孟　鵬, 安宇寧， 白雪峰

遼寧省固沙造林研究所, 阜新　123000

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沙地赤松光合及葉綠素a快相熒光動力學(xué)特性

孟鵬*, 安宇寧， 白雪峰

遼寧省固沙造林研究所, 阜新123000

摘要:沙地赤松在科爾沁沙地南緣區(qū)已有50a的引種歷史，但對其生長表現(xiàn)還知之甚少，對其光合生理還一無所知。為深入了解其光合生理特性及機(jī)理，以同齡樟子松為對照，對沙地赤松成熟林分生長指標(biāo)以及光合和葉綠素a快相熒光動力學(xué)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：與樟子松相比，成林階段沙地赤松具有較大的生長量、生物量，這與其較強(qiáng)的光合作用密切相關(guān)。沙地赤松最大凈光合速率Pmax(10.376μmolCO2 m-2s-1)和平均凈光合速率Pn(4.902μmolCO2 m-2s-1)均高于樟子松，且具有較高的光飽和點LSP和較低的光補(bǔ)償點LCP。暗呼吸速率(Rd)較低，導(dǎo)致其光合效率(Pmax/Rd)較高。JIP-測定揭示了沙地赤松較強(qiáng)光合作用的內(nèi)在機(jī)制，在O相至P相范圍內(nèi)，其相對可變熒光值(Vt)總體較低，說明其在電子傳遞過程中耗散能量較低，而用于光化學(xué)的能量較高。比活性參數(shù)進(jìn)一步表明沙地赤松單位激發(fā)態(tài)面積反應(yīng)中心數(shù)目(RC/CSo、RC/CSm)、吸收的光量(ABS/CSo、ABS/CSm)、被反應(yīng)中心捕獲的光量(TRo/CSo)、用于電子傳遞的能量均較高(ETo/CSo)，也因此具有較高的性能指數(shù)，其PI(ABS/CSo/CSm)分別是樟子松的1.42、1.65和1.63倍。顯然在沙地環(huán)境下沙地赤松生長表現(xiàn)和光合性能優(yōu)于樟子松，研究結(jié)果為擴(kuò)大該樹種在沙地上的引種栽培提供了初步的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：科爾沁沙地；沙地赤松；光合特性；快相葉綠素?zé)晒?；動力學(xué)特性

以CO2氣體交換為特征的光合作用是植物的重要生理過程之一，植物的光合性能反映著其對光能的吸收與轉(zhuǎn)換能力，與生長和生產(chǎn)力水平密切相關(guān)。葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)是用于光合作用機(jī)理研究的一種“內(nèi)在探針”，與 “表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比，葉綠素?zé)晒鈪?shù)更具有反映“內(nèi)在性”的特點[1]。通過高速連續(xù)激發(fā)光得到的葉綠素a快相熒光動力學(xué)曲線(OJIP曲線)能全面反映位于類囊體膜上的蛋白復(fù)合體光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的光反應(yīng)過程、效率和結(jié)構(gòu)。典型的OJIP曲線有O、J、I、P等相，通過這些相點的熒光特征可對電子傳遞過程的量子效率等信息進(jìn)行評估，實現(xiàn)無損條件下對植物光合性能的有效監(jiān)測[2- 3]，這種方法被稱為JIP-測定[4]。JIP-測定具有方便、快速、靈敏的特點，活體離體均可測定，不受材料大小和形態(tài)限制[5]。以該技術(shù)為切入點研究一些松屬樹種光合作用內(nèi)在機(jī)理已有報道，比如Busch等探討了班克松(P. banksiana) 的能量耗散機(jī)制[6]，Martínez-Ferri等探討了地中海白松(P. halepensis)和腓尼基刺柏(Juniperus phoenicea)在激發(fā)能捕獲效率及光抑制程度上的差異[7]，Pollastrini等探討了意大利松(P. pinea)在遭受脅迫的初期針葉內(nèi)電子傳遞效率和光合性能[8]，Porcar-Castell等研究了歐洲赤松(Pinus sylvestris,樟子松為其地理變種)春季光合作用恢復(fù)期的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)特性[9]。沙地赤松(P．densiflora)由遼寧省固沙造林研究所(下文簡稱固沙所)于1965年開始陸續(xù)在科爾沁沙地南緣引種栽培，至今已有50年的引種歷史，于2014年被遼寧省林木良種審定委員會審定為赤松優(yōu)良新品種。20世紀(jì)90年代開始，章古臺沙地個別地點引種樟子松林(P. sylvestrisvar．mongolica)就出現(xiàn)了衰退現(xiàn)象，遭受了松枯梢病，外在表現(xiàn)為從底輪枝開始針葉枯黃萎蔫，而同期相同地點引種的沙地赤松則未表現(xiàn)任何衰退特征，感病指數(shù)幾乎為0[10]。2000年和2012年，這里個別地點樟子松林遭受了松毛蟲、松沫蟬及松枯梢病危害，導(dǎo)致樹勢衰弱，而同齡沙地赤松仍表現(xiàn)良好，并可以在沙地上進(jìn)行天然更新。已有學(xué)者開始了赤松光合特性的研究，但多為人工控制環(huán)境條件的盆栽苗期試驗[11]。在光適應(yīng)范圍研究方面，HanQM等人較全面的測定了赤松一級枝在水平和垂直方向上的光梯度，從葉片發(fā)育過程中形態(tài)指標(biāo)的改變揭示了成熟赤松具有較強(qiáng)的光適應(yīng)性[12]，但該研究沒有從葉綠素?zé)晒饨嵌壬钊胩接懝膺m應(yīng)性的機(jī)理。綜上，針對特殊自然生境下赤松成熟林分的研究較少，沙地赤松成熟林分的光合及葉綠素a快相熒光動力學(xué)特性研究還未見報道。

