不同类型土壤栽培对苦丁茶树叶片生长和光合特性的影响

闫小莉,王德炉

1 福建农林大学林学院, 福州 350002 2 贵州大学林学院, 贵阳 550025

苦丁茶树为木犀科女贞属植物,即粗壮女贞(Ligustrumrobustum(Rxob.) BL),其鲜叶加工后可作为代茶饮料,称为苦丁茶,冲泡后叶片舒展鲜活,汤色翠绿,滋味先苦后甘,且具有清热解毒、杀菌消炎、降脂减肥和利尿降压等多种药理保健功效[1- 4],享有“绿色黄金”的美誉[5]。近年来,其种植区域在我国四川和贵州等西南地区快速扩展,多处建立了规模化的苦丁茶种植产业基地[6]。目前,有关苦丁茶的研究主要集中在其药理作用[1- 3]和茶叶成分提取[5,7]方面,另在其繁殖与栽培技术[4, 8]、微量元素的影响[9]、有机肥施肥技术[10]、遮荫措施下的光合特性等方面也有一些研究[6, 11]。有研究发现苦丁茶树虽然在多数地区可正常生长,但部分地区栽植的苦丁茶叶面出现裂纹,叶片两侧向中间闭合呈卷曲状,严重影响了茶叶产量和品质[4]。另外,随着苦丁茶规模化生产基地的大力建设,民众和茶商在建设茶园过程中并未考虑适宜其栽培和有利于茶叶高产优质的土壤类型,导致许多茶叶种植园茶叶产量和品质明显下降。因此,有关苦丁茶合理栽培和抚育管技术的研究迫在眉睫,尤其是确定最适栽培土壤类型对提高苦丁茶产量和品质尤为重要。

土壤是一切植物生赖以生存的基础,不同类型的土壤因黏粒、砂粒和粉粒等颗粒含量的不同,形成具有不同机械阻力、孔隙度的土壤质地和土壤环境,从而影响土壤与植物之间的水、气和养分的交换,最终会对植物的生长发育和产量产生影响[12-17]。我国西南山区的土壤理化性质受其发育母岩岩性的影响很大,如黄壤、红壤、紫色土和潮砂土这4种不同类型土壤下的茶园土壤腐殖质含量和组成、土壤团聚体组成和稳定性均存在显著差异[18-19],故不同岩性发育的土壤上栽培的植物生长情况不尽相同。有研究表明,不同海拔地区栽植的苦丁茶因土壤类型不同其叶片生长发育和形态解剖结构也不尽相同,而随着叶片组织结构的变化植株光合特性也发生相应变[20],又如夏贵菊等研究发现,生长在不同类型土壤中的芦苇叶片生长和光合特性具有显著差异[21]。植物叶片生长、解剖结构、光合特性是植物生理功能的重要体现[22-23],直接关系到植物生长发育和生产力。不同类型的土壤水、气、热等因子是影响植物生长发育的重要生态因子,均对植物的光合、蒸腾及有机物运输等生理过程产生作用,从而影响植物对水养资源和光能的利用效率[24],研究植物光合生理参数对不同类型土壤栽培的响应特征对于探讨最适其生长发育的土壤类型具有重要的意义。另外,目前有关不同类型土壤栽培对植物生长发育、光合特性、产量和品质等方面的研究多集中在农作物和果树上,但有关茶树在不同类型土壤条件下的生长发育、产量和品质及其光合生理特性的研究尚未见报道。因此,本研究采用实验生态学的研究方法,苦丁茶树在不同母岩发育的土壤类型下栽培2年后,对苦丁茶叶片生长和光合特性进行系统研究,目的是(1)揭示不同类型土壤栽培对苦丁茶叶片生长和光合特性的影响；(2)明确能够促进苦丁茶叶片生长和提高光合能力的适宜土壤类型,从而为苦丁茶树高产、优质的合理栽培技术提供理论依据,最终促进苦丁茶种植业和规模化生产基地的发展,充分发挥其经济效和生态效益,带动地区经济发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与研究对象

