不同光照強度對石櫟幼苗葉綠素含量及葉綠素熒光參數(shù)的影響

吳飛燕，伊力塔，李修鵬，殷秀敏，劉美華，余樹全*

（1.亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學林業(yè)與生物技術(shù)學院，浙江 臨安 311300；3.浙江省寧波市林業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 寧波 315000；4.杭州之江園林綠化藝術(shù)有限公司，杭州 310053）

常綠闊葉林是亞熱帶地區(qū)典型的地帶性植被，并在世界植被中占有重要地位。經(jīng)過多年的研究，對我國亞熱帶地區(qū)常綠闊葉林，在區(qū)系組成、物種多樣性、外貌結(jié)構(gòu)、演替、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能以及優(yōu)勢樹種光合生理生態(tài)特性等方面均進行了大量的研究[1-2]，并積累了許多資料。但有關我國亞熱帶常綠闊葉林優(yōu)勢樹種的幼苗葉片在不同脅迫條件下的光合生理生態(tài)特征的研究報道較少。

光是植物生存和生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一，植物與光環(huán)境的關系一直是植物生理生態(tài)學研究的熱點問題。隨著生長光強的變化，植物能夠在形態(tài)及生理方面產(chǎn)生可塑性反應，以適應變化的光環(huán)境。植物適應光環(huán)境變化的能力決定了其分布模式和物種豐富度[3]，如陽性先鋒樹種具有較強的光合碳同化能力、高光補償點和高光飽和點等特征[4]；而陰性樹種適應林下弱光照環(huán)境，具有較低的光補償點和較高的表觀量子效率，且對林下光斑利用能力較強[5]。當植物葉片吸收的光能不能完全用于光合作用時，過量的光能就會降低植物的光化學效率，發(fā)生光抑制現(xiàn)象[6-7]。

本文以我國亞熱帶常綠闊葉林區(qū)常見的建群樹種石櫟（Lithocarpus glaber）為研究對象，利用葉綠素熒光測定技術(shù)，測定了不同遮光條件下石櫟幼苗葉片在不同月份的葉綠素熒光參數(shù)及葉綠素含量等光合生理指標的變化，以探討石櫟幼苗對光強的生理生態(tài)適應，為亞熱帶常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復研究提供科學依據(jù)。

1 實驗地概況

實驗地設在浙江農(nóng)林大學苗圃，位于119°44′E，30°16′N，屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，溫暖濕潤，四季分明，具有春多雨、夏濕熱、秋氣爽、冬干冷的氣候特征。全年日照時數(shù)1 847.3 h，全年降雨量1 628.6 mm，全年平均氣溫16.4℃，極端最高氣溫40.4℃，極端最低氣溫-9.2℃，年無霜期250 d左右。土壤為黃壤。

2 材料與方法

2.1 材料和處理

試驗材料為石櫟，屬殼斗科（Fagaceae），為我國亞熱帶常綠闊葉林常見建群樹種。雌雄同株，雌雄異花[8]，多生于海拔300～900 m的雜木林中，喜光，喜深厚肥沃土壤，較耐陰，耐干旱瘠薄，萌芽力強[9]。

采用控制實驗法，黑色尼龍網(wǎng)眼布遮光大棚，使棚內(nèi)相對光強（Relative intensity，RI）分別控制在75%、50%，以全自然光照條件（光強100%）為對照。試驗樹種采用隨機區(qū)組分組法，于2007年3月移栽于水肥基本一致的試驗地，幼樹在40%自然光下的蔭棚下遮蔭緩苗。然后將其隨機分成三組，栽培。試驗區(qū)具有一致的栽培基質(zhì)，即黃壤。每個試驗區(qū)栽植30株。于2007年8月，分別進行3種不同的光強處理，即：高光強（RI為100%，作為對照CK）；以一層黑色尼龍網(wǎng)遮蔭為中度光強（RI為75%）處理；以兩層黑色尼龍網(wǎng)遮蔭為低光強（RI為50%）處理。每個遮蔭棚選取15～20株長勢一致且良好的幼苗掛牌，每棵植株間保持一定距離，避免相互遮蔭。常規(guī)管理，及時除草和防病蟲害。

