水曲柳幼苗水力結構和光合生理對光強梯度變化的耦合響應

孔 鑫,王愛英,郝廣友,寧秋蕊,王 淼,殷笑寒,周永姣

(1．中國科學院沈陽應用生態研究所森林生態與管理重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；2．中國科學院大學，北京 100049；3．遼寧省城市有害生物治理與生態安全重點實驗室，沈陽大學生命科學與工程學院，遼寧 沈陽 110044；4．Forest Ecology and Forest Management Group,Wageningen University,Wageningen 476700,Netherlands)

光照是影響植物生長發育及存活的重要生態因子，也是森林演替過程中促進物種更替的主要環境因素[1-2]。森林中的光環境在時間和空間上都處于不斷變化之中[3]，太陽光穿過林冠受到阻擋與反射，使到達林下的光強只有冠層的1%～5%[4]。樹木幼苗在弱光條件下生長緩慢，常需要在林下生長幾年至幾十年才能到達冠層[5]。為了能夠在弱光下生存，樹木在權衡生長-存活關系的過程中進化出了不同的生活史策略，通常演替初期的先鋒樹種生長快速但在弱光下的存活率低，而演替后期的樹種則具有較高的存活率和較低的生長速率[6-7]。同時，同一種樹木在不同的發育階段對光的需求以及對光環境變化的響應也存在較大差異，樹木在幼齡階段對光照條件的適應和響應是森林更新和群落演替的重要內在驅動力[6,8]。

植物適應異質性光環境的能力對其生存至關重要，在不同的光環境下，植物通過調節形態結構、生理特征等來提高其生存適合度[2,8-9]。通常，弱光下植物的比葉面積增大，葉片更大、更薄，有利于增強光能捕獲力，積累更多的光合產物，提高其耐陰性[5,10]。光照強度的不同還會引起生物量積累和分配的改變，這也是植物適應不同光環境的重要機制，如弱光下植物通過降低根生物量占比、根冠比，增加葉、莖生物量占比來增強光能捕獲力，遮陰處理也會增加植物葉綠素含量和表觀量子效率(AQY)，降低光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)以及暗呼吸速率(Rd)等[11-14]。這些可塑性響應可提高葉片對光能的利用效率并減少葉片及個體水平上呼吸作用的能量消耗，從而維持植物在弱光下的碳平衡[13-14]。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)是中國東北“三大硬闊樹種”之一，也是構成我國東北地區典型針闊混交林的重要優勢樹種，該樹種在生長過程中表現出高生產力和高競爭力[29]。水曲柳在苗期具有一定的耐陰性，其幼苗在相對高的光強下更新數量多且存活率高，但在弱光下更新較差，因而光強可能是限制水曲柳幼苗更新的主要環境因子[1,30]。本研究以2年生水曲柳幼苗為研究對象，探討其生長、光合特性以及水力性狀對不同光強的響應，以期驗證以下假設：①與低光強相比較，高光強下水曲柳幼苗可構建效率更高的水分傳輸系統，因而具有更高的器官和整株水平的水力導度；②在不同光照條件的可塑性響應過程中，水曲柳幼苗的水力結構與葉片光合生理之間存在協同關系。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在中國科學院長白山森林生態系統定位站(128°28′ E，42°24′ N)進行。該區域具有受季風影響強烈的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷而漫長，夏季溫暖多雨且短暫[31]。年均降雨量600～900 mm，多集中于生長季；年均氣溫4.5～7.8 ℃[32]。該地區典型的地帶性植被類型為闊葉紅松林，其結構復雜、組成獨特且生物多樣性豐富，主要建群樹種有紅松(Pinuskoraiensis)、水曲柳、椴樹(Tiliatuan)、蒙古櫟(Quercusmongolica)和五角楓(Acerpictum)等[33]。