本研究以同齡樟子松為對照，在對成林階段沙地赤松生長指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用光合及JIP-測定相結(jié)合的方法對比二者的光合指標(biāo)，并深入了解沙地赤松的光合機(jī)理，為在沙地環(huán)境下推廣應(yīng)用該針葉樹良種提供一些基礎(chǔ)的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

位于遼寧省彰武縣章古臺鎮(zhèn)固沙所三家子實驗區(qū)，地處42°43′N，122°29′E，海拔226.5m，年均降水量為433mm，蒸發(fā)量1570mm，年均溫6.7 ℃，無霜期154d，≥10 ℃有效積溫2800—3200 ℃。

1.1.1試驗林分

試驗林分建于1976年4月上旬，通過引種栽植2年生實生苗形成了沙地赤松與樟子松兩個同齡的相鄰林分，林分間相距6.0m。兩林分面積分別為2.7hm2(沙地赤松)和2.1hm2(樟子松)，初植株行距為1.0m×3.0m，后經(jīng)歷了相同的撫育和營林措施，于2002年進(jìn)行了一次間伐，株行距變化為2.0m×6.0m。此后由于樟子松遭到了病蟲害，對受害嚴(yán)重的單株進(jìn)行了清除，因此樟子松林密度(701株/hm2)略低于沙地赤松(803株/hm2)。栽植地點為平緩沙地，高程差不超過0.4m。

1.1.2土壤

試驗林建立時，土壤為灰沙土，瘠薄干旱，腐殖質(zhì)含量極低，pH值呈中性。土壤表層20—50cm為灰沙，其下埋有50—100cm不等的黑褐色沙土，最下面則為白沙，沙層厚30m左右。土壤地下水位為3.6m，0—50cm土層土壤含水率年變化很大，在4.0%—8.0%之間。

開展本次研究時，0—50cm土層土壤含水率年變化進(jìn)一步加大，在1.5%—9.5%之間，土壤地下水位下降為5.0m。兩林分間土壤水分條件沒有顯著差異。

1.1.3植被

試驗林建立時該區(qū)植被稀疏，均為一般沙地常見的旱生植物，有的形成群落，有的則不規(guī)律的散生，物種包括黃柳(Salix gordejevii)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)、拂子矛(Calamagrostis epigeios)、堿草(Elymus dahuricus)等。

開展本次研究時，該區(qū)植被類型有所增加，主要是以樟子松、油松(P．tabuliformis)、沙地赤松為主的固沙針葉林，林下有少量伴生植物，包括鼠李(Rhumus parvifolius)、榆樹(Ulmus pumila)、桑樹(Morus alba)、胡枝子、南蛇藤(Celastrus articulatus)、白蘞(Ampelopsis japonica)、錦雞兒(Caragana microphylla)、山里紅(Crataegus pinnatifida)、黃菠蘿(Phellodenron amurense)、小葉樸(Celtes bungeana)、小葉楊(Populus simoni)等。

