五个杨树品种生长、光合生理及根尖离子流速特性比较分析

张 婧 张伟溪 丁昌俊*苑正赛 代丽蕊 苏晓华 沈应柏 曲冠证

（1.林木遗传育种全国重点实验室，东北林业大学，哈尔滨 150040； 2.林木遗传育种全国重点实验室，国家林业和草原局林木培育重点实验室，中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091； 3.北京林业大学，北京 100083）

杨树为杨柳科（Salicaceae）杨属（Populus）植物统称，具有生长速度快、一般扦插易成活等特点，是世界上重要的中短轮伐期速生树种［1］。杨树环境适应能力强，品种资源繁多，可适应不同的气候和土壤条件，在干旱贫瘠的环境下也可正常生长［2］。我国杨树人工林面积世界第一，占世界杨树人工林面积的94.3%，超过其他国家杨树人工林面积的总和［3］。根据第九次全国森林资源清查统计结果，截至2018 年底，我国杨树人工林面积已达757.07 万hm2，约占全国人工林面积的20%，在解决我国木材供需问题、维护国家木材和生态安全等方面发挥着不可替代的重要作用。杨树培育的品种种类很多，其中美洲黑杨（P.deltoides）和以美洲黑杨为亲本的杂交杨已成为世界各地商业化主栽品种，在我国多地已营建了大面积的美洲黑杨和杂交杨人工林基地［4］。多数美洲黑杨杂交栽培品种生长快，但是对水肥条件要求高［5］。2021 年国务院第7 号文件再次要求要“坚决守住18 亿亩耕地红线”，“严格控制耕地转为林地、园地等其他类型农用地”［6］。鉴于此，我国杨树人工林未来更多地是在干旱、盐碱等立地条件更差的困难立地上营建。解析不同杨树品种的生长差异，选育出对立地条件具有更强生长适应性的品种，对于更好地发挥品种的优良特性、提高杨树人工林生产力具有重要意义。

苗期选择对于长周期经营的林木来说尤为重要［7］。许多学者通过研究表明［8-9］，苗期选择对林木品种选育有效可行。选取合适的指标对于苗期选择非常重要。表型性状能够在一定程度上反映植物的生长性能和适应性，其中叶片作为植物体的重要器官，是植物进行蒸腾作用和光合作用的主要场所，对光能的利用以及干物质的积累等方面具有直接影响，可作为林木品种遗传改良的指标［10］。植物叶绿素相对含量（SPAD）直接反映绿色植物光合作用能力，是表征植物生长状况的重要指示因子［11］。光合速率是植物生理性状的重要指标，也是估测植株光合生产能力的主要依据之一。水分是植物生长发育必要的要素，水分利用率是评价植物水分利用能力的重要指标［12］。K+在增强植物生长及对非生物胁迫的耐受性方面起重要作用［13］，Ca2+是植物生长发育所必需的营养元素之一，参与种子的萌发、生长分化、形态建成的全过程，能够用来评价植物生长和适应性［14］，通过对这些指标的测定分析，比较不同林木品种的生长适应能力，挖掘具有较强环境适应潜力的品种，可为品种早期准确选择及其适宜栽植条件预测提供依据。

本研究以中国林业科学研究院林业研究所自主选育出的渤丰3 号杨、渤丰1 号杨、西雄1 号杨、中雄7 号杨和中雄4 号杨［4，15-16］5 个杨树优良品种为试验材料，在相同管理条件下，开展苗期生长和生理特性差异研究，分析比较不同杨树品种苗期生长性状、叶片性状、光合参数、叶绿素相对含量、水分利用效率、根尖离子流速等指标差异，综合苗期生长和生理性状指标表现，挖掘生长好适应性强的杨树品种及其特征，为杨树高产高抗新品种的早期选育提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在中国林业科学研究院的科研温室（40°5″N，116°14′22″E）中进行，供试材料为中国林业科学研究院林业研究所自主选育出的渤丰3号杨、渤丰1 号杨、西雄1 号杨、中雄7 号杨和中雄4 号杨5个杨树优良品种（见表1）。

