望天树幼苗光合特性与功能性状对光照和施肥的响应*

杨霖，黄郑雯，毛开泽，高漫娟，王玉洁，程希平

(西南林业大学 地理与生态旅游学院，云南 昆明650224)

植物功能性状是指影响植物生长发育并能指示植物对环境的响应和适应的植物性状[1]。植物作为不可移动的有机体，其对异质环境的适应能力决定其生存和生产力形成,以及在林中分布的丰度和广度[2]。光照环境和土壤养分等条件对植物生长发育具有重要影响。光照条件是植物光合作用和植物生长最重要的影响因素[3],植物会通过光合生理性状、生长速率和形态结构等特征的变化响应光照环境的异质性[4]。不同植物对光照条件变化的适应具有显著差异，耐阴树种在强光下会导致生长受阻，而喜阳植物则会在环境光强变强的条件下升高光合速率加快生长[5-6]。光强过弱会限制植物的生长速率，但过度的光强也会对植物造成破坏作用。因此，在不同的光照条件下，植物通常表现出形态和生理上的，特别是叶片结构和功能上的变化来适应光照对其抑制和破坏作用[7]。土壤养分在植物各器官间的分配是调节其生长速率的重要因素，是与植物生活史策略相关的关键生态过程[8]。土壤养分条件变化对植物的性状和光合生理等具有一定的阈值影响,适度施肥有助于提高植物的光合固氮能力，促进植物的生长和存活[9-10]。因此,研究不同光照强度下和土壤养分条件下濒危植物特别是其幼苗的功能性状对环境的适应和可塑性，有助于提高其在群落中的竞争能力并促进其种群的自然更新。

望天树(Parashoreachinensis)为龙脑香科柳安属植物，是西双版纳热带雨林的旗舰树种，为我国特有的一级濒危保护植物，主要分布于云南和广西热带季雨林海拔1 000 m以下的湿润河谷[11]。由于其分布区极为狭窄且自然萌芽难度较大和近年来大规模的开发利用，在自然和人为因素的共同作用下导致其分布面积不断减小[12]。因此，对望天树原始森林植被的自然恢复和种群更新的研究具有积极意义。本研究以盆栽望天树幼苗为研究材料，通过设置不同光照梯度和施肥梯度的双因素控制实验，探讨其在自然环境下从群落下层低光环境到森林边缘的强光环境不同土壤养分条件的光肥耦合状态的光合与功能性状的适应策略。

1 材料和方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验地位于云南省南部西双版纳州勐腊县中国科学院西双版纳热带植物园(21°41′ N,101°25′ E，海拔580 m)。试验地为热带季风气候，具有明显的干季(11—次年4月)和雨季(5—10月)之分。年平均降雨量1 500～1 600 mm，降雨多集中在雨季，占全年降雨量的83%～87%。年平均气温21.7 ℃，相对湿度85%。

试验材料采自西双版纳自然保护区望天树热带雨林林下种子实生苗，选取个体大小一致的幼苗移栽于圆形花盆中，每盆定植一株，栽培基质为等体积的森林表土与河沙混匀而成。移栽后将幼苗置于相对光强10%的黑色尼龙遮阴网下(经测定与原生地林下光相近)进行半年期适应性生长。2018年10月选取个体大小相近的望天树幼苗进行光强和施肥处理，设置3个不同光照的大棚，分为自然全光(100%透光)，中光(40%透光)，低光(10%透光)，每个光照处理下设置2个不同的施肥处理，分别为高肥(每半月施肥1次)和低肥(每3月施肥1次)。共设置全光高肥(H100)、中光高肥(H40)、低光高肥(H10)、全光低肥(L100)、中光低肥(L40)、低光低肥(L10)计6个不同处理。

