遮光对红鳞蒲桃幼苗光合特性的影响*

刘金炽，招礼军，朱栗琼，金 赟，权佳惠

(广西大学林学院，广西森林生态与保育重点实验室，广西南宁 530004)

0 引言

光照在植物的生长发育、分布及更新换代中起着关键作用[1]。在长期自然选择过程中，不同植物所接收的太阳辐射量存在着明显的差异，因此每种植物形成了自身特有的光照需求[2]。夏季的强光直射、高温及干旱等是植物幼苗生长的主要限制因子，是决定植物在幼苗期能否顺利度过夏天的关键因素[3]。研究表明，植物的幼苗期是植物生活史中对光照及温度等环境条件最为敏感的时期，会影响到苗木生命周期的延续及其更新演替[4]。对于喜光植物而言，比如楠木(Phoebezhennan)[5]、黄花落叶松(Larixolgensis)[6]、黑松(Pinusthunbergii)[7]等，其幼苗适合生长在光照较强的环境下，光照不足不利于树高、胸径、冠幅等增长，光合速率也会降低。而一部分树种如中华蚊母树(Distyliumchinense)有很强的耐阴性，遮光可使其对自身形态结构及叶片的光合生理特性进行调整，如增加株高、叶面积，降低比叶质量、光补偿点、光饱和点等来适应光强较弱的环境[8]。因此，研究植物幼苗对光照的需求及适应性，了解植株的耐阴性，有助于探索植物在繁殖培育过程中采取合理的经营措施提升植物的生存率及竞争力，这对促进种群的自我更新及健康演替具有重大的意义。

红鳞蒲桃(Syzygiumhancei)为桃金娘科(Myrtaceae)蒲桃属(Syzygium)常绿灌木或乔木，是滨海过渡带中的重要物种，主要分布于海南、广西、广东、福建等地的低海拔疏林中。红鳞蒲桃是改善生态环境的先锋性物种，在滨海生态修复领域具有一定应用，同时也是优良的绿化造景树种[9]。目前已经开展了红鳞蒲桃的树种培育[10]、物候特征[11]、结构特征[12]、群落多样性[13]及生理特征[14]等研究，同时也对红鳞蒲桃在温度胁迫[11]、移栽胁迫[15]、盐分和干旱胁迫[16]等方面进行了探索。由于大规模开发造成的人为干扰，以及其自然更新困难，广西滨海红鳞蒲桃季雨林生境不断破碎化，物种数量不断减少，占地面积不足20 hm2，急需人为拯救及保护[15]。研究表明，光照是植物自然更新最重要的环境因素[17]。植物在一定的光强环境范围内调整其形态结构以及生理生态特性，以适应异质的光环境[18]。在遮光条件下，植物的生物量分配、叶片光合生理特性等均会发生变化[19]。有研究表明，在郁闭度较小的林分下，红鳞蒲桃种子能萌发并形成大量的幼苗，但存活时间一般不超过2年，许多苗木在后期不能存活[20]。植物与其光强环境的相关性研究一直是植物生理生态学的研究热点，因此开展红鳞蒲桃幼苗在不同光照强度条件下的适应机制，有助于合理地给红鳞蒲桃幼苗生长提供理想的光环境。本研究以一年生红鳞蒲桃幼苗为研究对象，探究遮光对其光合特性和叶绿素含量的影响，了解红鳞蒲桃幼苗对光照强度的需求及适应性，为其种质资源保护、人工迁地保护、繁殖培育及养护管理等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西壮族自治区南宁市广西大学林学院苗圃基地(108°17′ E，22°51′ N)。南宁市地处南亚热带地区，苗圃基地年平均气温21.6℃，极端最低气温-2.1℃，极端最高气温40.4℃，年均降雨量达1 304.2 mm。

1.2 试验材料与处理设计

试验材料为2017年4月中旬采自于广西壮族自治区北海市合浦县的红鳞蒲桃幼苗，幼苗长势健壮、规格一致且无病虫害(平均苗高15.2 cm，平均地径0.3 cm)。将其栽植于口径20 cm、深18 cm的塑料盆中，每盆栽植1株，置于广西大学林学院苗圃试验地中培养，栽培土为森林表层土。实验前测得土壤pH值为6.54，有机质含量为23.08 g·kg-1，全氮为1.69 g·kg-1，全磷为0.71 g·kg-1，全钾为7.86 g·kg-1。幼苗经过3个月的生长适应期后，进行遮光处理。试验设置4个处理：1层黑网遮光(透光率72.3 %，L1)，2层黑网遮光(透光率48.6 %，L2)，3层黑网遮光(透光率24.9 %，L3)，以及不做遮光处理的自然光照(透光率100.0%，CK)作为对照。采用完全随机区组设计，设置12个试验小区，每个处理设置3组重复，每组重复30株。试验期间定期进行水肥供应，且不同处理间水肥供应等栽培措施一致。遮光处理10个月后，测定各项指标。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 光合作用参数的测定