2022年2月，采集5个杨树品种当年生苗木茎干制成12 cm长插穗，扦插于营养钵中育苗。2022年7 月15 日选择生长健康、长势一致的营养钵苗移栽至盆高19 cm、上口径21 cm塑料花盆中，盆底放置托盘，盆中装满已消毒的基质，基质按草炭土和珍珠岩体积比1∶1 混合，放置户外进行缓苗，每个品种盆栽苗45 株，2022 年8 月3 日将盆栽苗转移至温室开始进行试验。试验开始前杨树品种的生长数据如表2所示。

1.2 试验设计

每个品种从45 株盆栽苗中挑选出30 株生长状况良好、长势一致且无病虫害的植株进行试验。实验设置3 个时间点，即第10、20、30 天，每品种每个时间点进行10个生物学重复。试验期间苗木按照温室正常的光照、温度和湿度管理，分别于10、20、30 d 时测定各杨树品种苗木植株的株高、地径、叶片数量、节间距、单叶面积、叶长、叶宽、叶绿素相对含量（SPAD值）、净光合速率、胞间CO2摩尔分数、气孔导度、蒸腾速率及根尖K+、Ca2+、H+流速等指标。

1.2.1 生长指标测定

分别于0、30 d时测量株高和地径，使用1 m钢尺测定株高，使用游标卡尺测量地径。株高生长量=30 d 时株高-初始株高，地径生长量=30 d 时地径-初始地径。

1.2.2 叶长、叶宽、叶面积及叶绿素相对含量指标测定

使用手持激光叶面积仪（CI-203，美国）分别在10、20、30 d时挑选长势一致的3株苗木，每株选取自顶端完全展开叶向下第5～7 片叶进行叶长、叶宽、叶面积、叶片叶绿素相对含量（SPAD 值）测定，每片叶每指标重复3 次。其中叶片SPAD 值测定利用手持式叶绿素测定仪（SPAD-502，日本）测定，自植株顶端选择完全展开叶向下第3～5 片叶、每叶片选取均匀分布的4个点进行测量，测量时避开叶脉，重复3次，取其平均值作为该点最终SPAD值。单株总叶面积=单叶面积×叶片数量。

1.2.3 光合参数指标测定

每品种分别选取长势一致的植株3 株，从第1 片完全展开叶开始计算，选取第5～7 片，于上午09：00—11：00，采用LI-COR 便携式光合仪（Li-6400XT，美国），测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr），胞间CO2摩尔分数（Ci），气孔导度（Gs）。测定时设定光合有效辐射强度（PAR）为1 200 μmol·m-2·s-1作为测定光强，并使用钢瓶，流速为400 μmol·s-1，叶温26 ℃，相对湿度45%，外界CO2摩尔分数（Ca）为400 μmol·mol-1。使用光合仪配件6400-02 红蓝LED 为光源，重复测定3 次。单株净光合速率=单叶净光合速率×单株总叶面积；单株总叶面积=单叶面积×叶片数量。单叶水分利用率=单叶净光合速率/单叶蒸腾速率。

1.2.4 根尖离子流速指标测定

采用非损伤微测系统（BIO-001A3，美国）进行H+、K+、Ca2+流速测定；测定部位距离根尖600 μm；试验使用的玻璃微电极和LIX 均购买自北京旭月科技有限公司。离子灌充液成分为H+：15 mmol·L-1NaCl+40 mmol·L-1KH2PO4、pH 为7.0；K+：100 mmol·L-1KCl；Ca2+：100 mmol·L-1CaCl2。校正液成分中H+的校正液与测试液成分相同，校正液的pH 分别为6.5 和5.5；K+的校正液为0.1 和1.0 mmol·L-1KCl，其他成分与测试液相同；Ca2+的校正液为0.05、0.50 mmol·L-1CaCl2，其他成分与测试液相同。H+、K+和Ca2+的测试液成分相同，均为0.1 mmol·L-1CaCl2、0.5 mmol·L-1KCl、0.3 mmol·L-1MES，测试液pH为6.0。

