城市常綠園林植物香樟葉片色素變異特征研究

呂 丹， 吳甘霖， 邱 東， 陶 冶

(安慶師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 皖西南生物多樣性研究與生態(tài)保護安徽省重點實驗室, 安慶 246133)

城市綠化植物是構(gòu)建生態(tài)城市的主體和構(gòu)成城市生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵，對改善生態(tài)環(huán)境、促進居民身心健康和保障社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有著不可替代的作用[1-2]。隨著工業(yè)化的發(fā)展和城市規(guī)模的擴大，排放于大氣和土壤中的污染物日益增多[3-5]，這對城市植被有一定影響和危害。城市化過程中逐漸形成了不同城市小生境，并具有不同的環(huán)境特征(如不同程度的大氣、土壤污染等)[6-7]。因此，研究城市不同生境及其潛在的環(huán)境變異對園林綠化植物生長和生理的多重影響對揭示城市人工植被的環(huán)境敏感性和適應(yīng)性具有極為重要的意義。

葉片是高等植物光合作用的主要器官，其光合色素尤其是葉綠素含量是衡量光合作用強弱的重要因素[8]。植物光合色素對外界環(huán)境影響十分敏感，季節(jié)(物候期)、土壤養(yǎng)分有效性、土壤含水量、病蟲害及空氣污染等都是重要影響因素[9]。諸多研究表明，生境對植物光合色素含量有顯著的影響。相比郁閉環(huán)境，在林緣曠地強光脅迫生境中，粗毛淫羊藿(Epimediumacuminatum)和山麻桿(Alchorneadavidii)均表現(xiàn)出較低的葉綠素含量[10-11]。在相對干旱的環(huán)境下，裸子植物圓柏(Sabinachinensis)葉片類胡蘿卜素含量較高而葉綠素較低[12]。昆侖山前山牧場高海拔生境生長的牧草葉片色素含量明顯高于綠洲低海拔生境，而后者葉綠素a/b值較高[13]。海邊生境的鹽地堿蓬(Suaedasalsa)葉綠素a、b含量顯著低于內(nèi)地生境條件下的植物[14]?？梢?，植物在不同生境條件下表現(xiàn)出的光合色素含量差異體現(xiàn)了植物在長期與環(huán)境交互作用過程中形成的一種適應(yīng)策略。那么，由于城市環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，不同小生境下園林綠化植物的光合色素含量如何變化？目前鮮有報道。

季節(jié)和生長季對光合色素含量影響顯著，但其變化特征因物種不同而呈現(xiàn)較大差異。彩葉植物從生長初期到生長末期，呈現(xiàn)高→低→高的變化過程，即生長中期葉綠素a、b等色素含量最低[15]，而類胡蘿卜素含量則呈相反趨勢[16]。裸子植物臭柏(Sabinavulgaris)葉片總?cè)~綠素含量及葉綠素a/b隨生長季延長呈不斷增加趨勢[17]。隨物候期的變化，銳齒櫟(Quercusacutidentata)葉綠素a、b、類胡蘿卜素及總?cè)~綠素含量均呈低→高→低的變化趨勢，而葉綠素a/b在生長末期最大[18]。由此可見，不同類型植物葉片色素季節(jié)變化并未呈現(xiàn)一致規(guī)律。那么，城市園林綠化植物，尤其是常綠植物葉片色素含量隨季節(jié)變化具有何種規(guī)律？

為解答上述科學(xué)問題，以安徽省安慶市區(qū)栽植常綠園林植物香樟(Cinnamomumcamphora)為研究對象，選擇7個典型生境，通過夏季和冬季2次實地調(diào)查取樣，系統(tǒng)研究香樟主要光合色素含量及其比例在生境、季節(jié)和樹冠方位上的變異特征和可能的影響因素。研究結(jié)果將為指導(dǎo)城市綠化樹種的科學(xué)管理，保障城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

