大叶丹参(Salvia miltiorrhiza Bunge) 为唇形科(Lamiaceae) 鼠尾草属(Salvia) 植物，主要分布于贵州、浙江、河南、四川等省份，其根茎有重要药用价值，具有降血压、抑炎、保护听力等功效^[1]。较高的药用价值使丹参的市场需求量不断增加，随着野生丹参减少以及丹参利用增加导致市面上销售的丹参九成以上皆为人工栽种，巨大的市场使丹参被广泛引种栽培^[2]。目前，对丹参的研究主要集中在作物与丹参复合经营^[3]、遮阴胁迫下的光合特性^[4]、地理分布与适宜生境方面^[2]等方面，对不同生境中丹参的光合特性尚未见报道。李麒^[5]研究发现，丹参叶片生长情况与地下根茎有效成分含量呈正相关。因此，研究叶片在不同生境下的表型性状与光合特性是探究丹参光利用效率与地下部分生长情况的有效途径。

林药种植是将适宜林下生长的药用植物栽种至林间进行野生化栽培^[6]。该模式不仅具有高收益的经济价值，还具有土壤肥力高、林地光能利用率高的生态价值，同时还具有环境满意度高、产品商品率高的社会价值^[5]。药用植物的一切生理活动受遗传特性与生境因子影响^[7]，不同的生境条件对其生长和生理特性可产生不同的影响。林缘(LY)、林隙(LX) 和林内(LN) 为3种典型林下生境，研究表明，3种生境在微气候(光合有效辐射、空气温度、地面温度)^[8]以及土壤理化性质(土壤含水量和土壤元素分布)^[9]等影响植物生长的因素差异显著。光合作用是植物生长的基础，叶片是进行光合作用的主要场所，叶表型可影响光合作用面积和植物生长过程中的资源分配，植物会根据生境特点改变叶片的形态特征来更好地适应生境^[10]。鉴于此，本研究以贵州省分布面积最广的马尾松(Pinus massoniana Lamb.) 林自然形成的3种典型生境，即LY、LX和LN为例，模拟大叶丹参野外生长环境，研究大叶丹参的叶片表型、光合色素含量、气体交换参数以及光合-光响应曲线的特性，探讨大叶丹参在不同林下生境中的光合特性，用以揭示大叶丹参对马尾松林下不同生境的适宜性，为大叶丹参林下仿野生种植、提高喀斯特地区针叶林单位面积的经济效益、充分利用林下土地资源以及发展林下药材种植提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

研究区位于贵州省贵阳市贵州大学林学院试林场(106°39′N，26°27′E)，海拔1 116 m，该区气候类型为亚热带高原季风湿润气候，年平均气温15.3 ℃，年平均降水量1 174.7 mm，全年积温3 700~4 710 ℃，无霜期约270 d，土壤为黄壤，林分类型为马尾松人工林，马尾松平均胸径21 cm，平均树高11 m，林龄20 a，林下主要灌木为油茶(Camellia oleifera Abel.)。3种生境LY、LX、LN为马尾松林下3块相邻平地，在不同生境中各设置1.5 m×1.5 m的样地3块，种苗经过贵州大学林学院李志博士鉴定为大叶丹参。2021年5月, 将同年2月播种的大叶丹参移栽于3种林下生境中，种植间隔距离为0.3 m×0.3 m，各生境面积约30 m²，大叶丹参样地位于生境中心区。LY、LX和LN的林分郁闭度分别为15%、50%和75%，林分密度分别为45、75和156株·hm^-2。

1.2 环境因子测定

选择晴朗天气，8:00—18:00用光合有效辐射仪(3415FQF) 在不同生境的3块样地中心标记固定点测定不同生境的光合有效辐射(photosynthetic effective radiation，PAR)，每2 h测定1次，每个固定点每次测定3次；温湿度记录仪(DS1923) 放置于每个生境中心，每2 h采集大气温湿度(atmosphere temperature，T_n)。各生境在3块样地中心分别取1个点，除去2~3 cm的表层土后用环刀采集0~20 cm土芯，同时用土壤三参数速测仪(TDR-350) 测定土壤含水量。用全自动间断分析仪(Clever Chem 380) 测定土壤钙、镁含量，用滴定法测定土壤有机质含量^[11]。