1.3 数据处理

利用Excel2020 和SPSS16.0 软件对获取的数据进行统计与分析，计算不同品种各指标的平均值、标准差和方差；采用Mageflux 软件对离子流速进行计算，其中负值表示离子内流，正值表示离子外排；采用Origin 2020软件绘制5个杨树品种不同性状的差异图，采用最小显著性差异法（LSD）分析不同品种之间的差异。

2 结果与分析

2.1 5个杨树品种的生长性状对比

5 个杨树品种株高生长量和地径生长量表现差异如图1 所示，中雄4 号杨株高生长量高于其他4 个品种，且与渤丰3 号杨、中雄7 号杨和渤丰1 号杨株高生长量差异显著，而渤丰1号杨的株高生长量显著低于其他4 个品种。株高生长量由高到低依次为中雄4 号杨（（16.47±1.01） cm）、西雄1 号杨（（15.38±1.88） cm）、渤丰3号杨（（14.50±1.40） cm）、中 雄7 号 杨（（13.40±1.78） cm）、渤 丰1 号 杨（（11.90±1.38） cm）。地径生长量由高到低依次为西雄1 号杨（（0.59±0.16） mm）、中雄7 号杨（（0.56±0.08） mm）、渤丰3号杨（（0.46±0.15） mm）、渤 丰1 号 杨（（0.37±0.07） mm）、中 雄4 号 杨（（0.12±0.08） mm）。5 个品种处理30 d 后地径生长量均增长较少，表明杨树品种苗期地径生长较为缓慢，进行苗期生长量指标的选择应以株高生长量为主。

图1 5个杨树品种株高生长量和地径生长量图中不同小写字母表示品种间差异显著（P<0.05）；下同。Fig.1 Plant height growth and ground diameter growth of five poplar varieties Different lowercase letters in the upper bar indicated significant differences among varietie（sP<0.05）；the same as below.

5 个杨树品种叶片数量及节间距的比较如表3 所示，中雄4 号杨的叶片数量（29.00±0.82）显著多于其他4 个品种，渤丰1 号杨（22.00±0.71）显著低于其他4 个品种，渤丰3 号杨、西雄1 号杨和中雄7 号杨的叶片数量无显著差异。中雄4 号杨的节间距（（3.16±0.01） cm）显著大于其他4 个品种，渤丰1 号杨的节间距（（2.07±0.13） cm）显著小于其他4 个品种。5 个杨树品种中，中雄4 号杨叶片数最多、节间距最大，而渤丰1 号杨叶片数最少、节间距最小，这与它们的生长量表现一致。

表3 5个杨树品种叶片数量、节间距Table 3 Leaf number and node spacing of five poplar varieties

5 个杨树品种叶形态指标比较如表4 所示，中雄4 号杨的叶长（（8.91±0.15） cm）、叶宽（（9.04±0.40） cm）、单叶面积（（57.49±2.37） cm2）均显著高于其他4 个品种，渤丰1 号杨的叶长（（6.17±0.13） cm）、叶 宽（（7.27±0.03） cm）、单 叶 面 积（（28.97±0.67） cm2）显著低于其他4 个品种，渤丰3 号杨、西雄1 号杨和中雄7 号杨的叶宽和单叶面积无显著差异，渤丰3 号杨与西雄1 号杨的叶长无显著差异，但显著高于中雄7 号杨。5 个杨树品种中，中雄4 号杨的总叶面积（（1721.10±28.50） cm2）显著高于其他4 个杨树品种，渤丰1 号杨的总叶面积（（34.42±0.14） cm2）显著低于其他4 个杨树品种，表明5 个品种中中雄4 号杨的光合作用空间最大，而渤丰1 号杨光合作用的空间最小，这与它们的生长表现一致。

