林业科学  2016, Vol. 52 Issue (5): 55-63   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160507
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文章信息

宋洋, 廖亮, 刘涛, 蒋燕锋, 喻卫武, 胡渊渊, 吴家胜
Song Yang, Liao Liang, Liu Tao, Jiang Yanfeng, Yu Weiwu, Hu Yuanyuan, Wu Jiasheng
不同遮荫水平下香榧苗期光合作用及氮分配的响应机制
Response of Photosynthesis and Nitrogen Distribution of Torreya grandis ‘Merrilli’ Seedlings in Different Light Regimes
林业科学, 2016, 52(5): 55-63
Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(5): 55-63.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160507

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收稿日期：2015-11-10
修回日期：2016-01-14

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宋洋
廖亮
刘涛
蒋燕锋
喻卫武
胡渊渊
吴家胜

引用本文
宋洋, 廖亮, 刘涛, 蒋燕锋, 喻卫武, 胡渊渊, 吴家胜. 2016. 不同遮荫水平下香榧苗期光合作用及氮分配的响应机制[J]. 林业科学, 52(5): 55-63.
Song Yang, Liao Liang, Liu Tao, Jiang Yanfeng, Yu Weiwu, Hu Yuanyuan, Wu Jiasheng. 2016. Response of Photosynthesis and Nitrogen Distribution of Torreya grandis ‘Merrilli’ Seedlings in Different Light Regimes. Scientia Silvae Sinicae, 52(5): 55-63.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160507
不同遮荫水平下香榧苗期光合作用及氮分配的响应机制
宋洋1, 廖亮2, 刘涛3, 蒋燕锋4, 喻卫武1, 胡渊渊1, 吴家胜1    
1. 浙江农林大学 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地 临安 311300;
2. 乐清市雁荡山林场 乐清 325614;
3. 杭州市原种场 余杭 311115;
4. 丽水市林业科学研究院 丽水 323000
收稿日期：2015-11-10; 修回日期：2016-01-14
基金项目：浙江省重中之重林学一级学科开放基金项目(KF201312);浙江省林业厅科技项目"香榧大苗培育及高效生态栽培技术集成与中试示范"(2013B01);浙江农林大学人才启动项目(2013FR063);浙江省农业新品种选育重大科技专项(2012C12904-12);浙江省科技厅重大科技专项重点农业项目"浙江西南油料干果产业化培育技术研究与示范推广"(2012C12002)。
通讯作者： 吴家胜
摘要： 【目的】 通过比较不同遮荫水平下香榧苗期的生长指标、气体交换参数、光合色素含量和叶氮含量的差异,初步探讨不同遮荫水平下香榧苗期光合作用及氮分配的响应机制。 【方法】 以2年生香榧苗为材料,测定不同遮荫水平(0,50%,75%和90%遮荫水平)下香榧苗的苗高、地径、生物量及叶片的光响应、二氧化碳(CO2)响应曲线、叶绿素和叶氮含量等指标。 【结果】 随遮荫水平的增加,香榧苗叶色逐渐增绿;地径增量和生物量均呈先增加后降低的趋势,其中50%和75%遮荫水平下的地径增量最高,分别为0遮荫下的215.2%和233.6%(P<0.05),为90%遮荫下的161.4%和175.2%(P<0.05); 75%遮荫水平下的生物量最高,分别为0,50%,90%遮荫下的141.0%,111.5%和114.0%(P<0.05)。随遮荫水平的增加,香榧苗的根冠比逐渐降低,但其叶片的叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)和类胡萝卜素(Car)含量均呈逐渐升高的趋势。随遮荫水平的增加,香榧苗期叶片的光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)呈逐渐下降的趋势; 其表观量子效率(AQY)呈逐渐升高的趋势; 其最大净光合速率(Pmax)、最大RuBP羧化速率(Vcmax)及RuBP再生的光合电子传递速率(Jmax)均呈先升高后降低的趋势,且这些参数在50%和75%遮荫水平下最高; 但其单位面积上的叶氮含量(Na)呈逐渐降低的趋势。随遮荫水平的增加,分配到羧化作用的N素(Nc)、能量代谢的N素(NB)、捕光色素的N素(NL)、光合氮素利用效率(PNUE)均呈先增加后降低的趋势,除NL外其他参数均在75%遮荫水平下最高。 【结论】 遮荫处理能有效地促进香榧苗的生长; 有效加强香榧苗对早晨或傍晚弱光的利用,这有利于植物体的生长发育。而过度遮荫(90%遮荫水平)的香榧苗Pmax显著降低,这可能与其为了捕获更多的光能,将更多资源用于捕光蛋白上,而导致光合能力下降有关。与50%遮荫水平相比,75%遮荫水平的香榧苗将更多的氮素分配到光合机构(Nc和NB)中,从而显著提高PNUE。综上所述,前期苗木培育中,给予香榧苗75%遮荫水平有利于其生长发育。
关键词: 香榧     生物量     光合特性     叶氮含量     光合氮素利用效率    
Response of Photosynthesis and Nitrogen Distribution of Torreya grandis ‘Merrilli’ Seedlings in Different Light Regimes
Song Yang1, Liao Liang2, Liu Tao3, Jiang Yanfeng4, Yu Weiwu1, Hu Yuanyuan1, Wu Jiasheng1    
1. The Nurturing Station for Key Laboratory of Subtropical Silviculture Zhejiang Agriculture and Forestry University Li'an 311300 ;
 2. Yandang Forest Farms of Yueqing City Yueqing 325614 ;
 3. Hangzhou Raw Seed Growing Farm Yuhang 311115 ;
 4. Lishui Forestry Institute of Zhejiang Lishui 323000