安慶市(115°46′～117°44′E，29°47′～31°17′N)地處長江中下游、皖鄂贛三省交界處，是安徽省西南部重要城市。安慶市北依大別山，南臨長江，屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，具有季風(fēng)明顯、雨量充沛等氣候特點；年平均氣溫14.5℃～16.6℃，年平均降水量在1253～1535 mm之間，年平均相對濕度77%。常年主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，占全年風(fēng)向的52%，其次為西南風(fēng)[19]。作為長江流域常見的園林綠化樹種，香樟在安慶市區(qū)廣為栽植，是最為常見的綠化樹種。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 葉片樣品采集與處理

依據(jù)安慶市城市功能區(qū)規(guī)劃，結(jié)合實地踏查，選擇7個在人類活動、人文特征及經(jīng)濟活動差異較明顯的生境(A商業(yè)區(qū)、B居民區(qū)、C文教區(qū)、D休閑區(qū)、E工業(yè)區(qū)、F餐飲區(qū)和G郊區(qū))，分別于2016年7和12月開展2次調(diào)查取樣。每個生境確定3個取樣點，每個樣點選取4棵樹。為減小和避免誤差，所有已選樹木大小(胸徑18～22 cm)及栽植年限(10 a～15 a)均一致。用高枝剪在樹冠南北兩側(cè)分別剪取3～4個小枝，摘取當(dāng)年生小枝第3～5葉序的葉片10枚，裝入信封內(nèi)迅速放入裝有冰袋的泡沫保溫箱內(nèi)。樣品帶回實驗室后置于4 ℃保存，并在1 h內(nèi)完成葉綠素樣品處理。

每個葉片樣品用剪刀剪成細條狀，避開主脈。然后將細條再次剪斷為更小的片段，以保證樣品光合色素能充分萃取。稱取0.2 g葉片樣品(重復(fù)3次)，放入刻度試管內(nèi)，加入95%乙醇定容到20 mL，室溫下黑暗靜置24 h，期間搖勻一次。測定前再將試管充分搖勻，取上清液，用紫外可見分光光度計分別在665、649及470 nm測定吸光值[13,18]。

95%乙醇提取光合色素含量計算公式：

Ca= 13.95A655- 6.88A649

(1)

Cb= 24.96A649- 7.32A665

(2)

Cx= (1000A470- 2.05Ca- 114.8Cb)/245

(3)

其中，A=nCNW-1(mg/g)，A: 葉綠體色素含量；n: 提取液體積；N: 稀釋倍數(shù)；C: 色素濃度(Ca,Cb,Cx)；W: 樣品鮮重。

由此計算得出葉綠素a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量x、總?cè)~綠素含量T (葉綠素a+b)以及葉綠素a/b。

1.2.2 土壤樣品采集與處理

在每棵樹的東南西北4個方位距樹0.5 m處各采集1次0～10 cm深土樣，混合為1份備用。土壤帶回實驗室后，自然風(fēng)干、過篩，采用鮑士旦的方法測定土壤有機碳(SOC, mg/g)、全氮(TN, mg/g)、全磷(TP, mg/g)、速效氮(AN, mg/kg)、速效磷(AP, mg/kg)、pH值及電導(dǎo)率(EC, μS/cm)[20]，并計算土壤碳氮比(C∶N)、碳磷比(C∶P)、氮磷比(N∶P)及速效氮磷比(AN∶AP)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用三因素方差分析解析生境、季節(jié)、樹冠方位及其交互作用對香樟葉片色素含量及其比例的影響；各因子對香樟葉片色素含量的影響采用單因素方差分析完成。利用Levene′s test檢驗方差齊性，使用Duncan法進行多重比較[21]。對香樟葉片色素與土壤因子進行Pearson相關(guān)性分析，再分別基于土壤及光合色素指標對7個生境進行分層聚類，以進一步比較其相似程度。常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖采用Excel 2013完成，方差分析和聚類分析采用SPSS 19.0軟件實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 香樟葉片光合色素含量及比例對多環(huán)境因子的響應(yīng)

生境和季節(jié)對香樟葉綠素各成分、葉綠素a/b及類胡蘿卜素/葉綠素a有顯著影響，且生境與季節(jié)的交互作用對光合色素指標也有顯著影響(表1)。除樹冠方位與生境的交互作用對葉綠素a含量有一定影響外，其他各因子及其交互作用對葉綠素各成分及葉綠素a/b均無顯著影響。此外，3個因子對總?cè)~綠素、葉綠素a及類胡蘿卜素也有一定交互作用?？傮w上，季節(jié)的作用最大，其次是生境，樹冠方位的影響極其微弱。因此，本研究不再單獨分析樹冠方位間的差異性。

