光强对杉木幼苗形态特征和叶片非结构性碳含量的影响

刘青青,马祥庆,黄智军,郭 思,王大洋,王昌辉,刘 博,*

1 福建农林大学林学院, 福州 350002 2 国家林业局杉木工程技术研究中心, 福州 350002

光照是影响植物生长发育和生存最重要的环境因子之一。森林光环境在空间上从林冠到林下或林窗,在时间上从春季到冬季均处于变化之中。植物在生长周期中,经常会遇到林下弱光或林窗和裸地的强光环境,因此除温度和水分外,光照是影响林下幼苗或幼树存活、生长和更新的重要限制因子[1]。

在不同光环境下,植物会通过形态和生理上的变化来适应变化的环境[2]。叶片作为植物对光环境变化最为敏感的器官,其形态结构特征被认为是最能够体现光环境对植物的影响及植物对光环境的适应[3]。通常,弱光环境下幼苗的叶片变大、变薄,比叶面积增大以获取更多的光能[4- 5]；而在强光环境下幼苗的叶片变小、变厚,比叶面积降低以避免光抑制的伤害[6- 7]。光照强度不同还可以引起生物量积累和分配的变化,这可能是幼苗在不同光照强度下生存的重要原因,同时幼苗通过调整光合组织与非光合组织生物量比即叶片生物量与根和茎生物量比维持自身的功能性平衡,抵御干扰带来的环境胁迫[8]。

植物的能量主要由非结构碳(non-structural carbohydrate,NSC)供给,其组成主要是可溶性糖和淀粉。NSC是光合作用的产物,为植物呼吸、新陈代谢和生长提供能量[9],并可防御环境胁迫造成的伤害[10- 11]。不同耐阴性树种具有不同的NSC存储策略,增加NSC的投入可能有利于弱光环境下的幼树存活。但有关遮荫条件下苗木NSC与存活和生长之间关系的研究在国内还很少。

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook)是我国南方重要的速生造林树种,在满足我国木材需求和维持生态安全中发挥着重要作用,其人工林面积已达17×106hm2,占全国人工林面积的24%和世界人工林面积的6.5%,居世界之首[12]。由于长期以来过分追求短期经济效益,导致杉木人工林出现地力衰退、生态服务功能低和植被更新差等系列生态问题[13],直接影响了杉木人工林的持续经营。随着现代多功能林业的迅猛发展,人工造林已从木材生产为主向发挥森林生态功能服务为主的方向转变,人工林的一些生态学过程和生态功能,如天然更新等方面的研究愈发引起学术界的重视,而人工林能否天然更新是实现可持续经营的关键。课题组前期的调查研究发现,杉木人工林天然落种更新能力差。已有研究表明种源并不是影响杉木更新的主要限制因子[14]。南方降雨较充足、温度适宜,因此水分和温度也不是影响杉木更新的主要因子。而杉木人工林林分郁闭度高、林内蕨类植物较多所造成的林下光照不足可能是杉木人工林种子萌发和幼树定居障碍的主要原因[15- 16]。并且野外调查也发现在杉木林下天然更新幼苗非常稀少,但在林分边缘及道路边却有不少天然更新的杉木幼苗,证实了影响杉木天然更新的主要因子可能是光环境,所以研究杉木幼苗对不同光环境的形态可塑性和生理代谢响应对揭示杉木的林下更新障碍具有重要意义。但是有关光照对杉木幼苗生长及生理指标的影响尚鲜见报道。为此,本研究通过人工遮荫设置不同光强梯度,模拟野外林地光环境,对不同光照强度下幼苗生长形态、生物量积累及分配特征,以及叶片非结构性碳含量特征进行了比较,探讨其在不同光照强度下的形态可塑性及叶片非结构性碳含量对光的反应过程,揭示杉木幼苗对梯度光环境的适应性对策,以期从幼苗生长对光环境的适应方面寻找杉木人工林更新障碍的原因,为杉木近自然经营的可持续发展提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

于2016年7月,从福建省漳平市五一国有林场(25°02′N,117°29′E)苗圃移栽杉木一年生实生幼苗。将幼苗植入口径26 cm,高30 cm的塑料花盆内,花盆内栽培基质为泥炭土与蛭石按照2∶1比例均匀混合所得。每盆种植1株,将定植好的幼苗全部置于福建农林大学林学院实验基地内空旷地适应30 d。

1.2 试验方法

试验共设5个光强梯度(分别为自然光照的100%、60%、40%、15%和5%),以100%作为对照,其余4个处理则采用铁架罩黑色尼龙网搭建遮荫网室(6.0 m×2.5 m×2.0 m),通过覆盖不同层数的黑色尼龙网来获得不同光照强度。光强梯度是依据杉木人工林林缘、林窗及林下的光照强度变化范围而定。各遮荫网室间距为3.0 m,以减少处理间相互干扰。使用台湾Hipoint便携式、手持式光谱测量仪(HP350)测定不同光照梯度下的光强。光强特征见表1。