1.3 叶表型及光合色素含量测定

2021年9月，在不同生境的3块样地中心分别选择株高约45 cm，地径约2 cm，长势良好、无病虫害的大叶丹参，每块样地选择3株，每株取顶端向下第3、4片功能叶作为研究材料。用游标卡尺(EMKC150) 测量叶柄长，用便携式叶面积仪(AM350) 测定叶长和叶宽，计算叶周长和比叶面积。准确称取各生境中弃去粗脉后的大叶丹参新鲜叶片0.1 g各3份，将叶片裁剪成2 mm×1 mm的碎条置于试管中，放入丙酮和体积分数为95%的酒精混合液(V_丙酮∶V_酒精=2∶1) 中，遮光24 h后提取叶绿素a (chlorophyll a，Chl a)、叶绿素b (chlorophyll b，Chl b) 以及类胡萝卜素(carotenoid，Car) 含量，并计算总叶绿素(total chlorophyll，Chl t) 含量。

1.4 光合参数测定

2021年9月，8:00—18:00用便携式光合测定仪(Li-6400)，在各样地中心选择1株大叶丹参作为光合参数测定材料，每株取顶端向下第3、4片功能叶作为研究材料，各生境分别测定3次。开放气路，测量大叶丹参净光合速率(net photosynthetic rate，P_n)、蒸腾速率(transpiration rate，T_r) 和气孔导度(stomatal conductance，G_s) 以及读取系统自动同步记录的空气相对湿度(relative humidity，RH)，并计算气孔限制值(stomatal limitation，L_s) 等指标。每个叶片重复3次，结果取平均值，上午9:00—11:00测定光合-光响应曲线，控制叶室CO₂浓度为(390±10) μmol·m^-2·s^-1，叶室温度为(25±0.5) ℃，设定叶室中PAR分别为2 000，1 800，1 600，1 400，1 200，1 000，800，600，300，200，100，50，0 μmol·m^-2·s^-1，利用Photosynthesis 1.0软件计算得出大叶丹参的暗呼吸速率(dark respiration rate，R_d)、光补偿点(light compensation point，L_cp)、光饱和点(light saturation point，L_sp)、最大净光合速率(maximum net photosynthetic rate，P_max) 以及表观量子效率(apparent quantum yield，AQY)。叶子飘等^[12]对比了3种拟合模型，发现丹参的光合-光响应曲线与直角双曲线修正模型模拟程度最高，所以光合-光响应曲线采用直角双曲线修正模型进行拟合，计算公式如下：

$ P_{\mathrm{n}}=\alpha \frac{1-\beta I}{1+\gamma I} I-R_{\mathrm{d}} $

(1)

式中：P_n表示净光合速率(μmol·m^-2·s^-1)；α为光合-光响应曲线的初始斜率；β和γ为系数；I为光合有效辐射(μmol·m^-2·s^-1)，R_d为暗呼吸速率(μmol·m^-2·s^-1)。

$ L_{\mathrm{s}}=1-C_{\mathrm{i}} / C_{\mathrm{a}} $

(2)

式中：L_s为气孔限制值，C_i为胞间CO₂浓度(μmol·mol^-1)，C_a为大气环境CO₂浓度(μmol·mol^-1)。

1.5 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2013软件整理原始数据，用IBM SPSS 26.0软件对数据进行单因素方差分析(ANOVA，a=0.05) 以及进行皮尔逊(Pear-son) 相关性分析。用Origin 2018 (Origin Lab) 软件绘图，用Photosynthesis 1.0软件拟合光合-光响应曲线。

2 结果与分析 2.1 马尾松林下不同生境的环境因子差异

马尾松林下不同生境的土壤理化性质和空气相对湿度如表 1所示，土壤理化性质仅土壤含水量差异不显著，LN的土壤有机质含量与LY、LX差异显著(P＜0.05)，但LY和LX的土壤有机质含量差异不显著；LY的土壤钙含量与LX、LN差异显著(P＜0.05)，但LX与LN的土壤钙含量差异不显著(P＜0.05)，LY、LX和LN的土壤镁含量差异显著(P＜0.05)；马尾松林下不同生境的RH差异不显著。

