平茬处理对杜仲生长及光合特性的影响

杜丹丹，于莉莉，季倩如，唐中华，李德文

（东北林业大学 a.森林植物生态学教育部重点实验室；b.化学化工与资源利用学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

对于大多数植物而言，当受到外界干预或遭到不可预知的自然因素的破坏时（如人为砍伐、自然霜冻、动物践踏等行为），其光合作用、蒸腾作用、呼吸作用以及光合产物的转运与分配等生理活动都会发生相应的变化[1]，这时被破坏的植物组织就会进行补偿再生长，这是植物所特有的组织再生长机制[2]。Naughton[3]和Holechek[4]认为去除植物顶端的衰老组织，可降低植物群落内部资源的竞争作用，提高剩余叶片的光合速率，最终促进植物的生长，并将这种现象称为“补偿性生长”（compensatory growth）[5]。植株损伤后的再生过程，是其动用所有营养源以补偿其生长所需的营养亏缺和调节生理反应以维持持续生长的过程[6]，也是适应自然环境、维持生命的一种重要调节机制[7]。

平茬是森林经营管理中常用的手段，合理的平茬方式是维持植株再生能力和提高产量的重要措施。大量研究结果表明，适宜的留茬高度可调整植物的营养分配，培育合理的树体结构，改善植株的通风和透光条件，提高植株的光合利用率，从而不同程度地提高植株的产量[8]。孙明等[9]认为，贴地刈割紫花苜蓿能刺激其地下部根颈侧芽的发生，促进侧芽的生长，增加分枝数，提高产草量。杨丹怡等[10]发现，随留茬高度的降低，凤丹的新生枝数量、单株叶面积以及光合参数呈逐渐增加的趋势。根据“中度干扰假说”，干扰可使生态系统偏离其自然的演变方向和速度，其结果可能优化结构和增强功能，也可能劣化结构和削弱功能，这取决于干扰的强度和方式[11]。适度的干扰能维持和提高草地质量以及草地资源数量，而干扰胁迫后植物通过自身调节机制产生补偿性生长的现象是体现其生态适应性的重要方面[12]。

杜仲Eucommia ulmoides，别名思仙、思仲、玉丝皮棉等，为杜仲科杜仲属的多年生落叶乔木。在中国，杜仲分布区域较广，自然分布大体在黄河以南，五岭以北，主要分布在西南及北方省区，南方鲜有种植，是中国珍稀濒危保护树种之一，具有重要的药用价值。前人对不同林分密度下杜仲乔用林皮质量[13]和不同干径杜仲的树皮、根和果实等[14]进行了研究，结果表明杜仲叶与杜仲皮的药用有效成分基本相同，药用功能基本一致[15]。杜仲叶内含有的绿原酸是一种天然抗生素，可以取代人工抗生素；杜仲叶经细加工可产出杜仲精粉，也可经粗加工制成饲料，还能提炼出橡胶[16]。杜仲叶片也可被加工成一种茶疗珍品——杜仲茶[17]。 然而，有关平茬处理对叶用杜仲林叶片生长状况、叶产量和光合生理特征影响的研究至今鲜有报道。为此，本研究中以叶用杜仲为研究对象，对不同平茬强度处理下杜仲生长指标及光合参数、叶绿素荧光参数等主要光合生理指标进行研究，初步探讨平茬措施下杜仲产生补偿性生长的生理机制，以期为叶用杜仲林资源定向生态培育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

2019年3—8月，在东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室的温室内进行试验。选取60 株长势一致的3年生盆栽杜仲苗，随机分为3 个 留茬高度处理组，每组20 株。3 个处理组分别为留茬10 cm（T1）、留茬20 cm（T2）、未平茬（CK）。处理期间常规管理，保证水分和养分供应。土壤有机碳、氮、磷含量分别为(571.11±38.48)、(24.92±0.98)、(2.35±0.25) g/kg。在8月下旬（植物生长盛期），选取植株枝头顶端已完全展开且生长状况一致的叶片作为样叶，测定其各项生长指标和光合指标，每个处理均随机取样，3 次重复。

1.2 试验方法

1.2.1 生长指标的测定

用直尺测量叶长和叶宽，用天平测量叶片鲜质量和干质量，用游标卡尺测量叶厚和干径（距地面10 cm 处树干直径）。根据描形数格法确定叶面积：将杜仲叶片平铺在带有刻度的标尺板上，数叶片所占方格数，每个方格面积为1 cm2，切格的按4 舍5 入计数，所数方格数为该叶片面积。每个处理组各指标均取其平均值。