7月末缓苗结束后,选取生长良好、大小相对一致的杉木幼苗20盆,每4盆为一组,随机分为5组,进行标号并置于5种不同光环境下培养。同一遮荫水平下的幼苗随机排列,调整花盆间的间距,避免幼苗之间相互遮荫。试验期间,非雨季每日傍晚浇水以保证幼苗生长过程中有充足的水分供给,并经常除草和防治病虫害。随机调整同一处理下花盆的摆放位置,以确保受光条件基本一致。连续培养观测一年,于2017年8月结束试验。

表1 不同遮荫处理下光照强度(平均值±标准误)

同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片形态特征

对5个处理下的所有杉木幼苗进行叶片取样,每一株取10片完全展开的健康叶片,在所有幼苗的同一高度相同部位采摘叶片。叶片放于冰盒内保存,带回实验室。利用Yaxin- 1241叶面积仪逐一测定叶片相关指标：叶长、叶宽、叶面积,称量叶片鲜重后置于烘箱105℃下杀青30 min,再进行80℃烘干至恒重,称叶干重。根据以上指标计算叶片相对含水量、比叶面积等。

1.3.2 幼苗生物量积累及分配

试验结束时,将幼苗分根、茎和叶3部分,置于烘箱105℃下杀青30 min后再80℃烘干48 h至恒量,称各部分的生物量。计算幼苗总生物量、各部分(根、茎、叶)生物量比、根冠比、光合组织(叶)与非光合组织(根、茎)生物量比等参数。

1.3.3 叶片非结构性碳及其组分含量

将杉木幼苗鲜叶剪碎混匀,称取0.2 g新鲜样品于试管中,加入5 mL去离子水并用塑料薄膜封口,在沸水浴中提取30 min(提取2次),将2次的提取液滤入25 mL容量瓶中,反复漂洗试管及残渣,定容,即为可溶性糖提取液。将提取后的残余物烘干,加入高氯酸提取淀粉溶液。采用蒽酮法利用紫外可见分光光度计测定630 nm下可溶性糖和淀粉的吸光值,并计算其含量。非结构性碳含量=可溶性糖含量+淀粉含量。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差法(LSD)进行差异显著性检验(α=0.05),采用Pearson相关性分析方法判断杉木幼苗叶片特性与叶片非结构性碳含量之间的相关性。利用Origin 9.1软件作图。图表中数据均为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同光照强度下杉木幼苗的叶片形态特征

由图1可知,杉木幼苗的叶长、叶宽和叶面积在不同光照强度处理下差异均极显著(P<0.01)。幼苗叶长、叶宽和叶面积的变化趋势大致相同,随着光照强度的降低,呈先增大再减小的变化趋势。杉木幼苗叶片叶长、叶宽和叶面积在40%光照强度时均达到最大,且显著高于其他光强。幼苗叶长、叶宽和叶面积在100%和60%光照强度间均无显著性差异,叶长和叶面积在40%、15%和5%光照强度处理下均高于100%和60%光照强度处理,而叶宽则以5%光照强度最低。

图1 不同光照强度下杉木幼苗叶片形态特征Fig.1 Leaf morphology characteristics of Chinese fir seedlings under different light intensities不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

图2 不同光照强度下杉木幼苗比叶面积和相对含水量Fig.2 Specific leaf area and relative water content of Chinese fir seedlings under different light intensities

由图2可知,杉木幼苗叶片的比叶面积和相对含水量在不同光照强度处理下差异极显著(P<0.01)。随着光照强度的降低,比叶面积逐渐增大,100%光照强度下比叶面积最小,60%、40%和15%光照强度间比叶面积差异不显著,但与其他处理间差异极显著,而5%光照强度下比叶面积显著最大。随着光照强度的降低,叶片相对含水量总体呈现增大趋势,5%光照强度下叶片相对含水量显著高于其他光强处理。

2.2 不同光照强度下杉木幼苗生物量积累及分配

由表2可知,杉木幼苗不同部位的生物量积累及分配在不同光照处理下差异显著(P<0.05)。幼苗的根、茎、叶生物量和总生物量总体表现出随着光照强度的降低而减小的变化趋势,100%光照强度处理下的值均大于遮荫处理。幼苗在不同光照强度下的生物量分配也存在显著差异(P<0.05),但在100%、60%和40%光照强度处理间的差异不显著。随着光照强度的降低,幼苗根生物量比和根冠比均减小,而茎生物量比、叶生物量比以及光合组织与非光合组织生物量比均增大。