1.2 试验设计与测定方法

1.2.1 望天树幼苗光响应曲线测定

2020年7月至8月生长期，选取晴朗天气的上午9:00—11:00，每个处理选择3盆，每盆选择3片阳生成熟叶片测定望天树幼苗光响应曲线。测定使用便携式光合测量仪(Li-6400,Li-Cor,Lincoln,USA)。测定条件设置为：叶室温度(29±2)℃，相对湿度75%±5%，空气流速控制为500 μmol/s，CO2浓度控制为400±1μmol/mol。光照梯度设置为：自然全光〔1 500,1 200,1 000,800,500,300,200,100,80,50,30,15,0 μmol/(m2·s)〕,中光〔1 200,1 000,800,500,300,200,100,80,50,30,15,0 μmol/(m2·s)〕和低光〔800,600,400,200,100,80,50,30,15,0 μmol/(m2·s)〕。使用非直角双曲线对光响应曲线对望天树幼苗Pn与PAR之间的关系进行拟合[13]，计算最大净光合速率(maximum photosynthetic rate,Pnmax)、光补偿点(light compensation,LCP)和暗呼吸速率(dark respiration rate,Rd)。

1.2.2 望天树幼苗生长性状测定

2020年8月10日试验结束后，测量树高(tree height，TH)和基径(basal diameter，BD)，每个处理选择6盆望天树幼苗进行测定。

1.2.3 望天树幼苗叶片功能性状测定

于2020年8月10日日出前，每个处理选取6盆幼苗，每盆随机摘取10片成熟叶片置入保温箱中带回实验室。利用扫描仪(HP Scanjet G3110)扫描叶片，后期使用Image J软件计算叶面积(leaf area，LA);使用千分尺(三量211-101)测定叶片厚度(leaf thickness,LT)，随后将测定完的叶子置于70℃的烘箱中烘至叶片达到恒重，即为叶片干重(leaf dry weight，LDW)。计算比叶面积(specific leaf area，SLA)=LA/LDW，比叶质量(specific leaf mass，SLM)=LDW/LA。

叶绿素SPAD值(Chlorophyll,Chl)使用叶绿素仪( SPAD 502,Minolta Corp.,Osaka,Japan )，每个处理选取6株幼苗，每株幼苗选取6片成熟叶片，每个叶片选取上中下三个部位测定单位叶面积的叶绿素(单位为SPAD)。

2 结果与分析

2.1 光照和施肥对光合特性的影响

植物的光响应曲线可以反映其光合特性对环境的适应性[14]。望天树幼苗在自然全光、中光和低光下分别在光合有效辐射(PAR)小于200、150、100μmol/(m2·s)时呈近线性增长(图1)，后来逐渐放缓，并在达到最大净光合速率Pnmax(表1)后，表现出平台效应，出现光饱和现象。

图1 光照和施肥处理下望天树幼苗光响应曲线

表1 光照和施肥处理下望天树幼苗的光合特性

植物可以通过光合特性的可塑性应对土壤养分和光照强度的长时间变化。与高肥处理相比，低肥显著降低了望天树幼苗的Pnmax( 表1，P<0.05 )。相同施肥处理下全光环境生长幼苗的Pnmax则显著高于遮荫处理幼苗，且随遮荫程度加深逐渐降低。低光环境的H10苗和L10苗的LCP均显著低于高光和中光环境下生长的幼苗(P<0.05)，但高光和中光环境幼苗的LCP没有显著差异(P>0.05)。此外，不同施肥处理下，遮荫对Rd的表现出不同影响，高肥下全光显著降低了幼苗的Rd(P<0.05)，但低肥下幼苗的Rd随遮荫增强表现出先增后减的趋势，并表现为中光下Rd显著高于全光和低光的现象(P<0.05)。

2.2 光照和施肥对生长性状的影响

在全光和中光条件下，望天树幼苗的株高(TH)在高肥处理显著增高(P<0.05，图2)。同时，低光高肥H10苗的TH高于低光低肥L10苗，但差异不显著(P>0.05)。两种施肥处理下，幼苗TH 和基径(BD)均呈现为随遮荫程度加深先增后减的相同趋势,但BH在不同处理间的差异不显著(P>0.05)。幼苗叶片数量(LQ)则对光环境的变化表现出显著可塑性，变化趋势为随遮荫程度加深先减后增，且全光环境下H100苗的LQ显著大于L100苗(P<0.05)。

