光照强度对伯乐树幼苗生长及相关生理指标的影响

李浩铭 余著成 陈 卓 柳新红 李因刚

（1. 中南林业科技大学林学院，湖南 长沙 410004；2. 浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；3. 江山仙霞岭省级自然保护区管理局，浙江 江山 324100）

伯乐树（Bretschneidera sinensis）又名钟萼木，为多年生高大落叶乔木，第三纪热带植物区系孑遗种，对于研究被子植物的系统发育及古地理气候等方面具有重要的研究价值[1]。目前伯乐树零星分布于我国长江以南的四川、云南、贵州、广西、广东、湖南、湖北、浙江、福建和江西等省的山区地带，越南北部也有分布[2]。伯乐树自然条件下结实少，天然更新困难，加之野生动物的采食，以及人为的砍伐，长期以来破坏严重，林分内很少见其幼苗，被列为I级保护植物。

目前对于伯乐树的研究集中于地理分布[3-5]、人工育苗[6-7]、生长节律[8]、形态解剖[9-11]及分子水平[12-15]，从生理方面进行的保护研究较少。木本植物由种子向幼苗、幼树的过渡生长阶段极其重要，幼苗的成活率与生长速率甚至直接影响该植物未来种群的定居与分布[16]。植物的光合作用与光照、温度、水分、CO2等因素有关[17]，其中光照是植物进行光合作用的最重要因素之一，不同植物对光强具有不同的适应性，研究植物对生长光环境的适应机制对于林业可持续发展具有重要意义[18]。伯乐树为多年生乔木，在野外调查中发现，伯乐树种群的天然更新缓慢且困难。在对伯乐树的适宜生境研究中，叶飞英等[19]在6月份进行了光合参数测定，但此时苗木较为弱小且未经历夏季强光和高温；乔琦等[20]对1年生幼苗的光响应进行了研究，但其遮荫处理置于温室中，对照处理在林下，难以克服不同处理的温度、水分等其他条件的差异。本试验于2017年11月至2018年11月进行，在整个生长季给予圃地内伯乐树幼苗不同的光照强度处理，对植物生长及生理指标、光合参数进行定期测量，探讨伯乐树幼苗适宜生长的光照条件，以期为伯乐树幼苗的人工繁育与野外种群更新复壮提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在浙江省林业科学研究院苗圃（30°13′3″N，120°01′27″E）进行，该地位于杭州市西湖区，海拔30 m。杭州处于东南沿海北部，为典型的亚热带季风气候，冬季湿冷，夏季高温多雨，年均降水量1 100～1 655 mm，年平均气温15.4 ℃，无霜期达240 d以上，具有四季分明、雨热光基本同步的气候特点[21]。

1.2 试验材料

于2017年11月从浙江省江山仙霞岭省级自然保护区采摘成熟、新鲜的伯乐树果实，采后用密封袋封装带回，经净种后于室内晾干，12月份将种子置于温室苗床上的湿砂中进行催芽。2018年3月，种子萌发后将其移栽到连栋遮荫大棚下的20 cm×20 cm×18 cm（上径×下径×高）无纺布容器袋中，珍珠岩与泥炭土按体积比1∶3均匀混合作为培养基质。2018年6月6日，选用长势良好、无病虫害、大小基本一致的伯乐树容器苗作为试验材料，将其从大棚移到平整、空旷的试验苗圃地内，此时杭州地区以阴天梅雨天气为主，未达到所需的光照条件，没有进行测量。

1.3 试验设计

2018年7月初，在试验苗圃内搭建遮荫网，遮荫网离地面高度为2.0 m以保证通风透气。根据遮荫网的不同规格，设计100%、50%、30%和20% 4种不同的光照强度处理。经TES-1339R专业级照度计（泰仕，中国台湾）进行的光照测定表明，4种处理的光照强度分别为自然光照的100%、51.3%、28.6%和20.5%。试验采用随机区组设计，每个处理重复5次，每个重复10株。7月10日，将200株试验苗木按照试验设计置于不同遮光强度的遮荫网下，试验期间保持各个处理苗木的水分与肥料施加情况一致。