Abstract: [Objective] To elucidate the mechanism of photosynthetic characteristics and nitrogen allocation of Torreya grandis ‘Merrilli’ seedlings under different shading levels, the growth, gas exchanges parameters, chlorophyll content and leaf nitrogen content were measured. [Method] We measured the height, ground diameter, biomass, light response curve, CO2 response curve, chlorophyll content, leaf nitrogen content of T. grandis ‘Merrilli’ seedlings under different shading levels(0%, 50%, 75% and 90%). [Result] The results showed that the leaf color of seedlings became much greener with the increasing level of shade levels. However, the diameter increment and biomass of seedlings showed an increase at first, followed by a decreased trend with increasing shade level. The seedlings at 50% and 75% shade levels had the greatest diameter increment, which was 215.2% and 233.6% of that at 0% shade level and 161.4% and 175.2% of that at 90% shade level, respectively. The biomass at 75% shade level was significanly higher than the other shade treatments, and was 141.0%, 111.5% and 114.0% compared with that at 0%, 50% and 90% shade level respectively. The root/shoot ratio of seedlings reduced gradually, while the chlorophyll a (Chl a), chlorophyll b (Chl b) and carotenoid (Car) content increased with increasing of shade levels. LCP (light compensation point), and LSP (light saturation point) decreased while the apparent quantum efficiency (AQY) increased with increasing of shade level. Maximum net photosynthetic rate (Pmax), maximum RuBP carboxylation rate (Vcmax) and RuBP regeneration of photosynthetic electron transport rate (Jmax) showed an increase at first, followed by a decreased trend with increasing of shade level and the highest parameters were observed at 50% and 75% shade levels. However, the leaf nitrogen content per unit area (Na) showed a decrease trend with increasing of shade level. Moreover, the fraction of leaf nitrogen allocated to carboxylation (NC), the fraction of leaf nitrogen allocated to bioenergetics (NB), the fraction of leaf nitrogen allocated to light-absorbing pigment (NL), and photosynthetic nitrogen utilization efficiency (PNUE) showed a decrease trend with increasing of shade levels, and the highest values of these parameters except NL were observed at 75% shade level. [Conclusion] Shade treatment can effectively promote the growth of T. grandis ‘Merrilli’ seedlings. The seedlings grown under shade treatment can effectively use the lower light intensity at early morning or late afternoon in comparison to that grown at full sun light. Heavy shading (90% shading level) significantly decreased the Pmax, which may be related to the capacity to capture more light, and thus more resources were used to the light protein, resulting in a decline in photosynthetic capacity. Compared with the 50% shade level, the 75% shade level had more nitrogen allocated to the photosynthetic mechanism, such as in Nc and NB, and significant higher PNUE. Thus, our results indicate that T. grandis ‘Merrilli’ seedlings likely grow better at 75% shade level for seedling cultivation.
Key words: Torreya grandis ‘Merrilli’     biomass     photosynthetic characteristics     leaf nitrogen content     photosynthetic nitrogen utilization efficiency    

