李冬林,王 火,江 浩,祝亞云,金雅琴,崔夢凡

1 江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院, 南京 211153 2 金陵科技學(xué)院園藝學(xué)院, 南京 210038

植物在長期的進(jìn)化過程中,由于不同植物接收的太陽輻射量存在著明顯差異,因此形成了自身特有的需光特性[1]。強(qiáng)光直射和夏季高溫、高濕是許多陰性植物幼苗期生長的主要限制因子,并成為幼苗能否順利越夏、完成自我更新的關(guān)鍵。研究表明,高等樹木生命周期中的幼年期對光照和高溫的忍耐和需求程度有很大的差別,并直接影響到樹木生命周期的延續(xù)和正常的更新演替[2]。對于絕大多數(shù)喜光樹種而言,如楓香(Liquidambarformosana)[3]、燈臺(tái)樹(Bothrocaryumcontroversum)[4]、栓皮櫟(Quercusvariabilis)[5]等,幼年期生長對強(qiáng)光具有一定的需求和喜好,弱光下不利于其正常的生長發(fā)育；而另一部分樹種則較為耐陰,如中華蚊母樹(Distyliumchinense)[6]等,遮光可促使其自身形態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,如增加株高、葉長和葉寬和降低比葉質(zhì)量等,以及葉片光合生理的調(diào)整來適應(yīng)低光量子密度的小環(huán)境,適度遮光反而有利于自身的生長和繁衍。因此,研究樹木幼年期對光照的需求和適應(yīng)性,特別是一些珍貴瀕危樹種的光合特性,將有助于瀕危物種保育過程中采取合理的經(jīng)營措施提高幼苗的競爭力和保存率,對促進(jìn)種群完成自然更新具有重要意義。

香果樹(EmmenopteryshenryiOliv.)是茜草科(Rubiaceae)香果樹屬植物,我國特有單種屬。由于其自然更新能力差,加上環(huán)境惡化和人為破壞等因素的影響,該物種已瀕臨滅絕,被列為國家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)珍貴稀有野生植物[7]。在我國,香果樹廣泛分布于西北、華北、華東、華中及華南、西南等省[8],但多零星分布,成片資源很少。由于大規(guī)模的旅游開發(fā)和人為干擾的影響,資源趨于枯竭,瀕臨滅絕,急需采取人為措施予以保護(hù)和拯救。特別是近幾年原本認(rèn)為當(dāng)?shù)匾呀?jīng)滅絕的香果樹野生種群在江蘇溧陽深溪岕再次被發(fā)現(xiàn)[9],但林下幼苗很少,更新不良,引起當(dāng)?shù)卣椭参飳＜业臉O大關(guān)注。目前對香果樹的研究主要集中在種群結(jié)構(gòu)與群落特征[10-13]、開花及繁育生理[14-16]、種子萌發(fā)生理學(xué)[17]等方面,而對其幼苗培育和更新緊密相關(guān)的光環(huán)境適應(yīng)性生理文獻(xiàn)較少。郭連金等[18]研究了不同生境(冠下、冠緣、林窗和林緣)中2年生香果樹實(shí)生苗的光合速率、水分利用效率、葉綠素、幼苗生長及生物量等因子的變化及其與生態(tài)因子的關(guān)系,但林內(nèi)透光率穩(wěn)定性差,據(jù)此推測香果樹的耐蔭性具有一定的局限性。本文以2年生實(shí)生幼苗為研究對象,通過人工遮光創(chuàng)造了不同梯度的光環(huán)境,對葉片光合作用指標(biāo)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)研究,分析了遮光環(huán)境下香果樹幼苗的光合作用特征和葉片解剖結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性變化,旨在深刻認(rèn)識(shí)香果樹的光適應(yīng)機(jī)制,為香果樹的幼苗繁育和苗期管理提供一定的科學(xué)性建議和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地自然條件

