光照强度对圆齿野鸦椿叶片光合特性和叶绿素荧光参数的影响

陶凌剑，涂淑萍，金莉颖，刘 聪，黄 航，万瑞琪

（江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045）

圆齿野鸦椿Euscaphis konishii为省沽油科Staphyleaceae 野鸦椿属Euscaphis常绿小乔木，其果皮红艳、形态优美，观赏价值高，观果期可长达7 个月，跨秋、冬、春3 个季节，是集观赏、药用及化工原料于一体的优良乡土树种，备受专家学者重视，近年来其在苗木市场的需求量较大。光照是影响植物生长发育的重要环境因子之一，为植物进行光合作用所必需，对植物的生长、发育及形态建成具有重要作用。适宜的光照强度能有效改善植物生长的微气象条件，提高植物的光合生产能力。野鸦椿属植物幼苗喜阴，故需要对其进行遮阴处理。据报道，遮光率30%～60%是野鸦椿幼苗生长的最适光照条件，此时幼苗光合作用亦较强[1]。不同种类植物进行光合作用的最适光照强度存在差异，所能耐受的遮阴度亦不同。如桢楠Phoebe zhennan幼苗在50%光照条件下光合能力最强[2]，望天树Parashorea cathayensis幼苗在25%光照条件下光合能力最强[3]。研究苗木进行光合作用的最适光照强度对优化育苗环境、促进苗木生长及培育壮苗等均具有十分重要的意义。叶绿素参与光能的吸收、传递和转化，是植物细胞内参与光合作用的重要色素，叶绿素含量是叶片光合生理活性的重要指标之一。叶片叶绿素相对含量又被称为叶绿度值（SPAD），与叶绿素含量之间存在显著正相关关系[4-6]，利用SPAD 叶绿素仪可快速、无损地测定出叶片叶绿素相对含量[7]。根据植物的光合参数，可以预测植物的生长和发育态势[8]。叶绿素荧光分析技术是研究植物光合生理状况的新型活体诊断技术，具有方便、快捷、无损的特点[9-10]，被认为是研究植物光合作用与环境关系的内在探针[11-12]，可根据叶绿素荧光参数分析叶片对光能的吸收和利用特性[13]，该技术还可用于判断外界环境对植物光合生理特性的影响[14]。目前，对圆齿野鸦椿光合生理特性的研究多集中在种源家系[15-16]、施肥配比[17]等对圆齿野鸦椿光合参数和叶绿素相对含量的影响，有关光照强度对圆齿野鸦椿光合生理特性及叶绿素荧光参数影响的研究鲜见报道。本研究中以圆齿野鸦椿2 年生容器苗为研究对象，对不同光照强度条件下叶片叶绿素相对含量、光合参数和叶绿素荧光参数进行测定与对比分析，并采用模糊数学中的隶属函数法对不同光照强度下苗木的光合能力进行综合评价，以期筛选出圆齿野鸦椿幼苗光合作用的最适光照强度，为优化圆齿野鸦椿栽培环境提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

在江西农业大学风景园林实训基地的荫棚中进行试验。该基地位于江西省南昌市经济技术开发区（115°55′E，28°46′N），海拔50 m，年平均气温为17.5 ℃，年日照时长为1 903.9 h，年降雨量为1 596.4 mm。荫棚为铺砖地面，上面再铺防草地布，将栽培盆摆放在防草地布上。

1.2 试验材料

选择生长状况良好、长势基本一致的圆齿野鸦椿2 年生盆栽苗作为研究对象。春季进行换盆，栽培容器为1 加仑盆，盆口直径、盆底直径、盆高分别为14.6、12.6、17.2 cm。盆底垫托盘，以防水肥流失。栽培基质为园土、塘泥、泥炭的混合物（体积比2∶1∶1），另加少量生物有机肥。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

通过覆盖不同层数遮光网（2 针加密，黑色）控制光照强度，共设置4 个处理：处理Ⅰ（CK），自然光照，100% NS（natural sunlight）；处理Ⅱ，覆盖1 层遮光网，50% NS；处理Ⅲ，覆盖2 层遮光网，30% NS；处理Ⅳ，覆盖3 层遮光网，15%NS。每个处理10 盆，每盆定植1 株试验苗，并设置3 次重复，试验用苗共计120 株。试验时间为2020 年6 月5 日—2020 年11 月5 日。在晴朗无云的天气，使用ZDS-10 型光照度计（苏州市天威仪器有限公司）对各处理的光照强度进行测定。