光合作用是植物生长发育的基础,果树干物质的90%～95%来源于光合作用,光合效率的高低可以反映出果树的生长发育水平(李天忠等,2008)。不同植物在不同的生长阶段对光照环境的需求不同,有关植物在不同光强下光合作用特性在农林业、园艺生态等领域已有广泛研究(Valladares et al., 2002；Aleric et al., 2005)。遮荫可以显著影响植物的光合特性、光合色素含量,从而影响其生长发育。一般认为常绿植物在弱光下光合作用会受到限制,Rubisco活性和CO2的同化速率下降(Stitt et al., 1994),导致植物的碳同化量和生长发育速率降低。植物为了能够在弱光环境下捕获更多的光能,需要投资更多的生物量来优化同化器官,如弱光下植株的叶面积增加、根冠比降低以及叶绿素含量增加(Sulan,2000； 刘泽彬等,2015； Zhang et al., 2015)； 相反,植物在强光照下光合器官吸收过量的光能导致光合器官损伤(Bertamini et al., 2006),分配到叶片的生物量减少,而分配到根系的生物量相对增多(殷东生等,2014； 马志良,2015)。

氮素是限制植物生长的主要元素之一,参与光合色素、光合酶等物质的组成和分配,同时氮素不仅是蛋白质、核酸、磷脂的主要成分,还是原生质、细胞核和生物膜的重要组成部分(邹文桐等,2011)。叶氮含量和植物的光合速率有明显的正相关性(张亚杰等,2004； 黄增冠等,2015)。光照强度能影响叶片氮素的含量及在各组分中的分配(Boardman,1977； Björkman,1981； Evans,1989；1993)。Evans(1989)对菜豆(Phaseolus vulgaris)和黄瓜(Cucumis sativus)叶片氮分配对不同生长光强的响应研究表明,与高光强相比,两者在弱光条件下分配到光合色素的氮含量均会增加,但单位氮含量上的光合速率(等同于氮素光合利用率,即PNUE)却降低；然而,苜蓿(Medicago sativa cv. Aurora)叶片单位氮含量上的光合速率不随生长光强变化而变化(Evans,1993)。因此,不同植物的光合速率及其叶氮分配对光强的响应机制不同。

香榧(Torreya grandis)主要分布于我国南部山区,是我国特有的珍惜干果,是集材用、药用、果用、油用和观赏于一体的经济树种。香榧属于喜阴植物(程晓建等2007),苗木培养需要一定的遮荫处理,但何种遮荫程度最有利于香榧生长以及不同遮荫处理对香榧苗期生长发育、光合特性和叶氮分配等方面的影响鲜有报道。本文以2年生香榧(T.grandis ‘Merrilli’)苗木(生产上常用于造林)为研究对象,通过测定不同遮荫程度下香榧叶片的光响应和CO2响应曲线、叶绿素含量、叶氮含量及光合氮利用率等生化指标,探讨不同遮荫处理下的香榧苗期的生长发育和光合特性差异,为揭示香榧光合作用和氮分配对光强的响应机制提供理论依据,对于香榧苗木的培育有一定的参考价值。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验材料为2年生香榧嫁接苗,来自浙江省诸暨市枫桥镇全堂村。