表1 香樟葉片色素指標的三因素方差分析(F值)

注：“*”P< 0.05；“** ”P< 0.01

2.2 生境對香樟葉片色素含量及比例的影響

研究結(jié)果顯示，無論夏季或冬季，不同樹冠方位香樟葉片總?cè)~綠素量、色素各成分含量及其比例在不同生境間均有一定差異(圖1和圖2)。夏季時，香樟陰面葉葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量均是餐飲區(qū)(F)最低，其他生境間無明顯差異，而葉綠素a/b的值在所有生境間均無差異；陽面葉葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素的含量均以郊區(qū)(G)最高，商業(yè)區(qū)(A)最低，其他生境之間無顯著差異，而葉綠素a/b的值以文教區(qū)最高(C)，居民區(qū)最低(B)。

冬季不同生境香樟葉片色素含量及其比例的差異更大。對陰面葉而言，葉綠素a的含量以休閑區(qū)最高(D)，其他各生境間無差異；而在陽面葉同樣以休閑區(qū)最高(D)，商業(yè)區(qū)(A)和工業(yè)區(qū)(E)最低。陰面葉和陽面葉葉綠素b的含量類似，均在商業(yè)區(qū)(A)、休閑區(qū)(D)、餐飲區(qū)(F)較高，而在其他4個區(qū)較低。陰面葉總?cè)~綠素含量則以休閑區(qū)最高(D)，商業(yè)區(qū)(A)和餐飲區(qū)(F)次之；對陽面葉而言，總?cè)~綠素的含量同樣以休閑區(qū)最高(D)，而餐飲區(qū)(F)次之。無論是陰面葉還是陽面葉，葉綠素a/b的最高值均出現(xiàn)在文教區(qū)(C)，居民區(qū)次之(B)，最低值出現(xiàn)在商業(yè)區(qū)(A)和餐飲區(qū)(F)，差異均極顯著。

A: 商業(yè)區(qū)；B: 居民區(qū)；C: 文教區(qū)；D: 休閑區(qū)；E: 工業(yè)區(qū)；F: 餐飲區(qū)；G: 郊區(qū)。不同小寫字母表示樹冠兩側(cè)葉片色素含量在7個生境間差異顯著(P<0.05)。“*”表示葉片色素在不同季節(jié)間差異顯著(P<0.05)；“**”表示差異極顯著(P<0.01)；ns 表示差異不顯著(P>0.05)。下同

圖1不同生境及不同季節(jié)香樟色素含量的比較
Figure 1 Comparison of pigment contents ofC.camphoraaccording to different habitats and seasons

2.3 季節(jié)對香樟葉片色素含量及比例的影響

季節(jié)對香樟的總?cè)~綠素量、葉綠素各成分含量及其比例有強烈影響，且隨生境的不同而不同(圖1和圖2)。對陰葉面，除商業(yè)區(qū)(A)和餐飲區(qū)(F)外，其他生境葉綠素b含量在夏季顯著高于冬季；而在陽葉面，除商業(yè)區(qū)(A)和休閑區(qū)(D)，其他生境葉綠素b含量同樣在夏季顯著高于冬季。無論樹冠北側(cè)或南側(cè)，不同生境香樟葉片葉綠素a、類胡蘿卜素、總?cè)~綠素含量以及葉綠素a/b均表現(xiàn)為夏季顯著高于冬季(圖1)。相比于之下，冬季香樟葉片類胡蘿卜素含量下降比例遠高于葉綠素a和b。