1.2生長量和生物量調(diào)查

于2013年8月上旬，在試驗林內(nèi)分樹種各設(shè)置1塊30m×30m標(biāo)準(zhǔn)地，對林分密度、樹高、胸徑等指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查。在各自標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，根據(jù)平均胸徑、平均樹高，選擇3株標(biāo)準(zhǔn)木。在測定完光合及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)后，于8月中旬將標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，利用解析木法測定連年樹高和胸徑生長量，并計算連年單株材積生長量。采用分層切割法測定干、枝、葉、球果等地上生物量[13]。采用全挖法測定根生物量[14]，為了避免細(xì)根的損失，挖了長8m、寬6m、深4m的坑，用自制的三齒耙十分小心的從根尖部向根基部追蹤式挖掘，根部挖出后用自來水洗凈，然后烘干測生物量。各器官生物量測定后，計算干葉比(干生物量與葉生物量比值)和根莖比(根生物量與地上生物量比值)。

1.3光合特性調(diào)查

測定時間為8月上旬。在每株所選標(biāo)準(zhǔn)木樹冠陽面中部選擇樣枝并做標(biāo)記，用Li- 6400光合測定系統(tǒng)，在不加任何人為環(huán)境控制的自然狀態(tài)下測定兩樹種當(dāng)年生針葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)等指標(biāo)。將被測針葉盡量擺滿葉室，表面積由針葉長度和表面積形成的回歸方程來確定[15]。測定時選擇晴朗天氣，測定3d，每天8:00開始測定，每2h測1次，18:00結(jié)束，每個時間點每株標(biāo)準(zhǔn)木重復(fù)測定3次。測定期內(nèi)光合有效輻射(PAR)變化范圍為52—1704μmolm-2s-1，均值為839.5μmolm-2s-1；氣溫變化范圍為22—29℃，均值為26.7℃；相對濕度(RH)變化范圍為45%—73%，均值為59.2%。由于測定枝距地面4m左右，所以測定時需將葉室架設(shè)于4m高鋁合金人字梯上。水分利用效率(WUE)由Pn與Tr的比值求得。

光響應(yīng)曲線參數(shù)的測定：在測定光合日變化的當(dāng)日，于10:00葉片充分活化時進(jìn)行光響應(yīng)參數(shù)測定。測定時葉室水平放置。在正常大氣CO2濃度、最適溫度范圍、RH(70±5)%條件下，利用Li- 6400光合測定系統(tǒng)自帶的紅藍(lán)光源測定，光量子通量密度(PPFD)設(shè)置為2000、1800、1500、1200、1000、800、500、200、100、80、50、20、0μmolm-2s-1，設(shè)置最小等待時間為120s，最大等待時間為200s，測定不同PPFD下針葉的Pn。兩個樹種Pn與PPFD之間的關(guān)系可用SPSSV17.0軟件Nonlinear模塊，按下述經(jīng)驗方程進(jìn)行擬合[16]:

(1)

式中,Pmax(μmolCO2m-2s-1)為最大凈光合速率；α為弱光下光量子利用效率(即表觀量子效率,AQY)；C0為度量弱光下凈光合速率趨近于零的指標(biāo)。當(dāng)PPFD為0時，Pn為負(fù)值，即是暗呼吸速率(Rd)，通過公式(1)可以計算。通過適合性檢驗，若方程擬合效果良好，則可用下式計算光補(bǔ)償點(LCP):

(2)

假定Pn達(dá)到Pmax的99%時的PPFD為光飽和點(LSP)，則:

(3)

