五個楊樹品種生長、光合生理及根尖離子流速特性比較分析

張 婧 張偉溪 丁昌俊*苑正賽 代麗蕊 蘇曉華 沈應柏 曲冠證

（1.林木遺傳育種全國重點實驗室，東北林業大學，哈爾濱 150040； 2.林木遺傳育種全國重點實驗室，國家林業和草原局林木培育重點實驗室，中國林業科學研究院林業研究所，北京 100091； 3.北京林業大學，北京 100083）

楊樹為楊柳科（Salicaceae）楊屬（Populus）植物統稱，具有生長速度快、一般扦插易成活等特點，是世界上重要的中短輪伐期速生樹種［1］。楊樹環境適應能力強，品種資源繁多，可適應不同的氣候和土壤條件，在干旱貧瘠的環境下也可正常生長［2］。我國楊樹人工林面積世界第一，占世界楊樹人工林面積的94.3%，超過其他國家楊樹人工林面積的總和［3］。根據第九次全國森林資源清查統計結果，截至2018 年底，我國楊樹人工林面積已達757.07 萬hm2，約占全國人工林面積的20%，在解決我國木材供需問題、維護國家木材和生態安全等方面發揮著不可替代的重要作用。楊樹培育的品種種類很多，其中美洲黑楊（P.deltoides）和以美洲黑楊為親本的雜交楊已成為世界各地商業化主栽品種，在我國多地已營建了大面積的美洲黑楊和雜交楊人工林基地［4］。多數美洲黑楊雜交栽培品種生長快，但是對水肥條件要求高［5］。2021 年國務院第7 號文件再次要求要“堅決守住18 億畝耕地紅線”，“嚴格控制耕地轉為林地、園地等其他類型農用地”［6］。鑒于此，我國楊樹人工林未來更多地是在干旱、鹽堿等立地條件更差的困難立地上營建。解析不同楊樹品種的生長差異，選育出對立地條件具有更強生長適應性的品種，對于更好地發揮品種的優良特性、提高楊樹人工林生產力具有重要意義。

苗期選擇對于長周期經營的林木來說尤為重要［7］。許多學者通過研究表明［8-9］，苗期選擇對林木品種選育有效可行。選取合適的指標對于苗期選擇非常重要。表型性狀能夠在一定程度上反映植物的生長性能和適應性，其中葉片作為植物體的重要器官，是植物進行蒸騰作用和光合作用的主要場所，對光能的利用以及干物質的積累等方面具有直接影響，可作為林木品種遺傳改良的指標［10］。植物葉綠素相對含量（SPAD）直接反映綠色植物光合作用能力，是表征植物生長狀況的重要指示因子［11］。光合速率是植物生理性狀的重要指標，也是估測植株光合生產能力的主要依據之一。水分是植物生長發育必要的要素，水分利用率是評價植物水分利用能力的重要指標［12］。K+在增強植物生長及對非生物脅迫的耐受性方面起重要作用［13］，Ca2+是植物生長發育所必需的營養元素之一，參與種子的萌發、生長分化、形態建成的全過程，能夠用來評價植物生長和適應性［14］，通過對這些指標的測定分析，比較不同林木品種的生長適應能力，挖掘具有較強環境適應潛力的品種，可為品種早期準確選擇及其適宜栽植條件預測提供依據。

本研究以中國林業科學研究院林業研究所自主選育出的渤豐3 號楊、渤豐1 號楊、西雄1 號楊、中雄7 號楊和中雄4 號楊［4，15-16］5 個楊樹優良品種為試驗材料，在相同管理條件下，開展苗期生長和生理特性差異研究，分析比較不同楊樹品種苗期生長性狀、葉片性狀、光合參數、葉綠素相對含量、水分利用效率、根尖離子流速等指標差異，綜合苗期生長和生理性狀指標表現，挖掘生長好適應性強的楊樹品種及其特征，為楊樹高產高抗新品種的早期選育提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在中國林業科學研究院的科研溫室（40°5″N，116°14′22″E）中進行，供試材料為中國林業科學研究院林業研究所自主選育出的渤豐3號楊、渤豐1 號楊、西雄1 號楊、中雄7 號楊和中雄4 號楊5個楊樹優良品種（見表1）。