试验在贵州大学林学院苗圃进行,地处贵阳市花溪区,东经104°34′、北纬26°34′,年均温度15.8℃；年降水量为1229 mm；年平均相对湿度79%,年生长期为271 d。供试材料为生长状况一致的3年生苦丁茶树实生苗,供试苗木在自然光照条件下栽植(8:00—18:00的光合有效辐射均值为：1145 μmol m-2s-1),栽植期间无遮荫措施[6]。

1.2 试验设计

选取西南地区常见的7种土壤类型进行栽培试验。各土壤类型及其来源分别是：玄武岩(清镇甘沟林场)、石英砂岩(龙里林场)、长石石英砂岩(花溪黔陶乡)、变余砂岩(清镇云归乡)、第四纪红色黏土(贵州大学农学院分场)、煤系砂页岩(花溪彭官)和石灰岩(花溪公园),不同类型土壤的基本理化性质见表1。将以上7种不同类型土壤去掉腐殖质层和表土层后分别装入长5.0 m,宽1.2 m,深0.8 m的石框内,每种土壤3个重复,每个重复种植3年生实生苗9株,7种土壤栽培处理共计189株,处理时间为2a。

表1 不同类型土壤的基本理化性质

1.3 试验指标测定方法

1.3.1叶片生长与内部解剖结构特征

苦丁茶树在不同类型土壤中栽培2年后,即栽植第三年6月初开始观测叶片、枝条、新梢、叶片色泽等形态特征,月末在各处理中摘取20片成熟叶进行叶长、叶宽和叶面积测定。沿着叶主脉两侧切取0.5 cm—1 cm的小片,用FAA液固定、梯度酒精脱水、番红染色、二甲苯透明处理制成石蜡切片(厚度为10 μm),脱蜡后固绿染色剂进行复染,在Motic型光学显微镜下,用Images Advaced3.0软件进行观测。

1.3.2叶绿素含量

在光合特性指标测定完成后,摘取各处理5片叶片,精确称取0.300 g鲜叶片,采用95%乙醇提取比色法测定,每个样品重复3次[25]。

1.3.3光合速率

于6月中旬选择晴朗无云天用LI- 6400进行光合日进程的测定。测定指标有：净光合速率(Net photosynthetic rate, Pn)、气孔导度(Stomatal conductance, Gs)、蒸腾速率(Transpiration rate, Tr)、蒸汽压亏缺(Vapor pressure deficit, Vpdl)等。测定时间为8:00—18:00时,每2 h测一次,每个处理测定3株,每株测定3—5片叶子,重复记录10个观测值。

1.3.4光响应曲线

于6月中旬选择晴朗无云天气,在9:00—11:00或14:00—16:00进行光合响应曲线的测定。光合光响应曲线的测定用LI- 6400-02B红蓝光源设定叶室中光合有效辐射强度分别为: 2000、1800、1600、1500、1400、1300、1200、1000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol m-2s-1,测定观测过程中, 将叶室温度控制在(25±0.5)℃,相对湿度控制在(40±5)%,大气中CO2浓度为400 μmol/mol。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0 软件对试验数据进行One-way ANOVA 分析,Duncan 新复极差法进行多重比较。对光响应测定结果,按非直角双曲线方程对光响应参数进行估算：不同土壤栽培下的Pn-PAR响应曲线采用非直角双曲线模型进行拟合,并通过直线回归得光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)、最大净光合速率(Pnmax)、表观量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)等[26]。