含水量=(鲜质量－干质量)/鲜质量。

1.2.2 光合速率和气体交换参数的测定

于晴天9:30—11:00，采用Li-6400 型便携式光合仪测定供试植株的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）及蒸腾速率（Tr）。按照董晓颖等[18]的方法计算水分利用效率（EWU）、叶片羧化效率（EC）和气孔限制值（Ls）。

EWU=Pn/Tr；

EC=Pn/Ci；

Ls=1－Ci/Ca。

式中：Ca为大气CO2体积分数（400 µmol/mol）。

1.2.3 叶绿素荧光参数的测定

参考Cen 等[19]的方法，采用便携式PAM-2500 叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数。根据Yao 等[20]的方法计算最大光合效率（Fv/Fm）、实际光合效率（ΦPSⅡ）、非光化学猝灭系数（NPQ）、光化学猝灭系数（PQ）、PS Ⅱ调节性能量耗散的量子产量（YNPQ）、PS Ⅱ非调节性能量耗散的量子产量（YNO）、PS Ⅱ的相对电子传递速率（ETR）。

1.2.4 光合色素含量的测定

参考魏晓雪[21]的方法测定光合色素含量。取0.05 g样品，剪碎，加入5 mL二甲基亚砜（DMSO），黑暗下60 ℃水浴反应，直至样品组织完全变白。以DMSO 为空白，使用紫外可见分光光度计（Shimadzu UV-2550，日本）分别测定提取液在480、649、665 nm 处的吸光值，并计算叶绿素a含量（CChla）、叶绿素b 含量（CChlb）、总叶绿素含量（CChl）、类胡萝卜素含量（CCar）及叶绿素a和叶绿素b 含量的比值（RChla/Chlb）。

1.3 数据处理

应用SPSS 19.0 和Excel 2010 软件进行数据分析，并采用单因素方差分析（one-way AVONA）检验各处理组间差异显著性（P＜0.05），采用相关分析法进行各指标间的相关性分析。图表中数值为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 留茬高度对杜仲植株生长指标的影响

不同平茬处理下杜仲各生长指标见表1。由表1 可知，平茬处理显著提高了杜仲单株总叶片数、枝条数、叶面积和单叶干质量（P＜0.05），且均在T2 处理组达到最大，分别为(72.00±1.28)片、(6.00±0.03)条、(44.21±0.29) cm2、(0.16±0.02) g，但枝条数、叶面积和单叶干质量在不同留茬高度处理（T1 与T2）间无显著差异。叶宽、叶厚、单叶鲜质量及叶片含水量均在T1 处理组达到最大，与CK 相比分别增加了20.8%、17.2%、62.2%、33.8%（P＜0.05）。留茬20 cm（T2 处理）显著提高了杜仲干径（P＜0.05）。各处理组间叶长无显著差异（P＞0.05）。不同留茬高度处理下杜仲植株叶片形态如图1 所示。

表1 不同平茬处理下杜仲植株的生长指标†Table 1 Growth indexes in E.ulmoides plants under different stumping treatments

图1 不同平茬处理下杜仲植株叶片形态Fig.1 Morphology of E.ulmoides leaves under different stumping treatments

2.2 留茬高度对杜仲植株叶片光合指标的影响

2.2.1 留茬高度对杜仲叶片光合速率和气体交换参数的影响

不同留茬高度处理下杜仲植株叶片的光合速率和气体交换参数见表2。由表2 可知，平茬处理后杜仲植株叶片Pn、Gs及Tr显著高于CK，而Ci显著降低（P＜0.05）。其中，Pn、Gs和Tr在T2处理组的值最高，与CK 相比分别增加31.4%、15.9%、10.1%。Ci在T2 处理组下降幅度最大，较CK 下降21.7%。留茬20 cm 显著提高了杜仲叶片EWU和EC，与CK 相比分别增加了10.5%和40.0%（P＜0.05）。各处理组间Ls与CK 无显著差异 （P＞0.05）。

2.2.2 留茬高度对杜仲叶片叶绿素荧光参数的影响

不同留茬高度处理下杜仲植株叶片的叶绿素荧光参数见表3。由表3 可知，平茬处理显著提高了杜仲叶片Fv/Fm，在T2 处理组较CK 增加了7.7%（P＜0.05）。平茬处理使NPQ 显著增加，T1 处理组NPQ 值达1.77±0.14。PQ 和YNO降低 （P＜0.05），但T1、T2 处理组间无显著差异。YNPQ在平茬处理后有增加趋势，但T2 处理组增加不显著（P＞0.05）。各处理组间ΦPSⅡ和ETR 与CK 相比均无显著差异（P＞0.05）。

