外生菌对植物光合日变化的通径分析

申慧慧 毕银丽 王志刚 赵新伟 庄超然

摘要 [目的]揭示樟子松光合日變化特征及影响因子之间的作用关系。[方法]通过研究4年树龄的樟子松光合日变化特征，设置接种彩色豆马勃菌[Pisolithus tinctorius（Pers.）Coker & Couch]（接菌组）和不接菌（对照组）2种处理，采用便携式光合测定仪测定樟子松08∶00—18∶00的净光合速率（Pn）及其参数，研究其光合日变化特征。[结果]对照组和接菌组的Pn日变化绘制的都是“双峰”曲线。对照组的Pn是0.89～6.67 μmol/（m2·s），接菌组的Pn是0.51～10.90 μmol/（m2·s），最小值均出现在18∶00，最大值均出现在09∶00。接菌组Pn的日均值显著大于对照组。影响Pn的环境因子存在共线关系。得到多元逐步线性回归方程，对照组：Pn=-120.96+63083Cond -0.157Ta+8.06Ls +0.001PAR -0.05Ca+1.644RH（R2=82.9，F=161 279.83）；接菌组：Pn=5 910.823+92.104Cond-11807Ta +12.622Ls-0.006PAR（R2=0.92.7，F=2 045.23）。通过通径分析得到对照组环境因子对Pn的通径系数（直接作用）的顺序是Cond>Ta>Ls>PAR>Ca>RH，间接通径系数（间接作用）的顺序是RH>PAR>Ta>Ca>Ls>Cond；接菌组环境因子对Pn的通径系数大小顺序是Cond>Ls>PAR>Ta；间接通径系数顺序是Ls>PAR>Cond>Ta。接菌组RH、Ca不是限制因子。[结论]试验结果为不同处理下影响Pn的主导因素研究提供了参考。

关键词 樟子松；光合日变化；彩色豆马勃菌；多元线性回归；通径分析

中图分类号 X171.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）13-0001-03

Path Analysis of Diurnal Variation of Photosynthesis in Plants with Ectomycorrhial Fungi—For Example Pinus sylvestris var. mongolica Litv.

SHEN Hui-hui， BI Yin-li*， WANG Zhi-gang et al

（State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083）

Abstract [Objective] The aim was to reveal the relationship between diurnal variation of photosynthesis in Pinus sylvestris and impact factors. [Method] We used portable Pn instrument to determinate the net photosynthetic rate and its parameters of 4 years old Pinus sylvestris var. mongolica between 08∶00 and 18∶00， and studied the photosynthetic diurnal variation characteristics of natural group and inoculated with Pisolithus tinctorius group. [Result] The photosynthetic diurnal variation characteristics of the control group and the bacteria group were “bimodal curve”. The Pn range of the control group was 0.89-6.67 μmol/（m2·s）， and the range of Pn was 0.51-10.90 μmol/（m2·s）；the minimum value appeared at 18∶00， and the maximum value appeared at 09∶00. There were collinear relationship of the environmental factors that effected Pn. Multiple linear regression equations for the control group was： Pn = -120.96 +63.083Cond -0.157Ta +8.06Ls+0001PAR-0.05Ca+1.644RH（R2=0.992，F=161 279.83）， and the inoculated with Pisolithus tinctorius group was： Pn=5 910.823+92104Cond-11.807Ta +12.622Ls-0.006PAR（R2=0.997，F=2 045.23）. Through path analysis about the impact of environmental factors on net photosynthesis rate could get the order of path coefficient for the control group was Cond>Ta>Ls>PAR>Ca>RH， and the order of indirect path coefficient was RH>PAR>Ta>Ca>Ls>Cond；the order of path coefficient for the inoculated with Pisolithus tinctorius group was Cond>Ls>PAR>Ta， and the order of indirect path coefficient was Ls>PAR>Cond>Ta. The RH and Ca of Pisolithus tinctorius group were not limiting factors. [Conclusion] The results provide reference for study on dominant impact factor of Pn under different treatments.

Key words Pinus sylvestris var. mongolica Litv.；Photosynthetic diurnal variation；Pisolithus tinctorius （Pers.） Coker & Couch；Multiple linear regression；Path analysis