1.4葉綠素a快相熒光動力學(xué)指標(biāo)測定

與光合指標(biāo)同期測定。具體方法是于8:00 剪取光合測定時所選樣枝附近見光良好、粗細(xì)均勻的當(dāng)年生枝5條，迅速插入備好的水瓶中，并裝入放有濕巾的黑塑料袋內(nèi)，立即帶回實驗室，暗適應(yīng)30min。然后用PocketPEA植物效率分析儀 (型號PPEA,HandstechInstrumentLtd. 英國)測定葉綠素a快相熒光的多相躍升，并讀取相關(guān)參數(shù)[17]。當(dāng)年生針葉平行排列在熒光夾中，完全覆蓋4mm2的測試孔。測定光源為6 個發(fā)光二極管提供的波長為650nm的紅光，光照強(qiáng)度為3500μmolm-2s-1的飽和光強(qiáng)，熒光信號的記錄時程為1s，起始點為照光后10μs，每種針葉測定20 個重復(fù)。PocketPEA可以產(chǎn)生以時間為橫坐標(biāo)，原始熒光值(從最小熒光Fo至最大熒光Fm)為縱坐標(biāo)的葉綠素快相熒光(OJIP)曲線。為對比樹種間差異，克服原始OJIP曲線變異性較大的缺點，對原始曲線進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。本研究用Fm-Fo進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化的熒光信號數(shù)據(jù)用相對可變熒光(Vt)表示，Vt=(Ft-Fo) / (Fm-Fo)，用Vt繪制的OJIP曲線O相的熒光強(qiáng)度均為0，P相的熒光強(qiáng)度均為1[18]。解析從OJIP曲線中得到的主要熒光參數(shù)的生理意義(表1)。

表1　葉綠素a快相熒光動力學(xué)曲線提取的參數(shù)及意義

ABS:吸收的光量Absorptionflux; RC:反應(yīng)中心Reactioncenter; TR:捕獲的光量Trappedenergyflux; ET:電子傳遞的能量Electrontransportflux; DI: 熱耗散的能量Dissipatedenergyflux; CS: 激發(fā)態(tài)面積Excitedcrosssection; PI:性能指數(shù)Performanceindex

1.5葉綠素(Chl)含量測定

采用混合液法測定[19]。

1.6數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用SPSSV17.0軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，對組間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-wayANOVA)，采用Fisher的LSD法做多重比較分析；顯著性水平設(shè)定為α=0.05。采用Excel2003制圖。

2結(jié)果與分析

2.1沙地赤松與樟子松單株生長量及生物量對比2.1.1生長量

對標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沙地赤松和樟子松樹高和胸徑生長量進(jìn)行對比(表2)，發(fā)現(xiàn)沙地赤松樹高較高，是樟子松的1.15倍；胸徑較大，是樟子松的1.23倍。而且，無論是樹高還是胸徑指標(biāo)，沙地赤松的變異系數(shù)均較小，表明沙地赤松林分生長離散度較小，單株間生長量更趨于一致。進(jìn)行本次研究的當(dāng)年及前一年，沙地赤松的連年單株材積生長量均顯著高于樟子松。

表2　沙地赤松、樟子松生長量對比表

不同小寫字母表示不同樹種間差異顯著;表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，在樹高和胸徑指標(biāo)方面，沙地赤松n=69，樟子松n=74；連年材積生長量指標(biāo)方面，兩樹種n=3

2.1.2生物量

表3所示，兩樹種生物量排序規(guī)律是一致的，即：干>根>枝>葉>果。沙地赤松總生物量較大，是同齡樟子松的1.73倍，其中干、果、根生物量顯著高于樟子松，分別是樟子松的1.69、7.8和1.97倍，而枝、葉生物量與樟子松差異不顯著。沙地赤松干葉比和根莖比均顯著高于樟子松。

表3　沙地赤松、樟子松單株標(biāo)準(zhǔn)木各器官生物量(干重)對比表

不同小寫字母表示不同樹種間差異顯著;表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3

2.2光合特性對比2.2.1光合能力方面

光響應(yīng)曲線反映了在其它環(huán)境因子相對穩(wěn)定的條件下，植物Pn隨PPFD變化的規(guī)律。利用公式(1)擬合出兩樹種的光響應(yīng)曲線(圖1右)，擬合公式如下：

沙地赤松

樟子松

根據(jù)公式1—3計算出各光響應(yīng)參數(shù)(表4)。Pmax/Rd的比值反應(yīng)植物的光合效率，沙地赤松Pmax/Rd較高，是樟子松的1.74倍。沙地赤松Pmax較高，是樟子松的1.25倍，且Rd較低，導(dǎo)致Pmax/Rd較高。由光響應(yīng)曲線可以看出，沙地赤松在幾乎任意光強(qiáng)下Pn均大于樟子松(圖1)。光合日變化可以看出，沙地赤松Pn日變化范圍在3.290—7.349μmolCO2m-2s-1之間，平均Pn為4.902μmolCO2m-2s-1，比樟子松大36.2%，除14:00和16:00外其他時間點均顯著超過樟子松(表5)。另外沙地赤松Tr比樟子松小34.8%，因此水分利用效率(WUE)顯著高于樟子松，約是樟子松的2.06倍。并且，沙地赤松能在較小Gs下保持較高Pn(表6)。