选择连续晴朗的3 d进行光合作用参数日变化的测定。在每个试验组中，随机选择生长发育良好的幼苗至少5株，幼苗平均株高约为22.8 cm，平均地径约为0.42 cm，每株选择完全展叶、生长健壮的成熟叶(从顶端数第6片)作为测定叶(遮光处理前生长出来的叶片)。测定时间为6:00—16:00，每隔1 h用美国CI-340便携式光合测定仪进行测定，每次测定时间为20—30 s。测定指标有净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔限制值(Ls)等。

1.3.2 光响应参数的测定

光合-光响应曲线(Pn- PAR)的测定参考张旺锋等[21]的方法，在每个试验组中随机选择生长发育良好的幼苗至少5株，采用美国CI-340便携式光合测定系统测定。为了增强试验的可靠性，减小因新老叶差异产生的误差，每株选取3片位置相当的成熟叶片(从顶端数第5—7片)，于上午9:00—12:00进行测定。叶室温度约为30℃，相对湿度为60%，大气CO2浓度为380 μmol·mol-1，光合有效辐射(PAR)强度梯度设定为0，5，10，25，50，100，150，200，300，400，600，800，1 000，1 200，1 400 μmol·m-2·s-1。Pn-PAR曲线拟合采用非直角双曲线模型[22]，从而可以得知不同遮光处理下最大净光合速率(Pmax)、光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)、暗呼吸速率(Rd)等参数。

1.3.3 叶绿素含量的测定

参考文献[23]的方法进行测定：在每个试验组中随机选取6株完整的植株，分别采集相同位置的成熟叶3片，分别测定其色素含量，取平均值作为结果，重复3次。用剪刀剪取新鲜叶片，擦拭干净，剪去主脉，再将叶片剪碎混匀。称取鲜重0.50 g碎叶片，加入5 mL纯丙酮，少许碳酸钙及石英砂，然后将叶片研磨成匀浆。用5 mL 80%丙酮将匀浆洗入离心管中(分3次洗)，在4℃、12 000 r/min下离心10 min，取上清液，用80%丙酮定容至20 mL。摇匀后取1 mL提取液，加4 mL 80%丙酮稀释，用722 s可见分光光度计分别在波长663 nm及645 nm下测定其吸光值(A663、A645)，计算叶片叶绿素a(Ca)、叶绿素b(Cb)、叶绿素(a+b)(CT)、叶绿素a/b(Ca/b)以及叶绿素含量Ti的值：

Ca=13.95A663-6.88A645，

Cb=24.96A645-7.32A663，

CT=Ca+Cb，

Ca/b=Ca/Cb，

Ti=(Ci×V×d)/m，

式中，Ci表示相应叶绿素的浓度(mg·L-1)，V表示提取液体积(L)，d表示稀释倍数，m表示样品鲜重(mg)。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2013进行试验数据的统计，运用SPSS 19.0进行方差分析，采用最小显著差异法(LSD)进行差异显著性检验，用SigmaPlot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 遮光对红鳞蒲桃幼苗光合作用参数的影响

2.1.1 红鳞蒲桃净光合速率(Pn)的日变化

4种遮光条件下，红鳞蒲桃净光合速率(Pn)的日变化曲线均呈双峰型，有明显的光合“午休”现象(图1)。在全光照条件下，两个峰值出现在9:00和13:00，分别为9.178和6.923 μmol·m-2·s-1，第一个峰值出现的时间较遮光条件下晚；在遮光条件下，两个峰值均出现在8:00和13:00，L1条件下分别为8.785和6.834 μmol·m-2·s-1，L2条件下分别为5.264和5.248 μmol·m-2·s-1，L3条件下分别为4.102和5.145 μmol·m-2·s-1；红鳞蒲桃Pn日变化曲线的两个峰值均随着遮光程度的增加而降低。从整个Pn日变化进程来看，除了8:00和11:00外，全光照条件下的Pn均高于其他处理，说明全光照条件有利于红鳞蒲桃叶片光合作用的进行。红鳞蒲桃日平均Pn随着遮光程度的增加而降低，L2、L3日平均Pn显著低于CK、L1(P<0.05)，说明过度遮光(L2和L3)抑制光合作用(表1)。