試驗(yàn)地位于江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)林場(南京市江寧區(qū)東善橋,東經(jīng)118° 46′ 37′,北緯31° 51′ 25′)。地處北亞熱帶的邊緣,季風(fēng)氣候,年均氣溫16.1℃,極端最高氣溫43.0℃,極端最低氣溫-14.0℃,年相對濕度78%—80%,年均降雨量1116.3 mm,年均日照時(shí)數(shù)1912.8 h,無霜期224 d。土壤類型為山地黃棕壤,pH值6.8。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試材料來自湖北省宜昌市五峰縣,為生長健壯、規(guī)格一致的2年生香果樹實(shí)生苗(平均苗高75 cm,平均地徑11.8 mm)。試驗(yàn)苗圃經(jīng)全墾、整平后作高床,南北走向,床面寬120 cm,長45 m,步道寬25—30 cm,床面高出步道25 cm。幼苗于2018年3月定植于苗床,株距30—35 cm,行距40—45 cm。幼苗經(jīng)過3個(gè)月的緩苗生長后,當(dāng)年6月20日用黑色遮陽網(wǎng)進(jìn)行遮光處理。遮蔭棚南北設(shè)置,棚高2.0 m,兩邊覆蓋苗床并延伸到地面,南北敞開,便于通風(fēng)透氣。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：一層遮蔭(L1,輻射強(qiáng)度相當(dāng)于全光照60%)、二層遮蔭(L2,輻射強(qiáng)度相當(dāng)于全光照25%)、三層遮蔭(L3,輻射強(qiáng)度相當(dāng)于全光照10%),全光照(L0,輻射強(qiáng)度100%)為對照處理。采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),選擇30株植株作為試驗(yàn)小區(qū),重復(fù)3次,掛牌標(biāo)記。不同處理間留有1.5 m的保護(hù)行,以免交叉遮光。苗期正常撫育,確保不同處理間栽培技術(shù)措施一致。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1光合作用指標(biāo)測定

8月份選取連續(xù)晴朗的白天進(jìn)行光合作用日變化測定,連續(xù)測定3天。不同處理選擇發(fā)育完好的幼苗植株各3株,每株選擇3片位置相當(dāng)、發(fā)育成熟的功能葉(頂端第4片)作為測定葉(葉柄涂標(biāo))。測定期最高氣溫36.8℃,最低氣溫27.8℃,最高輻射光強(qiáng)1740 μmol m-2s-1。測定時(shí)間7:00—18:00,每隔1 h用LI—6400型便攜式光合儀測定1次,每次測定20—30 s。采用自然光源,標(biāo)準(zhǔn)葉室(2×3 cm2),測定指標(biāo)有：凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、氣孔限制值(Ls)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸汽壓虧缺(Vpdl)。其中氣孔限制值Ls= 1-Ci/Ca。同時(shí)記錄瞬時(shí)環(huán)境參數(shù)：光合有效輻射(PAR)、氣溫(Ta)、大氣相對濕度(RH)、CO2濃度(Ca)等。

光響應(yīng)(Pn-PAR)曲線的測定參考文獻(xiàn)[19],利用LI-6400光合儀配備LED紅藍(lán)光源。測定時(shí)間為上午9:00—11:30。選取預(yù)先標(biāo)記的葉片,測定前對其進(jìn)行30—45 min的光誘導(dǎo)(1000 μmol m-2s-1)。使用CO2注入系統(tǒng)控制CO2的濃度(400 μmol/mol),葉室溫度28℃,相對濕度65%。光強(qiáng)梯度設(shè)定為2000、1500、1200、800、600、400、200、150、100、50、0 μmol m-2s-1。Pn-PAR曲線擬合采用非直角雙曲線模型[20-21],獲得不同遮光處理下的暗呼吸速率(Rd)、最大凈光合速率(Pmax)和表觀量子效率(AQY)。光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)利用低光條件下(PAR≤200 μmol m-2s-1)的Pn與PAR構(gòu)建線性方程進(jìn)行估算,Pn=m×PAR+n,LCP =-n/m,LSP = (Pmax-n)/m[22-23]。式中,m、n為擬合線性方程中的待定系數(shù)。

