不同栽培基质及配比对广西地不容光合特性的影响*

唐健民,秦惠珍,2,邹 蓉**,蒋昊龙,宁莞权，杨秀德，曹其义

(1.广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所，广西植物功能物质研究与利用重点实验室，广西桂林 541006；2.广西师范大学生命科学学院，广西桂林 541006；3.百色学院农业与食品工程学院，广西百色 533000)

0 引言

广西地不容(Stephaniakwangsiensis)属防己科(Menispermaceae)千金藤属(Stephania)多年生草质落叶藤本植物[1]。在《广西中药材标准》[2]中，广西地不容被收载为药材金不换的植物来源品种之一，是壮族等少数民族民间常用草药，其块根具清热解毒、散瘀消肿之功效，用于治疗胃、十二指肠溃疡疼痛以及上呼吸道感染、急性胃肠炎、牙痛、神经痛、痈疮肿毒、跌打肿痛等。近年来在广西各地药市调查发现,市场上广西地不容的数量逐年减少，长期对野外资源大量地无节制采挖，再加上其本身繁殖能力低，广西地不容野生种群不断萎缩，被列入广西石山特有濒危物种[3]。日前关于广西地不容的研究集中在生物碱化学成分分析[4]、抑菌活性研究[5]以及种属资源[6-7]方面，而针对广西地不容栽培方面的研究鲜有文献报道。植物生命活动受多种因子综合影响，不同栽培基质有不同的透气性和持水、持肥能力，是植物生长的重要影响因子之一，植物产能在很大程度上取决于栽培基质质量[8]。研究表明，植物生命活动受多种因子综合影响，植物生理特性会随着基质的不同而发生变化，如植物的光合作用和蒸腾作用[9-10]。本研究按不同体积比混配成不同的栽培基质，通过试验研究不同基质及配比对广西地不容光合特性的影响，以期筛选出适宜幼苗生长发育的栽培基质，为其培育和推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西桂林市雁山区雁山镇广西植物研究所苗圃。试验地为广西植物研究所特色经济植物研究中心的场地大棚内，地理位置为东经 110°18′，北纬 25°04′，海拔 175 m，属亚热带季风气候区。年均日照时间1 680 h，年均温度23.5℃，年均降雨量1 949.5 mm，年均无霜期300 d，年均相对湿度为82%。

1.2 材料

供试苗种子采收自广西百色那坡县，于2016年4月萌发的二年生种子播种苗。2018年8月选取生长情况基本一致，大小经统计分析确认无差异的植株。栽种于内径18 cm、深16 cm的黑色营养袋中，每盆一株。盆中插入竹棍便于广西地不容藤蔓攀爬，相互间不会缠绕。

1.3 试验设计

试验分为3种处理方式进行比较：(1)4种不同栽培基质(J1、J2、J3、J4)，(2)不同配比基质中加入等量农家肥(N1、N2、N3)，(3)相同配比基质中添加不等量的碱石灰(S1、S2、S3)，具体基质配比见表1。基质使用前采用多菌灵消毒液进行消毒，将各基质按设计配比装袋。每组处理10株，每组处理重复3次。根据蒋运生等[11]研究结果，采用广西地不容最佳栽培的光照强度(30%)进行同等条件下栽培种植。光照强度(30%)的设置方法：在种植基地搭建水泥柱，用70%的遮阴网进行荫蔽场地构建。试验光照强度通过光照计测定。每天浇足量的水，试验期间不施肥，但定期除草并随时防治病虫害。2019年8月中旬进行光合参数的测定。

表1 试验基质配比比例

Table 1 Comparison of test substrate ratios

处理Treatment基质配比Ratio of substrate (%)黄土 Loess沙土Sandy soil石山土Mountain soil泥炭土Peat soil农家肥Farmyard manure碱石灰Soda limeJ1100.00-----J2-100.00----J3--100.00---J4---100.00--N130.0030.00-30.0010.00-N220.0040.00-30.0010.00-N350.0020.00-20.0010.00-S130.0030.00-30.009.001.00S230.0030.00-30.008.002.00S330.0030.00-30.007.003.00