图1 不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗净光合速率的日变化

表1 不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗光合作用参数的日均值

2.1.2 红鳞蒲桃蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)的日变化

与净光合速率的日变化相似，不同遮光条件下红鳞蒲桃叶片蒸腾速率(Tr)的日变化曲线均呈双峰型(图2)。在全光照和L3条件下，两个峰值出现在9:00和12:00，全光照下分别为1.854和1.967 mmol·m-2·s-1，L3条件下分别为1.167和1.154 mmol·m-2·s-1。在L1和L2条件下，两个峰值出现在8:00和12:00，L1条件下分别为1.825和2.078 mmol·m-2·s-1；L2条件下分别为1.453和1.456 mmol·m-2·s-1。不同遮光处理下，日平均蒸腾速率由高到低依次为L1>CK>L2>L3(表1)，L1与CK差异不显著，过度遮光(L3)显著降低了红鳞蒲桃叶片的蒸腾速率。

图2 不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗蒸腾速率的日变化

气孔导度(Gs)变化与净光合速率的日变化相似，不同遮光条件下红鳞蒲桃Gs的日变化规律基本一致，曲线均呈“双峰型”(图3)。在全光照条件下，两个峰值出现在9:00和13:00，分别为53.593和40.153 mmol·m-2·s-1。在遮光条件下，两个峰值均出现在8:00和13:00，L1条件下分别为51.745和39.556 mmol·m-2·s-1，L2条件下分别为36.532和35.545 mmol·m-2·s-1，L3条件下分别为29.573和28.556 mmol·m-2·s-1。不同遮光处理下，日平均气孔导度由高到低依次为CK>L1>L2>L3(表1)，遮光降低了红鳞蒲桃叶片的气孔导度。

图3 不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗气孔导度的日变化

2.1.3 红鳞蒲桃胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)的日变化

不同遮光条件下，红鳞蒲桃胞间CO2浓度(Ci)的日变化规律基本一致，曲线均呈W型(图4)。在全光照条件下，两个低谷出现在9:00和13:00，分别为125.657和205.689 μmol·mol-1。在遮光条件下，两个低谷均出现在8:00和13:00，L1条件下分别为144.565和220.937 μmol·mol-1，L2条件下分别为247.477和250.365 μmol·mol-1，L3条件下分别为255.475和255.457 μmol·mol-1。从整个Ci日变化进程来看，除了8:00和11:00外，全光照条件下的Ci均低于其他处理。日平均胞间CO2浓度由高到低依次为L3>L2>L1>CK(表1)。

图4 不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗胞间CO2浓度的日变化

由图5可知，在不同光照强度下，Pn日变化曲线与Ls日变化曲线变化趋势一致，与Ci日变化曲线升降趋势相反，即当Pn下降时，Ls减小、Ci增大。由表2可知不同光照强度下，红鳞蒲桃幼苗的Pn与Tr、Gs、Ls均极显著相关，与Ci极显著负相关，由此可知红鳞蒲桃Pn下降为非气孔限制。

图5 不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗气孔限制值的日变化

表2 不同遮光条件下红鳞蒲桃光合作用参数之间的相关分析

2.2 遮光对红鳞蒲桃幼苗光响应参数的影响

不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗光合-光响应曲线如图6所示。在一定范围内，净光合速率Pn随着光合有效辐射PAR的增加而增加，当0400 μmol·m-2·s-1，Pn趋于平稳，达到光饱和点。不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗光合-光响应曲线趋势一致，但变幅程度不一致。光合-光响应曲线的拟合参数如表3所示。由表3可知，不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗的Pmax、LSP、LCP、Rd均存在显著差异(P<0.05)。红鳞蒲桃幼苗的Pmax、LSP、LCP、Rd均随着遮光程度的增加显著降低，说明红鳞蒲桃幼苗适宜生长在光照充足的环境下。

图6 不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗光合-光响应曲线

表3 不同遮光条件下红鳞蒲桃幼苗光响应参数的特征参数

2.3 遮光对红鳞蒲桃幼苗叶绿素含量的影响

本遮光实验结果显示，红鳞蒲桃幼苗叶绿素a、叶绿素b及叶绿素(a+b)均随着遮光程度的增加而显著增加，而叶绿素a/b值依次为CK>L1>L2，且差异显著(P<0.05)，L2和L3差异不显著(图7)。红鳞蒲桃幼苗在遮光程度增加时，叶绿素a、b的含量增加，且叶绿素b的增加量较大。

不同小写字母表示两种处理间差异显著(P<0.05)