图2 光照和施肥处理下望天树幼苗生长形状

2.3 光照和施肥对叶片功能性状的影响

叶片是植物对外界响应较为敏感的器官之一，在异质环境下植物叶片通过功能性状的改变调整和适应环境变化[15]。相同施肥处理下，望天树幼苗的叶片厚度(LT)随遮阴程度加深呈显著递减趋势(P<0.05，图3)。

图3 光照和施肥处理下望天树幼苗叶片功能性状

由图3可知，高肥处理对叶面积(LA)的增大也有促进作用，特别是低光处理下H10的LA显著大于L10(P<0.05)。高肥处理对比叶面积(SLA)的增加同样有促进作用，在高光和低光环境下高肥处理的幼苗的SLA均显著高于低肥处理的幼苗(P<0.05)。光环境和施肥对幼苗比叶质量(SLM)同样产生重要影响，在全光和低光环境下低肥处理显著增加了幼苗的SLM(P<0.05)，而随阴荫程度加深则显著降低了幼苗的SLM(P<0.05)。与全光相比，遮阴对幼苗的叶绿素含量(Chl)的增加具有显著影响(P<0.05)；而施肥则在相同光环境下显著提高了幼苗的Chl。

2.4 光照和施肥及其交互作用对光合特性与功能性状的影响

影响植物生长的主要环境因子包括光照、土壤养分、温度等，不同生活型植物会通过功能性状响应异质环境[16]。通过对光照和施肥处理下望天树幼苗的光合特性与功能性状进行双因素方差分析(表2)，发现光照对望天树幼苗所有光合特性和功能性状均具有显著影响(P<0.05)，其中对Pnmax、LCP、TH、LT、SLA、SLM、Chl具有极显著影响(P<0.01)。而施肥极显著地影响幼苗Pnmax、SLM和Chl，显著影响LCP、TH、LT和SLA。光照和施肥的交互作用主要影响叶片功能性状，二者交互影响了LA和SLA，极显著影响了SLM。

表2 光照和施肥处理及其交互作用对望天树幼苗影响的双因素方差分析

2.5 光合特性与功能性状的相关性分析

植物的光合特性与功能性状随环境而变化表现了其对于环境适应的可塑性，并表现出一定程度的相关性。望天树幼苗的光合特性与功能性状表现出一定相关性(表3)，Pnmax与TH、LQ、LT、LA、SLA、LMA和Chl均表现出相关性，并与LQ和LT分别建立显著正相关和显著负相关关系；在Rd与TH、BD、LT、Chl之间发现了相关性；而LCP与所有的功能性状均表现出相关性，并与BD和LT建立显著正相关关系。除此之外，望天树幼苗的各光合特性和各功能性状之间则分别表现出了不同的相关性特征，LCP和Rd之间呈现极显著正相关关系；而功能性状之间也表现出相关性，BD与LT呈现显著正相关关系，同时在LT与SLA之间发现二者表现为极显著的负相关关系。LA与Chl均与LMA呈现显著正相关性，其中Chl与LMA极显著正相关。

表3 望天树幼苗光合及功能性状的皮尔逊相关性分析

3 讨论与结论

植物对光的利用效率是其生境适应和生存的决定性因素，同种植物在异质光环境下会表现出不同的功能性状以适应生境变化[17]。望天树是幼苗期到成熟期光环境及其对光适应显著不同的乔木树种，中光环境下生长的望天树幼苗表现出对强光的适应性和捕获能力。表现为较高的Pnmax和LCP，反映出其对光的较大生境适应幅度。植物的光合能力和土壤养分条件也具有密切关系，研究表明适当施肥能够显著提高植物的叶绿素含量并提高其光合性能[18]。本研究结果与其具有一致性，在3种光环境下高肥处理的幼苗Pnmax均显著高于低肥处理的幼苗；同时，在全光和中光环境下高肥幼苗的LCP均显著大于低肥幼苗，表明高肥处理下望天树能够在弱光下具有更强的光捕获能力[19]，显示了高肥处理对提升望天树幼苗的光合利用能力具有促进作用。由此可见，望天树幼苗在较强的光环境下具有更强的光环境适应能力；而土壤养分的增加则显著提高了幼苗的光合能力，进而促进其生长发育。