2022年2月，采集5個楊樹品種當年生苗木莖干制成12 cm長插穗，扦插于營養缽中育苗。2022年7 月15 日選擇生長健康、長勢一致的營養缽苗移栽至盆高19 cm、上口徑21 cm塑料花盆中，盆底放置托盤，盆中裝滿已消毒的基質，基質按草炭土和珍珠巖體積比1∶1 混合，放置戶外進行緩苗，每個品種盆栽苗45 株，2022 年8 月3 日將盆栽苗轉移至溫室開始進行試驗。試驗開始前楊樹品種的生長數據如表2所示。

1.2 試驗設計

每個品種從45 株盆栽苗中挑選出30 株生長狀況良好、長勢一致且無病蟲害的植株進行試驗。實驗設置3 個時間點，即第10、20、30 天，每品種每個時間點進行10個生物學重復。試驗期間苗木按照溫室正常的光照、溫度和濕度管理，分別于10、20、30 d 時測定各楊樹品種苗木植株的株高、地徑、葉片數量、節間距、單葉面積、葉長、葉寬、葉綠素相對含量（SPAD值）、凈光合速率、胞間CO2摩爾分數、氣孔導度、蒸騰速率及根尖K+、Ca2+、H+流速等指標。

1.2.1 生長指標測定

分別于0、30 d時測量株高和地徑，使用1 m鋼尺測定株高，使用游標卡尺測量地徑。株高生長量=30 d 時株高-初始株高，地徑生長量=30 d 時地徑-初始地徑。

1.2.2 葉長、葉寬、葉面積及葉綠素相對含量指標測定

使用手持激光葉面積儀（CI-203，美國）分別在10、20、30 d時挑選長勢一致的3株苗木，每株選取自頂端完全展開葉向下第5～7 片葉進行葉長、葉寬、葉面積、葉片葉綠素相對含量（SPAD 值）測定，每片葉每指標重復3 次。其中葉片SPAD 值測定利用手持式葉綠素測定儀（SPAD-502，日本）測定，自植株頂端選擇完全展開葉向下第3～5 片葉、每葉片選取均勻分布的4個點進行測量，測量時避開葉脈，重復3次，取其平均值作為該點最終SPAD值。單株總葉面積=單葉面積×葉片數量。

1.2.3 光合參數指標測定

每品種分別選取長勢一致的植株3 株，從第1 片完全展開葉開始計算，選取第5～7 片，于上午09：00—11：00，采用LI-COR 便攜式光合儀（Li-6400XT，美國），測定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr），胞間CO2摩爾分數（Ci），氣孔導度（Gs）。測定時設定光合有效輻射強度（PAR）為1 200 μmol·m-2·s-1作為測定光強，并使用鋼瓶，流速為400 μmol·s-1，葉溫26 ℃，相對濕度45%，外界CO2摩爾分數（Ca）為400 μmol·mol-1。使用光合儀配件6400-02 紅藍LED 為光源，重復測定3 次。單株凈光合速率=單葉凈光合速率×單株總葉面積；單株總葉面積=單葉面積×葉片數量。單葉水分利用率=單葉凈光合速率/單葉蒸騰速率。

1.2.4 根尖離子流速指標測定

采用非損傷微測系統（BIO-001A3，美國）進行H+、K+、Ca2+流速測定；測定部位距離根尖600 μm；試驗使用的玻璃微電極和LIX 均購買自北京旭月科技有限公司。離子灌充液成分為H+：15 mmol·L-1NaCl+40 mmol·L-1KH2PO4、pH 為7.0；K+：100 mmol·L-1KCl；Ca2+：100 mmol·L-1CaCl2。校正液成分中H+的校正液與測試液成分相同，校正液的pH 分別為6.5 和5.5；K+的校正液為0.1 和1.0 mmol·L-1KCl，其他成分與測試液相同；Ca2+的校正液為0.05、0.50 mmol·L-1CaCl2，其他成分與測試液相同。H+、K+和Ca2+的測試液成分相同，均為0.1 mmol·L-1CaCl2、0.5 mmol·L-1KCl、0.3 mmol·L-1MES，測試液pH為6.0。