1.3.2葉片解剖結(jié)構(gòu)的觀察

葉片解剖實(shí)驗(yàn)于9月下旬進(jìn)行,參照李正理(1987)的方法制作石蠟切片[24]。摘取葉片后沿中脈橫切,切塊約5 mm×5 mm,用FAA固定,乙醇和二甲苯系列脫水,石蠟包埋,番紅-固綠染色,中性樹膠封片。切片在OLYMPUS-BX61光學(xué)顯微鏡下觀測并拍照,借助圖形分析軟件Image-Pro Plus 6.0測量各微觀參數(shù)。測定指標(biāo)有：上表皮細(xì)胞厚度(UET)、下表皮細(xì)胞厚度(LET)、葉片厚度(LT)、柵欄組織厚度(PT)、海綿組織厚度(ST)、柵欄組織和海綿組織厚度比(PT/ST)、柵欄組織密度(PD)、導(dǎo)管數(shù)目(VN)、導(dǎo)管直徑(VD)等。取30個(gè)視野測定統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)參數(shù)。

1.3.3葉片氣孔結(jié)構(gòu)的觀察

采用指甲油印膜法取葉片中間部分(避開葉脈),用鑷子撕取表皮制成臨時(shí)裝片,在生物顯微鏡下觀察,并用數(shù)碼顯微攝影系統(tǒng)拍照。應(yīng)用Image-Pro Plus6.0測量氣孔密度(SD)、氣孔器長度(SL)、氣孔器寬度(SW)。SD=視野內(nèi)氣孔個(gè)數(shù)/視野面積。單個(gè)氣孔器的面積(AS)依據(jù)以下公式推算：AS=π×SL×SW/4,π=3.14；氣孔器面積百分比At(%)=AS×SD×100[25]。每個(gè)處理取30個(gè)視野統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有測定數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean ± SD)的形式表示,應(yīng)用Excel 2003作圖,SPSS17.0進(jìn)行方差分析,多重比較采用最小顯著極差法(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮光條件下試驗(yàn)區(qū)環(huán)境參數(shù)的差異

圖1可見,不同遮光條件下的環(huán)境參數(shù)均存在顯著差異(P<0.05),并形成一定的梯度變化。從PAR的變化來看,對照區(qū)在中午11:00—13:00時(shí)PAR最為強(qiáng)烈,最高值達(dá)1694 μmol m-2s-1,而遮光條件下PAR則顯著下降,尤以中午前后差距最大。不同處理下的Ta呈現(xiàn)與之相似的動(dòng)態(tài)變化,但有一定的波動(dòng),并且遮光處理下的Ta顯著低于對照。Ca和大氣中RH的日變化相反,有一定波動(dòng),但總體呈現(xiàn)先降后升的態(tài)勢,并在14:00—16:00時(shí)降至最低。L3處理的Ca和RH顯著高于L1、L2和對照(P<0.05)?？梢?遮光影響了幼苗生長的小環(huán)境,有利于維持地表大氣中的CO2濃度和水分含量,進(jìn)而影響幼苗的正常生長、生理活動(dòng)。

圖1 不同遮光條件下的環(huán)境參數(shù)變化Fig.1 Change of environment alparameters under different shading treatments

2.2 遮光對香果樹幼苗光合作用參數(shù)的影響

2.2.1遮光對凈光合速率(Pn)的影響

不同光環(huán)境下香果樹葉片Pn的日變化趨勢顯著不同(圖2)。全光和L1處理下Pn呈明顯的雙峰曲線,中午12:00時(shí)出現(xiàn)了明顯的“午休”現(xiàn)象。L2處理在9:00時(shí)Pn最高,隨后開始緩慢下降,而L3處理的Pn變化曲線相對平緩,沒有出現(xiàn)“午休”,Pn極值出現(xiàn)在中午12:00時(shí)(3.38 μmol m-1s-1)。從不同處理Pn相比較而言,全光下7:00—9:00時(shí)間內(nèi)Pn高于其他處理,但9:00時(shí)以后Pn下降；而L1處理下Pn在上午一直保持增高的趨勢,并逐漸超過全光照和其他處理的測定值,這種趨勢一直持續(xù)到中午11:00時(shí)。13:00—15:00時(shí)間內(nèi),L1處理下Pn一直高于其他處理。下午15:00時(shí)以后,所有處理的Pn均明顯下降,尤其是在18:00時(shí),L3處理下Pn出現(xiàn)了負(fù)值,為試驗(yàn)Pn最低值。就Pn日均值比較,其大小排序?yàn)長1>L0>L2>L3(表1)。方差分析表明,不同遮光處理下Pn日均值有顯著差異(P<0.05)。