表4　兩樹種光響應(yīng)曲線特征主要參數(shù)及葉綠素含量

圖1　兩樹種利用公式(1)擬合前(a)和擬合后(b)的光響應(yīng)曲線Fig.1　PPFD response curves of net photosynthetic rate (Pn) for the two species before (a) and after (b) fitted by equation (1)

樹種TreespeciesPn/(μmolCO2m-2s-1)8:0010:0012:0014:0016:0018:00沙地赤松P.densiflora7.349±0.618a6.211±0.800a4.001±0.776a3.931±0.841a4.631±0.646a3.290±1.207a樟子松P.sylvestrisvar.mon-golica5.365±1.412b5.441±1.174b2.293±0.828b3.783±0.646a3.523±0.778a1.190±0.395b

表中數(shù)值平均值±樣本標(biāo)準(zhǔn)差;每個時間點隨機(jī)取20個數(shù)據(jù)，即n=20;a,b表示不同樹種間差異顯著

表6　沙地赤松與樟子松平均氣孔導(dǎo)度、光合速率、蒸騰速率和水分利用效率比較

表中數(shù)值平均值±樣本標(biāo)準(zhǔn)差;每個時間點隨機(jī)取20個數(shù)據(jù)，所以n=120;a,b表示不同樹種間差異顯著

2.2.2光適應(yīng)范圍方面

沙地赤松具有更高的光飽和點(LSP)和更低的光補(bǔ)償點(LCP)(表4)。通過實際光響應(yīng)曲線(圖1a)，發(fā)現(xiàn)樟子松易于發(fā)生動態(tài)光抑制(dynamicphotoinhibition)，在PPFD達(dá)1800μmolm-2s-1時，光合速率迅速下降，Pn為峰值的77.4%；而當(dāng)PPFD達(dá)2000μmolm-2s-1時，Pn僅為峰值的30.5%。相比之下，沙地赤松在PPFD為1800μmolm-2s-1時，并未發(fā)生光抑制，當(dāng)PPFD達(dá)2000μmolm-2s-1時，僅發(fā)生了輕微的光抑制，Pn為峰值的91.4%。本研究還發(fā)現(xiàn)沙地赤松針葉具有較高的Chl，比樟子松高1倍，達(dá)到1.380mg/g(表4)。

2.3 葉綠素a快相熒光動力學(xué)特征對比2.3.1特征位點比較

圖2　沙地赤松與樟子松由Vt和ΔVt繪制的葉綠素快相熒光動力學(xué)曲線Fig.2　Fast chlorophyll fluorescence transients of P. densiflora and P. sylvestris var. mongolica based on Vt and ΔVtP1、P2分別為沙地赤松和樟子松的P相點

圖3　沙地赤松與樟子松葉綠素a熒光比較　Fig.3　Radar plot of fluorescence data of P. densiflora and P. sylvestris var. mongolicaABS:吸收的光量Absorption flux; RC:反應(yīng)中心 Reaction center; TR:捕獲的光量Trapped energy flux; ET:電子傳遞的能量Electron transport flux; DI: 熱耗散的能量Dissipated energy flux; CS: 激發(fā)態(tài)面積Excited cross section; PI:性能指數(shù)Performance index

