光合作用是影响植物生长发育的重要生理过程，光合生理特性在一定程度上能够体现植物对生境的响应，表征植物适应性和抗性^[1]。光照强度、水分、温度、CO₂浓度和土壤养分等均是影响光合作用的重要因素^[2], 其中，土壤养分是影响植物光合生理特性的关键生态因子。已有研究表明，土壤水肥变化会影响亚热带人工林幼树叶片光合速率和生物量分配格局^[3]。不同荒漠化逆转阶段常见植物的光合作用易受氮(N)和磷(P)胁迫，降低植物对生境的适应性^[4]。在缺磷环境下, 刺槐通过上调碳酸酐酶活力来提升HCO₃^-利用能，改善气孔导度，以保持较好的光合能力^[5]。氮和钙(Ca)浓度较低时会减少杨树(Populus euramericana)光合色素及光合产物累积^[6]。钙和镁(Mg)等含量过高导致钾(K)的吸收作用受到抑制，影响气孔的打开和关闭，造成水分流失^[7]。因此，土壤养分供应不平衡会影响植物的生理变量，导致土壤养分对物种的生理特性呈现不同的响应特征。

林龄是影响生态系统结构和功能的重要因素^[8]，反映植物发育状况及对营养物质的吸收与利用能力。林龄变化过程调控着植物与环境的关系^[9]，改变了林分结构、生境和群落组成。开展土壤养分与光合生理特性研究，可以阐明土壤养分元素与光合参数之间的关联性，揭示个体生长及生态系统结构和功能变化规律。一方面，随着林龄变化，土壤养分具有差异性，如刺槐(Robinia pseudoacacia)林土壤养分随林龄变化速效氮(available nitrogen，AN)含量降低，速效磷(available phosphorus，AP)增长不显著^[10]；巨尾桉(Eucalyptus urophylla)林对土壤养分的需求随林龄逐渐增加，其养分含量随林龄增加而减少^[11]。另一方面，植物光合特性也受林龄影响, 例如，柠条(Caragana intermedia)的植物水势和光合能力随林龄增长而下降，其可能减缓植株生长速率^[12]；常绿林的净光合速率随林龄增长而降低，而落叶林的净光合速率随年龄的增加而升高^[13]；温带针阔混交林不同林龄物种气孔特征在物种和植物功能群之间差异显著，表征植物功能群适应环境的不同策略^[14]。由此可见，土壤和光合是理解生态功能多样性的关键^[15]，其交互效应在一定程度上能指示调节养分供应和提高生产力^[13]。

顶坛花椒(Zanthoxylum planispinum var. dintanensis)是竹叶椒(Zanthoxylum planispinum)的一个变种^[16]，具有独特的药用、食用价值和生态功能^[9], 作为喀斯特高原峡谷生态恢复最重要的先锋树种^[17]，在石漠化治理和经济建设中发挥着关键作用。但近年来，顶坛花椒出现生长减缓，生命周期短，产量下降以及植株枯死等生长衰退趋势^[18]，限制顶坛花椒产业规模发展。为减缓植株衰退现象，通过调控土壤养分含量来增强花椒光合作用，提升顶坛花椒活力，延长生命周期。本研究选取5~7、10~12、20~22和28~32年生4个林龄级的顶坛花椒人工林为对象，通过光合特性分析，阐明顶坛花椒人工林光合特性随林龄的变化规律，探究叶片光合参数之间的耦联关系，揭示不同林龄顶坛花椒林土壤养分对光合能力的驱动效应，以期为顶坛花椒人工林栽培管理提供理论依据。

研究区位于贵州省安顺市关岭县花江镇坝山村(105°41′30.09″E、35°39′49.64″N)，为典型的干热河谷石漠化区，属河谷地形，海拔530~1 473 m，高差943 m，地下水资源丰富。该区气候为干热河谷气候，年平均气温18.4 ℃左右，年平均降水量1 100 mm，季节分配不均匀，降雨多集中夏季。石漠化类型以中度和强度为主，基岩裸露率高，地表破碎，土壤贫瘠，土壤以石灰土为主，植被覆盖率低，以天然次生林和顶坛花椒人工林为主。

