垒大苗蒸腾速率与气孔导度的变化Fig.2 Transpiration Rate and Stomatal Conductance Dynamics of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

图3 断根后坡垒大苗胞间CO2浓度的变化Fig.3 Intercellular CO2 Concentration Dynamics of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

图4 断根后坡垒大苗WUE的变化Fig.4 WUE Dynamics of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

图5 断根后叶片叶绿素含量的变化Fig.5 Content Chlorophyll Dynamics in Leaf of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

2.2 不同断根处理对坡垒大苗叶片生理指标的影响

不同断根处理对坡垒大苗保护性酶（SOD、POD、CAT）活性、可溶性糖、MDA、和叶绿素含量的影响如下图6～10所示。由图6～10可知，所有断根处理的坡垒大苗的保护性酶活性及可溶性糖均显著高于不断根处理，MDA含量显著低于不断根处理。不同断根处理间，坡垒大苗SOD酶活性、POD酶活性均在断根后是呈现升高的趋势，在断根30d内，坡垒大苗CAT酶活性、POD酶活性是呈现升高的趋势；可溶性糖含量、SOD酶活性则随断根的增大而增强；MDA含量是先增大再减少。各项处理中，T4处理的SOD酶活性、POD酶活性、显著高于其他处理，T6处理的MDA含量与可溶性糖含量、T5处理的CAT酶活性与可溶性蛋白含量显著高于其他处理。

图6 断根后叶片可溶性糖含量的变化Fig.6 Content of Total Soluble Sugar Dynamics in Leaf after Root Pruning

图7 断根后叶片MDA含量的变化Fig.7 Content MDA Dynamics in Leaf after Root Pruning

图8 断根后叶片CAT活性的变化Fig.8 The Activities of the CAT Dynamics in Leaf after Root Pruning

图9 断根后叶片POD活性的变化Fig.9 The Activities of the POD Dynamics in Leaf after Root Pruning

图10 断根后叶片SOD活性的变化Fig.10 The Activities of the SOD Dynamics in Leaf after Root Pruning

2.3 不同断根处理与坡垒大苗的生理指标的相关性分析

对坡垒大苗各项指标做相关性分析结果如下表2所示，由表可知坡垒大苗多指标间存在显著相关性。坡垒大苗的蒸腾速率与气孔导度极显著负相关，与可溶性蛋白含量显著负相关。净光合速率与WUE、SOD、POD含量极显著正相关，与MDA显著正相关，与TCC显著负相关。胞间CO2浓度与气孔导度极显著正相关。Gs与SSC显著负相关。WUE与SOD、POD活性极显著正相关，与CAT活性、SSC、TCC显著正相关。SOD活性与POD活性极显著正相关，与MDA、可溶性糖含量显著正相关，与TCC极显著负相关。POD活性与SSC极显著正相关，与TCC显著正相关。CAT活性与TCC极显著负相关。

表2 坡垒大苗各项指标间的相关系数Tab.2 Correlation Coefficients between Indexes of Hopea hainanensis Large Seedlings

2.4 综合分析不同断根处理对坡垒大苗的影响

影响林木生长的因素有很多，有自身生理调节以及外界环境的影响等，但其任何一个单一的指标都难以评价断根处理对坡垒大苗生长发育的影响。因此，采用主成分分析方法对不同断根处理下的各项指标进行成分因子的提取与计算，并根据各指标权重值进行累加，得综合评价值，综合值越大对坡垒大苗生长的促进效果越好。由表3特征值和主成分贡献率与累积贡献率和表4不同断根处理的坡垒大苗生理特性的综合评判结果可知，在构成坡垒大苗生理特性的主成分指标中，前4个主成分的累计方差贡献率达到了86.5%，说明信息主要集中在前4个主成分中，可取前4个主成分来反映坡垒大苗不同断根处理生理特性的信息量。