由Vt繪制的OJIP曲線可以看出(圖2)，兩樹種均為典型的葉綠素快相熒光動力學(xué)曲線，具有O、J、I、P等相點。它們的曲線形態(tài)比較相似，但到達(dá)P相點的時間(Tfm)不相同，沙地赤松為700ms(P1位點)，而樟子松為900ms(P2位點)。該圖亦可看出，兩樹種針葉OJIP曲線的差異主要在J相(2ms)附近。為更清楚的觀察包括J相在內(nèi)各相熒光的差異，以樟子松Vt繪制的OJIP曲線為對照，然后用沙地赤松曲線與對照曲線的標(biāo)準(zhǔn)化熒光差值(ΔVt)重新作圖(圖2)。結(jié)果顯示，從O相到接近P相的過程中，沙地赤松標(biāo)準(zhǔn)化熒光差值(ΔVt)大部分時間點均低于樟子松，兩樹種差異主要出現(xiàn)在300μs—30ms范圍內(nèi)，即J相附近區(qū)域，其中最大差異出現(xiàn)在J—I相之間(時間約為104μs)。在快接近P相時，沙地赤松標(biāo)準(zhǔn)化熒光值出現(xiàn)了高于樟子松的一個窄峰。

2.3.2熒光參數(shù)比較

比活性參數(shù)是指活躍的單位反應(yīng)中心(RC)或單位受光面積(CS)的各種量子效率(ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo、ABS/CSm)以及單位面積上的反應(yīng)中心的數(shù)量(RC/CSo、RC/CSm)(表1)。圖3 是以樟子松的熒光參數(shù)作為對照(參數(shù)值為1)，用沙地赤松的熒光參數(shù)與對照參數(shù)的比值繪制成的雷達(dá)圖。由圖3可見除ABS/RC與DIo/RC小于樟子松外，沙地赤松其它比活性參數(shù)指標(biāo)均等于或大于樟子松，尤其是RC/CSo、RC/CSm、ABS/CSo、ABS/CSm、TRo/CSo、ETo/CSo顯著高于樟子松。圖3還表明，沙地赤松性能指數(shù)PI(AB/CSo/CSm)較高，分別是樟子松的1.42、1.65和1.63倍。

3討論

固沙所從1965年開始就陸續(xù)在科爾沁沙地南緣地區(qū)開展了沙地赤松引種造林試驗，目前沙地赤松林樹勢健康，生長穩(wěn)定。通過本研究發(fā)現(xiàn)在同樣立地條件下，雖然沙地赤松密度較大，單株營養(yǎng)面積和受光照條件不及樟子松，但其單株生長量和生物量均大于樟子松，尤其是在測定光合指標(biāo)的當(dāng)年及前一年的連年材積生長量顯著大于樟子松，說明沙地赤松可以固定較多的CO2，并積累較多的光合產(chǎn)物用于生長。由于植物固定CO2的能力和其光合性能及吸收光能后的電子傳遞具有相關(guān)性[20]，推斷沙地赤松光合性能和光能利用效率可能好于樟子松。

為驗證這一推論，本研究采用光合生理指標(biāo)和葉綠素a快相熒光動力學(xué)指標(biāo)相結(jié)合的方法，對沙地赤松光合水分生理特性進(jìn)行了剖析。研究發(fā)現(xiàn)沙地赤松具有較強(qiáng)的光合能力，Pmax和平均Pn均高于樟子松，能在較小Gs下保持較高Pn。這意味著沙地赤松可以產(chǎn)生較多的光合產(chǎn)物。在光合產(chǎn)物分配方面，沙地赤松也具有自己的優(yōu)勢：干葉比較高，說明其把更多的光合產(chǎn)物積累到了樹干中，也因此連年材積生長較高；根莖比較高，應(yīng)歸因于沙地赤松較強(qiáng)的光合能力導(dǎo)致地上部分能夠向根系供給充足的碳?xì)浠衔颷21]，用于了根系的橫向和垂直向的生長[22]，提高了自身的吸水能力和抗旱性，也因此更有利于適應(yīng)土壤長期水分虧缺的沙地環(huán)境。沙地環(huán)境的另一個特點是多風(fēng)，在章古臺地區(qū)樹木生長季常以南及西南風(fēng)為主，最大瞬間風(fēng)速32m/s，年5m/s以上的風(fēng)可達(dá)240次。在這樣的多風(fēng)環(huán)境下，植物的蒸騰耗水量增加，極易使植物處于干旱脅迫之下。而沙地赤松能夠保持較小Tr和較高的WUE，增加了其在沙地環(huán)境下長期生存生長的穩(wěn)定性。另外暗呼吸速率(Rd)較低保證了沙地赤松對光合產(chǎn)物的低消耗[23]，同時形成了較高的光合效率(Pmax/Rd)。與樟子松相比，沙地赤松具有更高的LSP，因此在較高光強(qiáng)(2000μmolm-2s-1)下僅發(fā)生輕微的光抑制；具有更低的LCP，說明其具有較強(qiáng)的利用弱光的能力，這和其較高的葉綠素含量(Chl)有關(guān)，較高的Chl有利于葉綠體對光能的吸收與轉(zhuǎn)化，也保障了其較高的光合能力[24]。