于2021年5月顶坛花椒旺盛生长期，在研究区内选取土壤类型、海拔、立地条件等相似的顶坛花椒人工林，根据种植年限，选取幼龄林(5~7年生)、中龄林(10~12年生)、成熟林(20~22年生)、老龄林(28~32年生)4个林龄级顶坛花椒人工林设置典型样地(表 1)。在每个林龄中设置3个10 m×10 m的标准样方，累计12块样方，每块样方之间的缓冲距离>5 m。该区不同林龄顶坛花椒人工林经营方式相同，均采取整形修枝、水肥协同供应等技术进行管理，以此保证不同林龄顶坛花椒林外部环境一致，使试验设计不受外部条件影响。花椒种植采用“见缝插针”的方式，其密度、平均树高和平均冠幅分别为500~1 200株·hm^-2、3~4 m和3 m×3 m~4 m×4 m。随林龄增长，植被覆盖率呈现递减趋势。

前期在每个标准样方内，按照“S”型布点法选择5个采样点，去除凋落物及砂石杂质后，采集0~20 cm土层样品，获得约500 g混合样品；带回实验室自然风干、研磨后，分别过0.15、2.00 mm筛，将筛好的土样保存于密封袋中，并做标记，放置阴凉处备用。土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)含量采用重铬酸钾-外加热法测定；全磷(total phosphorus, TP)和速效磷(available phosphorus, AP)含量分别采用高氯酸-硫酸消煮-钼锑抗比色-紫外分光光度法和盐酸-氟化氨提取-钼锑抗比色法测定；全氮(total nitrogen, TN)和速效氮(available nitrogen, AN)含量分别采用半微量凯氏定氮法和碱解扩散法测定；全钾(total potassium, TK)和速效钾(available potassium, AK)含量分别采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法和乙酸铵溶液浸提-火焰光度计法测定^[19]。全钙(total calcium, TCa)、全镁(total magnesium, TMg)和全铁(total iron, TFe)含量依据DZ/T0258—2014区域地球化学调查规范(1∶250 000)测定^[20] (表 2)。

试验于2021年5月1—5日的晴天进行，使用Li-6800(LI-COR lnc Nebraska, USA)光合仪测定花椒叶片光合特性。在各个林龄中选取生长发育良好的3株植株，各选取3片健康、成熟的叶片测定光合参数。设定叶室温度为27 ℃，外界CO₂浓度为400 μmol·mol^-1，相对湿度为55%，红蓝光源光强设置为2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、60、40、20、0 μmol·m^-2·s^-1。待设定参数稳定后测定不同林龄顶坛花椒林的净光合速率(net photosynthetic rate, P_n)、蒸腾速率(transpiration rate, T_r)、胞间CO₂浓度(intercellular CO₂ concentration, C_i)和气孔导度(stomatal conductance, G_s)；使用叶子飘双曲线修正模型拟合光响应曲线及其他参数，得出光响应曲线的光饱和点(light saturation point, LSP)、光补偿点(light compensation point, LCP)、暗呼吸速率(dark breathing rate, R_d)、表观量子效率(apparent quantum efficiency, AQY)、最大净光合速率(maximum net photosynthetic rate, P_n，max)和相关系数(R²)等，利用公式计算水分利用效率(water use efficiency, WUE)=P_n/T_r。

在各林龄中选取生长发育良好的花椒3株，各选取2片健康、成熟的叶片，共计24片。使用手持式叶绿素仪(TYS-4N，北京中科维禾科技发展有限公司)测定叶绿素SPAD值(chlorophyll SPAD value)值，测定时尽量避开叶脉部分，重复测定3次，结果取平均值。