表2 不同平茬处理下杜仲植株叶片的光合速率和气体交换参数Table 2 Photosynthetic rates and gas exchange parameters in E.ulmoides leaves under different stumping treatments

表3 不同平茬处理下杜仲植株叶片的叶绿素荧光参数Table 3 Chlorophyll fluorescence parameters in E.ulmoides leaves under different stumping treatments

2.2.3 留茬高度对杜仲叶片光合色素含量的影响

不同留茬高度处理下杜仲植株叶片光合色素含量如图2 所示。由图2 可知，留茬10 cm（T1）处理组显著提高了杜仲叶片CChla、CChlb、CChl和CCar（P＜0.05），与CK 相比分别提高了41.3%、37.4%、40.0%和34.6%，T2 处理组与CK无显著差异。在T2 处理组RChla/Chlb显著降低（P＜ 0.05），T1 处理组与CK 无显著差异（P＞0.05）。

2.3 不同平茬处理下杜仲生长与光合指标间相关性

不同平茬处理下杜仲生长指标及光合参数间的相关系数见表4。由表4 可知，杜仲单株总叶片数与枝条数、Pn、Fv/Fm呈极显著正相关（P＜0.01），与Gs、Tr呈显著正相关（P＜0.05）。叶面积与鲜质量呈极显著正相关（P＜0.01），与YNO呈显著正相关，与Fv/Fm呈显著负相关（P＜0.05）。Pn与Gs、Tr、Fv/Fm呈极显著正相关（P＜0.01），与YNO呈显著负相关（P＜0.05）。Ci与NPQ、YNPQ呈显著正相关（P＜0.05）。ΦPSⅡ与PQ、ETR 呈极显著正相关，与NPQ、YNPQ呈极显著负相关（P＜0.01），与CCar呈显著负相关（P＜0.05）。NPQ 与YNPQ呈极显著正相关，与PQ、YNO、ETR呈极显著负相关（P＜0.01），与CChlb呈显著正相关。ETR 与CCar呈显著负相关（P＜0.05）。CChla、CChlb、CChl、CCar与RChla/Chlb间呈极显著正相关（P＜0.01）。

图2 不同平茬处理下杜仲植株叶片光合色素含量Fig.2 Photosynthetic pigment contents in E.ulmoides leaves under different stumping treatments

3 结论与讨论

本研究结果表明，在对杜仲进行不同留茬高度处理后，植株的生长形态和光合生理均会产生一定的变化。杜仲单株叶片生物量和叶片相对含水量显著增加，光合生理参数Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、EWU、EC及光合色素含量均显著提高，且杜仲单株总叶片数与枝条数、Pn、Fv/Fm呈极显著正相关，表明光合作用与植株生物量积累密切相关。因此，适度平茬有利于提高叶用杜仲的光合作用，增加叶片产量，从而达到优产和高产的效果。

平茬是植株栽培管理中的重要环节，直接影响到植株萌生枝条的生长和产量[22]。大量研究结果证实，留茬高度会影响植株的生长状况。许多植物地上组织被破坏后会进行补偿性生长，如柠条Caragana korshinskii和沙棘Hippophae rhamnoides[23-24]。汪丽娜[25]经研究发现，厚朴Magnolia officinalis平茬后萌蘖株的叶面积、叶干质量和枝条长度等显著提高。范庆红等[14]对不同干径的杜仲采用相同的留茬高度（2 ～4 cm）进行平茬试验，结果发现干径达到0.7 cm 以上的杜仲在平茬后萌条的生长高度显著高于对照。本研究结果表明，经平茬处理后，杜仲单株总叶片数、枝条数，叶面积、叶厚、叶鲜质量和叶干质量显著提高，叶片含水量增加，表明平茬能够促进植株生长，有助于提高单位面积生物量。大多数植

物存在“顶端优势”的生物学特性，在冬季植物根部积累的养分含量达到最大，经过平茬的刺激作用，其根颈部上端第1 个不定芽在根部积累的大量养分供应下，生长旺盛，生长速度加快[26]。在本研究中，经平茬去除杜仲植株老枝的顶芽，可打破植株顶端优势，促进下位芽及根颈部休眠芽的萌发，且单株新生枝数及总叶片数显著增加（表1）。此外，平茬处理改善了枝叶内部的通风和透光条件，有利于增加产量，为后期杜仲的生长提供了更多的空间。