2.2.2遮光對氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響

一般而言,氣孔導(dǎo)度(Gs)反映了大氣CO2和水汽與植物葉片傳導(dǎo)、交換能力的高低。據(jù)研究,氣孔導(dǎo)度對環(huán)境因子的變化十分敏感,凡是影響植物光合作用和葉片水分狀況的各種因素都有可能對氣孔導(dǎo)度造成影響[26-27]。由圖2可見,不同處理下Gs日變化規(guī)律基本一致。11:00時(shí)之前不同處理葉片Gs較高,后期基本趨于下降,這種趨勢與Pn的日變化基本相似,說明香果樹光合作用中Gs與Pn具有一定相關(guān)性。從整個(gè)Gs日變化進(jìn)程來看,除了中午12:00和18:00時(shí)之外,其他時(shí)間段里L(fēng)1處理的Gs一直高于其他處理,說明一層遮光的光強(qiáng)有利于香果樹氣孔的調(diào)節(jié),并有利于光合作用效率的提高。L0處理的Gs在9:00時(shí)之前都是逐漸升高的,但之后明顯下降,13:00時(shí)以后一直處于低位變化。L2處理的Gs中午之前出現(xiàn)了2次高峰期(10:00、12:00時(shí)),12:00時(shí)后Gs一直很低；L3處理的Gs在10:00時(shí)之前上升,但之后開始緩慢下降。Gs的日均大小排序?yàn)長1>L0>L2>L3。方差分析表明,不同處理間Gs日均值有顯著差異(P<0.05),但L1、L2與L0之間差異不顯著(表1)。

圖2 不同遮光處理下香果樹幼苗凈光合作用速率(Pn)氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)的日變化Fig.2 Diurnal variation of net photosynthesisrate (Pn),stomatal conductance (Gs), intercellular CO2 concentration (Ci) and transpiration rate (Tr) of E. henryi seedlings under different shading treatments

2.2.3遮光對胞間CO2濃度(Ci)的影響

不同光環(huán)境下Ci的日變化趨勢相似,盡管存在一定的波動(dòng),但基本上呈緩慢降低、后期抬升的趨勢(圖2)。不同處理Ci的日均大小順序?yàn)長3>L1>L0>L2(表1)。方差分析表明,不同處理間Ci日均值差異顯著(P<0.05)。由于L3處理為強(qiáng)度遮光,17:00時(shí)以后光照強(qiáng)度已經(jīng)很低,并出現(xiàn)負(fù)值,而Gs很低,CO2同化率低,致使較多CO2積聚在細(xì)胞間,導(dǎo)致Ci后期的急劇上升。

2.2.4遮光對蒸騰速率(Tr)的影響

不同光環(huán)境下幼苗的Tr的日變化見圖2。就日均Tr的比較而言,L1>L0>L2>L3(表1),但L1與L0間差異不顯著,L0與L2、L3處理有顯著差異(P<0.05)。與Pn的日變化相似,Tr的日變化也呈現(xiàn)出雙峰波動(dòng)。由于光照強(qiáng)度的不同,L0和L1處理雙峰出現(xiàn)在10:00和14:00時(shí),而L2處理雙峰推遲出現(xiàn)在12:00和16:00時(shí)；L3處理雙峰趨勢不明顯。

2.2.5遮光對氣孔限制值(Ls)的影響

不同光環(huán)境下Ls的日變化見圖3。Ls呈現(xiàn)不明顯的弧形變化趨勢。從各個(gè)時(shí)間段Ls的比較來看,全光下的Ls一直大于遮光條件下的Ls測定值；盡管Ls一直處于波動(dòng)變化之中,但從其日均變化而言,L0>L1>L2>L3(表1)。方差分析表明,不同處理間Ls日均值有顯著差異(P<0.05)。L3處理在18:00時(shí),外界光照強(qiáng)度的嚴(yán)重不足導(dǎo)致了Ls迅速下降。

圖3 不同遮光條件下香果樹幼苗氣孔限制值(Ls)與飽和蒸氣壓虧缺(VpdL)的日變化Fig.3 Diurnal variation of stomata limitation value (Ls) and saturated vapor pressure deficiency (Vpdl) of E. henryi seedlings under different shading treatments