2.4 香樟葉片色素含量及比例與土壤因子的關(guān)系

由于樹冠方位對香樟葉片色素含量及比例沒有顯著影響，因而分夏季和冬季對不同生境香樟葉綠素指標與土壤因子的關(guān)系進行分析研究，以探析香樟葉綠素含量差異的可能原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除速效氮與葉綠素a/b呈顯著負相關(guān)外，夏季香樟光合色素含量及其比例與11個土壤因子均無顯著相關(guān)性(表2)。冬季香樟葉片色素含量及其比例與土壤因子的相關(guān)性較強。高的土壤TN、TP及AN含量有助于葉綠素b及總?cè)~綠素含量的保持，但會顯著降低類胡蘿卜素含量及葉綠素a/b。土壤AP含量、土壤C∶N及速效N∶P對香樟光合色素特征的影響與TN、TP及AN相反。此外，在與土壤因子關(guān)系上，葉綠素含量與類胡蘿卜素含量呈相反趨勢，而葉綠素a/b與類胡蘿卜素含量具有相似的關(guān)系和變化趨勢。總之，土壤TN、TP、AN、AP及速效N∶P是冬季香樟葉片色素含量與比例的主要影響因素。

表2 香樟葉片色素指標與土壤因子間的相關(guān)系數(shù)

圖2不同生境及不同季節(jié)香樟葉綠素a/b的比較

Figure 2 Comparison of chlorophyll a/b ofC.camphoraaccording to different habitats and seasons

不同季節(jié)之間土壤理化因子對香樟生境的聚類結(jié)果相似性較低(圖3-A、 C)，表明季節(jié)之間的土壤理化因子有較大差異。同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在由光合色素表征的生境聚類上(圖3-B、D)，也體現(xiàn)了季節(jié)間變異較大的光合色素特征。夏季葉片色素特征所反映的香樟生境聚類(圖3-B)與土壤理化因子所表征的生境聚類(圖3-A)有較大差異，這表明香樟生長與城市土壤因子關(guān)聯(lián)性不明顯或不受土壤養(yǎng)分限制，這一結(jié)果與相關(guān)性分析一致(表2)。冬季基于土壤因子和色素特征的兩種聚類結(jié)果相似性較大，表現(xiàn)為居民區(qū)、文教區(qū)和工業(yè)區(qū)同在第一分支，商業(yè)區(qū)和餐飲區(qū)同在第二分支，僅休閑區(qū)和郊區(qū)有所變動(圖3-C、D)。由此可見，相對于夏季而言冬季香樟葉片色素特征與土壤因子間具有較顯著的關(guān)聯(lián)，這也得到相關(guān)性分析的證實(表2)。

3 討論

植物葉片色素由多個組分組成，其中葉綠素是高等植物光合作用中最重要的色素，其含量的多少直接影響植物光合作用的強弱[22-24]。在不同生理條件下，葉綠素a和葉綠素b的合成及分解速度影響了葉綠素a/b的比值，主要通過“葉綠素循環(huán)”實現(xiàn)，即葉綠素a和b的相互轉(zhuǎn)化過程。在遮光條件下，葉綠素a向葉綠素b的轉(zhuǎn)化加快，葉綠素a/b的比值降低，從而提高了植物對弱光的利用，是其生理適應(yīng)所致[9]?？梢姡谌豕饣蛘诠鈼l件下，葉綠素b含量會相對增高，而葉綠素a/b會相應(yīng)降低。然而，本文對常綠園林植物香樟的研究卻并不支持上述觀點，所有7個生境香樟樹冠陰面葉片的葉綠素b含量及葉綠素a/b與陽面葉并未有任何顯著差異，也即見光多少并沒有影響香樟葉片色素含量。這可能是因為常綠喬木香樟不同樹冠方位葉片盡管接收到的光強不同，但這種長期適應(yīng)反而降低了樹冠陰陽面所導(dǎo)致的光合色素含量的差異。

1～7分別表示商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、文教區(qū)、休閑區(qū)、工業(yè)區(qū)、餐飲區(qū)和郊區(qū)

圖3基于土壤理化特性和葉片色素指標的生境聚類分析

Figure 3 Cluster analysis on habitats based on soil physical-chemical properties and leaf pigments