表4 5个杨树品种叶片形态指标Table4 Leaf morphological indices of five poplar varieties

2.2 5个杨树品种光合性状相关指标对比

5 个杨树品种叶片瞬时净光合速率和单株净光合速率比较结果（见图2）显示渤丰1 号杨的单叶瞬时净光合速率（（13.47±0.38） μmol·m-2·s-1）显著高于其他4 个杨树品种，中雄4 号杨的单叶瞬时净光合速率（（10.65±0.14） μmol·m-2·s-1）显著低于其他4 个杨树品种；而从单株净光合速率（单叶瞬时净光合速率×总叶面积）看，中雄4 号杨（（17 863.10±910.21） μmol·m-2·s-1）显著高于其他4个品种，渤丰1号杨（（8 539.70±164.64） μmol·m-2·s-1）显著低于其他4个品种，渤丰3号杨与西雄1号杨差异不显著。由此可见，总叶面积对杨树品种的净光合速率具有重要影响。5个杨树品种中中雄4号单株净光合速率较大，单株光合能力强，积累有机物多，进而生长量大，但渤丰1号杨单株净光合速率较小，单株光合能力相对较弱，积累的有机物较少，进而生长量较小。

图2 5个杨树品种瞬时净光合速率和单株净光合速率Fig.2 Net photosynthetic rate and the net photosynthetic rate per plant of five poplar varieties

5 个杨树品种的气孔导度、胞间CO2摩尔分数和蒸腾速率等光合作用参数如表5 所示，渤丰1 号杨（（0.274±0.015） mmol·m-2·s-1）的气孔导度显著高于其他4 个杨树品种，中雄4 号杨（（0.157±0.005） mmol·m-2·s-1）显著低于其他4 个杨树品种。渤丰3 号杨和渤丰1 号杨的胞间CO2摩尔分数显著高于其他3 个杨树品种，中雄4 号杨的胞间CO2摩尔分数显著低于其他4 个品种。渤丰1 号杨的蒸腾速率（（5.14±0.16） g·m-2·h-1）显著高于其他4个品种，而中雄4 号杨（（3.39±0.13） g·m-2·h-1）显著低于其他4 个品种。结果表明，5 个品种中中雄4 号杨气孔导度最小、胞间CO2摩尔分数和蒸腾速率最低，可能是造成其生长快于其他品种的原因。

表5 5个杨树品种光合参数指标和SPAD值Table 5 Photosynthetic indexes and SPAD of five poplar varieties

5 个品种的叶绿素相对含量SPAD 值中渤丰1 号杨（36.13±0.78）显著高于其他4 个品种，而中雄4 号杨（30.31±0.22）显著低于其他4 个品种，西雄1 号杨显著高于中雄4 号杨，渤丰1 号杨与渤丰3号杨无显著差异（见表5）。

5个杨树品种瞬时水分利用效率比较显示，中雄4 号杨（（3.15±0.06） μmol·mmol-1）的水分利用率显著高于其他4 个杨树品种，且渤丰1 号杨（（2.64±0.07） μmol·mmol-1）显著低于其他4 个品种，中雄7 号杨显著高于渤丰3 号杨与西雄1 号杨（见图3）。结果表明，5 个品种中中雄4 号杨对水分的利用能力最强，渤丰1号杨对水分的利用能力最弱，这与它们的生长表现一致。

图3 5个杨树品种水分利用率的比较Fig.3 Comparison of water use efficiency of five poplar varieties