数据经Excel 2016软件初步整理后，得出土壤养分数据以及光合参数的数值，借助SPSS 22.0软件的单因素方差分析(one-way analysis of variance，one-way ANOVA)方法检验光合参数在不同林龄顶坛花椒林之间的显著性差异，数值用平均值±标准差表示。运用Pearson相关系数法检验叶片光合特性的相关性。土壤养分采集于2020年7月，该时段是顶坛花椒采摘后新一季生长的起始时间，其养分水平代表花芽分化前期的土壤肥力状况，可作为评估生长、产量和品质形成的重要基础。光合生理测定时间为次年5月，为旺盛生长期，运用Canoco 4.5软件的冗余分析方法(redundancy analysis, RDA)分析土壤养分和光合特性之间的关系，可以厘清土壤养分条件对光合能力的影响。使用Origin 8.6软件制图。

5~7、10~12、20~22和28~32年生4个林龄级顶坛花椒人工林叶绿素SPAD值依次为40.58、37.95、40.62、39.68，其值虽随林龄增加呈波动趋势，但变幅较小，未达显著差异(P＞0.05)。

	图 1 不同林龄级顶坛花椒人工林叶绿素SPAD值 Fig. 1 Chlorophyll SPAD value of Z. planispinum var. dintanensis plantations of different stand ages
图选项

由图 2可知，4个林龄级顶坛花椒人工林的P_n、G_s和T_r均随着光合有效辐射(photosynthetically active radiation，PAR)持续升高后趋于平稳，10~12年生花椒的P_n(11.16 μmol·m^-2·s^-1)、G_s(107.24 μmol·m^-2·s^-1)和T_r(2.11 μmol·m^-2·s^-1)最高；WUE前期呈线性增长达到饱和点后趋于平稳，5~7年生花椒的WUE最高，28~32年的最低；虽然10~12年生花椒是中龄林，但WUE却略低于成熟林；C_i曲线则与其他曲线相反，随着PAR升高其曲线持续下降后呈波动状态，但波动幅度较小，其28~32年生花椒的C_i(271.25 μmol·mol^-1)最高，是最低值(5~7年的为193.11 μmol·mol^-1)的1.4倍。

	图 2 不同林龄级顶坛花椒叶片Pn、Tr、Gs、Ci和WUE响应曲线 Fig. 2 Response curves of Pn, Tr, Gs, Ci, and WUE in the leaves of Z. planispinum var. dintanensis plantations of different stand ages
图选项

通过双曲线修正模型拟合可得出光响应曲线相关参数(表 3)，模型的决定系数(R²)均在0.900以上，表明该模型可以很好地拟合4个林龄级顶坛花椒人工林的光响应过程。AQY随林龄增加而升高，均未呈显著差异；P_n，max在12.70~19.00 μmol·m^-2·s^-1之间，在4个林龄级之间差异不显著；LSP以10~12年生的最高，20~22年生的最低，二者均与5~7、28~32年生的存在显著差异；LCP以10~12年生的(11.48±0.74) μmol·m^-2·s^-1为最高，与其他3个林龄级呈显著差异，但5~7、20~22和28~32年生的之间无显著差异；R_d在0.12~0.74 μmol·m^-2·s^-1之间，5~7、20~22和28~32年生的之间差异不显著，但均与10~12年生的呈显著差异，表明林龄对光响应曲线相关参数具有显著影响，但均未随林龄增加而呈规律性变化。

对不同林龄级顶坛花椒人工林光合特性指标值进行Pearson相关性分析表明(表 4)，P_n与T_r、C_i、P_n，max和G_s的相关系数达到了极显著水平(P < 0.01)，与LCP、R_d的相关性达到了显著水平(P < 0.05)，表明P_n，max很大程度上依赖于P_n、G_s等光合参数；LCP与R_d的正相关性大于其与P_n、G_s的相关性，表明R_d对LCP变化最敏感；R_d与P_n和G_s之间存在显著正相关性，反映了R_d与P_n和G_s之间相互促进；G_s、C_i和T_r与P_n的相关系数达到了极显著水平(P < 0.01)，表明G_s、C_i和T_r与P_n的关系密切；G_s与C_i之间呈极显著增强效应，表明G_s与C_i间存在一定协调性；WUE与C_i呈反向作用效应，暗示了WUE的增加抑制了C_i的形成；T_r与G_s、C_i之间呈正相关性，与WUE呈负相关性，T_r越高，WUE就越低，表明二者之间存在权衡关系。

