不同光照强度对石栎幼苗叶绿素含量及叶绿素荧光参数的影响

吴飞燕，伊力塔，李修鹏，殷秀敏，刘美华，余树全*

（1.亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，浙江 临安 311300；2.浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 临安 311300；3.浙江省宁波市林业技术推广中心，浙江 宁波 315000；4.杭州之江园林绿化艺术有限公司，杭州 310053）

常绿阔叶林是亚热带地区典型的地带性植被，并在世界植被中占有重要地位。经过多年的研究，对我国亚热带地区常绿阔叶林，在区系组成、物种多样性、外貌结构、演替、生态系统的结构和功能以及优势树种光合生理生态特性等方面均进行了大量的研究[1-2]，并积累了许多资料。但有关我国亚热带常绿阔叶林优势树种的幼苗叶片在不同胁迫条件下的光合生理生态特征的研究报道较少。

光是植物生存和生长发育最重要的环境因子之一，植物与光环境的关系一直是植物生理生态学研究的热点问题。随着生长光强的变化，植物能够在形态及生理方面产生可塑性反应，以适应变化的光环境。植物适应光环境变化的能力决定了其分布模式和物种丰富度[3]，如阳性先锋树种具有较强的光合碳同化能力、高光补偿点和高光饱和点等特征[4]；而阴性树种适应林下弱光照环境，具有较低的光补偿点和较高的表观量子效率，且对林下光斑利用能力较强[5]。当植物叶片吸收的光能不能完全用于光合作用时，过量的光能就会降低植物的光化学效率，发生光抑制现象[6-7]。

本文以我国亚热带常绿阔叶林区常见的建群树种石栎（Lithocarpus glaber）为研究对象，利用叶绿素荧光测定技术，测定了不同遮光条件下石栎幼苗叶片在不同月份的叶绿素荧光参数及叶绿素含量等光合生理指标的变化，以探讨石栎幼苗对光强的生理生态适应，为亚热带常绿阔叶林生态系统的植被恢复研究提供科学依据。

1 实验地概况

实验地设在浙江农林大学苗圃，位于119°44′E，30°16′N，属中亚热带季风气候区，温暖湿润，四季分明，具有春多雨、夏湿热、秋气爽、冬干冷的气候特征。全年日照时数1 847.3 h，全年降雨量1 628.6 mm，全年平均气温16.4℃，极端最高气温40.4℃，极端最低气温-9.2℃，年无霜期250 d左右。土壤为黄壤。

2 材料与方法

2.1 材料和处理

试验材料为石栎，属壳斗科（Fagaceae），为我国亚热带常绿阔叶林常见建群树种。雌雄同株，雌雄异花[8]，多生于海拔300～900 m的杂木林中，喜光，喜深厚肥沃土壤，较耐阴，耐干旱瘠薄，萌芽力强[9]。

采用控制实验法，黑色尼龙网眼布遮光大棚，使棚内相对光强（Relative intensity，RI）分别控制在75%、50%，以全自然光照条件（光强100%）为对照。试验树种采用随机区组分组法，于2007年3月移栽于水肥基本一致的试验地，幼树在40%自然光下的荫棚下遮荫缓苗。然后将其随机分成三组，栽培。试验区具有一致的栽培基质，即黄壤。每个试验区栽植30株。于2007年8月，分别进行3种不同的光强处理，即：高光强（RI为100%，作为对照CK）；以一层黑色尼龙网遮荫为中度光强（RI为75%）处理；以两层黑色尼龙网遮荫为低光强（RI为50%）处理。每个遮荫棚选取15～20株长势一致且良好的幼苗挂牌，每棵植株间保持一定距离，避免相互遮荫。常规管理，及时除草和防病虫害。

遮荫时间为2007年8月～2009年10月。分别于2008年4月和9月、2009年4月和9月，进行各指标的测定。

2.2 测定方法

2.2.1 叶绿素含量的测定

于2008年4月和9月，2009年4月和9月测定石栎叶片叶绿素相对含量，选取5～7片叶，测定10次取其平均值[10]。利用便携式叶绿素含量测定仪（SPAD-502，Japanese）测定叶中部的SPAD计数值，代表叶绿素相对含量。