2.3 5个杨树品种根尖离子流速的对比

5个杨树品种根尖K+、H+、Ca2+的流速比较结果显示（见图4），5 个杨树品种根尖K+流速均为正值且差异显著，说明5 个杨树品种的K+均表现为外排，其中渤丰1 号杨的K+外排流速（（130.81±1.71）pmol·cm-2·g-1）显著大于其他4 个品种，中雄4号杨的K+外排流速（（62.68±0.45） pmol·cm-2·g-1）显著小于其他4 个品种，5 个品种K+外排流速由高到低依次为渤丰1 号杨、中雄7 号杨、渤丰3 号杨、西雄1号杨、中雄4 号杨。根尖H+流速的对比结果显示（见图4），渤丰3号杨和中雄7号杨H+流速为正值，表明其H+表现为外排，而渤丰1 号杨、西雄1 号杨和中雄4 号杨H+流速均为负值，表现为H+内流，H+内流速度中雄4号杨显著快于渤丰1号杨和西雄1号杨；5 个杨树品种中雄4 号杨表现出最大H+流速值（（-1.796 1±0.64） pmol·cm-2·g-1）且是内流最大。根尖Ca2+流速比较结果显示（见图4），其数值均为负值，说明5 个杨树品种根尖的Ca2+均为内流，其中渤丰1 号的根尖Ca2+的内流速度（（-34.43±0.84）pmol·cm-2·g-1）显著低于其他4 个杨树品种，中雄4号杨根尖Ca2+内流流速（（-74.24±1.29） pmol·cm-2·g-1）显著高于其他4 个杨树品种，渤丰3 号杨显著高于中雄7 号杨和西雄1 号杨。综上所述，5 个品种中中雄4 号杨根尖细胞中的K+和Ca2+含量最高，H+最活跃。

图4 5个杨树品种根尖离子流速Fig.4 Ion flow rates at root tips of five poplar varieties

3 讨论

叶片是树木进行光合作用并生产物质及能量的主要器官，是生态系统中初级生产者的能量交换器［17］，叶片的数量、大小与植株的生长有着直接关系［18］。本研究5 个杨树品种在条件一致的温室中进行正常培养30 d 后株高生长表现差异显著，株高生长量排序由高到低依次为中雄4号杨、西雄1 号杨、渤丰3 号杨、中雄7 号杨、渤丰1 号杨。通过对5 个杨树品种的节间距、叶片数量、单叶面积和总叶面积的比较发现，中雄4号杨的表现均显著大于其他品种，渤丰1 号杨均显著小于其他品种。植物的光合细胞器主要分布于叶片栅栏组织和海绵组织，较大的叶面积有助于物质积累，提高植物生长速率［19］。植物总叶面积由叶片数量和单叶面积决定，总叶面积越大，同化产物积累量就越多，植物生长量也就越大［20］。中雄4 号杨株高生长量明显高于其他品种，渤丰1号杨株高生长量显著低于其他品种，表明叶片数量、叶面积等对杨树品种生长具有显著影响，是进行苗期选择的衡量指标，这与高暝等［21］研究结果一致。

光合作用和蒸腾作用可能是导致杨树品种生长差异的重要原因［10，22］。光合作用是植物利用无机物生成有机物的过程，是物质产生和积累的基础，直接关系到植物的生长和发育。气孔导度表示气孔开闭程度，与植物光合作用和蒸腾作用密切相关［23］。Farquhar 等［24］研究表明光合速率与气孔导度有关，两者变化趋势相同。胞间CO2摩尔分数表征光合作用原料CO2进入植物叶片细胞的多少，是衡量植物光合作用强弱的重要指标［25］。本研究中渤丰1 号杨的气孔导度最大，中雄4 号杨气孔导度最小，5 个杨树品种的胞间CO2摩尔分数和净光合速率的结果与气孔导度的结果一致，表明气孔导度越大，胞间CO2摩尔分数越高，净光合速率越强。相对叶绿素含量可以反映植物光合作用能力，相对叶绿素含量越多，光合作用能力越强［26］。本研究中渤丰1 号杨的相对叶绿素含量最大，瞬时净光合速率最大，中雄4 号杨的相对叶绿素含量最少，瞬时净光合速率最小，这与方慧等［11］研究一致。王兴胜等［27］研究认为，植物净光合速率越大，其光合作用越强，长势越好。而在本研究中渤丰1号杨单叶瞬时净光合速率最高，单株净光合速率最低，且其长势最弱；中雄4 号杨的单叶瞬时净光合速率最低，单株净光合速率最高，其生长势最强，主要是由于中雄4 号杨的叶片数量多、总叶面积大导致单株净光合速率高，合成和积累的有机物总量多，进而表现生长量优势，与周燕等［28］研究结果一致。蒸腾速率在一定程度上反映了植物调节水分损失的能力，既可表示植物的耗水状况，又可表示被动吸水的原动力，蒸腾速率越大，越可能不利于生物量的积累［29］。本研究也发现渤丰1 号杨的蒸腾速率最大，耗水最多，损失水分最多，生长量最小，而中雄4号杨的蒸腾速率最小，耗水最少，损失水分最少，生长量最大。