1.3 數據處理

利用Excel2020 和SPSS16.0 軟件對獲取的數據進行統計與分析，計算不同品種各指標的平均值、標準差和方差；采用Mageflux 軟件對離子流速進行計算，其中負值表示離子內流，正值表示離子外排；采用Origin 2020軟件繪制5個楊樹品種不同性狀的差異圖，采用最小顯著性差異法（LSD）分析不同品種之間的差異。

2 結果與分析

2.1 5個楊樹品種的生長性狀對比

5 個楊樹品種株高生長量和地徑生長量表現差異如圖1 所示，中雄4 號楊株高生長量高于其他4 個品種，且與渤豐3 號楊、中雄7 號楊和渤豐1 號楊株高生長量差異顯著，而渤豐1號楊的株高生長量顯著低于其他4 個品種。株高生長量由高到低依次為中雄4 號楊（（16.47±1.01） cm）、西雄1 號楊（（15.38±1.88） cm）、渤豐3號楊（（14.50±1.40） cm）、中 雄7 號 楊（（13.40±1.78） cm）、渤 豐1 號 楊（（11.90±1.38） cm）。地徑生長量由高到低依次為西雄1 號楊（（0.59±0.16） mm）、中雄7 號楊（（0.56±0.08） mm）、渤豐3號楊（（0.46±0.15） mm）、渤 豐1 號 楊（（0.37±0.07） mm）、中 雄4 號 楊（（0.12±0.08） mm）。5 個品種處理30 d 后地徑生長量均增長較少，表明楊樹品種苗期地徑生長較為緩慢，進行苗期生長量指標的選擇應以株高生長量為主。

圖1 5個楊樹品種株高生長量和地徑生長量圖中不同小寫字母表示品種間差異顯著（P<0.05）；下同。Fig.1 Plant height growth and ground diameter growth of five poplar varieties Different lowercase letters in the upper bar indicated significant differences among varietie（sP<0.05）；the same as below.

5 個楊樹品種葉片數量及節間距的比較如表3 所示，中雄4 號楊的葉片數量（29.00±0.82）顯著多于其他4 個品種，渤豐1 號楊（22.00±0.71）顯著低于其他4 個品種，渤豐3 號楊、西雄1 號楊和中雄7 號楊的葉片數量無顯著差異。中雄4 號楊的節間距（（3.16±0.01） cm）顯著大于其他4 個品種，渤豐1 號楊的節間距（（2.07±0.13） cm）顯著小于其他4 個品種。5 個楊樹品種中，中雄4 號楊葉片數最多、節間距最大，而渤豐1 號楊葉片數最少、節間距最小，這與它們的生長量表現一致。

表3 5個楊樹品種葉片數量、節間距Table 3 Leaf number and node spacing of five poplar varieties

5 個楊樹品種葉形態指標比較如表4 所示，中雄4 號楊的葉長（（8.91±0.15） cm）、葉寬（（9.04±0.40） cm）、單葉面積（（57.49±2.37） cm2）均顯著高于其他4 個品種，渤豐1 號楊的葉長（（6.17±0.13） cm）、葉 寬（（7.27±0.03） cm）、單 葉 面 積（（28.97±0.67） cm2）顯著低于其他4 個品種，渤豐3 號楊、西雄1 號楊和中雄7 號楊的葉寬和單葉面積無顯著差異，渤豐3 號楊與西雄1 號楊的葉長無顯著差異，但顯著高于中雄7 號楊。5 個楊樹品種中，中雄4 號楊的總葉面積（（1721.10±28.50） cm2）顯著高于其他4 個楊樹品種，渤豐1 號楊的總葉面積（（34.42±0.14） cm2）顯著低于其他4 個楊樹品種，表明5 個品種中中雄4 號楊的光合作用空間最大，而渤豐1 號楊光合作用的空間最小，這與它們的生長表現一致。