表2 不同光照强度下杉木幼苗生物量积累及分配

2.3 不同光照强度下杉木幼苗叶片非结构性碳含量

图3 不同光照强度下杉木幼苗叶片可溶性糖、淀粉和非结构性碳含量Fig.3 Soluble sugar, starch and non-structural carbohydrate (NSC) content of leaf of Chinese fir seedlings under different light intensities

由图3可知,不同光照强度下杉木幼苗叶片非结构性碳及其组分含量均存在极显著差异(P<0.01),且变化趋势一致。在60%光照强度下,叶片可溶性糖、淀粉和非结构性碳含量均达到最大值,5%光照强度下均最小。由此表明,60%光照强度处理有利于杉木叶片的碳积累,增大叶片非结构性碳及其组分含量,而15%和5%光照强度处理则起到了相反的作用,不利于叶片的生长发育。

2.4 不同光照强度下杉木幼苗叶片特性与叶片非结构性碳含量之间的关系

由表3相关性分析发现,杉木幼苗叶面积与比叶面积、叶生物量、可溶性糖含量、淀粉含量及非结构性碳含量的相关性总体上均不显著(P>0.05),而比叶面积与叶生物量、可溶性糖含量及非结构性碳含量均呈极显著的负相关关系(P<0.01),与淀粉含量的相关性不显著(P>0.05)。这在一定程度上反映出杉木幼苗叶生物量的变化主要是由可溶性糖含量和淀粉含量的变化决定,其相关系数分别为0.836和0.451,说明可溶性糖含量发挥着更为重要的作用。可溶性糖含量、淀粉含量均与非结构性碳含量存在极显著正相关关系(P<0.01),且前者相关系数更大。

表3 杉木幼苗叶片特性与叶片非结构性碳含量之间的相关性

Table 3 The correlations between leaf characteristics and non-structural carbohydrate (NSC) content of Chinese fir seedlings under different light intensities

指标Indices叶面积Leaf area比叶面积Specific leaf area叶生物量Leaf biomass可溶性糖含量Soluble sugar淀粉含量Starch非结构性碳含量Non-structural carbohydrate叶面积 Leaf area1比叶面积 Specific leaf area0.1331叶生物量 Leaf biomass0.105-0.762∗∗1可溶性糖含量 Soluble sugar0.126-0.707∗∗0.836∗∗1淀粉含量 Starch0.078-0.3980.451∗0.676∗∗1非结构性碳含量 Non-structural carbohydrate0.124-0.689∗∗0.812∗∗0.993∗∗0.758∗∗1

*表示显著相关(0.01

3 讨论

3.1 不同光照强度下杉木幼苗的叶片形态特征

植物对外界不同选择压力的响应机制较多地体现在叶片形态结构上的改变[3]。通常植物通过增大比叶面积增强捕光能力以适应低光环境。本研究发现,在遮荫处理下,杉木幼苗叶面积和比叶面积均增大,即叶片变大变薄,这是植物本身对弱光环境的响应,增大光合作用的叶面积有利于在有限的光照条件下截获更多的光能。而杉木在100%和5%光照强度下叶片小而厚,可能是由于过强和过弱的光辐射导致了光抑制和光胁迫,使得叶片中的大部分物质被用于构建保卫构造或增加叶肉细胞密度。刘柿良等[17]对不同光环境下台湾桤木(Alnusformosana)和四川桤木(Alnuscremastogyne)幼苗生长的研究发现,随着光照强度的降低,两种桤木的叶性状参数均呈先增后减的变化趋势,林窗环境比旷地更有利于幼苗的生长。Ma等[18]对喜树(Camptothecaacuminata)幼苗的研究发现,75%光照强度下的叶片面积显著大于其他处理下,且该光照强度下幼苗长势最佳,100%和25%光照强度均不利于幼苗的生长。同样,唐辉等[19]针对林下与全光条件下地枫皮(Illicicumdifengpi)叶片形态的比较也发现相同的规律,即林下地枫皮的叶长、叶宽、叶面积和比叶面积等叶片形态参数均极显著大于100%光照强度下,与本研究结果一致；还有多数研究[20- 22]也验证了同样的结论,适度遮荫条件下幼苗具有更大的叶长和叶宽以及叶面积,能够增大其光合作用面积,补偿较低光量子通量密度造成的光合速率下降,与耐阴性较强的植物在遮荫条件下尽量拓展其宽大而薄的叶片以适应弱光环境的观点一致[23]。