水分利用效率和根尖离子流速可能也是杨树品种生长差异产生的因素。植物水分利用效率是植物蒸腾单位水所积累的干物质量［12，30］。本研究中中雄4 号杨的水分利用效率最大，渤丰1 号杨的水分利用效率最小，与株高生长量表现相同，说明水分利用率越高，越有利于有机物的积累，生长越好，这与Renninger 等［31］的研究结果一致。K+作为大多数酶的激活剂，参与植物的光合作用、蛋白合成等多种代谢过程，对植物细胞的生长及叶片气孔开放等具有重要意义［13，32］。本研究中雄4 号杨相对其他品种根尖K+外排流速最慢，损失较少，其植株体内的K+含量高，致使参与光合作用等生理过程的多数酶活性较高，调节气孔开放，进而光合作用更强，有利于植物生长，表现出明显生长优势。Ca2+信号转导在调节植物生长、发育、代谢及适应环境等过程具有重要作用。植物体内Ca2+含量较多能够更好地调节植物生长发育。本研究中中雄4 号杨的Ca2+内流显著多于其他4 个品种，有利于维持植株体内较高的Ca2+水平，有利于维持较高的生长势；而渤丰1 号杨的Ca2+内流流速显著慢于其他4 个品种吸收Ca2+较少，不利于生长。中雄4 号杨的H+流速显著快于其他4 个品种，说明中雄4号杨H+运动更活跃，可以为离子跨膜转运提供更强的驱动力。综合而言，5 个品种中中雄4 号杨的K+流失最少，Ca2+吸收最多，维持植物体内较高的K+、Ca2+水平，从而具有较强的渗透调节能力和吸水能力，生长发育较快，生长积累较多，适应性更强。

前人大量研究结果表明，叶片性状对环境变化最为敏感，在一定程度上叶片的变化反映了植物对资源摄取和利用的状态［33］。光合作用作为植物重要生理活动，其光合参数是植物适应环境的直接表现，能够反映其生理特征的差异以及对环境因子的适应性［34］。蒸腾速率是衡量植物水分平衡的重要生理指标，可反映植物调节水分损失及对逆境条件适应的能力［35］。部分研究表明高水分利用率是植物对水分亏缺的一种响应［36］，也是植物应对干旱环境的一种表现。干旱胁迫下，植物细胞积累更多的K+、Ca2+等能够降低由于缺水给植物生长造成的不利影响，从而增强植物对干旱胁迫的耐受能力［37］。本研究5 个杨树品种苗期生长和生理特性结果表明，叶片性状、光合参数、水分利用率、蒸腾速率、根尖K+、Ca2+、H+离子流速等指标有助于杨树品种生长和适应性的早期选择。

4 结论

5 个杨树品种生长特别是株高生长在条件一致的正常管理下出现显著差异，主要是由于杨树品种叶片及光合、蒸腾、根尖离子流等重要生理活动的响应特征不同。其中中雄4 号杨叶片数量最多，叶面积最大，能进行光合作用的场所更多，蒸腾速率较小，水分利用效率较大，K+外排较少，Ca2+离子吸收最多，对植株有机物积累和生长有利，从而具有较高的生长量和较快的生长速度，同时其具有更强的潜在抗旱能力，适宜栽植区域可能更加广泛，在立地条件较差的环境也能有较高的生长量。本研究是基于苗期试验得出的结论，在一定程度上可为杨树造林适地适无性系选择提供参考，但还需要开展室内胁迫试验和不同立地条件多点造林试验，对品种的生长、适应性等多性状进行准确可靠的联合评价，为杨树适应性育种和品种与立地精准适配提供有益信息，从而助力杨树人工林精准高效培育。