表4 5個楊樹品種葉片形態指標Table4 Leaf morphological indices of five poplar varieties

2.2 5個楊樹品種光合性狀相關指標對比

5 個楊樹品種葉片瞬時凈光合速率和單株凈光合速率比較結果（見圖2）顯示渤豐1 號楊的單葉瞬時凈光合速率（（13.47±0.38） μmol·m-2·s-1）顯著高于其他4 個楊樹品種，中雄4 號楊的單葉瞬時凈光合速率（（10.65±0.14） μmol·m-2·s-1）顯著低于其他4 個楊樹品種；而從單株凈光合速率（單葉瞬時凈光合速率×總葉面積）看，中雄4 號楊（（17 863.10±910.21） μmol·m-2·s-1）顯著高于其他4個品種，渤豐1號楊（（8 539.70±164.64） μmol·m-2·s-1）顯著低于其他4個品種，渤豐3號楊與西雄1號楊差異不顯著。由此可見，總葉面積對楊樹品種的凈光合速率具有重要影響。5個楊樹品種中中雄4號單株凈光合速率較大，單株光合能力強，積累有機物多，進而生長量大，但渤豐1號楊單株凈光合速率較小，單株光合能力相對較弱，積累的有機物較少，進而生長量較小。

圖2 5個楊樹品種瞬時凈光合速率和單株凈光合速率Fig.2 Net photosynthetic rate and the net photosynthetic rate per plant of five poplar varieties

5 個楊樹品種的氣孔導度、胞間CO2摩爾分數和蒸騰速率等光合作用參數如表5 所示，渤豐1 號楊（（0.274±0.015） mmol·m-2·s-1）的氣孔導度顯著高于其他4 個楊樹品種，中雄4 號楊（（0.157±0.005） mmol·m-2·s-1）顯著低于其他4 個楊樹品種。渤豐3 號楊和渤豐1 號楊的胞間CO2摩爾分數顯著高于其他3 個楊樹品種，中雄4 號楊的胞間CO2摩爾分數顯著低于其他4 個品種。渤豐1 號楊的蒸騰速率（（5.14±0.16） g·m-2·h-1）顯著高于其他4個品種，而中雄4 號楊（（3.39±0.13） g·m-2·h-1）顯著低于其他4 個品種。結果表明，5 個品種中中雄4 號楊氣孔導度最小、胞間CO2摩爾分數和蒸騰速率最低，可能是造成其生長快于其他品種的原因。

表5 5個楊樹品種光合參數指標和SPAD值Table 5 Photosynthetic indexes and SPAD of five poplar varieties

5 個品種的葉綠素相對含量SPAD 值中渤豐1 號楊（36.13±0.78）顯著高于其他4 個品種，而中雄4 號楊（30.31±0.22）顯著低于其他4 個品種，西雄1 號楊顯著高于中雄4 號楊，渤豐1 號楊與渤豐3號楊無顯著差異（見表5）。

5個楊樹品種瞬時水分利用效率比較顯示，中雄4 號楊（（3.15±0.06） μmol·mmol-1）的水分利用率顯著高于其他4 個楊樹品種，且渤豐1 號楊（（2.64±0.07） μmol·mmol-1）顯著低于其他4 個品種，中雄7 號楊顯著高于渤豐3 號楊與西雄1 號楊（見圖3）。結果表明，5 個品種中中雄4 號楊對水分的利用能力最強，渤豐1號楊對水分的利用能力最弱，這與它們的生長表現一致。

圖3 5個楊樹品種水分利用率的比較Fig.3 Comparison of water use efficiency of five poplar varieties

