周麗，楊學嬌，陳詩，徐楊，蔡年輝，許玉蘭，段安安，李悅

(1．西南林業(yè)大學西南山地森林保育與利用省部共建教育部重點實驗室，云南 昆明650224;

2．云南省保山市森林資源管理總站，云南 保山678000;3．北京林業(yè)大學生物科學與技術學院，北京100083)

油松(Pinus tabulaeformis)是松科(Pinaceae)松屬(Pinus)的常綠喬木。生于海拔100～2 700 m地帶，多組成純林。極喜光，耐貧瘠，適于干冷氣候，不耐水澇及鹽堿［1］。在砂地、微酸性土壤、中性土壤及鈣質(zhì)黃土上均可生長，根系發(fā)達，生長迅速，材質(zhì)優(yōu)良，具有良好的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益，為西北地區(qū)荒山造林的先鋒樹種［2］。油松自然分布區(qū)范圍廣，分布于遼寧、吉林、內(nèi)蒙古、山西、陜西、四川北部等14個省 (市、區(qū))。隨著分布區(qū)內(nèi)地理變化，不同種群的油松在生理、生態(tài)、抗性等方面有著顯著的差異，形成了不同種源和地理小種，其生長環(huán)境和水分生態(tài)系統(tǒng)日漸惡化［3～5］。近年來，關于油松和云南松 (P．yunnanensis)參與高山松 (P．densata)的雜交起源研究報道較多［6～11］，結(jié)果表明不同群體雜交起源的多樣性，油松不同種群在參與高山松雜交起源中遺傳組成不一樣［6～7，10］。光合作用、呼吸作用和蒸騰作用是綠色植物生存和生長的重要生理過程，其中光合作用又是植物體內(nèi)最重要的化學反應［12～13］，是對環(huán)境條件變化比較敏感的生理過程，是植物環(huán)境適應性研究的重要方面。不同地理種源油松移栽到與其分布區(qū)具有不同光照強度的云南松分布中心區(qū)后，其對光照的適應及光合生理特性等尚未見相關報道。本研究在前期研究工作的基礎上，以油松分布區(qū)范圍內(nèi)的8個代表性種群為對象，研究其在云南松分布中心區(qū)生境下苗期的光合生理指標變化及油松種群間光合特性的變異規(guī)律，以揭示油松不同種群在云南松中心分布區(qū)生境下生長的生理響應及其差異，為其在云南松分布區(qū)引種提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地自然概況

試驗地設在西南林業(yè)大學苗圃，位于東經(jīng)102°45'41″、北緯 25°04'00″，海拔 1 945 m，屬北亞熱帶半濕潤高原季風氣候，年平均氣溫15℃左右，年降水量700～1 100 mm，全年明顯地分為干、濕兩季，5-10月為雨季，降水量占全年的85%左右;11月至次年4月為旱季，降水量僅占全年的15%左右，年平均相對濕度68．2%，全年無霜期近年均在240天以上，全年晴天較多，日照數(shù)年均2 445．6 h，日照率56%。終年太陽投射角度大，年均總輻射量達129．78 kcal/cm2。土壤為紅壤土，肥力中等。

1.2 試驗材料與試驗設計

參試的8個油松種群，均為實生苗，油松種子產(chǎn)地情況見表1。苗床設置5個重復，以完全隨機區(qū)組試驗排列。每個苗床平均分成24個小區(qū)，每個小區(qū)為1個種群并且平均分為3行，每行播20粒共60粒種子，于2011年4月17日播種，并進行正常的苗期管理，于發(fā)芽后，對每個種群隨機選取5株進行標記，并且每月固定時間測量生長量。本次試驗以8個2年生油松種群苗木為研究對象，于2012年10月中旬對其當年生針葉進行各項指標的測定。

表1 油松不同種群的地理分布Tab．1 Geographical distribution of different populations of Pinus tabulaeformis