将土壤养分因子作为解释变量，叶片光合生理参数作为土壤养分的响应变量，通过RDA分析，前两轴解释量之和为77.8%，说明其可以很好地解释土壤养分与光合特性的关系(图 3)。叶片的T_r和C_i与土壤TK、TCa和TP为显著正相关，叶片P_n、G_s与土壤TMg、TN等全量养分之间存在显著正相关性，但均与AP、AN和AK等速效养分之间呈负相关性，说明全量养分与光合作用主要呈协同关系，而速效养分则以权衡关系为主；土壤AP、AN、AK、TFe、SOC与叶片的WUE、叶绿素SPAD值之间的相关性较强，暗示其通过影响植物体内的能量代谢过程来调控生长发育速率；土壤TCa、TMg与叶片的LSP、P_n，max和R_d为正相关，说明喀斯特地区特征元素Ca与Mg对光合速率影响较强；土壤TP与叶片的LCP、AQY存在显著增强效应，而土壤AP、AN和AK的影响则相反，暗示全量养分对LSP、P_n，max和AQY等光响应曲线相关参数影响较大，而速效养分的影响偏低。综上结果表明，土壤养分因子与光合参数之间的相关性很强。

	图 3 土壤养分与光合特性关系的冗余分析排序 Fig. 3 Redundancy analysis sequence diagram of the relationship between soil nutrients and photosynthetic characteristics
图选项

喀斯特区生境异质性强，植物在生长过程中，需要不断调整光合生理性状以适应资源环境的变化^[21]。P_n、G_s和T_r等是评价植被生长发育、物质生产及水分消耗状况的主要光合生理特性因子^[22]，该区10~12年生花椒的P_n、G_s和T_r显著高于其他林龄级的，而WUE、C_i和SPAD值却略低于其他3个林龄级。究其原因是幼龄林扎根浅，生理代谢速率较低，光合能力较弱；中龄林为旺盛生长期，蒸腾与光合作用较强；成熟林采取保守生长策略以适应干热河谷环境，导致光合能力降低；老龄林则可能是应对环境胁迫的能力较强，对G_s、C_i和T_r产生较强的调控作用^[23]，从而影响植物的光合特性，这或许也是植物抵御衰退的一种机制。

WUE体现光合同化物的水分流失率和抗旱性^[24]，该区幼龄林和成熟林的WUE更高，原因是幼龄林和成熟林通过调节气孔形态降低蒸腾速率^[25]，选择“节流”策略来适应干旱胁迫^[26]；中龄林具有较高的P_n、G_s和T_r，对水分消耗能力较强；老龄林可能是叶片衰老而产生光抑制现象，减弱植物对水分的吸收利用能力。叶绿素是光合作用的重要物质基础，叶绿素含量越多表明植物耐阴能力越强^[27]，20~22年生花椒的叶绿素SPAD值高于其他3个龄级，暗示其耐阴能力比其他林龄级的强，但是总体光合能力较差，这可能是成熟林土壤中的水分含量优于其他林龄级，形成了相对较高的叶绿素SPAD值，但其采取保守生长策略以延缓植物生长，导致光合作用总体较差。

AQY表征植物吸收和转换自然光的能力，值越高表明植物叶片的光能利用能力越强^[28]。在本研究中，AQY虽无显著差异，但数值上呈现出随林龄增加而升高的趋势，说明在同一生境下高林龄级光能利用效率比低林龄级强，原因可能是顶坛花椒在适应环境过程中逐渐形成适于自身生长发育的生理生态特性^[29]，高林龄级对低光量子胁迫的耐性强于低林龄级。一般来说，LSP越高，植物对有机质的积累量越多，LCP越低，植物利用弱光的能力越强^[29]。本研究中，10~12年生的LSP最高，28~32年生的LCP最低，表明中龄林的物质积累量高于其他林龄级，老龄林对弱光的利用能力强于其他林龄级，分析原因为，中龄林在较低光强下进行最大效率光合作用的能力较强，植物有机物积累量多；老龄林根系发达，郁闭度低，受植物生理因素影响，在弱光环境下的生存能力较其他3个林龄级强。R_d较低的植物对光合产物损耗更低^[30]，研究结果显示，10~12年生花椒的R_d最高，对光合产物消耗量较多，这可能是10~12年生花椒处于生命最旺盛的阶段，消耗大量的光合产物以满足生存生长的能量需求。综上，不同生长年限顶坛花椒人工林光合作用随林龄增加未呈规律性变化，虽属同一生境，但各龄级在资源利用方式和光合适应策略上有着显著差异，而这种差异可能利于植物充分利用环境资源。