2.3 5個楊樹品種根尖離子流速的對比

5個楊樹品種根尖K+、H+、Ca2+的流速比較結果顯示（見圖4），5 個楊樹品種根尖K+流速均為正值且差異顯著，說明5 個楊樹品種的K+均表現為外排，其中渤豐1 號楊的K+外排流速（（130.81±1.71）pmol·cm-2·g-1）顯著大于其他4 個品種，中雄4號楊的K+外排流速（（62.68±0.45） pmol·cm-2·g-1）顯著小于其他4 個品種，5 個品種K+外排流速由高到低依次為渤豐1 號楊、中雄7 號楊、渤豐3 號楊、西雄1號楊、中雄4 號楊。根尖H+流速的對比結果顯示（見圖4），渤豐3號楊和中雄7號楊H+流速為正值，表明其H+表現為外排，而渤豐1 號楊、西雄1 號楊和中雄4 號楊H+流速均為負值，表現為H+內流，H+內流速度中雄4號楊顯著快于渤豐1號楊和西雄1號楊；5 個楊樹品種中雄4 號楊表現出最大H+流速值（（-1.796 1±0.64） pmol·cm-2·g-1）且是內流最大。根尖Ca2+流速比較結果顯示（見圖4），其數值均為負值，說明5 個楊樹品種根尖的Ca2+均為內流，其中渤豐1 號的根尖Ca2+的內流速度（（-34.43±0.84）pmol·cm-2·g-1）顯著低于其他4 個楊樹品種，中雄4號楊根尖Ca2+內流流速（（-74.24±1.29） pmol·cm-2·g-1）顯著高于其他4 個楊樹品種，渤豐3 號楊顯著高于中雄7 號楊和西雄1 號楊。綜上所述，5 個品種中中雄4 號楊根尖細胞中的K+和Ca2+含量最高，H+最活躍。

圖4 5個楊樹品種根尖離子流速Fig.4 Ion flow rates at root tips of five poplar varieties

3 討論

葉片是樹木進行光合作用并生產物質及能量的主要器官，是生態系統中初級生產者的能量交換器［17］，葉片的數量、大小與植株的生長有著直接關系［18］。本研究5 個楊樹品種在條件一致的溫室中進行正常培養30 d 后株高生長表現差異顯著，株高生長量排序由高到低依次為中雄4號楊、西雄1 號楊、渤豐3 號楊、中雄7 號楊、渤豐1 號楊。通過對5 個楊樹品種的節間距、葉片數量、單葉面積和總葉面積的比較發現，中雄4號楊的表現均顯著大于其他品種，渤豐1 號楊均顯著小于其他品種。植物的光合細胞器主要分布于葉片柵欄組織和海綿組織，較大的葉面積有助于物質積累，提高植物生長速率［19］。植物總葉面積由葉片數量和單葉面積決定，總葉面積越大，同化產物積累量就越多，植物生長量也就越大［20］。中雄4 號楊株高生長量明顯高于其他品種，渤豐1號楊株高生長量顯著低于其他品種，表明葉片數量、葉面積等對楊樹品種生長具有顯著影響，是進行苗期選擇的衡量指標，這與高暝等［21］研究結果一致。

光合作用和蒸騰作用可能是導致楊樹品種生長差異的重要原因［10，22］。光合作用是植物利用無機物生成有機物的過程，是物質產生和積累的基礎，直接關系到植物的生長和發育。氣孔導度表示氣孔開閉程度，與植物光合作用和蒸騰作用密切相關［23］。Farquhar 等［24］研究表明光合速率與氣孔導度有關，兩者變化趨勢相同。胞間CO2摩爾分數表征光合作用原料CO2進入植物葉片細胞的多少，是衡量植物光合作用強弱的重要指標［25］。本研究中渤豐1 號楊的氣孔導度最大，中雄4 號楊氣孔導度最小，5 個楊樹品種的胞間CO2摩爾分數和凈光合速率的結果與氣孔導度的結果一致，表明氣孔導度越大，胞間CO2摩爾分數越高，凈光合速率越強。相對葉綠素含量可以反映植物光合作用能力，相對葉綠素含量越多，光合作用能力越強［26］。本研究中渤豐1 號楊的相對葉綠素含量最大，瞬時凈光合速率最大，中雄4 號楊的相對葉綠素含量最少，瞬時凈光合速率最小，這與方慧等［11］研究一致。王興勝等［27］研究認為，植物凈光合速率越大，其光合作用越強，長勢越好。而在本研究中渤豐1號楊單葉瞬時凈光合速率最高，單株凈光合速率最低，且其長勢最弱；中雄4 號楊的單葉瞬時凈光合速率最低，單株凈光合速率最高，其生長勢最強，主要是由于中雄4 號楊的葉片數量多、總葉面積大導致單株凈光合速率高，合成和積累的有機物總量多，進而表現生長量優勢，與周燕等［28］研究結果一致。蒸騰速率在一定程度上反映了植物調節水分損失的能力，既可表示植物的耗水狀況，又可表示被動吸水的原動力，蒸騰速率越大，越可能不利于生物量的積累［29］。本研究也發現渤豐1 號楊的蒸騰速率最大，耗水最多，損失水分最多，生長量最小，而中雄4號楊的蒸騰速率最小，耗水最少，損失水分最少，生長量最大。