为了进一步说明前4个主成分对各因子影响的大小，通过计算这4个主成分对各因子的负荷量和累计贡献率，计算相对应的4个主成分，根据表3中主成分的特征向量可以构建主成分与各生理特性之间的线性关系：

根据1.3中计算综合得分的公式，综合得分的排名见表4，前4个主成分的综合得分为评价不同断根处理坡垒大苗生理特性的主要依据。得分越高、数值越大，说明在实际园林培育中这个处理的优势就越明显；而得分越低、数值越小，说明园林培育过程中这个处理的断根效果越不理想。不同处理的坡垒大苗的断根效果不同，其效果排序为：T4＞T5＞T3＞T6＞T2＞T1。这些处理中尤以T4和T5的断根效果最好，断根处理不仅可以促进苗木根系的生长，还可以调控苗的生理特性，从而调控其生长发育。这一实验结果为园林培育优质苗奠定了基础，可在实际培育过程中进行推广。

表3 特征根和主成分贡献率与累积贡献率Tab.3 Eigenvalues,Principal Component Contribution Rates and Accumulative Contribution Rates

3 结论与讨论

3.1 结论

实施断根处理后，坡垒大苗保护性酶活性增强，清除因断根破坏抗氧化系统平衡产生的多余活性氧，脂膜过氧化产物减少，消耗可溶性糖进行细胞组织重建，减少机械损伤伤害。坡垒大苗保留叶片光合能力方面表现为净光合速率降低，胞间CO2浓度增加。气孔导度的降低和胞间CO2浓度增加是引起净光合速率降低的主要原因。相关性表明坡垒大苗多指标间存在显著相关性。经主成份分析，T4断根处理对坡垒大苗生理的综合促进效果最佳。

3.2 讨论

3.2.1 不同断根处理对坡垒大苗光合特性的影响

在对坡垒大苗进行断根处理后，各处理的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度整体上是呈先上升后下降的趋势，而各处理间不同断根处理有差异，这与李永卫对断根后百子莲的光合特性的研究结果相似[20]，在断根后处理30d内，百子莲的净光合速率、气孔导度及蒸腾速率等光合指标是降低的，而且实验证明断根的程度愈重，下降越重。在植物进行光合作用过程，对其影响有气孔限制和非气孔限制的因素，植物叶片气孔是植物进行气体交换的主要通道，气孔的开闭影响了植物光合速率和蒸腾速率的快慢，气孔导度的降低使得叶片的蒸腾速率和光合速率降低[21]。通过该试验得到的结果，在断根处理后，坡垒大苗的净光合速率增加伴随着气孔导度的降低和胞间CO2浓度的升高，说明坡垒大苗断根后，对光合作用的影响主要是非气孔限制因素占主导。

坡垒大苗断根处理后，叶片水分利用率降低，处理与对照之间以及处理之间变化情况有差异，可能是由于处理后植株的光合和蒸腾作用在不同时段受到不同因子的影响引起的，影响坡垒大苗的光合作用的主导因素是非气孔限制，即受不同因子的影响。该实验时间处于冬季，其坡垒大苗的生长缓慢，水分利用低下；而且在断根后，坡垒大苗的蒸腾速率的增幅一直大于净光合速率的增幅，因而光合速率与蒸腾速率的比值变小，水分利用率降低，这与陈曦对杨树的断根处理的结果一致[22]，在对杨树断根处理后，叶片蒸腾速率没有明显下降反而略有上升，光合速率降低，导致两者的比值变小，水分利用效率低。随着气孔导度的降低，蒸腾作用减弱来提升水分利用率。吕丽华等在研究断根对小麦生长发育及水分利用率的影响时发现，较大程度的断根处理之后，其小麦的水分利用效率降低[23]。