2.2.6遮光對蒸汽壓虧缺(Vpdl)的影響

圖3可見,不同光環(huán)境下幼苗的蒸汽壓虧缺(Vpdl)的日變化呈現(xiàn)先升后降的弧形變化,即下午14:00時(shí)之前,各處理Vpdl基本上都是上升的,14:00時(shí)后,各處理Vpdl基本上都是下降的,但有明顯的波動(dòng)。方差分析表明,不同處理間日均Vpdl有顯著差異(P<0.05)(表1)。全光下氣溫快速升高,Tr迅速增大,致使葉片內(nèi)Vpdl急劇上升,使得全光下Vpdl高于遮光下的Vpdl。遮光降低了林內(nèi)光強(qiáng),緩和了水分蒸騰,降低了Vpdl。

表1 不同遮光條件下香果樹幼苗光合作用參數(shù)的日均值

不同小寫字母表示兩種處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)

2.3 遮光對香果樹幼苗光響應(yīng)參數(shù)的影響

圖4 不同遮光條件下香果樹幼苗Pn-PAR光響應(yīng)曲線 Fig.4 Photosynthesis-light response curve of E. henryi seedlings under different shading treatments

不同光環(huán)境下香果樹幼苗的光合-光響應(yīng)(Pn-PAR)曲線見圖4?？梢?當(dāng)光合有效輻射(PAR)≤200 μmol m-2s-1時(shí),各處理Pn均隨PAR的增加而迅速增加；當(dāng)PAR>200 μmol m-2s-1時(shí),Pn隨PAR的增加變幅逐漸減緩；當(dāng)PAR>400 μmol m-2s-1后,Pn趨于穩(wěn)定,呈現(xiàn)光飽和。所以,不同處理香果樹幼苗的Pn-PAR曲線的趨勢一致,但變動(dòng)幅度顯著不同。Pn-PAR曲線的擬合參數(shù)見表2。

從表2可以看出,不同光環(huán)境下香果樹幼苗的Pmax、LCP、LSP、Rd和AQY均存在顯著差異(P<0.05)。遮光處理顯著降低了幼苗的LCP和LSP,L1、L2、L3處理下LCP分別為全光下LCP的0.94、0.78、0.12倍；而L1、L2、L3處理的LSP分別為全光下的0.92、0.90、0.62倍,說明遮光使得幼苗能充分利用弱光,維持自身光合作用的需要。從Pmax的變化來看,L1處理的Pmax顯著大于L0、L2、L3(P<0.05)。另外,與全光照(L0)相比,L1提高了Rd(3.56 μmol m-2s-1),但L2和L3則降低了Rd(分別為0.91、0.67 μmol m-2s-1),不同處理間差異顯著(P<0.05)。AQY的變化與Rd相似,L1處理下AQY最大(0.09 μmol/μmol),其次為L0,而L2處理下的AQY最低(0.03 μmol/μmol)。以上分析表明,香果樹幼苗的光合作用效率在輕度遮光(L1)下得到一定促進(jìn),但在中度(L2)和重度遮光(L3)條件下受到明顯抑制。

表2 不同遮光條件下香果樹幼苗Pn-PAR光響應(yīng)曲線的特征參數(shù)

2.4 遮光對香果樹葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

2.4.1遮光對香果樹葉片氣孔特征參數(shù)的影響

表皮切片觀察發(fā)現(xiàn),香果樹上表皮未發(fā)現(xiàn)有氣孔分布,而下表皮氣孔分布明顯(圖5),統(tǒng)計(jì)其微觀參數(shù)見表3。結(jié)果顯示,遮光對葉片氣孔密度(SD)、氣孔器長度(SL)、氣孔器寬度(SW)、單個(gè)氣孔器面積(AS)、單個(gè)氣孔器面積百分比(At)均有顯著影響。從SD的變化來看,全光下SD最大(53.57個(gè)·mm-2),并顯著高于遮光處理(P<0.05),但L2與L3處理間無顯著差異；SL、SW與AS三者的變化趨勢一致,即遮光下的測定值顯著低于對照(P<0.05),而以L1處理的指標(biāo)值最大,L1與L3處理均存在顯著差異(P<0.05),但L1與L2,以及L2與L3之間差異不顯著。At也是以全光下的指標(biāo)最高(9.53%),并顯著高于遮光下的測定值(P<0.05),說明遮光引起了香果樹葉片氣孔器的分布、密度與單個(gè)氣孔器面積的適應(yīng)性變化。