遮蔭時間為2007年8月～2009年10月。分別于2008年4月和9月、2009年4月和9月，進行各指標的測定。

2.2 測定方法

2.2.1 葉綠素含量的測定

于2008年4月和9月，2009年4月和9月測定石櫟葉片葉綠素相對含量，選取5～7片葉，測定10次取其平均值[10]。利用便攜式葉綠素含量測定儀（SPAD-502，Japanese）測定葉中部的SPAD計數(shù)值，代表葉綠素相對含量。

2.2.2 葉綠素熒光參數(shù)的測定

采用便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀（PAM-2100，Walz Germany）測定石櫟幼苗葉片的葉綠素熒光參數(shù)。測定時間與2.2.1一致。從每個遮陰處理中隨機選擇5株植株，選取每棵植株中上部第3～5片成熟葉片中的一片，對其掛牌，在晴天上午9:00～11:00進行連體測定。所得參數(shù)值是5個數(shù)值的平均值。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)：原初熒光（Fo）、最大熒光（Fm）和光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的最大光化學效率（Fv/Fm），可以計算下列熒光參數(shù)[11-14]：暗適應后PSⅡ的潛在活性（Fv/Fo）；光適應下PSⅡ?qū)嶋H光化學量子產(chǎn)量（ΦPSII）；非光化學猝滅系數(shù)（qN）。其中，F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo測定前，葉片經(jīng)過20 min暗適應。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS軟件，采用單因素方差分析方法，分析不同遮陰處理間光合生理相關指標差異的顯著性；同時，采用多因素方差分析方法，分析光強和測量季節(jié)因素對石櫟葉綠素相對含量和熒光參數(shù)的影響；在數(shù)據(jù)分析前，對所有數(shù)據(jù)進行正態(tài)性與齊性檢驗；最后利用Sigma Plot作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同光強下石櫟葉綠素相對含量

葉綠素是綠色植物光合作用的基礎物質(zhì)，葉綠素含量的多少及消長規(guī)律是反映葉片生理活性變化的重要指標[15]。

圖1 不同光強下石櫟葉綠素相對含量的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variation of chlorophyll relative content of Lithocarpus glaber under different light intensities

從圖1可以看出，相同季節(jié)里，石櫟在不同遮光處理條件下的葉綠素含量不同，其中50%輻射強度處理下，葉綠素含量最高，這也是石櫟處于低光脅迫環(huán)境下所形成的一種生理適應，使其更耐弱光，盡可能地吸收較多的光能，供光合作用需求。

3.2 不同光強下石櫟PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）和PSⅡ的潛在活性（Fv/Fo）

光系統(tǒng)Ⅱ的最大熒光效率（Fv/Fm）及其潛在活性（Fv/Fo）是衡量植物光能利用能力大小的指標，F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo值越大，表明該植物的光能利用潛力越大。

從圖2可以看出，不同光照處理對石櫟葉片葉綠素熒光參數(shù)的Fv/Fm和Fv/Fo均有顯著影響，且各光照處理的葉片葉綠素參數(shù)Fv/Fm和Fv/Fo值均顯著高于全對照（100%）條件，且隨著遮蔭程度的升高而上升。說明石櫟PSⅡ光反應中心的內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)化效率和潛在活性均隨著遮蔭程度的提高而上升，是對遮蔭環(huán)境的響應與適應。在該地區(qū)適當降低光強或生長在林下的石櫟幼苗利用光的能力更強，生長更好。

圖2 不同光強下石礫的PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）和PSⅡ的潛在活性（Fv/Fo）季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of Fv/Fm and Fv/Fo of Lithocarpus glaber under different light intensities

3.3 不同光強下石櫟PSⅡ光合電子傳遞效率（ΦPSII）

在低光照條件下，PSⅡ?qū)嶋H光化學效率ΦPSII通常較高，因為葉片吸收的光能中有較大的比例被用于光化學反應；而在高光強條件下，由于葉片吸收光能的很大比例通過非化學過程而散失，所以經(jīng)過高光強照射的葉片其實際光化學效率ΦPSII較低。

由圖3可知，在低光照下，石櫟PSⅡ?qū)嶋H光化學效率ΦPSII具有最高值，而且顯著高于其他光照條件，且9月份的ΦPSII高于4月份的ΦPSII，兩年具有一致的變化趨勢。