水分利用效率和根尖離子流速可能也是楊樹品種生長差異產生的因素。植物水分利用效率是植物蒸騰單位水所積累的干物質量［12，30］。本研究中中雄4 號楊的水分利用效率最大，渤豐1 號楊的水分利用效率最小，與株高生長量表現相同，說明水分利用率越高，越有利于有機物的積累，生長越好，這與Renninger 等［31］的研究結果一致。K+作為大多數酶的激活劑，參與植物的光合作用、蛋白合成等多種代謝過程，對植物細胞的生長及葉片氣孔開放等具有重要意義［13，32］。本研究中雄4 號楊相對其他品種根尖K+外排流速最慢，損失較少，其植株體內的K+含量高，致使參與光合作用等生理過程的多數酶活性較高，調節氣孔開放，進而光合作用更強，有利于植物生長，表現出明顯生長優勢。Ca2+信號轉導在調節植物生長、發育、代謝及適應環境等過程具有重要作用。植物體內Ca2+含量較多能夠更好地調節植物生長發育。本研究中中雄4 號楊的Ca2+內流顯著多于其他4 個品種，有利于維持植株體內較高的Ca2+水平，有利于維持較高的生長勢；而渤豐1 號楊的Ca2+內流流速顯著慢于其他4 個品種吸收Ca2+較少，不利于生長。中雄4 號楊的H+流速顯著快于其他4 個品種，說明中雄4號楊H+運動更活躍，可以為離子跨膜轉運提供更強的驅動力。綜合而言，5 個品種中中雄4 號楊的K+流失最少，Ca2+吸收最多，維持植物體內較高的K+、Ca2+水平，從而具有較強的滲透調節能力和吸水能力，生長發育較快，生長積累較多，適應性更強。

前人大量研究結果表明，葉片性狀對環境變化最為敏感，在一定程度上葉片的變化反映了植物對資源攝取和利用的狀態［33］。光合作用作為植物重要生理活動，其光合參數是植物適應環境的直接表現，能夠反映其生理特征的差異以及對環境因子的適應性［34］。蒸騰速率是衡量植物水分平衡的重要生理指標，可反映植物調節水分損失及對逆境條件適應的能力［35］。部分研究表明高水分利用率是植物對水分虧缺的一種響應［36］，也是植物應對干旱環境的一種表現。干旱脅迫下，植物細胞積累更多的K+、Ca2+等能夠降低由于缺水給植物生長造成的不利影響，從而增強植物對干旱脅迫的耐受能力［37］。本研究5 個楊樹品種苗期生長和生理特性結果表明，葉片性狀、光合參數、水分利用率、蒸騰速率、根尖K+、Ca2+、H+離子流速等指標有助于楊樹品種生長和適應性的早期選擇。

4 結論

5 個楊樹品種生長特別是株高生長在條件一致的正常管理下出現顯著差異，主要是由于楊樹品種葉片及光合、蒸騰、根尖離子流等重要生理活動的響應特征不同。其中中雄4 號楊葉片數量最多，葉面積最大，能進行光合作用的場所更多，蒸騰速率較小，水分利用效率較大，K+外排較少，Ca2+離子吸收最多，對植株有機物積累和生長有利，從而具有較高的生長量和較快的生長速度，同時其具有更強的潛在抗旱能力，適宜栽植區域可能更加廣泛，在立地條件較差的環境也能有較高的生長量。本研究是基于苗期試驗得出的結論，在一定程度上可為楊樹造林適地適無性系選擇提供參考，但還需要開展室內脅迫試驗和不同立地條件多點造林試驗，對品種的生長、適應性等多性狀進行準確可靠的聯合評價，為楊樹適應性育種和品種與立地精準適配提供有益信息，從而助力楊樹人工林精準高效培育。