叶绿素含量与光合作用密切相关，是反映叶片生理状态的重要指标。该试验通过对坡垒大苗不同断根处理的叶绿素含量进行测定，探讨坡垒大苗的叶绿素含量对断根的响应，结果表明，断根对坡垒大苗的叶绿素含量有着显著的影响，说明叶绿素含量对断根有着敏感的响应。在断根后，坡垒大苗的叶绿素含量呈降低的趋势，且T4、T5和T6的下降速率较T1、T2和T3大。可能是因为断根之后使得植物根系对水分与营养的吸收机制受到破坏，导致植物叶片叶绿素含量降低，这与卢艺菲在对两种润楠属植物进行生长特性和断根处理的研究结果一致[24]，在断根处理30d内，浙江润楠与绒毛润楠这两种植物的叶绿素含量是降低的。

3.2.2 不同断根处理对坡垒大苗叶片生理的影响

当植物处于逆境时体内的活性氧与其清除系统平衡被打破。活性氧的增加，会导致大量的自由基不断生成，自由基作用于脂质发生过氧反应，导致膜的损伤和破坏，使得MDA含量增加[25]。在处于断根逆境时，植物体会通过体内的保护性酶（SOD、POD、CAT等）消除过量的活性氧[26]，而植物体内MDA的含量也会瞬间升高。该实验中，MDA含量在断根19d时，是一个瞬间升高的状态；到断根30d时，随着植物的根系不断长出新根，根系能力逐渐恢复，MDA含量逐渐降低。POD和SOD同为保护酶，对植物体内的有害物质有清除作用；在断根时，植物为维护自身的平衡，会产生较多的SOD来清除有害物质，使其恢复到原有平衡，随着有害物质的减少，植物的SOD含量也会减少[27]。保护酶活性反映了植物对环境条件的抵抗力，酶活性越高，植物的抗逆性越强。相反，酶活性越低，抗逆性越低。实验中SOD和POD活性在断根30d内显著上升，说明坡垒大苗断根初期的清除能力提高较慢，有害物质持续在增加，其对环境的抗性逐渐增强。

作为植物重要的渗透调节物质和营养物质，可溶性蛋白含量和可溶性糖含量的增加和积累能提高细胞的保水能力，对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用，表明植物的适应能力强。在断根后，坡垒大苗的可溶性蛋白含量和可溶性糖含量的变化趋势和SOD和POD活性趋势规律相似，表明在断根初期，坡垒大苗逐渐适应外界环境的变化，抗逆性增强。同时，T4、T5、T6的可溶性蛋白含量和可溶性糖含量显著高于T1、T2、T3，说明，断主根比不断主根抗逆性强。断主根处理的月季可溶性蛋白含量和可溶性糖含量比不断主根处理高，其抗逆性也强[28]。

3.2.3 综合分析不同断根处理对坡垒大苗的影响

不同断根处理对坡垒大苗的影响是不同因素（自身生理、光合生理等）共同作用的结果仅凭某一因素、某一指标来评价不同断根处理的作用是不够全面的。基于此，该研究采用主成份分析方法对不同断根处理的成效进行评价。将不同断根处理下的各项特征指标通过成分因子的提取与计算，并根据各指标权重值进行累加，得综合评价值，用综合值作为断根处理优劣的评定标准。根据综合评价结果，可知T4断根处理对坡垒大苗生理的综合促进效果最佳，其次是T5断根处理，T1断根处理对坡垒大苗生理综合促进效果最差。断根是苗木培育过程中常用的一项措施，目前对断根效果研究所取得的结果很不一致。断根对心叶椴(Tilia cordata)和垂枝桦(Betula pendula)蒸腾强度、气孔导度、水分利用率没有影响[29]，而主根过度修剪,对狭叶白蜡树(Fraxinus angustifolia)和欧洲桦的生长有不利影响[30]。该研究的实验结果与综合评价结果与前人研究结果不一致，表明不同树种对断根处理的耐受程度不同，应根据各树种的生物学特性开展相关研究与试验，科学确定合理断根程度。此外由于该试验周期较短，以及研究指标仅从生理特性入手，未能就不同断根处理对坡垒大苗的地上部生长指标、地下部的根系形态指标、土壤理化性质、內源激素含量等的影响进行研究，此部分内容有待进一步的研究。