遮光与水分胁迫对盆栽芒萁光合的影响

遮光与水分胁迫对盆栽芒萁光合与叶绿素荧光参数的影响

 

摘要：【目的】研究光合有效辐射与土壤水分变化对芒萁 Dicranopteris dichotoma 光响应进程及原初光化学反应的影响，分析芒萁单优层片发育成因。

 

【方法】设置不同光合有效辐射 [ 轻度遮光 (透光率为 35.96%，L1)，中度遮光(13.00%， L2) 和 高 度 遮 光 (4.75%， L3)] 与 土 壤 水 分 [ 充 足 水 分 (土 壤 相 对 含 水 量 为 75%~80%， W1)， 中 度 干 旱(50%~55%，W2)，重度干旱 (25%~30%，W3)] 双因素控制试验，并以全光处理为对照，比较分析盆栽芒萁光合特征参数和叶绿素荧光诱导动力学参数的变化特征。

 

【结果】①轻度遮光条件下，重度干旱显著降低了芒萁的净光合速率 (Pn)、表现量子效率 (YAQ) 和最大净光合速率 (Pmax)，轻度遮光条件下充足水分 (W1) 和中度干旱 (W2) 的 Pn 大约比重度干旱(W3) 和对照 (ck) 高 34.4%~63.2%；

 

②中度遮光和高度遮光条件下，各浇水处理间芒萁的 Pn 大致相近且略高于 ck，光补偿点 (LCP) 和暗呼吸速率 (Rd) 差异不显著 (P＞0.05)，增加遮光强度能够缓解水分亏缺对芒萁的光合特征参数的负面影响；

 

③在相同水分处理条件下，随着遮光强度增加，芒萁的荧光参数呈现先增加后下降的变化特征。

 

④轻度和中度遮光下重度干旱降低了芒萁的光合机构能力，高度遮光时，随着土壤水分的降低，盆栽芒萁叶片的电子传递效率 (ψO)、电子传递量子产额 (φEo)、能量流参数和光合性能指数 (PIABS) 均出现上升趋势，说明弱光环境下芒萁表现出明显的抗旱性。

 

⑤遮光和干旱处理未对芒萁的 PIABS 和综合性能指数 (PItotal) 产生显著的抑制作用，说明芒萁的 PSⅡ没有受到严重损害。

 

【结论】因此，中度遮光+充足水分组合处理有利于盆栽芒萁积累光合产物，中度遮光与中度干旱下盆栽芒萁拥有最高的 PSⅡ活性，盆栽芒萁对遮光和土壤水分变化的环境表现出较强的适应性。

 

光照和土壤水分状况直接影响植物的光合作用、形态特征乃至生态适合度[1?2]。一般地，强光与弱光都将产生光胁迫效应。盛夏午间强光会引起植物光合速率出现谷值，严重时导致植物叶片萎蔫甚至枯死；持续处于弱光生境也会使植株光合效率降低、生理生化过程改变[3]。

 

土壤水分含量的变化同样影响植物的光合速率与形态建成，但一定程度的缺水会引起植物更为活跃的光合生理过程[4]。资源类或条件类生态因子的变化与植物光合生理响应受到众多学者的关注，较多研究聚焦于单因子梯度变化对植物产生的生态效应，如不同光照条件下活血丹 Glechoma longituba 叶绿体超微结构、光合作用和次生代谢产物的积累分析[5]，不同土壤水分条件下七叶一枝花 Paris polyphylla 光合特性及皂苷含量的研究[6]。

 

新近研究关注 2 个生态因子对植物的复合生态效应，如在弱光环境下，适当水分胁迫可缓解披针叶茴香Illicium lanceolatum 栽培过程中弱光胁迫带来的生长限制效应[7]；适度遮光与适度干旱协同提高了荩草Arthraxon hispidus 的光合能力[8]。设置双因素控制试验，模拟自然生境主要生态因子的复合影响，研究结果更接近于植物对野外条件的生态响应[9?10]。通过叶绿素荧光诱导动力学曲线可分析出大量 PSⅡ反应中心原初光化学信息[11]。

 

强光和水分亏缺会降低 PSⅡ原初光能转换能力[12]；严重的干旱胁迫会使植物叶片 O-J-I-P 曲线变形为 O-K-J-I-P 曲线[13]。芒萁 Dicranopteris dichotoma 属于中国亚热带低山丘陵区次生植被的标志种和识别种[14?16]，对土壤条件变化表现出较强可塑性[17]，能够密集生长于马尾松 Pinusmassoniana、杉木 Cunninghamia lanceolata 等单优群落下层，杜鹃 Rhododendron simsii 灌丛下层及林缘，形成单优草本层片[18?19]，表明芒萁分布地段的光强与水分因子呈现梯度变化，推测单优草本层片的形成与芒萁对光强和土壤水分梯度变化的适应性存在密切的生态关系。