前人研究表明，比活性參數(shù)可以更確切的反映植物的光合器官對光能的吸收、轉(zhuǎn)化和耗散等狀況[25]，長期多次干旱脅迫會造成沙地植物在ETo/CSo等指標(biāo)的下降，從而降低用于電子傳遞的能量[26]。本研究發(fā)現(xiàn)沙地赤松大部分比活性參數(shù)高于樟子松，包括RC/CSo、RC/CSm、ABS/CSo、ABS/CSm、TRo/ CSo、ETo/CSo等，表明其在沙地環(huán)境條件下單位激發(fā)態(tài)面積反應(yīng)中心數(shù)目(RC/CSo、RC/CSm)、吸收的光量(ABS/CSo、ABS/CSm)、被反應(yīng)中心捕獲的光量(TRo/CSo)、用于電子傳遞的能量(ETo/CSo)均保持較高水平。性能指數(shù)(PI(ABS/CSo/CSm))包含了3 個參數(shù)[RC/CS、φPo(PSⅡ 最大光化學(xué)效率) 和ψo(hù)(表示電子越過QA的能量占反應(yīng)中心捕獲能量的比例)]，這3 個參數(shù)相互獨立[27]，所以性能指數(shù)和推動力(即性能指數(shù)的對數(shù))可以更準(zhǔn)確地反映植物光合機(jī)構(gòu)的狀態(tài)[28]。沙地赤松性能指數(shù)PI(ABS/CSo/CSm)較高，證明沙地赤松光反應(yīng)活性較強(qiáng)。沙地赤松光合機(jī)構(gòu)的這些優(yōu)良特性使其能在較小Gs下保持較高Pn，也使其在弱光下能夠吸收更多的光能，導(dǎo)致較低的LCP；在強(qiáng)光下能利用較多的光能，從而避免激發(fā)能的積累，產(chǎn)生光抑制，保持較高的LSP。以上研究揭示了沙地赤松對光具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，也揭示了沙地赤松生長量和生物量均較大的內(nèi)在生理機(jī)制。

在P相時熒光水平達(dá)到了最大值(Fm)，F(xiàn)m是在1s內(nèi)獲得的，它代表了PSⅡ反應(yīng)中心的關(guān)閉，代表了PSⅡ和質(zhì)體醌A(QA)所有原初電子受體的完全還原，及PSⅡ受體側(cè)電子流的飽和[29]。在快接近P相時，沙地赤松標(biāo)準(zhǔn)化熒光值出現(xiàn)了高于樟子松的一個窄峰，表明電子傳遞到電子傳遞鏈的慢還原型質(zhì)體醌(PQ)庫的末端時耗散能量較大[30]。這說明沙地赤松并非所有的光合機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)都好于樟子松，只是總體性能優(yōu)于樟子松而已。

4結(jié)論

4.1與樟子松相比，成林階段沙地赤松具有較大的生長量、生物量，這與其較強(qiáng)的光合作用密切相關(guān)。沙地赤松Pmax和平均Pn均高于樟子松，且光適應(yīng)范圍較大，具有較高的LSP和較低的LCP，暗呼吸速率(Rd)較低，光合效率(Pmax/Rd)較高。

4.2JIP-測定揭示了沙地赤松較強(qiáng)光合作用的內(nèi)在機(jī)制，在O相至P相范圍內(nèi)，其相對可變熒光值(Vt)總體較低，說明其在電子傳遞過程中耗散能量較低，而用于光化學(xué)的能量較高。比活性參數(shù)進(jìn)一步表明沙地赤松單位激發(fā)態(tài)面積反應(yīng)中心數(shù)目、吸收的光量、被反應(yīng)中心捕獲的光量、用于電子傳遞的能量均較高，也因此具有較高的性能指數(shù)，其PI(ABS/CSo/CSm)分別是樟子松的1.42、1.65和1.63倍。