2.4.2遮光對香果樹葉片顯微結(jié)構(gòu)的影響

香果樹為典型的兩面葉植物,葉片有明顯的上表面和下表面之分(圖6)。上下表面均分布有表皮細(xì)胞(EP),上表皮下分布有柵欄組織(PT)和海綿組織(ST),ST中分布有維管束。由圖6可見,遮光改變了香果樹葉片的組織結(jié)構(gòu)及比例。全光下,香果樹葉片較厚,上表皮細(xì)胞厚度(UET)小,PT分布緊密且厚度大；遮光處理后,UET略有增加,細(xì)胞變的松散,下表皮細(xì)胞厚度(LET)和葉片厚度(LT)均明顯變小,PT高度降低,ST欠發(fā)達(dá),PT/ST相應(yīng)增加(表4)。

表3 不同遮光條件下香果樹葉片的氣孔特征

圖5 不同遮光條件下香果樹幼苗葉表面氣孔分布Fig.5 Stomatal distribution on leaves of E. henryi seedlings under different shading treatments

表4 不同遮光條件下香果樹葉片橫切面結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

Table 4 The cross section structure parameters ofE.henryileaves under different shading treatments

處理TreatmentsL0L1L2L3葉片厚度Leaf thickness (LT)/μm359.93±17.73a295.35±37.00b252.10±18.67c256.02±19.94c上表皮厚度Upper epidermal thickness(UET)/μm38.29±3.60b41.79±7.28a47.03±3.86a39.37±7.40a下表皮厚度Lower epidermal thickness(LET)/μm28.63±3.43a14.81±3.87b16.39±4.86b16.08±5.11b柵欄組織厚度Thickness of palisade tissue(PT)/μm65.37±9.82a74.48±7.57a55.77±3.94b52.98±5.34b柵欄細(xì)胞密度Palisade cell density(PD)/(個(gè)/1000μm)46.38±5.62a34.63±2.26b34.52±2.81b32.37±3.13b海綿組織厚度Thickness of sponge tissue(ST)/μm227.62±21.31a164.25±29.87b132.90±17.37c147.58±19.22c柵欄組織和海綿組織厚度比PT/ST0.29±0.06b0.46±0.07a0.42±0.04a0.36±0.08a單列導(dǎo)管數(shù)目Number of vessel per row(VN)/個(gè)5.50±0.86c8.25±0.50a6.75±0.95b6.25±0.50b導(dǎo)管直徑Vessel diameter(VD)/μm40.34±1.62ab38.88±3.73b43.56±3.11a43.49±1.03a

圖6 不同遮光條件下香果樹葉片橫切面結(jié)構(gòu)Fig.6 The cross section structure of E. henryi leaves under different shading treatments1、3、5、7：不同處理葉片橫切面The cross section of leaves under different shading treatments(×40); 2、4、6、8：不同處理葉片主脈橫切面 The cross section of main vein of leaves under different shading treatments(×10). EP表皮細(xì)胞Epddemal cell; PT柵欄組織Palisade tissue; ST海綿組織Sponsy tissue; XY木質(zhì)部Xylem; PH韌皮部Phloem

從葉脈結(jié)構(gòu)來看,遮光后香果樹葉脈髓心空腔變小(圖6),木質(zhì)部(XY)寬度加大,單列導(dǎo)管數(shù)目(VN)增多,導(dǎo)管直徑(VD)增粗增大,不同處理間的參數(shù)值均存在顯著差異(P<0.05)。多重比較表明,遮光下的指標(biāo)值顯著高于對照(P<0.05),而且L2和L3的VN顯著小于L1(P<0.05),但VD則明顯大于L1(P<0.05),說明遮光促進(jìn)了香果樹葉脈中XY的發(fā)育,尤其是重度遮光(L2、L3)下葉片中XY顯著增粗增強(qiáng),提高了葉片的水分傳導(dǎo)能力(表4)。