3.4 不同光強下石櫟非光化學猝滅系數(shù)（qN）

當植物吸收的光能超過所能利用的能量時，一般會通過非輻射的熱耗散及相關途徑將過剩的光能耗散掉[16]。

圖3 不同光強下石櫟的PSⅡ光實際光化學效率ΦPSII季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variation of Lithocarpus glaber ΦPSIIunder different light intensities

由圖4可知，隨著光照強度的降低，反應熱耗散的非化學猝滅系數(shù)（qN）降低。與ΦPSII的變化規(guī)律相反，隨著遮蔭度的增加，非光化學猝滅系數(shù)qN值越來越小，因為石櫟能更好的適應遮蔭環(huán)境，充分利用光能，而減少熱耗散，以適應遮蔭的影響。

圖4 不同光照處理石櫟的非化學猝滅系數(shù)（qN）季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of Lithocarpus glaber qN under different light intensities

3.5 光照和季節(jié)的交互作用對石櫟葉綠素指標的影響

結(jié)果見表1。

表1 光照、季節(jié)及二因素交互作用對石櫟葉綠素含量、熒光參數(shù)的二元方差分析Table1 Binary variance analysis of light,season and interaction of two factors Lithocarpus glaber chlorophyll content and fluorescence parameters

由表1可知，經(jīng)過兩年的光照處理后，光強和季節(jié)、以及光強和季節(jié)的交互作用，對石櫟的葉綠素含量、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII和qN都有顯著影響，且石櫟幼苗的葉綠素相對含量、ΦPSII和qN的影響顯著高于季節(jié)對它的影響，而對Fv/Fm和Fv/Fo的影響顯著低于季節(jié)的影響，說明光強和季節(jié)對石櫟幼苗葉綠素含量和葉綠素熒光參數(shù)的影響不完全一樣。

4 討論與結(jié)論

葉綠素是植物的光合色素，具有吸收和傳遞光量子的功能，其含量是衡量植物對光能利用能力的指標。而且，植物的光合作用與葉綠素含量密切相關。一般情況下，適當遮光的葉片其葉綠素相對含量較全光照條件高。在本研究中，石櫟幼苗葉綠素含量隨著光照強度的降低而增加，其中9月份葉綠素含量較高，這與前人的研究結(jié)果是一致的[17-20]，而在弱光條件下植株的葉綠素a、b及葉綠素總量都有所增加，這有利于植物更好地吸收光能和更有效地進行光合作用。

葉綠素熒光參數(shù)分析在植物生理方面應用廣泛，而熒光參數(shù)Fv/Fm和Fv/Fo是研究植物光合生理狀態(tài)的重要參數(shù)。Fv/Fm是指PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量，反映PSⅡ反應中心內(nèi)稟光化學效率，同時也反映開放的PSⅡ反應中心捕獲激發(fā)能的效率；Fv/Fo反映PSⅡ的潛在活性[21]。PSⅡ的最大光化學效率和PSⅡ潛在活性的提高有利于光合色素把所捕獲的光能以更高的速度和效率轉(zhuǎn)化為化學能，從而為碳同化提供更充足的能量，有效改善葉片的光合功能，有利光合速率的提高[22]。從本研究結(jié)果可見，隨著遮蔭程度的提高，石櫟的葉綠素參數(shù)Fv/Fm和Fv/Fo值均依次上升，說明遮光處理提高了PSⅡ反應中心光化學效率和潛在活性，可能是由于遮光使PSⅡ吸收的光能較多地分配給光合電子傳遞用于葉片的光合作用，從而表現(xiàn)出較高的電子傳遞速率，也是石櫟對弱光環(huán)境適應能力的體現(xiàn)。不同月份石櫟幼苗的葉綠素熒光參數(shù)對生長光強的響應有所不同，無論是4月還是9月，在50%生長光強下石櫟幼苗的Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII均顯著高于全光照條件；75%生長光強下石櫟幼苗的Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII也顯著高于全光照條件，是石櫟適應弱光環(huán)境的表現(xiàn)。

本研究表明，石櫟能夠成為常綠闊葉林較為常見的建群樹種，與其對光強的適應性有關，低光環(huán)境下石櫟有較高的表觀量子效率和光化學效率以及相對葉綠素含量，表明其有充分利用低光的潛力，可以在林下或者弱光區(qū)良好生長。但是，由于本研究試驗材料為石櫟幼苗，所以還需根據(jù)進一步實驗數(shù)據(jù)來驗證其結(jié)果。

[1]沈利娜,蔣忠誠,吳孔運,等.峰叢洼地恢復演替系列優(yōu)勢種光合生理生態(tài)特征日變化研究—以廣西馬山弄拉峰叢洼地為例[J].廣西植物,2010,30(1):75-81.