1.2 试验设计

本试验在浙江农林大学智能实验室培育基地进行(30°23′N,119°72′E)。2015年5月26日选择缓苗后的地径、苗高长势一致(苗高平均为50.06 cm,地径平均为7.24 mm)的香榧苗木64株,采用土培盆栽法,所用基质为人工培养基质(主要成分有松木硬皮、泥炭、土壤和尿素等,其养分含量足可以保证香榧整个生长季的需求),盆直径16 cm,高度18 cm,每盆装土1.55 kg,每盆1株。试验过程中所有的花盆基质保持充足的水分含量(均达到田间持水量的75%)。

试验设4个遮荫水平: 不遮荫处理(0%遮荫水平)、冠层上部光强分别为自然光强的50%(50%遮荫水平)、25%(75%遮荫水平)和10%(90%遮荫水平),采用完全随机试验设置4个重复,每个重复4株植物。遮荫处理采用市场上3针黑色遮荫网进行遮荫,即不同的遮荫程度采用不同层的遮荫网处理。不同遮荫水平光强的确定是在晴朗的天气利用照度计(TES-1339R,Taiwan,China)测得,不同遮荫水平的具体情况如表 1所示。

表 1 不同遮荫水平随时间变化的有效光合辐射① Tab. 1 Photosynthetically active radiation (PAR) in different shade levels with the change of time
1.3 采样与测定方法

处理2.5个月后,于8月上旬开始选取香榧苗木上部当年生叶片(倒2叶),进行各项生理指标的测定。

1.3.1 生长指标

1)苗高的测量 分别于处理前、后用钢卷尺测量所有试验苗木的苗高(根基部到顶芽),苗高增量(seedling height increment,SHI)的计算方式为: 苗高增量=处理后的苗高-处理前的苗高,精确到0.1cm。

2)地径的测量 分别于处理前、后用游标卡尺测量所有试验苗木的地径(每株苗十字交叉状测量2次,取平均值),地径增量(ground diameter increment,GDI)的计算方式为: 地径增量=处理后的地径-处理前的地径,精确到0.02 mm(嫁接苗的地径测量部位在接口以上1 cm处)。

3)生物量的测定 处理结束后,选取每个处理保留完整的植株,将根和茎冲洗干净晾干,然后将地下部分与地上部分分开,分别称其鲜质量,再装入牛皮纸袋中,在105 ℃烘箱中杀青0.5 h后,再在80 ℃烘箱内烘干至恒质量,称其干质量。总生物量=地上部分生物量干质量+地下部分生物量干质量,根冠比=地下部分生物量干质量/地上部分生物量干质量。

1.3.2 光响应曲线

8月25号前后,选择晴朗天气,采用Li-6400便携式光合仪(美国 Li-cor公司)的6400-22不透明簇状叶室测定不同遮荫水平香榧叶片的光响应曲线。测定时,利用CO2小钢瓶控制CO2浓度在400 μmol·mol-1,叶室温度28 ℃,相对湿度约50%~65%,气体流速为500 μmol·s-1,光源为18RGB人工光源,设置光合有效辐射强度(PAR)梯度为1 500,1 000,1 200,1 000,800,600,400,200,150,100,50,0 μmol·m-2s-1。测定前用1 000 μmol·m-2s-1光强对叶片进行光诱导,时间控制在20 min左右,然后每个光强下稳定4 min后记下数据,重复4次,取平均值作为测定结果。

根据光合助手计算出光响应曲线各个参数饱和光强(LSP)、最大净光合速率(Pmax)、光补偿点(LCP)和暗呼吸速率(Rd)。所有的测定均在09:00—16:00完成。

1.3.3 CO2响应曲线

选择光响应测定的叶片,光强设定为1 000 μmol·m-2s-1,使测定叶片在400 μmol·mol-1CO2浓度下光诱导30 min,然后在0,50,100,150,200,400,600,800,1 200,1 500和1 800 μmol·mol-1CO2浓度下测定净光合速率(Pn),完成CO2曲线测定。