3 結(jié)論與討論

不同光環(huán)境下香果樹幼苗的光合響應(yīng)特征明顯不同。全光照下,香果樹幼苗的光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)為48.56 μmol m-2s-1,光飽和點(diǎn)(LSP)為514.69 μmol m-2s-1。而外界的光合有效輻射長時(shí)間高于全光下的LSP,但是香果樹幼苗仍能夠維持較高的Pn。過剩的強(qiáng)光并未對幼苗的組織器官造成明顯灼傷,也未呈現(xiàn)明顯的光抑制,說明香果樹對強(qiáng)光具有一定的忍耐性和喜光性。一般說,表觀量子效率(AQY)反映植物對弱光的利用能力[28],而LCP和LSP則反映了植物對光照條件的需求[29]。一層遮光(L1)下幼苗表現(xiàn)出最高的Pmax、Rd、AQY和相對較低的LSP和LCP,日均Pn最大,這意味著香果樹幼苗的光合作用對外界光強(qiáng)的變化有較強(qiáng)的可塑性,能較好地適應(yīng)輕度遮光條件下的低量子通量密度,進(jìn)行最大限度的光合作用,從而有利于自身營養(yǎng)物質(zhì)的積累,以滿足低光環(huán)境下植株的正常生長。同時(shí),遮光又可以降低地溫,并有利于維持地表大氣濕度和CO2濃度,從這一點(diǎn)來說,特別是處于天氣酷熱的夏季,適度遮光對香果樹幼齡期的生長和田間管理是十分有利的。而二層遮光(L2)和三層遮光(L3)下,幼苗的LSP和LCP顯著下降,盡管植物自身能夠充分利用弱光進(jìn)行光合作用,但由于弱光下Pmax、Rd、AQY明顯降低,Pn日均值顯著下降,說明過低的光強(qiáng)已經(jīng)成為幼苗光合作用的主要限制因子,形成弱光脅迫,不利于幼苗的營養(yǎng)積累和健康生長。

植物光合作用受到的限制主要是由氣孔或者葉肉細(xì)胞變化引起,而導(dǎo)致植物Pn下降的原因主要有氣孔限制和非氣孔限制兩類[30]。本試驗(yàn)中,全光和一層遮光(L1)下Pn和Tr的日變化呈現(xiàn)明顯的雙峰曲線,說明香果樹幼苗光合作用存在“午休”現(xiàn)象,這與青榨槭(Acerdavidii)[31]、無患子(Sapindusmukorossi)[32]、金蓮花(Trolliuschinensis)[33]等植物的研究結(jié)果一致。而此刻葉片Pn明顯下降,同時(shí)也伴隨著Tr的下降,說明此時(shí)的Pn下降可能與氣孔限制有關(guān)。已有文獻(xiàn)表明,胞間CO2濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)的變化往往是判斷氣孔限制或非氣孔限制的主要依據(jù)[34]。其中Ci是關(guān)鍵指標(biāo),若Ci降低和Ls增大,則以氣孔限制為主,若Ci增大和Ls減小,則以非氣孔限制為主[35]；高光強(qiáng)、高溫、干旱脅迫等不利環(huán)境條件下,植物本身氣孔關(guān)閉一般是引發(fā)“午休”的主要原因[36]。本試驗(yàn)中,不同光環(huán)境下香果樹葉片的Ci和Ls日動(dòng)態(tài)有顯著不同。全光(L0)下幼苗的Pn在12:00時(shí)明顯下降,同時(shí)伴隨著Ci持續(xù)下降和Ls的緩慢上升。因此,依據(jù)氣孔限制理論可以斷定,強(qiáng)光伴隨著高溫帶來的氣孔限制可能是導(dǎo)致全光(L0)和一層遮光(L1)條件下香果樹幼苗“午休”的主要因素。

氣孔是植物與外界環(huán)境進(jìn)行H2O和CO2等氣體交換的重要通道,其分布密度、面積大小直接決定著植物蒸騰和光合作用效率[37-38]。遮光條件下,植物長期處于弱光環(huán)境中導(dǎo)致植物葉表面的氣孔特征發(fā)生了適應(yīng)性變化,一般表現(xiàn)為氣孔密度減小、氣孔開張度顯著降低[25]。本研究表明,全光下香果樹氣孔密度(SD)較大,并顯著高于遮光條件下的SD(P<0.05),氣孔器長度(SL)、寬度(SW)、單個(gè)氣孔器面積(AS)與氣孔器面積百分比(At)也呈現(xiàn)類似的變化,這與油用牡丹(Paeoniaostii)[25]、薯蕷(Dioscoreaopposita)和木薯(Manihotesculenta)[39]、生姜(Zingiberofficinale)[40]等植物的研究結(jié)果基本一致,說明遮光引起了香果樹葉片氣孔器的適應(yīng)性變化,相應(yīng)影響幼苗細(xì)胞內(nèi)外的水分和氣體傳遞。但從氣孔器的形態(tài)來看,香果樹葉片的SL、SW及AS要明顯高于油用牡丹和其他草本植物,這可能是由于香果樹為闊葉喬木植物,光合作用效率較高,蒸騰速率比灌木及草本植物更強(qiáng)。