2 结果与分析

2.1 不同类型土壤栽培对苦丁茶树叶片大小的影响

不同类型土壤栽培下苦丁茶树叶长、叶宽、叶面积存在显著差异(P<0.01)(表2)。石灰岩土壤上栽培的苦丁茶树叶长和叶面积显著大于其他6种土壤,其叶长和叶面积比其他6种土壤栽培下的分别提高了34%—57%和 43%—68%,玄武岩土壤上栽培的苦丁茶树叶片宽度显著高于其他6种土壤,提高幅度为：11%—38%(P<0.01)。由此,说明石灰岩土壤栽培有利于苦丁茶树叶片的生长发育,使其枝叶茂盛,其次为玄武岩土壤。

表2 不同类型土壤栽培对苦丁茶树叶片大小的影响

每列不同的大写字母代表不同土壤类型之间存在显著性差异(P<0.01)

2.2 不同类型土壤栽培对苦丁茶树叶片解剖结构的影响

不同类型土壤栽培条件下的苦丁茶树叶片解剖结构的性状进行观测(表3),得出苦丁茶树叶片上下表皮厚度分别为14.76—23.45 μm和9.55—16.75 μm；海绵组织厚度为66.38—94.42 μm,海绵细胞排列疏松,有较大的空隙；栅栏组织1—2层,厚度为7.59—77.92 μm。由方差分析得出,不同类型土壤栽培下苦丁茶树叶片、上下表皮、海绵组织和栅栏组织厚度均存在显著性差异(P<0.05)。石灰岩土壤栽培下的苦丁茶树叶片解剖结构的各项指标均显著高于其他6种土壤栽培,其叶片、上下表皮、海绵组织和栅栏组织的厚度,相比其他6个类型的土壤分别提高16%—50%、21%—58%、31%—70%、16%—42%和 12%—35%(P<0.05)。另外,由石灰岩、变余砂岩和和石英砂岩这3种类型的土壤栽培下,苦丁茶树叶片栅栏组织层数为2层。

2.3 不同类型土壤栽培对苦丁茶树叶片叶绿素含量的影响

由表4可见,不同类型土壤栽培条件下苦丁茶树叶片Chl a、Chl b Chl总量 Chl a/b含量存在一定的差异性(P<0.05)。具体表现为：石灰岩、石英砂岩和土玄武岩这3种土壤栽培下苦丁茶树叶片叶绿素含量显著高于其他4种类型的土壤栽培,其中石灰岩土壤栽培下的叶绿素总量分别比煤系砂页岩、第四纪红色黏土、变余砂岩和长石石英砂岩土壤栽培下的显著高出33%、22%、18%和9%(P<0.05)。说明石灰岩土壤栽培有利于苦丁茶树叶片叶绿素的生成,相反煤系砂页岩土壤栽培最不利于苦丁茶树叶绿素的生成。

表3 不同类型土壤栽培对苦丁茶树叶片解剖结构的影响

每列不同的小写字母代表不同土壤类型之间存在显著性差异(P<0.05)

表4 不同类型土壤栽培处理对苦丁茶树叶绿素含量的影响

每列不同的小写字母代表不同土壤类型之间存在显著性差异(P<0.05)

2.4 不同类型土壤栽培对苦丁茶树叶片光合特性的影响

2.4.1苦丁茶树叶片Pn、Gs、Tr和Vpdl日变化

图1 不同类型土壤栽培对苦丁茶树净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)的影响Fig.1 The effects of different soil cultivation on diurnal net photosynthetic rate (Pn) and stomatal conductance (Gs) of Ligustrum robustum

不同类型土壤栽培下苦丁茶树叶片在晴天Pn和Gs日变化变化趋势大致相同,均呈典型的“单峰”型曲线,没有出现“光合午休”现象(图1)。Pn和Gs从08:00开始上升,12:00左右达到最高峰,然后持续下降,至18:00左右降至最低点。12:00左右达到高峰,至18:00左右降至最低点。在6个时间段由石灰岩和石英砂岩土壤栽培的苦丁茶叶片Pn值上升和下降幅度较其他5种土壤大,煤系砂页岩土壤栽培的苦丁茶叶片Pn值上升和下降幅度最小。不同类型土壤栽培下苦丁茶树叶片Tr和Vpdl日变化趋势均为“单峰”型曲线(图2),但Tr的峰值出现在14:00,相比Pn晚了2 h,Vpdl的峰值出现在16:00,相比Pn晚了4 h。