1.2 供試材料及試驗設計

以2年生水曲柳幼苗為試驗材料，幼苗來源于吉林省安圖縣白河鎮光明育苗公司基地。于2017年5月17日，將80株生長健康、長勢相近的幼苗移栽到直徑為30 cm、高為28 cm的花盆中，每盆盛入干土約6 kg，每盆栽植1株，澆足水分。在野外空曠區生長1個月后，將幼苗隨機分成4組，每組20盆分別置于4個處理區中。利用不同層數的黑色尼龍網(對照、1層、2層、3層)搭建遮陰棚進行不同光照處理，遮陰棚間距3 m以上，以減少各處理間相互干擾。于試驗期間晴天的中午，使用便攜式光合儀(Li-6400,Li-Cor.,USA)光量子探頭測定對照和3個遮陰處理下的光合有效輻射強度，即光通量密度(PPFD)，每個遮陰棚中選擇3個位置進行測定并計算平均值，3個遮陰處理的相對光強分別約為全光照的60%、30%和15%。試驗期間(2017年7—8月)當地全光照輻射強度(排除陰天)日最大值平均為(1 533.80±44.79) μmol/(m2·s)。所有光照處理下的幼苗均采用相同的撫育管理措施(除草和澆水等)，每隔1周調整同一光照處理下各個花盆的擺放位置，以確保其受光條件基本一致。于2018年7—8月測定各光照處理下幼苗的生長、光合生理和水力性狀等指標。由于15%相對光強處理下只有少量幼苗存活且幼苗個體太小，無法進行光合特性和水力性狀的測定，該處理僅進行了幼苗生長及生物量測定。

1.3 指標測定方法

1.3.1 氣體交換參數測定

于2018年7月中旬晴朗的上午(9:00—11:30)，用Li-6400便攜式光合測定儀測定水曲柳葉片的氣孔導度(Gs)、凈光合速率(Pn)。測定時設定葉室內PPFD為1 400 μmol/(m2·s)，CO2含量400 μmol/mol，葉室溫度23.5～26.5 ℃。每個光照處理下隨機選取3株幼苗，每株幼苗選取枝條上部第2～3片成熟健康的葉片。

1.3.2 光響應曲線測定

每個光照處理下隨機選取3株幼苗，利用Li-6400便攜式光合測定儀測定水曲柳的光響應曲線，測定時設置CO2含量400 μmol/mol，葉室溫度23.5～26.5 ℃，控制葉室內PPFD由強到弱依次為：1 400、1 000、600、400、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)。為確定最大凈光合速率(Pn，max)，測定前將幼苗放在飽和光強下誘導30 min，測定期間葉片在每個光強下停留200 s。對測定數據利用Photosynthesis軟件進行光響應曲線擬合，計算出Pn，max、光補償點(LCP)、光飽和點(LSP)、暗呼吸速率(Rd)和表觀量子效率(AQY)。

1.3.3 植物水力導度測定

每個光照處理下隨機選取4株水曲柳幼苗測定植株水力導度。于測定日清晨，在距離土壤表面5 cm處給幼苗主干圍一圈塑料膜，向塑料膜注入蒸餾水的同時將其剪斷，地下部分立刻連接到充滿水的硅膠管上，防止空氣進入導管，剪下的地上部分也迅速插入清水中。測定前，將幼苗主干截面在水下切平，剝去切口端2 cm左右的樹皮，連接至高壓導水率儀(HPFM Gen3;Dynamax Corp.,Elkhart,IN,USA)的壓力耦合器上[34-35]。儀器設置為穩態測定模式，在0.5 MPa壓強下將去氣的蒸餾水灌注枝條內，達到穩定流率(通常需要10 min左右)獲得地上部分的水力導度(Kshoot)。根系水力導度(Kroot)采用HPFM瞬時測定方法[36]。測定導水率后，將枝條上所有的葉片用掃描儀掃描，利用Image J(US National Institutes of Health,Bethesda,MD,USA)計算總葉片面積(LA)。根據每株植物Kshoot和Kroot的測定結果，計算出整株植物水力導度(Kplant)，并用LA對測定值標準化。最后將全部葉片在70 ℃烘箱下烘干至質量恒定，稱其干質量(M)，計算比葉面積(SLA)。

1.3.4 生長性狀及器官間生物量分配測定

于8月中旬測定水曲柳幼苗的生長性狀及各器官間生物量分配。每個光照處理下隨機選出3～4株幼苗測定株高和基徑后收獲整株，將其分成粗根(直徑 >2 mm)、細根、莖、葉柄和葉片5部分分別裝入信封中，置于70 ℃烘箱下烘干至質量恒定，稱量各部分生物量。計算幼苗的根(RMR)、莖(SMR)、葉生物量占比(LMR)以及根冠比(R/S)。此外，每株幼苗隨機選取部分葉片進行掃描并用Image J程序計算葉片大小。

1.3.5 枝條木質部解剖觀測

1.4 數據處理

通過表型可塑性指數(Pi)評估各指標的環境可塑性，Pi= (Mmax-Mmin) /Mmax。其中：Mmax是某個指標在4種光照處理下的最大平均值，Mmin是最小平均值；Pi在0～1之間，其值越大表示可塑性越高[37]。