光是影響植物生長的最重要生態(tài)因子之一,植物長期適應(yīng)不同光照條件,導(dǎo)致其形態(tài)和生理發(fā)生相應(yīng)的改變,以最大程度地維持光合能力,適應(yīng)不同的光環(huán)境。因此,葉片結(jié)構(gòu)的可塑性已成為衡量植物應(yīng)對光脅迫的重要指標(biāo)[41]。葉肉是葉片進(jìn)行光合作用的主要部位,柵欄組織(PT)與海綿組織(ST)厚度、細(xì)胞層數(shù)及柵欄細(xì)胞的形態(tài)變化必然影響到葉片的光合效率。因此,分析遮光條件下植物葉片組織結(jié)構(gòu)的變化可以為光合作用特征的改變提供解釋。一般來說,葉片厚度增加、表皮結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)和柵欄組織發(fā)達(dá)是適應(yīng)強(qiáng)光和旱生葉片的典型特征,而葉片變薄、表皮結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、海綿組織疏松通氣則是葉片適應(yīng)弱光和水分供給充足環(huán)境的一種適應(yīng)特性[42]。從本試驗(yàn)結(jié)果來看,隨著光照強(qiáng)度的減弱,香果樹葉片明顯變薄,上表皮細(xì)胞厚度(UET)增加,下表皮細(xì)胞厚度(LET)減少,PT高度降低,排列變得疏松,這被認(rèn)為是趨于陰生葉的主要特征,并與王榮[3]、楊文權(quán)等[43]的研究結(jié)果基本一致,說明香果樹幼苗從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上對弱光環(huán)境出現(xiàn)了適應(yīng)性調(diào)節(jié)。目前,遮光對維管束導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的影響國內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道較少。遮光條件下香果樹的維管束髓心空腔變小,木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目(VN)增多,導(dǎo)管直徑(VD)同時(shí)增大,葉片水分傳導(dǎo)運(yùn)輸能力相應(yīng)增強(qiáng),說明遮光促進(jìn)了幼苗木質(zhì)部的發(fā)育,這可能是香果樹葉脈維管束對外界光環(huán)境改變所作出的反應(yīng)機(jī)制,從而增強(qiáng)其對逆性脅迫的抗性,維持其正常的生理功能。

葉片是植物對外環(huán)境變化較為敏感且可塑性較大的器官,其形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理變化反映了環(huán)境因子對植物的影響和植物對環(huán)境的適應(yīng)[44]。一般認(rèn)為,全光下有利于PT的發(fā)育,遮光則有利于PT向ST細(xì)胞的轉(zhuǎn)化,但本研究遮光處理下香果樹葉片PT明顯變薄,但同時(shí)伴隨著ST的發(fā)育不強(qiáng),PT/ST有所增加,這與諸多研究結(jié)果不一致,說明不同植物在逆境中所作出的生理反應(yīng)具有復(fù)雜性和可變性,這也許是香果樹遭受外界環(huán)境因素的綜合影響的結(jié)果,其機(jī)制有待于進(jìn)一步研究探討。

綜合來看,香果樹自身具有較好的生理調(diào)節(jié)機(jī)制來應(yīng)對外界不利的光環(huán)境,苗期具有一定的喜光性,同時(shí)對適度遮光又具有一定的適應(yīng)性。但是,嚴(yán)重遮蔭會(huì)制約幼苗的健康成長和發(fā)育,因此在人工育苗生產(chǎn)中,為了滿足香果樹幼苗生長發(fā)育的需求,建議有效輻射強(qiáng)度保持在自然光強(qiáng)的60%以上。