1.3.2 指标测定

1）叶绿素荧光参数。9 月初，选择晴朗无云天气，每处理选取5 株幼苗作为测定株，使用PAM-2500 便携式调制叶绿素荧光仪（德国），对幼苗顶芽向下第3 或第4 枚复叶的中间2 片小叶进行测定。叶片经过20 min 暗适应后，测定其叶绿素初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、PS Ⅱ实际光合效率（ФPSⅡ）、非光化学猝灭系数（NPQ）、光化学荧光猝灭系数（qP）。计算可变荧光（Fv），以及PS Ⅱ最大光合效率（R），每指标重复测定3 次，取平均值。

2）叶绿素相对含量。9 月中旬，每处理选择3 株，分别从树冠层不同方位（东、南、西、北、中）随机选择5 枚当年生成熟叶片，使用SPAD-502 型手持便携式叶绿素仪（日本）进行测定，取平均值。

3）光合参数。9 月中下旬，选择晴朗无云天气的9：00—11：00，每处理选取5 株幼苗作为测定株，使用Li-6400 便携式光合仪（美国），对幼苗顶芽向下第3 或第4 枚复叶的中间2 片小叶进行测定。测定参数包括净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2摩尔分数（Ci），每指标重复测定3 次，取平均值。计算各处理幼苗的水分利用效率（EWU）。

1.4 数据统计分析

使用Microsoft Excel 2017 软件进行数据整理，使用OriginPro 2018 软件进行绘图，使用SPSS 22软件进行多重比较（Duncan 氏法）和皮尔逊（Pearson）相关性分析。采用模糊数学中的隶属函数法[18]对不同处理苗木的光合能力进行综合评价。

分别求出各处理中各项指标的具体隶属函数值（Xu）：

式中：X表示各处理中某指标的测定值；Xmin表示所有处理中该指标的最小值；Xmax表示所有处理中该指标的最大值。

把每处理中各项指标的隶属函数值累加，取平均值。平均值越大，表示光合作用越强。

2 结果与分析

2.1 光照强度对圆齿野鸦椿幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

PS Ⅱ最大光合效率反映的是PS Ⅱ反应中心的潜在最大光能转换效率，在叶绿素荧光参数中，该参数使用频率最高、应用最广泛。PS Ⅱ最大光合效率降低表示植物正遭受逆境胁迫。因此，PS Ⅱ最大光合效率是研究各种逆境胁迫对植物光合作用生理过程影响的重要指标。PS Ⅱ实际光合效率反映的是PS Ⅱ反应中心的实际光能转换效率。不同光照强度处理中圆齿野鸦椿幼苗叶片的叶绿素荧光参数见表1。由表1 可知：处理Ⅳ（15%自然光照强度）中PS Ⅱ最大光合效率和PS Ⅱ实际光合效率均为最高，且与其他3 个处理相比差异均达显著水平；处理Ⅰ（100%自然光照强度）中PS Ⅱ最大光合效率和PS Ⅱ实际光合效率均为最低，且与其他3 个处理相比差异均达显著水平。各处理之间光化学猝灭系数与非光化学猝灭系数差异不显著。

表1 不同光照强度处理中圆齿野鸦椿幼苗叶片的叶绿素荧光参数†Table 1 The chlorophyll fluorescence parameters of leaves of E. konishii seedlings under different light intensity treatments

2.2 光照强度对圆齿野鸦椿幼苗叶片叶绿素相对含量的影响

不同光照强度处理中圆齿野鸦椿叶片的叶绿素相对含量如图1 所示。由图1 可以看出，处理Ⅳ（15%自然光照强度）中叶片叶绿素相对含量最高，处理Ⅰ中叶绿素相对含量最低，二者与其他各处理的差异均达显著水平；处理Ⅱ（50%自然光照强度）与处理Ⅲ（30%自然光照强度）之间叶绿素相对含量的差异不显著。可见，遮阴可以提高圆齿野鸦椿幼苗叶片的叶绿素含量。

图1 不同光照强度处理中圆齿野鸦椿幼苗叶片的叶绿素相对含量Fig. 1 Relative chlorophyll content of leaves of E. konishii seedlings under different light intensity treatments