3.2 不同光照强度下杉木幼苗生物量积累及分配

生物量分配格局是植物对所处环境条件响应和适应的结果。通常在低光环境下,植物会将更多的资源分配到地上部分,减小根冠比；强光环境下,植物则会通过提高根生物量分配,增大根冠比,通过促进根部生长以充分获取水分和矿质营养,减少强光和水分胁迫对植物本身的损伤[24]。本研究发现杉木幼苗总生物量随着光照强度的降低显著减少,说明高光照强度有利于杉木幼苗生物量的积累,而在低光照强度下,杉木幼苗采取保守策略进行缓慢的资源获取和消耗,所以生物量积累较少。随着光照强度的降低,杉木幼苗减少根生物量分配,提高地上部分生物量投资,通过增加叶和茎生物量分配来增强光能捕获能力,促进杉木幼苗支持结构和运输结构的构建,以实现生长率的提高及光竞争能力和生存适合度的提高。刘柿良等[17]研究发现了与本研究一致的结果,即随着光照强度的降低,四川桤木幼苗倾向于将更多的干物质分配到地上部分,具有更高的叶生物量比和更低的根生物量比。郭志华等[25]研究发现喜树幼苗在不同光环境下的响应策略也表现为随着光照强度的降低,根生物量比降低,茎生物量比增大,而叶生物量比则以旷地和林窗下更高。

3.3 不同光照强度下杉木幼苗叶片非结构性碳含量

增加NSC存储是植物应对不良环境或潜在胁迫的对策之一[26]。已有研究发现[10,27-28],遮荫会打破植物NSC的收支平衡,由于林下低光环境限制了幼苗的碳获取,植物体内碳水化合物存储较低,不耐阴的树种幼苗就会因碳饥饿而死亡,这可能是导致林下弱光环境中幼苗死亡率高的关键因素。也有研究证实[10,29],耐阴的树种在林下通过忍耐阴蔽,降低生长速率,在碳收支失衡时期增加存活机会,具有更高的NSC浓度,这一特征是耐阴树种幼苗的存活机制[30],即证明NSC储备能够加强幼苗、幼树在林下的耐阴性。本研究发现,在60%光照强度下,杉木叶片可溶性糖、淀粉含量及非结构性碳含量均较100%光照强度下高,说明60%光照强度更有利于非结构性碳的转化与积累。但随着遮荫程度增大,可溶性糖、淀粉含量及非结构性碳含量均显著降低,表明适度遮荫能够促进杉木幼苗叶片光合产物的积累。5%光照强度下由于幼苗叶片碳同化水平降低,影响植株可溶性糖和非结构性碳的积累,同时5%光照强度下幼苗呼吸作用增强,碳水化合物消耗增加,均不利于杉木幼苗的生长发育,可能就是杉木近自然经营林下天然更新困难、幼苗存活率低的原因。Schmitz等[31]对拟南芥(Arabidopsisthaliana)进行强光处理后发现在短期内其体内NSC含量迅速增大；陈志成等[28]研究发现遮荫处理下锐齿栎(Quercusaliena)幼苗NSC浓度显著低于自然光照下,在重度遮荫环境下幼苗因碳收支失衡而死亡；霍常富等[32]研究也发现遮荫处理显著降低了水曲柳(Fraxinusmandshurica)叶片中可溶性糖、淀粉含量和非结构性碳含量,均与本研究结果一致。

3.4 不同光照强度下杉木幼苗叶片特性与叶片非结构性碳含量之间的关系

本研究通过对不同光照强度下杉木幼苗叶片特性与叶片非结构性碳含量之间的相关性分析发现,杉木幼苗叶面积的变化并不是影响幼苗比叶面积、叶生物量、可溶性糖含量、淀粉含量及非结构性碳含量变化的关键因素,无显著相关效应。而叶生物量和非结构性碳含量的变化对比叶面积具有极显著的负作用,即叶生物量和非结构性碳含量增大,比叶面积显著减小。可溶性糖和淀粉作为非结构性碳的主要组分,可溶性糖含量、淀粉含量的增大是促进非结构性碳含量增大的主要原因,且非结构性碳含量与叶生物量之间存在极显著的正相关关系,在一定程度上反映出杉木幼苗叶生物量的变化主要是由可溶性糖含量和淀粉含量的变化决定。结合可溶性糖含量、淀粉含量与非结构性碳含量之间的相关系数分别为0.993和0.758,由此表明可溶性糖含量在促进幼苗叶片生长方面发挥着更为重要的作用,可能在一定程度上有利于提高杉木幼苗的生长适合度。

4 结论

本研究表明,杉木幼苗生长需要较强的光照条件,在60%光照强度下幼苗生长较好。随着光照强度的减弱,杉木幼苗通过改变自身形态,增大光合作用的叶面积,将更多的光合产物投资于茎和叶部位,以增强其在适度遮荫环境下的光能捕获能力,提高光竞争能力和生存适合度。而5%光照强度下,由于碳收支失衡而不利于杉木幼苗生长和存活,因此光照不足可能是杉木幼苗林下更新的主要限制因子。这些响应策略均符合植物适应低光环境的胁迫耐受假说。