1.3 測定方法

1．3．1 光合作用參數(shù)的測定

選取試驗小區(qū)3個苗床，于3個苗床中部各選擇植株和針葉長勢中等，具有代表性的1株共3株進行掛牌和測定。試驗選擇10月中旬晴朗無云天氣進行，在自然條件下，采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400光合測定系統(tǒng)，測定當年生中部成熟健康的功能葉片的凈光合速率〔Pn，μmol/(m2·s)〕、胞間 CO2濃度 (Ci，μmol/mol)、蒸騰速率 〔Tr，mmol/(m2·s)〕、氣孔導度〔Gs，mmol/(m2·s)〕，光合有效輻射〔PAR，μmol/(m2·s)〕、樣品室CO2濃度 (CO2S，μmol/mol)、樣品室相對濕度(RH_S)、水汽壓虧缺 (VpdL)等光合參數(shù)。并根據(jù)這些光合參數(shù)計算下面幾個指標，水分利用率(WUE，mmol/mol)=Pn/Tr;光能利用率 (LUE，gC/MJ)=Pn/PAR;羧化效率〔CE，mol/(m2·s)〕=Pn/Ci;氣孔限制值 (LS)=1-Ci/CO2S。

1．3．2 光梯度曲線的測定

選擇標記的植株，利用6400-02B LED紅藍光源，使用 Li-6400自動“l(fā)ight-curve”曲線測定功能，測定8個油松種群在梯度下Pn的變化情況，在測定過程中，光合測定儀的樣品室流速均設定為300 μmol/s，CO2濃度設定為 400 μmol/mol，葉室溫度(Ti)為20℃，設定的光合有效輻射通量密度(PPFD)梯度為0 μmol/(m2·s)、20 μmol/(m2·s)、50 μmol/(m2·s)、100 μmol/(m2·s)、150 μmol/(m2·s)、200 μmol/(m2·s)、400 μmol/(m2·s)、600 μmol/(m2·s)、800 μmol/(m2·s)、1 000 μmol/(m2·s)、1 200 μmol/(m2· s)、1 400 μmol/(m2· s)、1 600 μmol/(m2· s)、1 800 μmol/(m2·s)、2 000 μmol/(m2·s)，共15 個水平。

以光合有效輻射通量密度PPFD≤200 μmol/(m2·s)時的Pn進行PPFD-Pn線性擬合，可以得出PPFD與Pn符合線性回歸，方程擬合效果較好，R2均在0．949 1以上。直線回歸方程為Pn=a×PPFD-b，其中:a，b均為常數(shù)，且a＞0，b＞0，根據(jù)該方程設Pn=0時，可以求得函數(shù)圖像與橫軸的交點的 PPFD值即為光補償點〔LCP，μmol/(m2·s)〕，此外，還可以得出表觀量子效率 (Q)、暗呼吸速率 (Rd)等光合作用參數(shù)［14］。

根據(jù)非直角雙曲線［15］進行光響應曲線的擬合(圖1)，其模型的理論公式為:Pn=〔Q×PAR+，式中:Pn為凈光合速率;Q為表觀量子效率;PAR為光合有效輻射〔μmol/(m2·s)〕;P max為最大凈光合速率〔μmol/(m2·s)〕;k為光響應曲線曲角;Rd為暗呼吸速率〔μmol/(m2·s)〕。

1．3．3 數(shù)據(jù)處理

完成數(shù)據(jù)收集后，用Excel 2003和SPSS 17．0進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 油松光響應曲線的擬合

油松光響應曲線的擬合結(jié)果見圖1。

圖1 油松不同種群的光響應曲線Fig．1 Light response curve of different populations of Pinus tabulaeformis

圖1曲線擬合結(jié)果表明，8個油松種群光響應曲線擬合的決定系數(shù)R2除土默特 (R2=0．951)、靈空山 (R2=0．969)以外，其他的都在0．978以上，擬合效果較好。由圖1來看，8個油松種群光響應曲線規(guī)律基本一致，光照強度在0～500 μmol/(m2·s)之間，Pn迅速上升，光合速率隨光照強度的升高而加快;當光照強度在500～1 500 μmol/(m2·s)之間時，Pn上升的速率減慢;PAR＞1 500 μmol/(m2·s)時，Pn逐步穩(wěn)定。但各種群Pn上升的速率和上升的趨勢不同，呼市土默特 (圖1-a)和青?；ブ?(圖1-b)的光響應曲線在PAR＞500 μmol/(m2·s)后，明顯趨于平緩，達到完全飽和狀態(tài);而山西靈空山 (圖1-d)的光響應曲線在PAR為0～2 000 μmol/(m2·s)時，并沒有達到完全飽和，一直處于上升趨勢，說明山西靈空山的油松具有較高的耐高強輻射能力。在相同的光照強度下，北京松山 (圖1-f)油松種群的Pn明顯高于其余7個種群。