利用SPSS 20.0對試驗數據進行單因素方差分析(ANOVA)，采用最小顯著性差異法(LSD)進行差異顯著性檢驗(α= 0.05)，用Sigmaplot 14.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同光照處理下水曲柳幼苗生長及生物量分配特征

光照強度對水曲柳幼苗生長及生物量分配整體上存在較大影響(表1)。水曲柳幼苗的株高、基徑、總葉面積以及比葉面積在不同光照處理下存在顯著差異(P<0.05)，其中株高和總葉面積均在60%相對光強下較大，在30%和15%相對光強下最小。隨著光照強度的減弱，水曲柳幼苗的基徑逐漸減小，但比葉面積呈增加的趨勢。與100%相對光強相比，遮陰處理下水曲柳幼苗各器官生物量、總生物量、根生物量占比以及根冠比較低，而莖、葉和地上生物量占比較高。

表1 不同光照處理下水曲柳幼苗生長、生物量分配及光合生理特征Table 1 The growth,biomass allocation and photosynthetic characteristics of Fraxinus mandshurica seedlings grown under different light treatments

表1(續)

水曲柳幼苗各功能性狀的可塑性指數(Pi)平均值由高到低依次為：生物量積累(0.91)>形態特征(0.58)>光合生理(0.57)>生物量分配(0.34)。在各形態指標中以比葉面積Pi最高(0.74)，其次是總葉面積Pi(0.71)，葉片大小Pi(0.34)最低；而葉片光合生理指標的Pi以Pn(0.91)、Gs(0.90)和LCP(0.73)較高(表1)。

2.2 不同光照處理下水曲柳幼苗的光合特性

在3種光照處理下，水曲柳幼苗Pn隨PPFD的變化總體上呈先上升后下降的趨勢(圖1A)。100%相對光強下生長的幼苗，當葉室內PPFD小于600 μmol/(m2·s)時，Pn表現出隨PPFD增加而增加的趨勢，之后隨PPFD增加略有下降，但仍然保持在最大值附近。而在60%和30%相對光強下，當PPFD分別小于200和400 μmol/(m2·s)時，Pn表現出隨PPFD增加而增加的趨勢；隨后，在較高光強時Pn隨著PPFD的增加均表現出顯著下降的趨勢，在PPFD達到1 400 μmol/(m2·s)時，60%和30%相對光強下幼苗的Pn分別只有其最大值的38.2%和15.4%。遮陰處理顯著降低了水曲柳的Pn，在相同PPFD下，100%相對光強下生長的幼苗其Pn值最大。

圖1 不同光照處理下水曲柳幼苗的光響應曲線、氣孔導度和凈光合速率Fig.1 The light response curve,stomatal conductance and net photosynthetic rate of Fraxinus mandshurica seedlings grown under different light treatments

在不同光照處理下，水曲柳幼苗的AQY、LSP、Pn，max以及LCP均存在顯著差異(表1，P<0.05)。遮陰處理降低了LSP、Pn，max以及LCP，卻使得AQY增大，各指標測定值分別在100%和30%相對光強下最大。隨遮陰程度的增加，水曲柳幼苗的Gs和Pn總體上呈下降的趨勢，以100%相對光強最高，但兩指標在60%和30%相對光強下無顯著差異(圖1B，P>0.05)。

2.3 不同光照處理下水曲柳幼苗的水力學特征

在100%相對光強下，水曲柳幼苗的Kplant、Kroot以及Kshoot均顯著高于60%和30%相對光強下的相應值(P<0.05)，但Kroot、Kshoot在60%和30%相對光強間并無顯著差異(P>0.05)(圖2)。

圖2 不同光照處理下生長的水曲柳幼苗的水力導度(A)和木質部解剖結構(B)Fig.2 The hydraulic conductance standardized by total leaf area (A) and xylem anatomical structure (B) of Fraxinus mandshurica seedlings grown under different light treatments