[2]譚曉紅,王爽,馬履一,等.豫西刺槐能源林培育的光合生理生態(tài)理論基礎[J].生態(tài)學報,2010,30(11):2940-2948.

[3]馮玉龍,曹坤芳,馮志立,等.四種熱帶雨林樹種幼苗比葉重,光合特性和暗呼吸對生長光環(huán)境的適應[J].生態(tài)學報,2002,22(6):901-910.

[4]Scholes J D,Press M C,Zipperlen S W.Differences in light energy utilization and dissipation between dipterocarp rain forest tree seedlings[J].Oecologia,1997,109:41-48.

[5]Senevirathna A M,Stirling C M,Rodrigo V H.Growth,photosynthetic performance and shade adaptation of rubber(Hevea brasiliensis)grown in natural shade[J].Tree Physiology,2003,23(10):705-712.

[6]王博軼,馮玉龍.生長環(huán)境光強對兩種熱帶雨林樹種幼苗光合作用的影響[J].生態(tài)學報,2005,25(1):23-30.

[7]Shirke P A,Pathre U V.Diurnal and seasonal changes in photosynthesis and photosystem 2 photochemical efficiency in Prosopis juliflora leaves subjected to natural environmental stress[J].Photosynthetica,2003,41(1):83-89.

[8]蔣馥蔚,江洪,李巍,等.不同起源時期的3種被子植物對酸雨脅迫響應的光合生理生態(tài)特征[J].植物生態(tài)學報,2009,33(1):125-133.

[9]浙江植物志編輯委員會.浙江植物志:第二卷[M].杭州:浙江科學技術(shù)出版社,1989:52.

[10]金靜,江洪,余樹全,等.孑遺植物銀杏（Ginkgo biloba L.）伴性光合生理特征與進化生態(tài)[J].生態(tài)學報,2008,28(3):1128-1136.

[11]Genty B,Jean-Marie B,Baker N R.The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence[J].Biochimica et Biophysica Acta(BBA)-General Subjects,1989,990(1):87-92.

[12]Van Kooten O,Snel J H.The use of chlorophyll fluorescence nomenclature in plmt stress physiologyf[J].Photosynthesis Research,1990,25:147-150.

[13]Bilger W,Bj?rkman O.Role of the xanthophyll cycle in photoprotection elucidated by measurements of light-induced absorbance changes,fluorescence and photosynthesis in leaves of Hedera canariensis[J].Photosynthesis Research,1990,25(3):173-185.

[14]Maxwell I,Johnson G N.Chlorophyll fluorescence a practical guide[J].Journal of Experimental Botany,2000,51:659-668.

[15]潘麗芹,徐小勇,沈琪,等.不同生境條件下山麻桿葉片色素含量變化研究[J].北方園藝,2010,11(1):150-152.

[16]翟洪波,呼和牧仁,周梅,等.不同年齡華北落葉松光合、蒸騰生理生態(tài)特征的研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報:自然科學版,2010,31(2):66-71.

[17]李冬林,向其柏.光照條件對浙江楠幼苗生長及光合特性的影響[J].南京林業(yè)大學學報:自然科學版,2004,28(5):27-31.

[18]范燕萍,余讓才,郭志華.遮蔭對綠巨人生長和光合特性的影響[J].園藝學報,1998,25(3):270-274.

[19]張璐,張紀林,教忠意,等.不同光照條件下3種冬青屬植物光合日變化研究[J].西北植物學報,2006,26(3):490-495.

[20]孫曉方,何家慶,黃訓端,等.不同光強對加拿大一枝黃花生長和葉綠素熒光的影響[J].西北植物學報,2008,28(4):752-758.

[21]蔡仕珍,陳其兵,潘遠智,等.遮光對花葉細辛光合特性和熒光參數(shù)的影響[J].四川農(nóng)業(yè)大學學報,2004,22(4):326-331.

[22]時向東,汪文杰,王衛(wèi)武,等.遮蔭下氮肥用量對雪茄外包皮煙葉光合特性的調(diào)控效應[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2007,13(2):299-304.