土壤养分含量影响植物的生长发育、代谢及生理过程^[31]。本研究表明，土壤TCa、TMg、TN、TP和TK等全量养分对P_n、G_s、T_r和C_i等光合参数呈显著正向影响，而土壤AP、AN和AK等速效养分对这些光合参数的影响则为负向，表明土壤养分显著影响植物的光合能力，原因是喀斯特地区生境富Ca、Mg，喜Ca植物的顶坛花椒对环境产生偏好，这也是顶坛花椒适应高钙环境的机制之一。其中：Ca用于细胞壁等器官形成，影响叶绿素含量、蒸腾作用和光合速率等^[32]；Mg可活化二磷酸核酮糖羧化酶，使CO₂浓度稳定，增强植物光合能力^[32]。此外，N限制会降低植物光合器官的敏感性，导致叶面积减少和叶绿素合成受阻，抑制光合产物形成；P和K亏缺会减少植物的呼吸作用和碳代谢能力，降低光利用效率和电子传递速率；速效养分对光合特性的影响偏小，其主要是影响植物根系对养分的吸收利用能力，而对光合速率和净光合作用的影响表现为间接效应。本研究中WUE和SPAD值均受土壤AP、AN、AK、TFe和SOC影响最大，分析原因为：C、N、Fe等养分元素是影响植物WUE和叶绿素含量的主要因子^[33]，结构性元素C亏缺会降低干物质积累，减少光合产物形成，影响植株发育；Fe和Mg是叶绿素的组成元素，影响植物的呼吸作用和叶绿素合成速率，进而显著影响光合作用。因此，在顶坛花椒人工林经营过程中，应提高土壤缓效养分供应能力，以增强植物的光合潜力。

顶坛花椒人工林对石漠化地区的生态恢复起到了重要作用，巩固了石漠化治理成效。但是，近年来植株因受土壤养分元素限制，呈现出生长能力放缓、产量下降甚至枯死等生长衰退现象。为减缓养分亏缺造成的生长抑制，可通过调控土壤养分来提高顶坛花椒光合能力，延缓生长衰退。首先，通过施用有机肥来提高土壤缓效养分供应潜力，有机肥作为全效肥料，含有丰富的大量与微量元素，可增加土壤养分含量，稳定提供植物生长所必需的营养物质，改善植物营养结构^[34]，增强光合作用能力，延缓叶片衰老。其次，应保持较高的土壤微生物活性^[35]，特别是有效微生物活力，其可改善土壤结构及养分循环，增强顶坛花椒获取营养的能力。最后，顶坛花椒的生长发育还易受N、P、K等元素的共同制约，可采取有机肥与化肥配施，增强土壤保肥、保水能力，满足植物生长发育能量需求的同时，提高林分生长速率、P_n和T_r等光合能力，延长光合功能期。

不同林龄顶坛花椒人工林光合特性具有显著差异，但未随林龄增加呈规律性变化；4个林龄级中，10~12年生花椒的光合生理特性对光强响应最敏感，总体光合能力最强，由于对环境资源利用策略不同，其水分利用率和叶绿素相对含量略低于5~7和10~22年生的，对弱光的利用能力略低于28~32年生的。叶片光合参数之间的相关性较强，除WUE与T_r和C_i存在权衡关系以外，其他光合参数之间均为协同关系。土壤养分与光合特性之间存在显著相关性，全量养分对P_n、G_s、T_r和C_i等光合参数的驱动作用较强，速效养分则是对WUE和叶绿素的影响较大，因此，应通过土壤养分供应调控，增强土壤肥力以提高顶坛花椒光合能力，从而延长生命周期。