1.4 测定方法

采用Li-6400便携式光合仪(Li-Cor,Inc,美国)测定广西地不容成熟叶片的光合特性。选择在晴朗天气进行测定，观测时间为9:30—12:00，每种处理选取3株广西地不容幼苗，每株选择正常生长且叶片大小、成熟度基本一致的叶片进行测定，测定时保持叶片自然着生角度和方向不变。测量前将待测叶片放在1 000 μmol·m-2·s-1光强下诱导30 min(仪器自带的红蓝光源)以充分活化光合系统。使用开放气路，空气流速为0.5 L·min-1，叶片温度为27℃,CO2浓度为400 μmol·mol-1。设定的光强梯度为2 000，1 800，1 500，1 200，1 000，800，600，400，300，200，150，100，50，20，0 μmol·m-2·s-1，测定时每个光强梯度下停留3 min。以光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation,PAR)为横轴、净光合速率(Net Photosynthetic Rate,Pn)为纵轴绘制光合作用光响应曲线(Pn-PAR曲线)，依据Farquhar的非直角双曲线模型来拟合Pn-PAR曲线的方程，可得出光响应曲线的最大净光合速率(Maximum Photosynthetic rate,Pmax)、光饱和点(Light Saturation Point,LSP)、光谱补偿点(Light Compensation Point,LCP)、表观量子效率(Apparent Quantum Yield,AQY)，同时通过测定气孔导度(Stomatal Conductance,Gs)。

1.5 数据分析

采用SPSS 17.0统计分析软件对试验数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，并用最小显著差数法(LSD法)进行多重比较，用Excel 2007进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同栽培基质对广西地不容光响应特征的影响

光响应曲线可反映出植物叶片的光合速率随着光合有效辐射强度(PAR)改变的变化规律[11-12]。净光合速率可直接反映植物利用光能的大小，进一步可反映植物积累光合产物的能力[13]。4类不同基质处理的广西地不容光响应曲线存在明显的梯度变化关系(图1)，即J4>J2>J1>J3，其中J4(泥炭土)的净光合速率最高达到3.81 μmol·m-2·s-1。在0-500 μmol·m-2·s-1时，光响应曲线呈近直线性上升，随着光强逐渐加强Pn增加相对缓慢，当光强达到饱和点，净光合速率达至最大值(Pmax)，此后随着光强的增加光合速率都呈缓慢下降趋势。

由光响应曲线拟合出的多个光响应曲线特征参数，其中，AQY反映出植物在弱光条件下利用光能的效率，值越大则表示其利用光能的效率越高[13]。由表2可知，泥炭土基质处理的AQY、Pmax、暗呼吸速率(Dark Respiration Rate,Rd)及LSP显著高于其他3个处理。泥炭土相较于黄土基质透气性更高，较于沙土基质保水性更好，比石山土基质更疏松。LCP是反映植物在一定光照下，光合作用吸收CO2的呼吸作用数量达到平衡状态时的光照强度，其值越小，则植物利用弱光能力越强。LSP则反映当达到某一光强时，植物的光合速率就不再随光强的增高而增加，其值越大，则植物利用强光的能力越大[8]。

图1 不同栽培基质对广西地不容净光合速率的影响

Fig.1 The effects of different substrates on photosynthetic rate ofS.kwangsiensis

表2 不同基质处理对广西地不容光响应曲线特征参数值的影响(μmol·m-2·s-1)

Table 2 Effects of different substrate treatments on the characteristic parameter values of the response curve ofS.kwangsiensis(μmol·m-2·s-1)