光合作用是植物最基本的生命活动，对植物光合的研究势必成为人类的重要课题[1]。在陕西省神木县大柳塔镇，采煤活动造成的沉陷地土壤结构不良，水分短缺，养分贫瘠，原有立地条件遭到极大破坏[2]。改善采煤沉陷地的植物及其功能成为迫在眉睫的任务[3-4]。樟子松与外生菌根菌联系十分紧密，在自然状态下，樟子松在没有外生菌根的状态下是无法生存的[5]。自1955年在科尔沁沙地南缘成功人工引种樟子松造林以来[5]，樟子松以其耐寒、抗旱、耐贫瘠、常绿及防风等生长特性，而且是材质佳的木材，针叶有较高的营养价值等经济特性，使其成为我国干旱半干旱地区重要的造林树种之一[6-7]。人们已对人工种植的樟子松进行了广泛的研究，主要从林下植被[7]、蒸腾作用[8-9]、土壤理化性质[7]、光合生理[6]、微环境改良[10]、光合生产[11]、耐旱生理[12]、生境差异[13]等角度进行探讨。目前，人们对影响植物净光合速率研究方法也不仅仅局限在相关性分析、回归方程的建立上，而是将净光合速率与环境因子、生态参数之间的关系通过更具体的数据表达出来，如灰色关联度分析[14]、通径分析[15]和主成分分析等。笔者将复垦植被樟子松作为研究对象，通过通径分析方法对樟子松日光合特征及主要环境因子进行了研究，得到具有环境因子对樟子松净光合速率的直接和间接作用系数，揭示了其光合日变化特征及影响因子之间的作用关系，以期为樟子松光合作用研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验基地在陕西省榆林市神木县大柳塔镇东山煤矿开采沉陷区，处于黄土高原沟壑区向毛乌素沙漠的过渡地带。地理坐标为110°16′44″ E，39°17′49″ N，平均海拔1 255 m，年均气温7.3 ℃，年降水量368 mm左右，主要集中在7—9月，年均蒸发量1 319 mm，属于干旱半干旱地区[3]。2012年4月人工种植的樟子松（株高1 m，3 m×2 m）4 hm2，分别设不接菌（对照组）和接菌彩色豆马勃菌[Pisolithus tinctorius （Pers.）Coker & Couch]（接菌组）2种处理。

对比樟子松对照组和接菌组的土壤和植物根系的基本指标（表1），接菌组接种彩色豆马勃菌的菌根侵染率和菌丝密度显著大于对照组。接菌组pH显著小于对照组，因为菌根可以弱化土壤的碱性环境。电导率、速效磷、土壤含水量、碱解氮和有机质等指标，接菌组均大于对照组。接种彩色豆马勃菌不仅提高了对樟子松生存必需的外生菌的数量，还改善了贫瘠的土壤质量，利于樟子松及其林下植物的生长。

1.2 方法

1.2.1 试验设计。

2016年4月27日，使用便携式光合测定仪Li-6400（COR，USA）2 cm×6 cm的透明叶室，监测樟子松叶片光合及各参数。气体Flow值为500 mmol/s。在同天同时段测2块样地樟子松的光合日动态，分别测定2株的上下共6片叶，为了避免植物叶片遮挡光源，测定时尽量保持叶室与自然光线垂直，每次测定结束挂牌标记，便于下次测定。由于樟子松是针状叶片，测定时保持叶片平铺，避免叶片在叶室内互相遮挡，造成结果的巨大误差[15]。测量结束后，摘取叶片，用方格纸测定叶面积，对光合参数进行计算，得到真实叶片面积对应的净光合速率及各参数。测定的主要参数：樟子松光合特征因子包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Cond）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、叶片温度（Tleaf）；环境因子包括空气温度（Ta）、空气CO2浓度（Ca）、空气相对湿度（RH）、光合有效辐射（PAR）。根据光合特征因子和环境因子可计算水分利用效率（WUE）=Pn/Tr和气孔限制值（Ls）=1-Ci/Ca。试验时间是08∶00—18∶00，试验测定步长1 h。

1.2.2 测试方法。

在对照组和接菌组光合指标测定结束后，采集樟子松细小根系，由于外生菌根在20～40 cm的土壤水热条件下存活，所以采集这部分土壤，分别测定其菌根侵染率和菌丝密度。

1.3 数据处理

利用SPSS 19.0对樟子松净光合速率的日变化与参数进行相关性检验；对光合参数进行One-way ANOVA比较；对樟子松净光合速率的日变化与参数进行多元逐步线性回归，得到净光合速率与其参数的回归方程，最后通过通径分析，明确各环境因子对净光合速率的直接和间接影响的系数大小关系。所有图表的绘制均由Excel 2007软件完成。

2 结果与分析

2.1 樟子松人工林的净光合速率日变化

由图1可知，对照组和接菌组的Pn日变化绘制出来的曲线都是“双峰”，且峰值和峰谷出现的时间一致。监测区间内，对照组和接菌组的均是09∶00出现第1个峰值，之后开始下降，13∶00到达峰谷，出现“午休”现象；13∶00以后开始增加，在16∶00出现第2个峰值，此后一直下降。对照组和接菌组Pn在第1个峰值分别是6.67和10.90 μmol/（m2·s），对照组和接菌组最小Pn分别是0.89和0.51 μmol/（m2·s）。在16∶00出现第2个峰值，对照组和接菌组的Pn分别是3.32和5.05 μmol/（m2·s）。

对照组和接菌组的Pn日均值分别为3.73和4.82 μmol/（m2·s），接菌组的Pn日均值显著大于对照组（P<0.05）。在13∶00和18∶00对照组的Pn大于接菌组。其他时间均是接菌组大于对照组。研究认为，接菌组在峰谷时，影响因子限制植物光合的程度大于对照组。接菌組在09∶00出现第1峰值，Pn显著大于对照组，该点是植物光合速率测定最佳时间，也是植物光合作用的最佳时段，接菌组和对照组环境因子的微小差异可能造成Pn的显著差异。因此，应分析Pn与环境因子之间的关系。