4.3在沙地環(huán)境下，沙地赤松生長表現(xiàn)和光合性能優(yōu)于樟子松，研究結(jié)果為擴(kuò)大該樹種在沙地上的引種栽培提供了光合理論依據(jù)。

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基金項目:林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201004023)；遼寧省科學(xué)事業(yè)公益研究基金項目(GY2013- 13-011)；遼寧省農(nóng)業(yè)科技重點計劃項目(2011207002,2011207004)

收稿日期:2015- 03- 23;

修訂日期:2015- 11- 30

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: mengpeng18@163.com

DOI:10.5846/stxb201503230552

PhotosyntheticcharacteristicsandchlorophyllafluorescenceinductionparametersofPinus densifloraonsandysoil

MENGPeng*,ANYuning,BAIXuefeng

Liaoning Province Sand-Fixation and Afforestation Research Institute, Fuxin 123000, China

Abstract：Pinus densiflora has grown in the southern Horqin Sandy Land, China, for 50 years, but little is known about its field performance in this region, and nothing is known about its photosynthetic physiology. To understand the physiological characteristics and mechanisms of photosynthesis in P. densiflora, mature trees were compared with the same-aged trees of Pinus sylvestris var. mongolica (the control), and the growth characteristics of both species were investigated. Photosynthetic characteristics were analyzed with a Li- 6400 system, and fast chlorophyll a fluorescence transients (OJIP) were analyzed with a Pocket PEA plant efficiency analyzer. Growth and biomass of mature P. densiflora was greater than that of P. sylvestris var. mongolica. This was closely related to stronger photosynthesis in P. densiflora, including a higher maximum net photosynthetic rate (Pmax, 10.376 μmol CO2 m-2s-1) and a large range of light adaptation with high light saturation point and low light compensation point. The dark respiration rate (Rd) of P. densiflora was low, leading to higher photosynthetic efficiency (Pmax/Rd). Diurnal changes in the net photosynthetic rate (Pn) of P. densiflora ranged from 3.290 to 7.349 μmol CO2 m-2s-1, and the mean Pn was 4.902 μmol CO2 m-2s-1, which was 36.2% higher than that of P. sylvestris var. mongolica. The Pn of P. densiflora at each time point was significantly higher than that of P. sylvestris var. mongolica, except at 14:00 and 16:00. The transpiration rate of P. densiflora was 34.8% lower than that of P. sylvestris var. mongolica, and its water use efficiency was 2.06-fold greater than that of P. sylvestris var. mongolica. The Pn of P. densiflora remained high when stomatal conductance was low. Compared with P. sylvestris var. mongolica, P. densiflora was less susceptible to dynamic photoinhibition, showing slight photoinhibition only at a PPFD of 2000 μmol m-2s-1, when Pn was 91.4% of the maximum. The chlorophyll content in P. densiflora needles was 1.380 mg/g, double that in needles of P. sylvestris var. mongolica. The JIP test was used to reveal the mechanism for the strong photosynthesis of P. densiflora and showed that in the range from O to P phase, the relative variable fluorescence value of P. densiflora was generally low. This low value indicated that little energy was dissipated via the electron transfer chain, so that more energy could be used for photochemistry. The two species reached fluorescence maxima at different times under saturating illumination: 700 ms for P. densiflora and 900 ms for P. sylvestris var. mongolica. The phenomenological energy fluxes per excited cross section (CS) were calculated; these indexes showed that, compared with P. sylvestris var. mongolica, P. densiflora had a higher density of reaction centers (RC/CSo, RC/CSm), a greater proportion of photon flux absorbed by the antenna pigments (ABS/CSo, ABS/CSm), higher trapping flux to the reaction center (TRo/CSo), and used more energy for electron transfer (ETo/CSo). These attributes led to its higher performance indexes. The PI(ABS/CSo/CSm)of P. densiflora were 1.42-, 1.65-, and 1.63-fold those of P. sylvestris var. mongolica, respectively. Together, these results suggest that the growth and photosynthetic performance of P. densiflora are better than those of P. sylvestris var. mongolica in the Horqin Sandy Land environment. This conclusion provides the theoretical basis for the expansion of P. densiflora cultivation in this region.

Key Words:Horqin Sandy Land; Pinus densiflora; photosynthetic characteristics; transient chlorophyll fluorescence; kinetics

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