Vcmax(最大RuBP羧化速率)和Jmax(RuBP再生的光合电子传递速率)根据CO2响应曲线求得(Long et al., 2003)。所有的测定均在9:00—16:00完成。

1.3.4 光合色素的测定

每个遮荫水平分别准确称取0.1 g鲜质量的叶片,再用95%乙醇(8 mL)提取(在常温、避光的环境下浸提至叶片呈无色)(高俊凤,2006),每个处理设置5个重复。用紫外分光光度计(UV2500,岛津)检测波长在665,649,470 nm处的吸光度值。为与光合速率的单位统一,根据比叶质量(SLW)换算成单位面积上的各光合色素含量。

1.3.5 叶片氮素含量及其在光合机构中的分配

用凯氏定氮法测定单位干质量上的叶氮含量(NM)。以饱和最大光合速率(Pmax)与NM的比值表示光合氮利用效率(photosynthetic nitrogen utilization efficiency,PNUE)(Qing et al., 2012)。PNUE=Pmax/NM。

植物叶氮在光合机构中的分配主要可分为3部分,即RuBP羧化作用的氮素(NC,g·g-1)、RuBP再生作用的氮素(NB,g·g-1)和捕光组分的氮素(NL,g·g-1)。计算公式(Niinemets et al., 1997)如下:

NC=Vcmax/(6.25×Vcr×NM×SLW),

NB=Jmax/(8.06×Jmc×NM×SLW),

NL=CC/(NM×CB),

NT=NC+NB+NL。

式中:CC为叶绿素含量； NM为单位干质量的叶氮含量； Vcr(Rubisco 的比活度)、Jmc(以细胞色素f为基础的潜在光合电子流)和CB(整个叶片中叶绿素所绑定的类囊体复合体数量,即PSⅠ,PSⅡ和LHCⅡ的数量)为常数； 6.25是氮素与Rubisco蛋白之间的转换系数； 8.06为氮素与细胞色素f之间的转换系数； 比叶质量(SLW,g·m-2)=叶片干质量/叶片面积。

1.4 数据分析

采用SPSS软件进行统计分析,利用光合助手(Photosynthesis)拟合曲线,采用Sigmaplot12.5作图。

2 结果与分析 2.1 不同遮荫水平对香榧苗期生长指标的影响

随着遮荫程度的增加,香榧叶片颜色由黄绿色逐渐变成深绿色(图 1)。与不遮荫处理(0%遮荫水平)相比,遮荫后的香榧苗高增量和地径增量均显著增加(P＜0.05),长势较好(图 2)。其中50%,75%和90%遮荫水平的香榧苗高增量分别是不遮荫处理的226.7%,227.8%和212.7%,但不同遮荫处理之间无显著差异(P＞0.05)(图 2A)；遮荫处理的香榧地径增量显著高于全光照处理,其中75%遮荫处理的香榧地径增量最高(图 2B)。

图 1 不同遮荫处理香榧苗期的表型特征 Fig. 1 The appearance of T. grandis ‘Merrilli’ seedlings in different shade levels
图 2 不同遮荫水平对香榧苗期苗高和地径的影响 Fig. 2 Influence of different shade levels on the height and diameter of T. grandis ‘Merrilli’ seedlings 不同字母表示在 0.05 水平上差异显著。下同 Different letters denote significant differences at 0.05 level．The same below.