2.3 光照强度对圆齿野鸦椿幼苗叶片光合参数的影响

不同光照强度处理中圆齿野鸦椿叶片的光合参数见表2。由表2 可知，处理Ⅲ中净光合速率最大，为5.65 μmol/(m2·s)，与处理Ⅰ、处理Ⅳ差异不显著，与处理Ⅱ差异达显著水平。处理Ⅰ中气孔导度最大，为0.10 mol/(m2·s)，处理Ⅲ最小，为0.06 mol/(m2·s)，二者差异达显著水平。处理Ⅰ中胞 间CO2摩 尔 分 数 最 大，达324.89 μmol/mol，与处理Ⅳ差异不显著，与处理Ⅱ、处理Ⅲ差异达显著水平。处理Ⅰ中叶片蒸腾速率最大，为1.42 mmol/(m2·s)，与处理Ⅱ、处理Ⅳ差异不显著，与处理Ⅲ差异达显著水平。处理Ⅲ中叶片水分利用效率最高，达7.06 mmol/mol，与其他3 个处理相比差异达显著水平。

表2 不同光照强度处理中圆齿野鸦椿幼苗叶片的光合参数†Table 2 The photosynthetic parameters of leaves of E. konishii seedlings under different light intensity treatments

2.4 圆齿野鸦椿幼苗叶片光合作用相关指标间的相关性

圆齿野鸦椿幼苗叶片光合作用相关指标间的相关系数见表3。由表3 可知：光照强度与气孔导度、胞间CO2摩尔分数呈显著正相关，相关系数分别为0.280 和0.319；光照强度与水分利用效率呈显著负相关，相关系数为-0.291；光照强度与PS Ⅱ最大光合效率、PS Ⅱ实际光合效率、叶绿素相对含量均呈极显著负相关，相关系数分别为-0.725、-0.729 和-0.904。

表3 圆齿野鸦椿幼苗叶片光合作用相关指标间的相关系数†Table 3 Correlation coefficients between photosynthesis-related indexes of leaves of E. konishii seedlings

净光合速率与水分利用效率呈极显著正相关，相关系数为0.420；净光合速率与胞间CO2摩尔分数呈极显著负相关，相关系数为-0.384；净光合速率与光化学猝灭系数呈显著负相关，相关系数为-0.269。气孔导度与胞间CO2摩尔分数、蒸腾速率、非光化学猝灭系数均呈极显著正相关，相关系数分别为0.708、0.927 和0.499；气孔导度与水分利用效率呈极显著负相关，相关系数为-0.631。胞间CO2摩尔分数与蒸腾速率呈极显著正相关，相关系数为0.622；胞间CO2摩尔分数与非光化学猝灭系数呈显著正相关，相关系数为0.282；胞间CO2摩尔分数与水分利用效率呈极显著负相关，相关系数为-0.918。蒸腾速率与非光化学猝灭系数呈极显著正相关，相关系数为0.502；蒸腾速率与水分利用效率呈极显著负相关，相关系数为-0.668。水分利用效率与非光化学猝灭系数呈显著负相关，相关系数为-0.281。

PS Ⅱ最大光合效率与PS Ⅱ实际光合效率、叶绿素相对含量呈极显著正相关，相关系数分别为0.860 和0.736。PS Ⅱ实际光合效率与光化学猝灭系数、叶绿素相对含量呈极显著正相关，相关系数分别为0.496 和0.705；PS Ⅱ实际光合效率与非光化学猝灭系数呈极显著负相关，相关系数为-0.385。光化学猝灭系数与非光化学猝灭系数呈极显著负相关，相关系数为-0.498。

2.5 不同光照强度下圆齿野鸦椿幼苗光合能力的综合评价

采用净光合速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数、蒸腾速率、水分利用效率、PS Ⅱ的最大光合效率、PS Ⅱ的实际光合效率、光化学猝灭系数、非光化学猝灭系数、叶绿素相对含量共10 个指标，综合评价4 种光照强度下圆齿野鸦椿幼苗叶片的光合能力。不同光照强度处理中各指标的隶属函数值及综合排序见表4，其中胞间CO2摩尔分数和光化学猝灭系数与净光合速率呈负相关，故求出其反隶属函数值。由表4 可知，随着光照强度减弱，圆齿野鸦椿幼苗光合作用逐渐增强，处理Ⅳ中苗木的光合作用最强。