2.2.2 叶绿素荧光参数的测定

采用便携式调制叶绿素荧光仪（PAM-2100，Walz Germany）测定石栎幼苗叶片的叶绿素荧光参数。测定时间与2.2.1一致。从每个遮阴处理中随机选择5株植株，选取每棵植株中上部第3～5片成熟叶片中的一片，对其挂牌，在晴天上午9:00～11:00进行连体测定。所得参数值是5个数值的平均值。

根据测量数据：原初荧光（Fo）、最大荧光（Fm）和光系统Ⅱ（PSⅡ）的最大光化学效率（Fv/Fm），可以计算下列荧光参数[11-14]：暗适应后PSⅡ的潜在活性（Fv/Fo）；光适应下PSⅡ实际光化学量子产量（ΦPSII）；非光化学猝灭系数（qN）。其中，Fv/Fm和Fv/Fo测定前，叶片经过20 min暗适应。

2.3 数据处理

利用SPSS软件，采用单因素方差分析方法，分析不同遮阴处理间光合生理相关指标差异的显著性；同时，采用多因素方差分析方法，分析光强和测量季节因素对石栎叶绿素相对含量和荧光参数的影响；在数据分析前，对所有数据进行正态性与齐性检验；最后利用Sigma Plot作图。

3 结果与分析

3.1 不同光强下石栎叶绿素相对含量

叶绿素是绿色植物光合作用的基础物质，叶绿素含量的多少及消长规律是反映叶片生理活性变化的重要指标[15]。

图1 不同光强下石栎叶绿素相对含量的季节变化Fig.1 Seasonal variation of chlorophyll relative content of Lithocarpus glaber under different light intensities

从图1可以看出，相同季节里，石栎在不同遮光处理条件下的叶绿素含量不同，其中50%辐射强度处理下，叶绿素含量最高，这也是石栎处于低光胁迫环境下所形成的一种生理适应，使其更耐弱光，尽可能地吸收较多的光能，供光合作用需求。

3.2 不同光强下石栎PSⅡ原初光能转化效率（Fv/Fm）和PSⅡ的潜在活性（Fv/Fo）

光系统Ⅱ的最大荧光效率（Fv/Fm）及其潜在活性（Fv/Fo）是衡量植物光能利用能力大小的指标，Fv/Fm和Fv/Fo值越大，表明该植物的光能利用潜力越大。

从图2可以看出，不同光照处理对石栎叶片叶绿素荧光参数的Fv/Fm和Fv/Fo均有显著影响，且各光照处理的叶片叶绿素参数Fv/Fm和Fv/Fo值均显著高于全对照（100%）条件，且随着遮荫程度的升高而上升。说明石栎PSⅡ光反应中心的內禀光能转化效率和潜在活性均随着遮荫程度的提高而上升，是对遮荫环境的响应与适应。在该地区适当降低光强或生长在林下的石栎幼苗利用光的能力更强，生长更好。

图2 不同光强下石砾的PSⅡ原初光能转化效率（Fv/Fm）和PSⅡ的潜在活性（Fv/Fo）季节变化Fig.2 Seasonal variation of Fv/Fm and Fv/Fo of Lithocarpus glaber under different light intensities

3.3 不同光强下石栎PSⅡ光合电子传递效率（ΦPSII）

在低光照条件下，PSⅡ实际光化学效率ΦPSII通常较高，因为叶片吸收的光能中有较大的比例被用于光化学反应；而在高光强条件下，由于叶片吸收光能的很大比例通过非化学过程而散失，所以经过高光强照射的叶片其实际光化学效率ΦPSII较低。

由图3可知，在低光照下，石栎PSⅡ实际光化学效率ΦPSII具有最高值，而且显著高于其他光照条件，且9月份的ΦPSII高于4月份的ΦPSII，两年具有一致的变化趋势。