由表2可知，油松不同種群的Pn在8．293～23．338 μmol/(m2·s)之間波動，其中，最大的是北京松山種群，最小的是呼市土默特種群。而陜西寧陜種群具有最小的 LCP〔3．15 μmol/(m2·s)〕，具有較強的利用弱光的能力，四川九寨溝種群次之〔12．292 μmol/(m2·s)〕，而山西方山油松種群對弱光的利用能力最低，LCP 為37．69 μmol/(m2·s)。Pn沒有一個明顯的飽和點，從不飽和到飽和是一個漸變的過程，因此對于光飽和點(LSP，μmol/(m2·s)不能給出一個確定的值，只能給出一個大致的范圍［16］。光響應曲線估計值表明，北京松山種群具有最大的利用強光的能力，其LSP＞2 000 μmol/(m2·s)，山西靈空山種群次之，呼市土默特和青?；ブN群的LSP值最小，約為500 μmol/(m2·s)，利用強光的能力最小。

表2 油松不同種群光合響應曲線參數(shù)Tab．2 Photosynthetic response curve parameters of different populations of Pinus tabulaeformis μmol·m-2·s-1

2.2 光合生理指標比較

對8個油松種群的 Pn、Tr、Gs、Ci、WUE、LUE、CE、LS進行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 油松不同種群的光合作用特征參數(shù)比較Tab．3 Comparison on photosynthesis characteristic parameters of different populations of Pinus tabulaeformis

油松不同種群之間光合特征指標參數(shù)Pn(p=0．000)、Tr(p=0．000)、Gs(p=0．000)、Ci(p=0．001)、WUE(p=0．001)、LUE(p=0．000)、CE(p=0．000)、LS(p=0．000)在 99% 置信度水平下差異都極顯著，變異范圍較廣，除去Ci(CV=0．09)，變異系數(shù)均≥0．22，變異最大的是Tr(CV=0．36)，表明不同油松種群間的光合生理指標具有較大的變異。

對不同種群間的光合參數(shù)分析 (表3)顯示，8個油松種群之間的各個光合參數(shù)之間存在著極顯著的差異，從平均值可以看出，北京松山 (SS)種群的 Pn 〔13．601 ±3．960 μmol/(m2·s)〕、CE〔0．051 ± 0．015 mol/(m2·s)〕和 LS(0．305 ±0．030)均最大，其次為采自內(nèi)蒙寧城 (NC)的種群 〔Pn=12．077 ± 2．636 μmol/(m2·s)、CE=0．043 ± 0．012 mol/(m2· s)、LS=0．252 ±0．023〕，該種群具有最大的 WUE(3．562 ± 1．117 mmol/mol);而山西靈空山(LKS)油松種群，其Pn、Tr、Gs、LUE 分別為 8．238 ±0．930 μmol/(m2·s)、2．725 ± 0．733 mmol/(m2· s)、0．164 ± 0．019 mmol/(m2·s)、5．895 ±0．810 gC/MJ，在8 個種群中均是最小的;陜西寧陜(NS)的油松種群則具有最大的 Tr〔5．139 ± 0．955 mmol/(m2·s)〕、Gs〔0．260 ± 0．044 mmol/(m2·s)〕和 最 小 的 WUE〔2．233 ±0．468 mmol/(m2·s)〕。Tr的波動范圍最大，為2．725 ～5．139 mmol/(m2·s)，Ci的波動范圍最小，為 267．60 ～301．20 μmol/mol。從標準差可以看出，同一種群之間的個體在各參數(shù)之下也存在著顯著的差異。波動最大的是Ci，為9．731～40．160 μmol/mol，Gs波動的范圍最小，為 0．019 ～0．071 mmol/(m2·s)。