3 讨论

3.1 遮光对红鳞蒲桃幼苗光合作用参数的影响

光照是影响植物生长发育的主要环境因子[3]。在本研究中，遮光对红鳞蒲桃幼苗的光合作用产生了显著的影响。红鳞蒲桃幼苗Pn、Gs日均值随着遮光程度的增加而减小，Tr日均值由高到低依次为L1>CK>L2>L3(表1)，L1与CK差异不显著，而Ci日均值随之增大。随着光照强度的增大，红鳞蒲桃幼苗净光合速率提高，即使处于幼苗期，也不受强光的抑制，与叉子圆柏(Juniperussabina)[24]、油桐(Verniciafordii)[25]等植物研究结果一致。遮光会导致光照强度、空气温度和土壤温度降低，而光照不足、低温等多种因素共同影响红鳞蒲桃幼苗的光合作用，致使净光合速率低于全光照[26]。另外，净光合速率日变化是评判植物光能利用效率高低的重要指标，数值越大表明有机物积累越多[27]。红鳞蒲桃幼苗Pn日均值随着遮光程度的增加而降低，全光照条件显著促进了红鳞蒲桃幼苗的能量吸收及有机物积累，而过度遮光(L2和L3)则起抑制的作用，说明红鳞蒲桃是喜光树种。根据起因不同，净光合速率下降的原因可以分为气孔限制及非气孔限制，气孔限制是由于Gs下降使得CO2进入叶片受阻，非气孔限制是由于因光合机构和功能受到损伤而引起净光合速率下降[28]。已有文献表明，Ci和Ls的变化规律是判断气孔限制和非气孔限制的主要依据[29]。当Pn及Gs降低时，Ci降低和Ls增大，才可认为净光合速率下降主要是由气孔导度引起的，即净光合速率下降的原因主要为气孔限制；如果Ci增大或不变且Ls减小，则为非气孔限制[30]。本研究结果显示，随着遮光程度的增加，红鳞蒲桃幼苗Pn降低，Ci增大，Gs、Ls减小，且Pn与Tr、Gs、Ls呈显著正相关，与Ci呈显著负相关，根据气孔限制理论，红鳞蒲桃幼苗净光合速率下降可能是非气孔限制引起的。由此推断，可能是非气孔因素如电子传递能力、光能捕获效率以及光合羧化酶活性等受到影响，导致红鳞蒲桃幼苗净光合机制受到损伤，使其光合能力降低[31]。有研究指出，有机物的积累也是引起净光合速率下降的非气孔限制因子[32]，具体的影响因素有待进一步探讨。本实验中，4种光照条件下红鳞蒲桃幼苗Pn的日变化曲线均呈双峰型，说明在中午时段均存在“午休”现象。本研究结果显示，在不同的光照条件下，红鳞蒲桃幼苗Pn与Ci的变化趋势均相反，与Ls、Tr、Gs变化趋势一致。4种光照条件下红鳞蒲桃幼苗Pn在中午时段明显降低，同时伴随Ci升高，Ls减小，由此可以根据气孔限制理论推断，红鳞蒲桃光合“午休”也可能是非气孔限制引起的。

3.2 遮光对红鳞蒲桃幼苗光响应参数的影响

光响应参数是判断植物环境条件与光合特性之间响应情况的指标[33]。植物对不同光照环境的光合响应不同[34]。植物光合作用的适应性表现为低光环境的光捕获最大化和高光环境的光合最优化。红鳞蒲桃幼苗的Pmax、LSP、LCP、Rd均随着光照强度的增加显著增加，与思茅蒲桃(Syzygiumszemaoense)[35]、细罗伞(Ardisiasinoaustralis)[36]等热带雨林喜光树种表现一致。其中LSP和LCP是衡量植物对光照利用能力的生理指标，在一定程度上代表了需光特性，是植物光合作用对光照强度要求的上限及下限，反映植物对强光和弱光的利用能力[37]。红鳞蒲桃幼苗LSP在全光照下最高，随着遮光程度的增加，LSP随之降低，说明红鳞蒲桃幼苗对强光的利用能力高。有研究表明，植物(尤其是先锋树种)在强光中有较高的LCP以及较大的Rd，有利于植物对强光的适应[38]。随着光照强度的增加红鳞蒲桃幼苗LCP及Rd随之增加，说明红鳞蒲桃幼苗对强光有一定的适应能力。Rd与LCP是植物在低光环境下的一种适应机制，在弱光环境下通过降低Rd与LCP来减少碳损失，这是植物对弱光环境做出的适应性反应，以维持植物的碳平衡[38]。红鳞蒲桃幼苗在遮光条件下，通过降低Rd与LCP来减少因呼吸作用造成的光合产物损耗，增加净光合积累使得碳积累最大化，确保红鳞蒲桃幼苗在遮光条件下净光合速率降低时干物质积累相对稳定。Pmax反映了植物在单位面积上能将大气中的CO2转化成有机物的最大潜力[39]。本研究中，红鳞蒲桃幼苗Pmax随着光照强度的增加而显著增加，说明了红鳞蒲桃幼苗可以通过提高净光合速率来利用强光，防止光合组织被破坏，与闽楠(Phoebebournei)[39]、台湾桤木(Alnusformosana)[40]等植物的研究结果一致。红鳞蒲桃幼苗在全光照条件下Pmax最大，表明红鳞蒲桃幼苗在全光照下较遮光条件下有更高的光能利用能力，全光照条件使得红鳞蒲桃幼苗光能转化为化学能的效率最大化，更有利于幼苗光合产物的积累。