图2 不同类型土壤栽培对苦丁茶树蒸腾速率(Tr)和饱和蒸气压亏缺(Vpdl)1的影响Fig.2 The effects of different soil types cultivation on transpiration rate (Tr) and vapor pressure deficit (Vpdl) of Ligustrum robustum

2.4.2苦丁茶树叶片Pn、Gs、Tr和Vpdl日均值差异和环境因子相关性

不同类型土壤栽培条件下苦丁茶树叶片日均Pn值大小依次为：石灰岩>石英砂岩>玄武岩>长石石英砂岩>第四纪红色黏土>变余砂岩>煤系砂页岩(图3),其中石灰岩土壤栽培条件下日均Pn值相比其他6种土壤下的Pn值显著提高13%—45%(P<0.05)。叶片日均Gs值大小为：石灰岩>玄武岩>石英砂岩>变余砂岩>第四纪红色黏土>长石石英砂岩>煤系砂页岩,其中石灰岩土壤栽培下日均Gs值相比其他5种土壤下的Gs值显著提高17%—56%(P<0.05),与玄武岩栽培下的Gs值之间无显著差异(P>0.05)。表明石灰岩土壤栽培的苦丁茶光合能力强于其他6种土壤,尤其是与煤系砂页岩土壤之间差异明显(P<0.05)。

经方差分析得出(图3),不同类型土壤栽培条件下苦丁茶树叶片日均Tr值大小依次为：石灰岩>石英砂岩>长石石英砂岩>玄武岩>第四纪红色黏土>变余砂岩>煤系砂页岩,其中石灰岩土壤栽培条件下叶片日均Tr值相比煤系砂页岩、第四纪红色黏土、变余砂岩和玄武岩下的Tr值分别显著提高了49%、25%、35%和20%(P<0.05),与长石石英砂岩和石英砂岩之间差异不显著(P>0.05)。苦丁茶树叶片日均Vpdl值在7种土壤栽培之间差异不显著。

图3 不同类型土壤栽培对苦丁茶树叶片光合特性的影响Fig.3 Effect of different soil types cultivation on the photosynthetic characteristics of Ligustrum robustum每列不同的小写字母代表不同土壤类型之间存在显著性差异(P <0.05)

不同类型土壤栽培条件下苦丁茶树叶片Pn值与各光合因子之间的关系不完全相同(表5)。Pn值都与Gs呈正相关关系,但这种相关性仅在煤系砂页岩、第四纪红色黏土和石英砂岩栽培下达到显著水平(P<0.05)。Pn值都与Tr呈显著正相关关系,其中石灰岩、长石石英砂岩和石英砂岩栽培下的正相关性达到极显著水平(P<0.01)。Pn值都与Vpdl呈负相关关系,其中煤系砂页岩和第四纪红色黏土栽培下的负相关关系达到显著水平(P<0.05)。

2.4.3不同类型土壤栽培下苦丁茶树叶片对光强变化的响应

不同类型土壤栽培条件下苦丁茶叶片Pnmax、AQY、LCP、LSP、Rd的变化见表6,结果表明：苦丁茶树叶片在石灰岩土壤栽培下Pnmax、LCP、LSP和Rd均最大,而煤系砂页岩栽培时最低,方差分析显示石灰岩土壤栽培下的Pnmax相比煤系砂页岩、第四纪红色黏土、变余砂岩和长石石英砂岩分别显著提高了113%、12%、22%和10%(P<0.05),与石英砂岩和玄武岩之间差异不显著(P>0.05)。煤系砂页岩栽培下叶片LSP和LCP值相比石灰岩栽培下的叶片LSP和LCP值分别降低了40%和46%(P<0.05),且7种类型的土壤栽培下,石灰岩栽培的苦丁茶AQY值最大,由此说明石灰岩栽培条件下苦丁茶对光能的利用能力最强。