植物所处的光照环境对其生长和生存具有重要影响，植物在不适宜的光照条件下会表现出光胁迫现象，导致其生长发育受到抑制，其中株高、基径等是最直接反映植物生长的生物指标[20]。 本研究中望天树幼苗TH和BD随遮阴程度加深均表现为先增后减趋势，这表明适度遮阴有益于望天树幼苗纵向和横向生长，减少或避免光强过强或过弱对其生长的抑制作用，这与对热带乔木木奶果幼苗光照处理的结果一致[21]。相关研究表明，合理施肥可以改善和增强植物的光合能力，促进植株株高、基径等生长性状的增长[22]。本研究在不同光环境中高肥处理望天树幼苗的株高、基径和叶片数量均表现出一定增长，表明本研究中高肥处理对幼苗的生长具有积极的促进作用。

植物叶片通过其形态结构反映其对生境的适应性，异质生境下植物功能性状与其生长和对资源的获取及利用能力关系紧密[22]。研究表明，植物在强光下通过增厚叶片增强光合能力，并为维持水分平衡减小叶面积以降低蒸腾，SLA相应降低；在低光下则采取使叶片变大变薄的策略，增强其对光的捕获能力以适应弱光环境，SLA由此升高[23-24]。这与本研究中望天树幼苗的LT、LA和SLA随遮阴程度加深的变化趋势具有一致性。特别是高肥低光处理的L10苗，表现出LT显著变薄，LA和SLA显著增加的适应性性状，反映其对光能捕获利用能力提升的弱光适应性，以及高土壤养分下采取的积极生长策略。SLM是表征叶片对资源获取和生产权衡关系的重要指标，植物叶片伴随土壤养分的增加会增大对光捕获的需求,表现出叶面积增大和SLM降低的趋势[25];而伴随遮阴程度的加深，叶片SLM则随其叶片增大和变薄的形态适应逐渐降低[26]。本研究中望天树幼苗的SLM也表现出相同趋势，反映了光照和施肥对其SLM的显著影响。

光照相较施肥对望天树幼苗的光合及功能性状的影响表现出了更明显的趋势，反映光照环境的差异影响较养分环境差异的影响更大[27]。植物的功能性状与光合性能之间具有相关性。相关研究表明植物的光合能力与叶片形态具有相关性[28]，本研究中望天树幼苗LT与Pnmax显著正相关，可能是与随遮阴程度加深LT和Pnmax均呈下降趋势有关。植物叶片功能性状通过性状间组合，去调整和适应环境异质性，因此各性状作用并不是单独存在的。望天树幼苗SLA与SLM的显著负相关，与许多研究具有相同结论[29-30]，这可能是与本研究中LT与LA的负相关关系有关。由此可见，望天树幼苗光合与功能性状以及各功能性状之间通过协调相关的关系，来适应异质环境的变化，以此维持其形态的构建和生长。

综上所述，在不同光照和土壤养分条件下，望天树幼苗通过光合特性和功能性状的协调相关来适应异质环境的差异，反映了其对异质生境较广的生态适应幅度。高肥处理对望天树光合特性和生长性状产生了积极的促进作用，结合望天树幼苗的叶片性状(LA,SLM，Chl)、生长性状(TH，BD)和光合特性(Pnmax，Rd)，本研究结果表明中光高肥是6种不同处理下望天树幼苗的更优生长环境。但本研究中土壤养分条件只设立了高肥和低肥两个梯度，因此土壤养分条件对望天树幼苗光合和功能性状的影响的研究结论还具有一定局限性，相关研究结论仍需要更多研究以明确其可靠性。