3.3 遮光对红鳞蒲桃幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素是植物进行光合作用的重要色素，具有吸收、传递和转换光量子的功能，其含量和比例是植物适应和利用环境因子的重要指标，遮光环境下的植物通过增加单位叶面积色素密度来吸收更多的光能[41]。本研究表明，红鳞蒲幼苗桃叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量均随着遮光程度的增加而增加，且叶绿素b的增加量较大。叶绿素含量的增加有利于增强弱光下红鳞蒲桃幼苗对光能的吸收及利用，提高弱光下漫射光的利用效率，从而适应较弱的光环境[42]。这说明红鳞蒲桃幼苗在遮光条件下，通过增加叶绿素含量来提高光能利用效率，与闽楠(Phoebebournei)[18]、大叶竹节树(Caralliagarciniaefolia)[42]、短梗大参(Macropanaxrosthornii)[43]等植物的研究结果类似。植物的叶绿素含量在遮光条件下增加，可能与弱光对色素的光伤害减少、叶绿体中的基粒增大、基粒片层垛叠程度变高有关[40]。叶绿素b主要存在于光系统Ⅱ捕光天线复合体中(PSⅡ)[18]。红鳞蒲桃叶绿素a/b值高低依次为CK>L1>L2，且差异显著(P<0.05)，L2和L3差异不显著。全光照条件下叶绿素a/b值较高，叶绿素b值相对较低，因此红鳞蒲桃幼苗在全光照条件下光吸收能力较低，光抑制较小。在一定程度的遮光范围内，红鳞蒲桃叶绿素a/b值随着遮光程度的增加而显著减少，过度遮光时(透光率24.9 %)趋于稳定。出现这种现象的原因可能是叶绿素a和叶绿素b的捕光色素蛋白复合体的数量在较弱的光照条件下增加；PSⅡ主要集中分布于垛叠的类囊体膜上，弱光下垛叠类囊体的数量增加，导致PSⅡ/PSⅠ值增加，而PSⅡ中叶绿素a/b值低于PSⅠ，叶绿素a/b值降低是为了在弱光下捕获更多的光能，维持较好的生存及生长[18]。因此，叶绿素b质量比的相对增大(叶绿素a/b值减小)，可提高红鳞蒲桃幼苗蓝紫光的利用效率，更好地利用弱光中的漫射光，以适应弱光环境[42]。过度遮光时叶绿素a/b值稳定不变，可能是由于红鳞蒲桃幼苗在弱光胁迫条件下无需增大捕光天线，而采取降低反应中心的电子传递速率及Rubisco酶羧化速率来降低红鳞蒲桃幼苗对光的需求，从而使得叶绿素b的质量比保持不变[18]。红鳞蒲桃幼苗在不同光照强度下，光合作用参数均受到不同程度的影响。弱光引起红鳞蒲桃幼苗光合系统中的电子传递能力以及光合羧化酶活性等改变，使净光合速率、蒸腾速率等日均值降低，叶绿素含量升高。

4 结论

综上所述，红鳞蒲桃在幼苗期具有较为明显的喜光性，同时也能适应适度的遮光，具有良好的生理调节机制来应对弱光环境。但总的来说，红鳞蒲桃在幼苗期对强光有较强的利用能力，光照较好的环境更有利于其光合产物积累，不宜生长在闭郁的林下。因此，在红鳞蒲桃人工育苗生产及种群恢复建设过程中，可采用疏伐、修剪枝条等措施来增加林内的透光量，以满足红鳞蒲桃幼苗生长发育及自然更新的需求。