马尾松林下不同生境的光合有效辐射和大气温度日变化如图 1所示，不同生境PAR早晚较低，早晨8:00在LY中PAR为16.6 μmol·m^-2·s^-1，LX为28.2 μmol·m^-2·s^-1，LN为10.4 μmol·m^-2·s^-1；之后迅速上升，到12:00左右达到最大值，在LY中PAR为600.4 μmol·m^-2·s^-1，LX为821.6 μmol·m^-2·s^-1，LN为136.6 μmol·m^-2·s^-1，LX的PAR分别是LY和LN的1.37和6.01倍；此后逐渐减小，到18:00左右，在LY中PAR为13.4 μmol·m^-2·s^-1，LX为13.6 μmol·m^-2·s^-1，LN为4.2 μmol·m^-2·s^-1。T_n随着时间变化的变化趋势基本与PAR一致，呈“单峰”曲线。马尾松林下不同生境T_n的日变化分别为LY为19.19~24.55 ℃，LX中T_n为19.68~27.53 ℃，LN的T_n为19.55~23.65 ℃，均在14:00左右达到一天中最大值。马尾松林下不同生境PAR与T_n的大小都是LX>LY>LN。

2.2 马尾松林下生境对大叶丹参叶表型的影响

马尾松林下不同生境对大叶丹参叶表型的影响如表 2所示。除叶宽外(P>0.05)，各生境间大叶丹参叶片形态特征的差异显著(P＜0.05)，尤以LX与LN之间差异最为明显。马尾松林下不同生境大叶丹参的叶长、叶宽、叶柄长、叶周长和比叶面积大小均表现为LX>LY>LN，说明LX的大叶丹参叶片长势最好，LY次之，LN最差。

2.3 马尾松林下生境对大叶丹参叶片光合色素的影响

马尾松林下不同生境对大叶丹参叶片光合色素含量的影响如表 3所示。不同生境中大叶丹参叶片的Chl a、Chl b、Chl t和Car含量高低均表现为LY>LN>LX，且具有显著差异(P＜0.05)，说明不同生境对大叶丹参叶片光合色素含量具有显著影响。

2.4 马尾松林下生境对大叶丹参光合参数的影响

马尾松林下不同生境对大叶丹参光合参数日变化的影响如图 2所示。从图 2(a)可以看出，不同生境大叶丹参的P_n日进程均呈典型的双峰曲线，第1峰在10:00左右，第2峰在14:00左右，但最高峰值出现时间点不同。LY和LN的P_n最高峰值在14:00左右，其值分别为6.92和6.46 μmol·m^-2·s^-1，第1峰值分别为第2峰值的89%和77%。LX的P_n最高峰值在10:00左右，其值为7.44 μmol·m^-2·s^-1，第2峰值为第1峰值的87%。LN大叶丹参在8:00—12:00的P_n曲线较平缓，峰顶较不明显。LX的大叶丹参由于有较强PAR，其日平均P_n最大，为5.51 μmol·m^-2·s^-1，其次是LY，为4.55 μmol·m^-2·s^-1，LN最低，为4.12 μmol·m^-2·s^-1。从图 2(b)可以看出，马尾松林下不同生境中大叶丹参的T_r日进程呈单峰曲线，但峰值出现的时间不同，LY、LX和LN的T_r日进程最高峰分别出现在10:00、14:00、12:00。比较不同生境大叶丹参的日平均T_r，其大小表现为LN>LX>LY。大叶丹参T_r在午间过后迅速下降，可能是因为午间PAR增强、T_n升高，导致叶片气孔部分关闭。从图 2(c)可以看出，马尾松林下不同生境中大叶丹参的C_i日进程呈“V”形变化趋势。马尾松林下LY和LX生境中大叶丹参的C_i在10:00—14:00迅速下降；在LN的变化较缓和，但整体也是呈先下降后上升趋势。这是因为CO₂是植物进行光合作用的主要原材料之一，当植物P_n较大时，所需的CO₂增加，从而引起C_i降低。不同生境大叶丹参的C_i均在14:00左右降到最低值，比较不同生境日平均C_i，其大小表现为LN>LY>LX。从图 2(d)可以看出，马尾松林下不同生境中大叶丹参的G_s日进程呈单峰曲线。3种生境的峰值均出现在10:00左右，比较不同生境日平均G_s，其大小表现为LX>LN>LY。以上结果表明，马尾松林下3种生境的大叶丹参都出现了“午休”现象，LX与LY“午休”现象比LN明显。