夏季陽光充足，各生境香樟葉片光合色素含量均顯著高于冬季，是常綠植物對環(huán)境長期適應(yīng)并形成特定物候期的反映[18]。夏季也是常綠植物光合產(chǎn)物的快速積累期，高葉綠素含量有利于植物對光的吸收、利用和有機物積累，為植物生長及越冬存儲能量。冬季時，所有光合色素含量均顯著下降，但葉綠素a的下降速率高于葉綠素b，這與其生理適應(yīng)密切相關(guān)[18]。冬季溫度降低，光強減弱，主要吸收長波光的葉綠素a大多分解轉(zhuǎn)化[9]，而主要吸收短波光的葉綠素b卻依然保持一定的量，這是葉綠素b對弱光環(huán)境的適應(yīng)。這種不等比例的下降最終導(dǎo)致冬季時不同生境香樟葉綠素a/b均顯著低于夏季[18]。

高等植物的類胡蘿卜素是光合作用天線系統(tǒng)和反應(yīng)中心葉綠素結(jié)合蛋白的重要組成部分。類胡蘿卜素是光合系統(tǒng)的基本成分，既參與光捕獲又抑制過剩激發(fā)能[25-26]。類胡蘿卜素是非酶氧自由基的重要清除劑，較高的類胡蘿卜素含量有利于減少或防止過量的活性氧產(chǎn)生和保持葉綠體內(nèi)自由基產(chǎn)生及淬滅的平衡[27]。對于變色常綠闊葉植物小葉黃楊而言，其冬季變色主要因為類胡蘿卜素含量增加，光抑制程度加重，活性氧相關(guān)指標如過氧化氫含量、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性也顯著升高，總體光化學(xué)效率降低[28]。然而，對于始終保持綠色的香樟而言，本研究發(fā)現(xiàn)其類胡蘿卜素含量在冬季顯著降低，并未呈現(xiàn)增加趨勢，因而香樟葉片類胡蘿卜素含量對季節(jié)的響應(yīng)與變色小葉黃楊完全不同，這可能是不變色常綠植物的色素保護機制。

葉綠素含量的變化除與植物對光照的適應(yīng)性有關(guān)，也受到土壤中礦質(zhì)元素的影響[22,24,29]，而土壤養(yǎng)分有效性的差異則是對生境異質(zhì)性(即城市不同生境)的反映。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤TN、TP、AN、AP及速效N∶P是冬季香樟葉片色素含量與比例的主要影響因素。磷不僅是核酸、磷脂的組分，也是許多輔酶的組分，直接參與氧化磷酸化和光合磷酸化，因而在能量代謝中起特殊作用，土壤P含量會影響光合色素的量及植物光合作用的某些過程[30]。許多研究表明，當(dāng)土壤存在N缺乏、干旱等脅迫時，葉片葉綠素含量會隨之下降[31-33]。本研究表明，N和P有助于冬季香樟葉綠素b含量的維持，但會降低類胡蘿卜素含量及葉綠素a/b。這也說明，在土壤條件較好的生境生長的香樟其主要光合色素含量會更高，其中對吸收短波藍紫光的葉綠素b更有利。

研究結(jié)果還顯示，生境對香樟色素特征的影響小于季節(jié)變化，而且不同季節(jié)條件下生境對香樟色素的影響也有不同，即夏季生境的影響作用明顯小于冬季，因為夏季香樟光合色素含量與土壤因子間的關(guān)系不密切?？梢?，夏季不同生境香樟長勢總體較好，生境的影響較小，而冬季香樟生長緩慢，此時葉片光合色素含量大大降低，也更易受外界環(huán)境的影響。本研究表明，全量N、P及速效N、P是冬季香樟色素特征的主要影響因素，這一結(jié)果也指示可在冬季通過人工干預(yù)對土壤輸入外源養(yǎng)分來調(diào)控香樟的生長。因此，季節(jié)也是城市生境土壤異質(zhì)性對香樟色素特征產(chǎn)生影響的重要調(diào)控因素。

總之，作為城市綠化常用的常綠樹種，香樟葉片色素隨城市生境及生長季節(jié)變化均表現(xiàn)出顯著的變異特征，且這些變化與已有相關(guān)研究并不完全相同。這是否為香樟獨特的變化適應(yīng)模式抑或其他常綠園林植物共有的特征尚難以判斷。此外，由于本文未對各生境環(huán)境質(zhì)量進行長期有效監(jiān)測，故也無法準確判斷其與香樟生長及葉片色素特征的關(guān)系，因而這些問題仍需進一步研究。