水曲柳幼苗的導管密度和導管直徑在不同光照處理下存在顯著差異(P<0.05)，在60%相對光強下導管密度最小，而Dv和D95最大。

3 討 論

水曲柳為喜光樹種，雖然在幼苗階段該樹種可以忍受一定的郁蔽環境，但弱光下并不利于其生長和存活。在不同的光照處理下，水曲柳幼苗主要通過調節自身形態和生理特征來適應變化的光環境，這些性狀的可塑性響應增強了幼苗在弱光環境下對光的捕獲能力和光能利用效率，從而提高了水曲柳的生存適合度。本研究結果表明，水曲柳幼苗的水力結構特征在不同光照處理下存在顯著差異，水分傳輸功能與葉片氣體交換之間在響應生長光環境變化時存在顯著的耦合關系。

3.1 光強對水曲柳幼苗生長及光合特性的影響

3.2 光強對水曲柳幼苗水力性狀的影響

隨著相對光強的增加，水曲柳幼苗Kshoot、Kroot和Kplant都顯著增加(P<0.05)，這與文獻中Kshoot隨光強增加而增加以及陽生幼苗的Kroot高于陰生幼苗Kroot的結果相一致[42-43]。在土壤-植物-大氣連續體中，植物根系是液態水分流動的最大阻力所在，而Kroot是用來表征植物根系吸水能力的一個重要水力學參數，對Kplant至關重要[44]。根系的水分吸收和傳導效率受根系的生長和生物量分配的強烈影響[21-22]，如細根生物量的減少會顯著降低根系的水分吸收面積以及水分傳導能力[35,45]。本研究發現水曲柳幼苗在高光照下具有較高的細根生物量，這有利于增強根系對水分的傳輸能力。另外，植物水分傳輸能力的改變通常伴隨著水分傳導組織結構(如導管或管胞直徑)的變化，根據哈根泊肅葉方程(Hagen-Poiseuille equation)，導管或管胞的理論導水率與其直徑的4次方成正比，較大的導管或管胞可顯著提高木質部的水分傳輸效率，但直徑較大導管上的紋孔往往對干旱誘導的氣種擴散(air seeding)更加敏感，導致較低的干旱栓塞抵抗力[16,46-47]。本研究結果表明，與30%相對光強相比，水曲柳幼苗在60%相對光強下具有較大的導管，其導水率也較高；但在100%相對光強下水曲柳幼苗具有更高的Kshoot，而其導管直徑較小，導管密度較大，這可能是強光環境下生長的植物面臨更高的蒸騰需求，木質部水勢更低更多，但是較小的導管有助于其提高栓塞抵抗力，從而增強植物在水分脅迫條件下的生存能力[24,47-48]。水曲柳幼苗提高莖干木質部的水分傳輸安全性，對保護其碳投入成本較高的莖干具有重要的適應意義，而且莖干在整株水分傳導阻力的占比相對較小[49-50]，即使莖干水力導度在強光條件下有所下降，對幼苗Kplant的限制也較小。

3.3 水曲柳幼苗對光強梯度變化的水分-光合生理協同響應

水曲柳是地帶性植被演替頂級群落(闊葉紅松林)的優勢樹種[29]，其幼苗具有一定的耐陰性，可以通過一定的可塑性調整來適應異質性的光環境。本研究發現強光照環境下更適宜水曲柳幼苗的生長，這與韓有志等[1]發現較高光強下水曲柳幼苗更新和存活的數量明顯高于較弱光強的結果一致。在郁閉度較高的林下或較小的林窗中，光合有效輻射低[52]，水曲柳幼苗的生長受到限制，較高的可塑性可增強其耐陰性從而提高生存能力。當有新的林窗形成、林下光照條件得到明顯改善時[53]，較高的可塑性可使水曲柳幼苗有效地利用充足的光能迅速生長，并占據優勢地位，增加其最終到達林冠層的概率。因此，在森林經營管理中，應適當采取撫育擇伐等措施，降低林冠郁閉度，增加林窗面積，促進水曲柳等喜光目標樹種幼苗的生長。

總之，雖然水曲柳幼苗能夠通過形態和生理的可塑性調整來適應一定程度的弱光環境，進而提高其光競爭力和生存適合度，但其生物量積累、水分傳輸能力以及葉片氣體交換速率均在100%相對光強下最大，表明水曲柳幼苗對光強仍有較高的需求。水曲柳幼苗的光合和水力性狀隨光照強度的改變都具有較高的可塑性，二者對光強梯度變化的響應存在顯著耦合關系，較高的可塑性增強了水曲柳在森林異質性較高的光環境中的生存適合度。通過模擬林下光環境，從幼苗更新角度探討水曲柳對不同光照強度的響應及機理，對促進森林更新具有重要的理論和應用研究價值。