与不遮荫处理相比,遮荫后的香榧苗期生物总量显著增加(P＜0.05),其中在75%遮荫水平下植株的总生物量最高(图 3A)。随着遮荫程度的增加,香榧苗的根冠比呈逐渐降低的趋势,90%遮荫水平的香榧根冠比最低,表明香榧苗期将更多的生物量分配到地上部分(图 3B)。

图 3 不同遮荫水平下香榧苗期生物量及根冠比的变化 Fig. 3 Changes in biomass and root to shoot ratio of T. grandis ‘Merrilli’ seedlings under various shade treatments
2.2 不同遮荫水平对香榧苗期光合色素含量的影响

与不遮荫处理相比,遮荫后香榧叶片的叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、总叶绿素(Chl a+b)均显著增加,其中75%和90%遮荫的Chl a,Chl b,Chlt a+b均显著高于50%遮荫水平,但75%与90%遮荫的Chl a,Chl b,Chlt a+b之间均无显著差异。遮荫后香榧叶片的类胡萝卜素(Car)显著高于不遮荫处理,而各遮荫水平之间无显著差异。90%遮荫的Chl a/b显著低于0,50%和75%遮荫水平,但其余处理之间的Chl a/b之间并无显著差异； 遮荫处理的香榧叶片的Car/Chl a+b值显著低于全光照,但各遮荫处理之间无显著差异(表 2)。

表 2 不同遮荫水平下香榧苗期叶绿素a, 叶绿素b, 总叶绿素和类胡萝卜素含量的变化 Tab. 2 Changes in the chlorophyll a (Chl a), chlorophyll b (Chl b), total chlorophyll (Chl a+b),and carotenoid (Car) contents of T. grandis ‘Merrilli’ seedlings under various shade treatments
2.3 不同遮荫水平下香榧苗期光响应曲线的变化

无论是遮荫还是不遮荫处理,叶片的Pn随PAR增强的变化趋势基本一致。PAR从0~400 μmol·m-2s-1时,叶片Pn随着PAR的升高而快速增加； 当PAR>400 μmol·m-2s-1时,其随PAR的增速逐渐减慢,最后达到光饱和(图 4)。与不遮荫处理相比,遮荫使香榧叶片的LCP和LSP均显著降低,而使其AQY显著增大。随着遮荫程度的加深,香榧叶片的Pmax呈先升高后降低的趋势,其中以75%遮荫水平下的Pmax最高,但与50%遮荫水平下无显著差异(表 3)。

表 3 不同遮荫处理香榧苗期的光合响应曲线特征参数 Tab. 3 Simulation parameters of light response curves of net photosynthetic rate of T. grandis ‘Merrilli’ seedlings under various shade treatments
图 4 不同遮荫水平下香榧苗期光响应曲线的变化 Fig. 4 Light response curves of net photosynthetic rate (Pn) in leaves of T. grandis‘Merrilli’ seedlings under various shade treatments
2.4 不同遮荫处理下香榧苗期的Vcmax和Jmax的变化

当Ci≤400 μmol·mol-1时,叶片Pn随着Ci升高的增加速度较快,由此认为Pn是受Rubisco酶羧化的限制； 当Ci>400 μmol·mol-1时,Pn随Ci浓度的增加逐渐达到饱和(图 5),此阶段RuBP的再生速率是限制Pn的主要因素。遮荫处理的香榧叶片Jmax值显著高于不遮荫处理(图 6A),而90%遮荫水平的香榧叶片Jmax显著低于50%和75%遮荫水平； 遮荫处理的叶片Vcmax值显著高于不遮荫处理,其中75%遮荫水平的Vcmax高于90%遮荫水平(图 6B)。

图 5 不同遮荫水平下香榧苗期CO2响应曲线的变化 Fig. 5 Intercellular CO2 response of photosynthesis in leaves of T.grandis ‘Merrilli’ seedlings under various shade treatments
图 6 不同遮荫水平下香榧叶片Jmax和Vcmax的变化 Fig. 6 The modeled photosynthetic parameters based on analysis in response of photosynthetic rate to intercellular CO2 concentration in leaves of T. grandis ‘Merrilli’ seedlings under various shade treatments
2.5 不同遮荫水平下香榧苗期叶片的氮含量及其在光合机构中的分配情况