1.4 指标测定

1.4.1 形态指标测定

于2018年7月11日、8月14日、9月15日和10月15日，分别采用游标卡尺（精确到0.01 mm）、直尺（精确到0.1 cm）测量每株试验苗木的的株高、地径和羽状复叶的数量。于11月2日，苗木停止生长进入休眠期之前，每个重复的每个处理随机选取3株苗木，将整株挖起并清洗干净、吸干水分，将根、茎、叶等部分分开，放入烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至恒质量并分别称量，测量生物量并按公式（1）计算根冠比。

于8月14日、9月15日、10月15日上午9：00—10：00，每个处理随机选取并标记3株苗木，采集每株苗木中下部成熟叶片3片，编号后装入自封袋置于冰桶带回实验室。在实验室内，用去离子水将叶片清洗后吸干水分，将3片叶片叠放在一起，用游标卡尺（精确到0.01 mm）测量叶片厚度，测量时避开中脉，分别测量叶尖至叶柄约1/4、1/2和3/4处的叶片厚度，每组叶片测量6次取其平均值，并计算出单个叶片厚度。将测量完叶片厚度的叶片，用直径6 mm打孔器打孔取出部分叶片，105 ℃烘干30 min，80 ℃烘干至恒质量并称量干质量，按公式（2）计算比叶质量。

1.4.2 生理指标测定

于2018年8月14日、9月15日 及10月15日的上午9：00—10：00，每个处理随机选取并标记苗木3株，每株选取中上部受光充分的成熟叶片3片，放入编号的自封袋封存后置于冰桶带回实验室。采用丙酮浸提法[22]提取叶绿素，然后用分光光度计测定提取液在663、645 nm波长下的吸光度，每株测量3次，分别计算叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量。

伯乐树苗木试验进行2个月后，在天气晴朗的9月9日9：00—11：00，利用LI-6400便携式光合测定仪（LI-COR，美国）进行光合参数的测定。不同处理随机选取3株试验苗木，每株苗木上选取中上部的1片叶片进行3次测量，取平均值作为其测定值。测量的光合参数为叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）等因子，并按公式（3）计算水分利用效率（WUE）。

1.5 数据分析

数据采用Excel进行处理，Origin软件进行做图，使用SPSS 24分析软件进行方差分析，图表数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 光照强度对苗木形态指标的影响

2.1.1 光照强度对植物生长量的影响

由图1可知，不同光照处理的株高、地径和羽状复叶数在试验刚开始的2018年7月11日处于同等水平，但随着试验的进行各处理间的差异逐渐增大，表现为50%、30%和20%光照3个处理高于100%光照处理；而各处理的苗木高径比则是由试验刚开始的3.41、2.99、3.24、3.62转变为2018年10月15日的2.78、2.69、2.83、2.70。

由表1可知，各性状增长量为试验开始处理到结束时的变量，50%、30%和20%光照等3个处理在试验期间的株高、地径和复叶数等增长（加）量不同程度的大于100%光照处理，且50%、30%光照处理的株高、地径均与100%光照处理间的差异达显著性水平（P＜0.05）。株高、地径增长量以30%光照处理为4个处理中的最高值，分别为11.26 cm、4.60 mm，增长幅度分别为81.4%、105%；羽状复叶数增加量以50%光照处理最高，为4.13个，增加幅度为88.6%。

2.1.2 光照强度对生物量的影响

由图2可知，生物量均以30%光照处理为最高，叶、茎、根、总生物量分别为3.7、5.1、10.3、19.2 g，100%光照处理为最低，叶、茎、根、总生物量分别为2.1、2.3、4.1、8.4 g，且30%光照处理与100%光照处理存在显著差异（P＜0.05）；20%光照处理的茎、根及总生物量也显著高于100%光照处理（P＜0.05）。各处理间的根冠比差异较生物量小，20%光照处理显著区别于100%及50%光照处理（P＜0.05），其他处理间差异不显著。

2.1.3 光照强度对叶片厚度及比叶质量的影响

由表2可知，不同光照处理的叶片厚度在不同时期的动态变化，各个处理的叶片厚度随试验的进行而逐渐增加。在8月14日，100%光照处理的叶片厚度为最大的0.24 mm，显著高于50%和30%光照处理（P＜0.05）；随着试验继续进行至10月15日，50%、30%、20%光照处理的叶片厚度依次增加，且与100%光照处理无显著差异。