表4 不同平茬处理下杜仲生长指标及光合参数间的相关系数†Table 4 Correlation coefficients between growth indexes and photosynthetic parameters in E.ulmoides under different stumping treatments

光合作用是植物体内极为重要的代谢过程，对植物的生长、产量及其抗逆性非常重要。叶片的光合能力极易受到环境的影响，并通过其与环境的相互作用而影响叶的结构性状和功能特征[27]。Nowak 等[28]研究了植物去叶后光合能力的变化，结果发现去叶后植物整体的光合速率有所提高，并将此现象定义为“补偿性光合作用”。Chen 等[29]认为，植物补偿性光合作用的出现与Gs密切相关，较高的Gs可增强Ci的流动性，从而提高光合速率。与此相同，在本研究中发现平茬处理使杜仲叶片Gs、Pn、Tr显著提高，且Gs与Pn、Tr和总叶片数呈显著正相关（表4），故杜仲补偿性光合作用的产生与Gs相关。EWU反映了植物生长过程中单位水分的能量转化效率，受Tr和Pn共同影响。在相同环境下，EWU值越大，表明植株积累有机物所需要的水分越少，植物的耐旱能力越强[30]。EC是表征植物光合能力的重要参数，代表了光合作用过程中羧化反应这一重要限速反应的速率，对光合速率起着决定作用[31]。适度的平茬处理可显著提高杜仲的EWU和EC，说明留茬20 cm 处理能增加杜仲的耐旱性和光合速率。与此相同，王震[32]经研究发现，平茬处理能提高四合木的Pn、Tr及其抗旱能力。方向文等[33]认为，平茬后柠条地上部分生物量的快速恢复得益于较高的叶片光合速率。另外，平茬改变了根冠比，导致库源关系的变化，使地下部分储存的糖类向上转移，为叶片的生长提供能量物质[34]，最终加速植株光合再循环，表现为补偿性光合作用。

叶绿素荧光是光合作用与外界环境间的探针。在植物叶绿素荧光参数中，Fv/Fm代表PS Ⅱ原初光能转换效率[35]。本研究结果表明，平茬可显著提高杜仲叶片的Fv/Fm（表3），且Fv/Fm与植株总叶片数、枝条数、Pn呈显著正相关，这表明光合作用与植株生物量积累密切相关[36]，经平茬处理后光合能力增强，叶片数量增多，诱发补偿性生长。NPQ 表示植物所吸收的光能中热耗散部分的比例，这是植物吸收了过剩光能的正常耗散，有利于避免光系统的损害。PQ 反映了PS Ⅱ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，在一定程度上反映了PS Ⅱ反应中心的开放程度，PQ越大，PS Ⅱ的电子传递活性越大，接收电子的能力越强[37]。本研究结果表明，经平茬处理后杜仲叶片的NPQ 显著提高，PQ 显著降低，此时PS Ⅱ开放程度降低，可能由于处理后透光率及截获的光合有效辐射增加[38]，植株需要耗散过剩光能，导致用于光化学过程电子传递的比例降低，从而避免强光引起叶片损伤，进而保护光合机构，提高光合能力。

叶绿素a 和叶绿素b 在植物叶片光合作用过程中具有捕获和吸收光能的作用，其含量高低与植物光合作用强弱密切相关。类胡萝卜素分子中具有共轭双键，能够吸收紫外光，是一种重要的抗氧化剂，同时还能吸收过多的光能，在电子的吸收和传递过程中起重要作用，保护细胞、叶绿体和叶绿素免受伤害[39]。本研究结果表明，留茬10 cm 处理能显著提高杜仲叶片的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量。这与汪丽娜等[40]对厚朴平茬后萌蘖株的部分形态及生理研究结果一致。这表明平茬能够增加植株叶片叶肉细胞的光合能力，有利于有机物的积累[41]，增强植株的抗逆能力，提高生物量和光合速率，从而实现高产。

由于本研究中以盆栽叶用杜仲苗为试验材料，在温室中进行试验，气候环境适宜，故平茬处理能提高树苗成活率，使当年冒出的枝条旺盛，达到高产效果。但大田和温室的环境条件不同，在大田中进行平茬试验来提高叶用杜仲的叶产量和叶质量，以及平茬处理对杜仲分枝的影响机制是进一步的研究方向。