随着遮荫程度的加深,香榧叶片的Na呈逐渐降低的趋势。90%遮荫水平的香榧叶片的NM最高,显著高于其他处理。随着遮荫程度的加深,香榧叶片的NC,NB和NL呈先升高后降低的趋势,其中NC,NB在75%遮荫水平达到最高值,NL在50%遮荫水平达到峰值。遮荫处理的香榧叶片的NT显著高于全光照处理,其中75%遮荫水平下的NT显著高于50%和90%遮荫处理的值(表 4)。

表 4 不同遮荫处理对香榧苗期叶片氮分配情况的影响 Tab. 4 The changes in the nitrogen allocation in leaves of T. grandis ‘Merrilli’ seedlings under various shade treatments
2.6 不同遮荫水平下香榧苗期光合氮素利用效率(PNUE)的变化

随着遮荫程度的加深,香榧叶片的PNUE呈先升高后降低的趋势,其中以75%遮荫的PNUE值最高,不遮荫处理下的PNUE最低,而90%遮荫处理的PNUE与50%遮荫处理之间无显著差异(图 7)。

图 7 不同遮荫水平下香榧苗期光合氮素利用效率(PNUE)的变化 Fig. 7 Photosynthetic nitrogen utilization efficiency (PNUE) in leavesof T．grandis ‘Merrilli’seedlings under various shade treatments
3 讨论

光是影响植物的光合特性、生长发育以及产量的重要环境因子(Zhang et al., 2005),光照过低或过高都会影响植物的光合生理生化特性,进而影响植物的生长发育,因此,植物本身会通过不同的途径来应对环境的变化,有关植物叶片形态和生理特性对不同光强的响应研究有相关报道(Aleric et al., 2005； 吕晋慧等,2012; Zhang et al., 2015)。本研究中通过研究叶片光合能力与叶绿素、比叶质量、氮含量及分配的关系等来探讨香榧苗木对不同光强的适应性。

本研究结果显示,与不遮荫处理相比,遮荫处理使香榧苗木的苗高、地径增量均显著增加(图 2),这表明遮荫有利于香榧苗的生长。弱光环境下,欧洲紫杉(Taxus baccata)通过减少分配到根系的生物量,而优先将生物量分配给地上部分,使同化器官更为发达,以便接受更多的光能(Perrin et al., 2013)。香榧苗遮荫后生物量显著增加,且根冠比也显著降低(图 3B),这表明遮荫处理使香榧苗把更多的生物量分配到地上部分以获取更多的光能。另外,不遮荫处理的生物量显著降低(图 3A),主要是由于长期的光抑制导致碳同化减少,其中强光对地上部分的抑制作用大于对根部的抑制作用。当遮荫达到90%时,植物已不能通过自身调节作用来维持光合作用所需光强,导致光合作用下降,地下部分生物量以及总生物量均显著减少(Perrin et al., 2013)。

叶绿素在光能吸收和转化中起着重要的作用,是光合作用的基础。遮荫处理下,植物会通过增加叶片的叶绿素含量来增加其对光能的捕获和吸收(Wittmann et al., 2001)。而类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素,其中β-胡萝卜素直接猝灭三线态叶绿素(3Chl)和单线态氧(1O2),而叶黄素通过猝灭激发态单线Chl(1Chl)阻止3Chl的形成(Demmig-Adams et al., 1996),类胡萝卜素不仅吸收光能,还具有猝灭过剩光能的作用使植物免受光破坏(Hormaetxe et al., 2005)。本研究结果显示,与不遮荫处理相比,遮荫处理的叶片叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、总的叶绿素(Chl a+b)、类胡萝卜素(Car)显著增加,且在90%遮荫时Chl a+b和Car最高(表 2),这是其适应弱光环境的一种适应机制。这与Zhang等(2015)的结果一致。此外,不遮荫的Car/Chl a+b显著高于其他遮荫处理,这表明不遮荫下香榧能通过Car来猝灭过剩光能。研究表明,4个苎麻(Boehmeria nivea)品种的Chla+b/Car比值(Car/Chl比值的倒数)均随遮荫程度的加深而显著增大(Huang et al., 2015)。