表5 不同类型土壤栽培处理下苦丁茶树叶片Pn与其他光合参数间的相关性

**极显著相关 (P<0.01),*显著相关 (P<0.05)

3 结论与讨论

3.1 讨论

植物的叶片是对生长环境变化最敏感、且变异性和可塑性较大的组织器官[27]。苦丁茶树的叶片不仅是茶叶收获的主要部分,同时也是植株进行光合和呼吸等生理代谢活动的重要器官[20,28]。本研究通过对苦丁茶树进行不同类型土壤的栽培试验,测定并分析其叶片生长与光合特性对不同类型土壤的响应特征,研究表明：在7种类型的土壤中,石灰岩土壤上栽培的苦丁茶叶长和叶面积比其他6种土壤栽培下的分别提高了34%—57%和 43%—68%,且叶片、上下表皮、海绵组织和栅栏组织的厚度均显著高于其他6种土壤栽培的处理。叶片解剖结构常作为评价茶树生理活性、抗逆性、产量、品质等指标的重要依据[7, 28],叶片解剖结构特征又可作为间接鉴定植株光合作用的能力,如栅栏组织厚度越大表明叶片生产力指数越大[29-31]。由此,可以得出石灰岩土壤栽培最有利于苦丁茶树叶片的生长发育,使其叶片生产力指数最大,其次为玄武岩土壤,煤系砂页岩土壤最不利于苦丁茶树叶片的生长发育。叶片叶绿素含量是植物生长和光合作用能力的重要表征之一[32],本研究发现石灰岩、石英砂岩和玄武岩这3种土壤栽培下苦丁茶树叶片叶绿素含量显著高于其他4种类型的土壤栽培,其中石灰岩土壤栽培下的叶绿素总量分别比煤系砂页岩、第四纪红色黏土、变余砂岩和长石石英砂岩土壤栽培下的显著高出33%、22%、18%和9%。说明石灰岩土壤栽培有利于苦丁茶树叶片叶绿素的生成,相反煤系砂页岩土壤栽培最不利于苦丁茶树叶绿素的生成。

每列不同的小写字母代表不同土壤类型之间存在显著性差异(P<0.05)

光合作用被称为是地球上最重要的化学反应,同时也是全球碳循环和其他物质循环最重要的环节,是植物将光能转换为化学能并进行有机物合成的生物过程[33-34]。本研究发现不同类型土壤栽培下苦丁茶树叶片主要光合因子(Pn、Gs、Tr和Vpdl)日变化趋势大致相同,均呈典型的“单峰”型曲线,且没有出现“光合午休”现象。说明苦丁茶树光合因子的日变化趋势不受土壤类型栽培的影响,这也与前期研究发现不同强度的遮荫栽培措施下,苦丁茶树叶片光合因子日变化趋势也在各处理之间结果一致[6],说明影响苦丁茶树光合因子日变化趋势的主导因子为基因型,而环境因子(如土壤和光照)对其无明显影响。植物叶片Pn、Gs、Tr和Vpdl是表征光合作用的重要指标,其大小可直接反应该植物的光合能力,进而决定植物生长发育和生产力[30,35]。本研究发现,7种类型的土壤栽培条件下苦丁茶树叶片日均Pn和Tr值大小依次为：石灰岩>石英砂岩>玄武岩>长石石英砂岩>第四纪红色黏土>变余砂岩>煤系砂页岩,其中石灰岩土壤栽培条件下日均Pn值相比其他6种土壤下的显著提高了13%—45%,表明石灰岩土壤栽培条件下苦丁茶树光合能力强于其他6种土壤,尤其是与煤系砂页岩土壤之间差异十分明显。由叶片生长和解剖结构的数据分析其原因,因石灰岩土壤栽培条件下苦丁茶树叶片生长和内部解剖结构相关指标均优于其他6种土壤栽培下的,说明苦丁茶树在石灰岩土壤栽培时可通过增加叶片长度、宽度和厚度,促进叶片吸收更多的光,从而提高叶片的光能利用率[27,31]。另外,苦丁茶树在石灰岩土壤栽培下增加了叶绿素含量,尤其是叶绿素b,因叶绿素b在蓝紫光部分的吸收带较宽,故苦丁茶茶树可利用蓝紫光在低光照时进行一定的生长发育[32-33]。