图 1 不同处理幼苗株高、地径、羽状复叶数及高茎比变化Fig. 1 Variation of plant height, caliper, pinnate compound leaves of seedlings and high stem ratio with different treatments on different days

表 1 不同处理的苗木各性状增长情况Table 1 Growth status of seedlings under different treatments

图 2 不同处理的苗木生物量及根冠比Fig. 2 Seedling biomass and root-to-crown ratio of different treatments

表 2 不同处理的幼苗叶片厚度Table 2 Leaf thickness of seedlings with different treatments

由表3可知，随着试验的进行4个处理的比叶质量均逐步增加，且存在显著差异（P＜0.05）。100%光照处理3次测量的比叶质量均最高，显著高于50%、30%和20%光照处理（P＜0.05）；30%光照处理比叶质量始终为最低，显著低于其他3个处理（P＜0.05）；50%和20%光照处理居于中间水平，彼此不存在显著差异。

表 3 不同处理的比叶质量Table 3 Changes in specific leaf weight of seedlings with different treatments

2.2 光照强度对生理指标的影响

2.2.1 光照强度对叶绿素含量变化的影响

由图3可知，在试验的各个阶段，不同处理的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量存在显著差异（P＜0.05）。8月14日，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量随着光照减弱而逐渐增强，100%和50%光照处理叶绿素含量较低，与30%和20%光照处理存在显著差异（P＜0.05）；20%光照处理叶绿素含量最高，100%光照处理叶绿素含量最低，20%光照处理叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量分别比100%光照处理高68.7%、44.0%、57.9%。至9月15日，50%、30%和20%光照处理叶绿素含量呈现下降趋势，100%光照处理叶绿素含量增加且高于50%和30%光照处理，与20%光照处理无显著差异。10月15日，叶绿素含量随着光照减弱逐渐降低，100%光照处理仅与50%光照处理在叶绿素b含量上无显著差异，100%光照处理叶绿素含量最高，20%光照处理叶绿素含量最低，100%光照处理叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量分别比20%光照处理高83%、89.2%、79.4%。

图 3 不同处理的叶绿素含量Fig. 3 Chlorophyll content of different treatments

2.2.2 光照强度对光合参数的影响

由图4可知，20%光照处理Pn最低，为10.42 μmol/(m2·s)，与50%光照处理的11.33 μmol/(m2·s)存在显著差异（P＜0.05）；Tr随着光照减弱而逐渐降低，从100%光照处理的2.95 mmol/(m2·s)依次降低至20%光照处理的2.62 mmol/(m2·s)，遮光处理之间无显著差异；50%光照处理的Gs最高，20%光照处理最低，且20%光照处理与其他3个处理存在显著差异（P＜0.05）；WUE为30%光照处理最高，100%光照处理最低，遮光处理3组无显著差异。