3.4 不同光强下石栎非光化学猝灭系数（qN）

当植物吸收的光能超过所能利用的能量时，一般会通过非辐射的热耗散及相关途径将过剩的光能耗散掉[16]。

图3 不同光强下石栎的PSⅡ光实际光化学效率ΦPSII季节变化Fig.3 Seasonal variation of Lithocarpus glaber ΦPSIIunder different light intensities

由图4可知，随着光照强度的降低，反应热耗散的非化学猝灭系数（qN）降低。与ΦPSII的变化规律相反，随着遮荫度的增加，非光化学猝灭系数qN值越来越小，因为石栎能更好的适应遮荫环境，充分利用光能，而减少热耗散，以适应遮荫的影响。

图4 不同光照处理石栎的非化学猝灭系数（qN）季节变化Fig.4 Seasonal variation of Lithocarpus glaber qN under different light intensities

3.5 光照和季节的交互作用对石栎叶绿素指标的影响

结果见表1。

表1 光照、季节及二因素交互作用对石栎叶绿素含量、荧光参数的二元方差分析Table1 Binary variance analysis of light,season and interaction of two factors Lithocarpus glaber chlorophyll content and fluorescence parameters

由表1可知，经过两年的光照处理后，光强和季节、以及光强和季节的交互作用，对石栎的叶绿素含量、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII和qN都有显著影响，且石栎幼苗的叶绿素相对含量、ΦPSII和qN的影响显著高于季节对它的影响，而对Fv/Fm和Fv/Fo的影响显著低于季节的影响，说明光强和季节对石栎幼苗叶绿素含量和叶绿素荧光参数的影响不完全一样。

4 讨论与结论

叶绿素是植物的光合色素，具有吸收和传递光量子的功能，其含量是衡量植物对光能利用能力的指标。而且，植物的光合作用与叶绿素含量密切相关。一般情况下，适当遮光的叶片其叶绿素相对含量较全光照条件高。在本研究中，石栎幼苗叶绿素含量随着光照强度的降低而增加，其中9月份叶绿素含量较高，这与前人的研究结果是一致的[17-20]，而在弱光条件下植株的叶绿素a、b及叶绿素总量都有所增加，这有利于植物更好地吸收光能和更有效地进行光合作用。

叶绿素荧光参数分析在植物生理方面应用广泛，而荧光参数Fv/Fm和Fv/Fo是研究植物光合生理状态的重要参数。Fv/Fm是指PSⅡ最大光化学量子产量，反映PSⅡ反应中心内禀光化学效率，同时也反映开放的PSⅡ反应中心捕获激发能的效率；Fv/Fo反映PSⅡ的潜在活性[21]。PSⅡ的最大光化学效率和PSⅡ潜在活性的提高有利于光合色素把所捕获的光能以更高的速度和效率转化为化学能，从而为碳同化提供更充足的能量，有效改善叶片的光合功能，有利光合速率的提高[22]。从本研究结果可见，随着遮荫程度的提高，石栎的叶绿素参数Fv/Fm和Fv/Fo值均依次上升，说明遮光处理提高了PSⅡ反应中心光化学效率和潜在活性，可能是由于遮光使PSⅡ吸收的光能较多地分配给光合电子传递用于叶片的光合作用，从而表现出较高的电子传递速率，也是石栎对弱光环境适应能力的体现。不同月份石栎幼苗的叶绿素荧光参数对生长光强的响应有所不同，无论是4月还是9月，在50%生长光强下石栎幼苗的Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII均显著高于全光照条件；75%生长光强下石栎幼苗的Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII也显著高于全光照条件，是石栎适应弱光环境的表现。

本研究表明，石栎能够成为常绿阔叶林较为常见的建群树种，与其对光强的适应性有关，低光环境下石栎有较高的表观量子效率和光化学效率以及相对叶绿素含量，表明其有充分利用低光的潜力，可以在林下或者弱光区良好生长。但是，由于本研究试验材料为石栎幼苗，所以还需根据进一步实验数据来验证其结果。

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