表4 不同光照强度处理中圆齿野鸦椿幼苗叶片光合作用相关指标的隶属函数值及综合排序†Table 4 Subordinate function values and comprehensive ranking of photosynthesis-related indexes of leaves of E. konishii seedlings in different light intensity treatments

3 结论与讨论

本试验结果表明：秋季光照强度为自然光照强度的15%时，圆齿野鸦椿2 年生苗的光合作用最强；光照强度为自然光照强度的30%时，其水分利用效率最高。

3.1 光照强度对圆齿野鸦椿幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

植物叶绿素荧光参数与植物光合作用关系密切，是研究植物光合作用的有效探针。PS Ⅱ的最大光合效率反映了PS Ⅱ反应中心叶片进行光化学反应的“域”或“能力范围”。PS Ⅱ最大光合效率的值越低，表明植物的光抑制程度越强。有研究结果表明，在不受光抑制的条件下，PS Ⅱ最大光合效率值为0.80 ～0.83[19]。本试验结果表明，4种光照强度处理下圆齿野鸦椿幼苗叶片的PS Ⅱ最大光合效率值均低于0.80。在15%自然光照强度条件下，圆齿野鸦椿幼苗叶片的PS Ⅱ最大光合效率最高，为0.76，随着光照强度升高，PS Ⅱ最大光合效率和PS Ⅱ实际光合效率降低。

PS Ⅱ的实际光合效率反映了PS Ⅱ反应中心部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率，可作为表征植物叶片光合电子传递速率的指标。较高的PS Ⅱ实际光合效率，能够为暗反应的光合碳同化积累更多所需的能量，促进碳同化的高效运转和有机物积累[20]。本试验结果表明，在15%自然光照强度条件下，圆齿野鸦椿幼苗的PS Ⅱ实际光合效率最高，显著高于其他各处理。说明在弱光照条件下，圆齿野鸦椿幼苗光能捕获效率和电子传递速率升高。

荧光猝灭是指叶绿素荧光产量的下降，可以由光合作用的增强引起，也可以由热耗散的增加引起。光合作用增强引起的荧光猝灭称为光化学猝灭，为PS Ⅱ吸收的光能用于进行光化学反应的比例，在一定程度上反映了PS Ⅱ反应中心的开放程度[21]，光化学猝灭系数反映了植物的光合活性。热耗散增加引起的荧光猝灭称为非光化学猝灭，反映了植物耗散过剩光能为热量的能力，即光保护能力。本试验结果表明，不同光照强度条件下圆齿野鸦椿幼苗光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数的差异均不显著。

3.2 光照强度对圆齿野鸦椿幼苗叶片叶绿素含量的影响

叶绿素作为植物光合色素之一，在植物光合作用过程中发挥光能的吸收、传递及转化等功能。在遮光条件下，植物可通过增加单位面积色素密度来吸收更多的光能，故总叶绿素含量升高可作为植物利用弱光能力增强的判断标准[1]。据报道，2 年生闽楠Phoebe bournei实生苗[22]和1 年生观光木Tsoongiodendron odorum实生苗[23]叶片叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素含量均随光照强度的减弱而升高。本试验结果表明，圆齿野鸦椿幼苗叶片叶绿素相对含量亦随光照强度的减弱而增强，与上述研究结果相似。说明遮阴可以提高幼苗叶片叶绿素含量，提高植物在弱光环境下的光能利用率。

3.3 光照强度对圆齿野鸦椿幼苗叶片光合参数的影响

光合速率是一系列光化学反应综合作用的结果，净光合速率可最直接体现植物的光合效率[24]。有研究结果表明，在适宜的光照（42.3%自然光照强度）条件下，1 年生火力楠Michelia macclurei实生苗叶片的净光合速率最强，光照过强（100%自然光照强度）或过弱（12.6%自然光照强度）叶片的净光合速率均有所降低[25]。本试验结果表明，在30%自然光照强度条件下圆齿野鸦椿幼苗叶片的净光合速率和水分利用效率均为最高，与上述试验结果相似。

本研究中初步分析了4 种光照强度下圆齿野鸦椿2 年生苗叶片叶绿素相对含量、光合参数及叶绿素荧光参数的差异，为了筛选出圆齿野鸦椿幼苗生长状况佳、光合能力及抗逆性强的最佳光照强度，后续将进一步研究不同光照强度对苗木的生长量及抗逆性的影响。