图 4 不同处理的光合参数Fig. 4 Photosynthetic parameters of different treatments

3 结论与讨论

木本植物幼苗的生长需要较强的光照，但是过强的光照导致叶片不能及时利用和消耗吸收的光能，进而导致植物受到强光胁迫，光合能力下降，有机物积累减少，对光合系统进行破坏，最终导致植物生长不良甚至死亡[23]。乔琦等[24]研究发现伯乐树幼苗在野外生存率较低，可能由于夏季的高温胁迫与干旱胁迫导致，其试验表明伯乐树幼苗适宜在遮荫条件下生长，但其试验于温室内进行，与自然环境有一定的差异。本试验于自然环境下进行，就结果来看，伯乐树幼苗不适宜在强光下生长，表现在100%光照处理的形态指标和生物量积累上均为最低，30%光照处理长势最好，其株高、地径、羽状复叶数的增加（长）量分别为100%光照处理的1.65、1.44、1.17倍，生物量积累为2.67倍。试验过程中发现，开始时各个处理均长势良好，但随着试验的进行，100%光照处理的植物生长减缓，甚至出现脱叶现象。20%光照处理为试验设计的较弱光照条件，此处理下植物株型易显矮小，全株干质量下降，与乔琦等[24]的研究结果一致，30%光照处理在株高地径增长量上为最高，分别达到11.26 cm、4.60 mm，叶片数量增加上略少于50%光照处理，但其叶、茎、根及总生物量积累上为最高，与马冬雪等[25]研究结果不一致，原因是其进行100%光照和透光率70%（70%光照）试验，2组光照强度均较高，而没有设置对照的弱光环境，且试验于海拔800 m的苗圃进行，与低海拔地区存在差异，由此导致光照对伯乐树幼苗生长的影响不显著。观察结果显示20%光照处理的幼苗始终长势较缓，植株较矮小，表明伯乐树幼苗在过度遮光的情况下生长受到抑制，生长速率减缓，有机物积累也减少，与叶飞英等[19]研究结果一致。高径比低的植株更加矮壮[26]，试验后期高径比趋于一致，但100%光照处理植株矮小，相应的地径也较小，植株长势较差。

叶片厚度和植物的抗旱能力有关，叶片越厚，储存水量越多，越有利于在干旱环境下生存[27]，各处理叶片厚度均随着试验进行而增加，符合植物生长发育的一般规律。干旱或营养缺乏地区植物的比叶质量较高，是植物对不良生境的一种适应，较高的比叶质量增加了植物枯萎的阻力，使得叶片得以生长发育[28]，强光高温导致植物缺水，100%光照处理比叶质量始终为最高且与遮光处理存在显著差异，是植物对于强光高温等不良环境的一种适应。遮光处理的比叶质量较低，比叶质量降低是植物在弱光环境下做出的典型形态学反应，可以增加叶片同化组织对输导组织和结构的相对比例，导致单位叶面积、呼吸速率降低，从而有利于碳积累[29]，与试验中遮光处理生物量积累高于100%光照处理结果相符，适当遮光使得伯乐树幼苗能够更加充分利用光能。

叶绿素是植物进行光合作用的主要物质，在遮光条件下，植物为了吸收更多的光能，往往会通过增加单位面积的叶绿素含量来适应低光照环境[30-31]。试验结果表明，8月14日100%光照处理叶绿素含量最低，遮光处理随着遮光强度的增加，叶绿素含量呈现上升趋势，伯乐树幼苗在低光照环境下通过提升叶绿素含量来适应环境，符合植物生长的一般规律。9月15日，100%光照处理叶绿素a+b含量增加0.171 mg/g，而50%、30%、20%光照处理叶绿素a+b含量分别降低了0.308 mg/g、1.011 mg/g、0576 mg/g，表明此时遮光环境抑制了叶绿素的生成。至10月15日，100%光照处理叶绿素含量最高，且叶绿素a和叶绿素a+b含量与遮光处理存在显著差异，遮光处理随着光照强度的减弱，叶绿素含量下降。短期遮光有利于叶绿素生成，但长期遮光使得叶绿素合成物质减少，抑制叶绿素合成[32]，因此伯乐树幼苗不宜长时间遮光，应在入秋后及时去除遮光设备以促进植株生长。

每种植物都有生理活动的最适体温范围，因此不同环境下的植物都有调节体温的反馈机制[33]。Tr随着光照强度的减弱呈现下降趋势，水分蒸腾影响了植物的体温，100%光照处理较高的蒸腾导致水分散失较快，强光下光系统反映中心由于光抑制造成暂时失活或损伤[34]，植物体温降低，引起了气孔的关闭，从而降低了Gs与Pn，最终导致100%光照处理的WUE最低，植株整体发育较差。综上所述，伯乐树幼苗在生长过程中不耐强光，对于夏季高温强光环境适应力较差，在遮光条件下长势良好，生长过程中宜设置遮光环境，可在自然林下栽培，提供更适宜的林下小环境，露地栽培应在夏季炎热时搭建遮荫网，遮荫网间隙保持约30%左右光照即可，待幼苗成长，对水分和无机盐的吸收能力增强，对高温强光的适应性增强后，可适当减少遮光，满足伯乐树不同发育阶段对环境的要求。