不同类型土壤栽培条件下苦丁茶树叶片Pn值都与Cond和Tr呈显著正相关关系、都与Vpdl呈负相关关系,这是因为当蒸汽压亏缺增大时,植株大量失水导致细胞水势下降,蒸腾速率降低[34],蒸腾速率的降低影响矿质元素和水分的吸收,进而影响光合作用的进行。同时,蒸腾速率降低使得光合产物输出变慢,产生反馈抑制,又会降低光合速率[35]。表观量子效率是光合作用中光能转化效率的一种量度,可以正确地反映光合机构的机能变化,也可以反映叶片对弱光的利用能[6,26]。本研究中苦丁茶树叶片在石灰岩土壤栽培下Pnmax、LCP、LSP和Rd均最大,其AQY最大为0.0491,而煤系砂页岩栽培时最低,表观量子效率越大,植物吸收与转换光能的色素蛋白复合体可能越多,利用弱光能力越强[36],说明石灰岩土壤栽培使得苦丁茶树叶片吸收与转换光能的色素蛋白复合体增加,从而有效增强其利用弱光的能力,并提高光合速率。另外,不同岩性发育的土壤由于理化性质上的差异,所提供给植物的营养物质在质和量上明显不同,故不同类型土壤上栽培的植物生长发育状况也各不相同[21]。本研究得出,苦丁茶茶树生长在石灰岩性土壤时,叶片生长发育和光合能力相对其他类型的土壤高。从土壤理化性质上来分析,由于石灰岩形成土壤速度慢,矿质元素丰富,团粒结构较少,土层较薄,土壤pH 值为6.24,属于中性土壤,适宜植物的生长发育[37]。从表1分析得出,石灰岩土壤具有相对较高的氮、磷、钾和有机质含量,故石灰岩土壤中栽培的苦丁茶树受到的养分等环境胁迫性相对较小,更适宜其生长发育和光合作用。但是,煤系砂页岩土壤磷、钾和有机质含量相对较低,土壤养分贫瘠,pH 值为4.90偏酸性,且多为粘性土壤,土壤透气性不好,故造成该土壤类型栽培下的苦丁茶叶片生长发育和光合能力均最低,这与夏贵菊等研究发现土壤磷素亏缺会限制芦苇光合作用的结果相符合[21]。

3.2 结论

随着苦丁茶种植业的大力发展以及其对西南地区经济带动的趋势下,苦丁茶栽培和抚育管理中,应将栽培管理措施与其生长发育及生理特性结合起来,通过创造苦丁茶最佳生长环境来有效提高苦丁茶的产量和品质。本研究表明：在石英砂岩、石英砂岩、玄武岩、长石石英砂岩、第四纪红色黏土、变余砂岩和煤系砂页岩这7种不同类型的土壤中,石灰岩性发育的土壤栽培最有利于苦丁茶树叶片生长发育、并促进叶绿素的生成和加强对光能的吸收利用,进而有效提高其叶片光合能力,最终实现苦丁茶的高产和优质,其次为玄武岩土壤,而煤系砂页岩性发育的土壤是最不利于苦丁茶树叶片的生长发育和光合作用。故建议在苦丁茶种植业的发展和建立规模化生产基地时因选择由石灰岩性母岩发育的土壤进行栽培。