2.5 马尾松林下生境对大叶丹参光合-光响应曲线的影响

马尾松林下不同生境大叶丹参的光合-光响应曲线如图 3所示。当PAR为0~800 μmol·m^-2·s^-1时，大叶丹参的P_n随PAR增大而迅速上升。在LY生境中，大叶丹参的P_n在PAR处于800~2 000 μmol·m^-2·s^-1范围时，一直处于平稳状态。在LX生境中，当PAR处于800~1 200 μmol·m^-2·s^-1时，随着PAR增大，大叶丹参的P_n增速逐渐减小；当林下生境的PAR为1 200~2 000 μmol·m^-2·s^-1时，大叶丹参的P_n开始下降。在LN生境中，当PAR处于0~2 000 μmol·m^-2·s^-1时，大叶丹参的P_n随PAR增大而增大。以上结果表明，LY的大叶丹参未出现明显光抑制现象，LX的大叶丹参出现了光抑制现象，LN的PAR强度不能满足大叶丹参光合作用对PAR的需求。

马尾松林下不同生境大叶丹参叶片的光合参数如表 4所示，R_d与L_cp大小均为LN>LY>LX，且LN与LY、LX具有显著差异(P＜0.05)。不同生境中大叶丹参的L_sp和P_max大小均为LX>LY>LN。AQY则是LY最高，LX次之，LN最低。以上结果表明，LX中大叶丹参对光合有效辐射利用范围广、呼吸消耗小最有利于物质积累。

2.6 马尾松林下不同生境大叶丹参光合参数与环境因子的关系

马尾松林下不同生境大叶丹参光合参数与环境因子间的相关性分析结果(表 5) 表明，3种生境中与P_n相关性最大因子为T_r，且LX与LN中大叶丹参P_n与T_r均呈显著正相关(P＜0.05)；其次是L_s, 但均表现为负相关性，其中，LN大叶丹参P_n与L_s的相关性达显著水平(P＜0.05)，表明T_r对P_n具有强烈促进作用，L_s对P_n具有限制作用。LY大叶丹参的G_s与Chl a、Chl b、Chl t含量呈正相关，LX大叶丹参的G_s与Chl b、Chl t、Car含量呈显著负相关(P＜0.05)，LN大叶丹参的G_s与Chl b、Chl t含量呈显著正相关(P＜0.05)，表明LY与LN的大叶丹参叶片色素含量与G_s之间相互促进，LX则相反。

3 讨论

叶绿体是植物合成光合色素的主要场所，PAR是影响植物叶片光合色素含量以及叶片生长的重要环境因子^[13]。本研究中，LX大叶丹参叶长、叶宽、叶面积和比叶面积等都优于LY与LN，即LX生境下大叶丹参叶片的生长状况最优，这与彭晓邦^[14]对商洛丹参的研究结果相符。植物叶片中Chl a、Chl b、Chl t和Car含量均随PAR减小而上升^[13]，这是因为LN林分郁闭度高，PAR较小，在一定程度上缓解了因植物叶片水分供应不足和强烈的太阳辐射胁迫所引起的副作用，有助于叶绿体中光合色素的合成。同时，叶片在低光照下单位叶面积的叶绿体数目减少，单位质量内叶绿素含量升高，促使大叶丹参合成更多的光合色素以应对这一相对劣势生境，这与彭晓邦等^[15]在农林复合生态系统中对丹参光合色素变化的研究结果相符。LN大叶丹参的光合色素含量较高，但P_n依旧低于LY与LX，说明在LN生境中PAR是大叶丹参光合作用的限制因子，影响了大叶丹参的光合速率和物质积累。