2.3 油松種群的各光合參數(shù)關系

植物的Pn、Tr除了受到外界環(huán)境因子的影響，還受到內(nèi)在生理因子的調(diào)節(jié)。通過對8個種群各光合生理參數(shù)進行簡單相關性分析 (表4)可知，大部分光合參數(shù)與Pn和Tr有著顯著 (p＜0．05)和極顯著 (p＜0．01)的相關關系。油松的Gs與Pn和Tr之間有著極顯著的正相關關系 (r=0．574＊＊和0．726＊＊)，PAR 與 Pn、Tr的相關系數(shù)分別為0．260＊＊、0．404＊＊;Pn與 LS間存在極顯著正相關關系 (r=0．558＊＊)，與VpdL間存在顯著正相關關系 (r=0．227*)，與Ci和CO2S間存在極顯著負相關關系，相關系數(shù)分別為 -0．572＊＊、 -0．255＊＊。VpdL、CO2S、RH_S均與Tr有著極顯著的相關性，其中與CO2S和RH_S間呈負相關 (r=-0．315＊＊和-0．472＊＊)。Ci與 Ls存在極顯著的負相關關系，相關系數(shù)為-0．926。

表4 光合參數(shù)之間的相關性分析Tab．4 Correlation analysis between photosynthetic parameters

3 結(jié)論與討論

光響應曲線是植物Pn隨著PAR的變化而改變的反應曲線，①式可以較好地模擬光合速率隨光強的變化，通過光響應曲線可以直觀地看出植物光合能力的強弱。植物的光合能力在一定程度上是由其遺傳特性決定的，LSP、LCP的大小反映了植物對強光、弱光的利用能力，P max則反映了植物光合能力的強弱。LCP越小，表明其利用弱光的能力越強，高LCP低LSP的植物對光環(huán)境的適應較弱，反之則較強。由表2可知，呼市土默特種群具有較高的LCP，而LSP和P max最低，說明其對光照的適應性最弱;而北京松山種群則具有最大的LSP和P max，但其LCP并不是最小的，說明其對云南松分布區(qū)光照環(huán)境的適應能力較強。綜合比較8個油松種群，本次試驗結(jié)果與高瓊等［17］的研究結(jié)果存在一定差異，可能是由于云南與北京的地理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境存在較大差異引起，是油松適應云南松生境的結(jié)果。

衡量光合作用最重要的指標是Pn，植物進行光合作用，是一個積累有機物的重要過程，在相同的環(huán)境下，Pn的高低，可以說明植物能否很好地生存。Tr反映了植物在一定時間內(nèi)單位面積蒸騰的水量，在同一環(huán)境里，Tr越高，植物的抗旱能力越弱，反之，植物抗旱能力越強。Gs反映了氣孔張開的程度，影響著光合作用、呼吸作用和蒸騰作用，對蒸騰作用有著直接的影響［18］。WUE是植物光合作用、蒸騰作用的綜合反映［19］。本研究結(jié)果表明，北京松山油松種群在試驗生境下，Pn最大，光合能力最強，Ci最小，表明它能利用最低的CO2來獲得最高的光合速率，但其Tr較高，僅次于陜西寧陜種群，表現(xiàn)出較弱的抗旱能力，WUE、LUE值較大，具有較強的水分和光能利用能力，表明其生理基礎較強。山西靈空山油松種群，其Pn、Tr、Gs和LUE均最小，光能利用能力最弱，光合作用較弱，蒸騰作用最慢，但是其抗旱能力最強，其生理基礎相對較弱，研究結(jié)果與高瓊等［17］的研究結(jié)論一致。

相關分析表明，大部分光合參數(shù)與Pn和Tr有著顯著 (p＜0．05)和極顯著 (p＜0．01)的相關關系。其中Gs與Pn和Tr間的相關性極顯著，可能是影響油松不同種群Pn、Tr的最大內(nèi)部因子;PAR 與 Pn、Tr的相關系數(shù)分別為 0．260、0．404，也存在極顯著的相關關系，推測PAR可能是影響Pn、Tr最大的外部環(huán)境因素，其結(jié)果與徐佳佳等［18］的研究結(jié)果一致。

不同種群油松苗木的光合特性除了受到遺傳特性、生理特性的影響，還由其生長的地理位置、環(huán)境條件和氣候條件決定。本次試驗所得結(jié)論是針對2年生油松苗木，于生長當年生長基本停止時所測定的，在不同季節(jié)或不同年齡階段的變異規(guī)律還有待進一步研究。

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