 

由此提出如下猜测，强光下充足的土壤水分可能会减轻芒萁的强光胁迫，而弱光下适当减少土壤水分也可能会减轻芒萁的弱光胁迫。为此，本研究通过设置遮光梯度和土壤水分梯度控制实验，模拟芒萁野外生境，测定盆栽芒萁光合生理参数和叶绿素荧光动力学参数，分析芒萁光合生理过程对光照强度与土壤水分的生态响应特征，探究芒萁生长分布扩散与光强、土壤水分变化的生态关系，为调控芒萁单优层片、促进森林更新提供可借鉴的理论依据。

 

1    材料与方法

 

1.1    材料和实验设计

 

实验地位于浙江农林大学东湖校区 (30°15′28″N，119°43′35″E)，全年降水量 1 628.6 mm，全年平均气温 16.4 ℃，年日照时数 1 847.3 h，无霜期约 237 d。芒萁幼苗采于杭州市临安区玲珑山 (30°13′05″N，119°40′23″E) 海拔 160 m 处，选取长势良好且高度基本一致的幼苗 100 株，于 2018 年 5 月栽植于40 cm(长)×21 cm(宽)×17 cm(高) 的长方形花盆内。栽培基质为马尾松单优群落下层表土 (田间持水量为27.87%)，每盆定植 1 株。设置 3 个梯度的遮光大棚，透光率分别为 35.96%(轻度遮光，记为 L1)，13.00%(中度遮光，记为 L2) 和 4.75%(高度遮光，记为 L3)。

将芒萁幼苗放置于 L2 遮阳网下进行缓苗。2 个月后将成活的盆栽芒萁 (简称芒萁) 随机分成 10 组，10 盆·组?1，1 组移至全光下作为对照组 (ck)，其余移至 3 个遮光强度的大棚内，每个遮光强度下设置 3 个土壤水分梯度，土壤相对含水量分别为田间持水量的 75%~80%(充足水分，记为 W1)，50%~55%(中度干旱，记为 W2)，25~30%(重度干旱，记为W3)；ck 充足水分处理。土壤水分处理 90 d 后，测定芒萁光合参数和叶绿素荧光参数。

 

1.2    测定方法

 

1.2.1    光合参数的测定    

 

利用 Li-6400XT 光合测定仪于 2018 年 10 月晴天的 8:30?11:30(光合有效辐射 727~1 229 μmol·m?2·s?1)，测定芒萁叶片的光合气体交换参数。测定前，让待测叶片在饱和光 (1 500 μmol·m?2·s?1)下照射 30 min，使叶片充分适应。设定光合有效辐射梯度依次为 2 000、1 5 00、1 200、1 000、800、500、300、100、50、30、10 和 0 μmol·m?2·s?1。测定已设定光合有效辐射下的净光合速率 (Pn)。每个处理选择 3 盆芒萁，每盆重复打点 3 次，计算平均值。利用光合助手软件 (Photosynth Assistant) 对Pn—PAR 光响应曲线进行拟合[20]，计算光补偿点 (LCP)、光饱和点 (LSP) 等光合特征参数。拟合方程为：

 

其中：Pmax 为最大净光合速率，Pmax≤50 μmol·m?2·s?1；YAQ 为表观量子效率，0＜YAQ＜0.125 μmol·mol?1；PAR 为光合有效辐射；K 为光响应曲线的曲率，0＜K＜1.2；Rd 为暗呼吸速率。1.2.2    叶绿素荧光诱导动力学曲线的测定    利用便携式动态荧光仪 (YZQ-500)，测定不同处理下芒萁成熟叶片的叶绿素荧光动力学曲线 (O-J-I-P 曲线)。测定前将待测芒萁暗处理 40 min，每个处理测 3 盆，每盆重复测定 3 次。从 O-J-I-P 曲线上可以直接获得如下参数：初始荧光 FO=F50 μs；J 点荧光 FJ=F2 ms；I 点荧光 FI=F30 ms；P 点荧光 FP=FM。

计算得到以下参数[21]：最大光化学效率 φPo、相对可变荧光 VJ、荧光诱导曲线的初始斜率 MO、电子传递效率 ψO、电子传递量子产额 φEo、用于热耗散的量子比率 φDo、单位面积吸收的光能 ABS/CSM(在 t=t FM 时)、单位面积内反应中心的数量 RC/CSM(在 t=t FM 时)、单位面积捕获的光能 TRO/CSM(在 t=t FM 时)、单位面积电子传递的量子产额 ETO/CSM(在 t=t FM 时)、单位面积的热耗散DIO/CSM(在 t=t FM时)、以吸收光能为基础的性能指数 PIABS 和综合性能指数 PItotal。