生境条件对植物生长过程有着重要的诱导与胁迫作用，探究不同生境对植物生长的影响机制具有重要意义^[16]。由于不同生境中光、热和土壤有机质含量等因子具有差异，其中光因子的影响最为显著，因此，不同生境中大叶丹参的P_n差异较大。大叶丹参P_n的日变化呈双峰曲线，其“午休”现象明显，这是由于亚热带地区夏季T_n和PAR很高，但上午T_n相对较低，叶片含水量充足，P_n随着PAR和T_n增大而升高，到10:00左右出现第1个峰值，此后随着PAR、T_n继续增大，P_n反而下降。在午后，随着PAR、T_n减小，P_n逐步回升，到14:00左右出现第2个峰值。光合“午休”现象是植物在长期进化和竞争过程中形成的一种环境适应机制，其影响因素主要有气孔因素、非气孔因素以及气孔和非气孔因素的共同作用^[17]。在10:00—12:00，LY与LX大叶丹参叶片的P_n、G_s和C_i均呈同步下降的趋势，说明气孔导度降低限制了外界CO₂进入叶肉细胞，使得碳同化原料不足，导致P_n降低，因而归结为气孔限制；相反，在LN大叶丹参叶片的P_n和G_s呈下降趋势，而C_i呈上升趋势，该现象可归结为非气孔限制^[18]。

通常情况下，阴性植物L_cp低于20 μmol·m^-2·s^-1，L_sp在500~1 000 μmol·m^-2·s^-1或者更低，阳性植物L_cp在50~100 μmol·m^-2·s^-1，L_sp在1 500~2 000 μmol·m^-2·s^-1或更高^[19]。本研究中，大叶丹参的L_cp为7~63 μmol·m^-2·s^-1，L_sp为800~1 300 μmol·m^-2·s^-1，所以大叶丹参是既喜光又耐荫的植物，这与张力文等^[20]对丹参光合特性的研究结论相符。LX大叶丹参的PAR较高，因为LX增加了阳光到达森林下层的持续时间的同时也提高了生境内的PAR^[18]。李倩等^[21]通过对丹参与环境因子之间的灰色关联度分析得出，年日照时长与丹参根长和根系干重的灰色关联度最大。LX生境在为大叶丹参生长发育期间提供充足光能的同时，其林木又给予大叶丹参适当的荫蔽环境，因此，LX大叶丹参的R_d和L_cp最低、L_sp最高，对光能的利用率高，同时呼吸消耗低，利于有机物的积累^[22]。

植物光合作用过程复杂，受PAR、T_n和RH等外界环境因子的直接影响，同时这些因子通过影响植物生理因子(T_r、C_i和G_s等) 间接影响P_n，其中PAR和T_n为主要影响因子^[23]。P_n是衡量植物光合作用能力的直接指标，在相同条件下，叶片P_n越高，其光合能力越强，叶片结构和功能状况对环境适应性越强^[24]。3种生境中与P_n相关性最大的因子均为T_r，且在LX与LN中具有显著正相关(P＜0.05)，与P_n相关性较大的因子均为L_s，且在LN下具有显著负相关(P＜0.05)。LN大叶丹参的P_n下降为非气孔因素，LN生境中导致大叶丹参叶片P_n下降的原因应为低温弱光，LN的T_n虽低于LY与LX，但依旧适宜大叶丹参生长，因此，PAR是影响大叶丹参林下种植的主要环境因子^[25]。G_s在3种生境中与叶片色素含量相关性不同[LY与LN呈显著正相关(P＜0.05)，与LX呈显著负相关(P＜0.05)]，这是因为G_s对叶绿素含量具有某种程度线性或非线性的依赖性。除此之外，G_s还与其他形态或生理指标有关。

4 结论

3种生境中大叶丹参叶片的P_n、L_sp、叶长、叶宽、叶柄长、叶周长和比叶面积大小均表现为LX>LY>LN，色素含量高低均表现为LY>LN>LX，L_cp和R_d的大小均表现为LN>LY>LX。LN大叶丹参叶片虽具较高的色素含量(Chl a、Chl b和Car) 用于维持生长，但其叶长、叶宽、叶柄长和比叶面积等均低于LY与LX，同时其P_n最低，L_cp最高，不利于有机物积累，说明当针叶树林分郁闭度达到75%及以上时不适宜种植大叶丹参。LX生境大叶丹参叶片生长情况优，其P_max和L_sp高、L_cp和R_d低，对光能利用率高，有利于地下根茎的生长。因此，林下种植大叶丹参的适应生境依次为LX>LY>LN。实际生产中，可以通过修枝和间伐等措施，改善林下PAR和温度条件，营造有利于大叶丹参生长的生境条件，为林下大叶丹参生长和产量提高提供保障。