植物光合作用的光响应曲线对于了解植物光化学过程中的光化学效率具有重要意义(Sharp et al., 1984)。光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP)的大小反映植物叶片对光的利用能力,代表了植物的需光特性和需光量。本研究结果显示,遮荫处理下的香榧苗叶片LCP和LSP均显著低于不遮荫处理(表 3),这和张云等(2014)对堇叶紫金牛(Ardisia violacea)的研究结果一致,说明遮荫处理下香榧叶片通过降低LCP和LSP,最大限度地利用弱光进行光合作用,促进生物量积累,维持碳平衡以满足植物生长需求。表观量子效率(AQY)是指光合作用机构每吸收1 mol光量子后光合释放的O2摩尔数或同化CO2的摩尔数(Xu,1995),当植物具有较高的AQY,说明植物对弱光的利用率较高(Lee et al., 1990)。本研究结果显示,遮荫处理的香榧叶片AQY均显著高于不遮荫处理,且不同遮荫水平之间无明显差异,表明遮荫后的香榧叶片均能有效地利用早晨或傍晚的弱光进行光合作用,这有利于植物的生长发育。与50%和75%遮荫水平相比,90%遮荫水平的香榧叶片的Pmax显著降低,这可能与其为了捕获更多的光能,将更多资源用于捕光蛋白上,导致光合能力下降有关(Anderson et al., 1987)。

植物碳同化受Rubisco活性和RuBP再生速率的影响,一般认为CO2响应曲线中初始斜率(CE,初始羧化效率)与Rubisco活性呈正相关(Deng et al., 2003)。植物叶片Vcmax是植物光合作用过程中由Rubisco催化的最大羧化速率,即植物叶片在单位时间单位面积固定的最大CO2微摩尔数(μmo1·m-2s-1),是表征植物光合能力的重要参数,它决定了植物的Pmax、光下线粒体呼吸、光呼吸等过程(Farquhar et al., 1982； Wullschleger,1993)。本研究结果显示,50%和75%遮荫水平下的Vcmax,Jmax最高,表明此处理下叶片的光合酶活性最高,光合作用最强。

植物叶片的氮含量与光合能力有很强的正相关性,因为通常叶氮含量中约有一半分配到光合机构中,如卡尔文循环相关的酶(Evans,1989； 张亚杰等,2004)。植物调控叶氮分配到光合器官不同部位的能力在一定程度上能够解释其对遮荫的适应性机制。Roux等(2001)研究桃(Prunus persica)发现,随着光照强度的增加其叶氮分配到羧化作用(NC)和更新作用(NB)相应增加。本研究结果显示,遮荫处理的香榧叶片的NC,NB和NT均显著高于不遮荫处理,且在75%遮荫水平达到最大值,表明在此种遮荫处理下分配到光合器官的氮素最多,这从PNUE的结果可进一步证实。然而当遮荫达到90%时,尽管NM显著高于75%遮荫水平,而分配到NC,NB和NT的叶氮显著低于75%遮荫水平,这可能是重度遮荫处理下叶片光合速率低的主要原因。

4 结论

与不遮荫处理相比,遮荫处理能明显改善香榧苗期的生长。不遮荫处理下的香榧苗高、地径和生物量均明显小于其他遮荫处理。随遮荫程度的增加,香榧苗木的生物量、叶片的Pmax均呈先增加后减小的趋势,其中75%遮荫处理的生物量最大； 且其根冠比呈逐渐降低的趋势,表明遮荫处理使香榧苗木把更多的生物量分配到地上部分以便获取更多的光能,过度遮荫会导致光合作用下降,生物量合成减少。不遮荫处理下的香榧叶片的NT显著低于遮荫处理,其中75%遮荫下的NT显著高于50%和90%遮荫水平； 且75%遮荫下的NC,NB和PNUE最大,表明75%遮荫水平使香榧将更多的氮素分配到光合机构中,明显提高的氮的利用率。因此,75%遮荫处理最适宜香榧苗期的生长。

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