处理TreatmentAQYPmaxLSPLCPRdJ10.07±0.01b 2.97±0.01c508.64±22.70c 3.72±0.27b 0.07±0.02cJ20.07±0.01b 3.61±0.01b 574.94±21.40b0.85±0.06d0.06±0.01c J30.04±0.01c 2.15±0.02d 455.02±17.30d 5.85±0.34a 0.29±0.03b J40.10±0.01a3.81±0.01a589.55±25.70a0.97±0.09c 0.35±0.07aN10.07±0.01a 4.66±0.24a 915.86±37.43a 4.87±0.05b 0.32±0.02a N20.05±0.01b3.33±0.02b 650.91±25.47b 6.69±0.09a 0.18±0.02bN30.03±0.01c 2.87±0.04c 552.11±24.14c 3.28±0.05c 0.08±0.01cS10.04±0.01b 2.25±0.02b 579.45±24.35b 7.96±0.19a 0.29±0.01b S20.07±0.01a 3.40±0.06a 649.89±30.14a1.82±0.18b 0.44±0.05a S30.04±0.01b 2.55±0.05b 576.94±26.24b 7.17±0.27a 0.26±0.01b

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05)

2.2 不同配比对广西地不容光响应特征的影响

由图2可见，在不同的基质配比中，3种不同配比处理的广西地不容光响应曲线也存在着明显的梯度变化，即N1>N2>N3。N1(黄土30%、沙土30%、泥炭土30%、农家肥10%)的AQY最大，Pmax，Rd及LSP都要显著高于另外两种处理，说明这3类基质平均混合时在透气性，保水性等方面是最佳的，更适合广西地不容的生长。

图2 不同基质配比对广西地不容净光合速率的影响

Fig.2 Effect of different substrates ratio on response curve ofS.kwangsiensis

2.3 添加碱石灰处理对广西地不容响应特征的影响

不同配比处理的研究发现,黄土30%、沙土30%、泥炭土30%、农家肥10%的配比方式是最适合广西地不容的基质配比，在此基础上通过添加不同比例的碱石灰来研究碱石灰在广西地不容光响应中的影响。通过图3可知S2(黄土30%、沙土30%、泥炭土30%、农家肥8%、碱石灰2%)相较其他2种处理更为适合，S2>S1>S3。表2的方差分析表明，S2的AQY、Pmax、Rd及LSP都显著高于另外两种处理。

图3 添加碱石灰对广西地不容净光合速率的影响

Fig.3 Effect of adding alkali lime on photosynthetic rate ofS.kwangsiensis

2.4 不同栽培基质配比对广西地不容光合特性影响

2.4.1 叶片气孔导度

气孔导度(Gs)是叶片气体交换的重要指标，它主要影响着光合作用、呼吸作用及蒸腾作用[14]。如图4所示，不同处理间的气孔导度差异显著。其中N1处理的广西地不容气孔导度最大，为0.027 9 μmol·m-2·s-1。S2处理的广西地不容气孔导度次之，为0.025 2 μmol·m-2·s-1。S3处理广西地不容气孔导度最小，为0.005 6 μmol·m-2·s-1。

2.4.2 叶片蒸腾速率

蒸腾作用是水分从植物体内散发到体外的过程。蒸腾速率(Tr)的大小则是反映植物调节水分损失及其适应环境的能力[15]。由图5可知，10种不同栽培基质配比对广西地不容蒸腾速率的影响都不同，其中N1、N2处理的蒸腾速率相近，分别为1.180 9，1.215 9 μmol·m-2·s-1，显著高于其他处理。S3处理的蒸腾速率最小，为0.236 2 μmol·m-2·s-1。

图4 不同基质配比对广西地不容气孔导度的影响

Fig.4 The influence of different substrate ratios on stomatal conductance ofS.kwangsiensis

图5 不同基质配比对广西地不容蒸腾速率的影响

Fig.5 Effects of different substrate ratios on the nontranspiration rate ofS.kwangsiensis

2.4.3 叶片胞间CO2浓度

Gs，Tr与PAR对应的变化趋势是与Pn-PAR光响应曲线一致。但胞间CO2(Intercellular CO2,Ci)的变化则是刚好相反，见图6。在0-100 μmol·m-2·s-1光强范围内，Ci急剧下降，当大于100 μmol·mol-1时，则基本保持在恒定的位置。N3处理胞间CO2浓度最高，为323.727 μmol·mol-1，其余处理的胞间CO2浓度为143.966-214.560 μmol·mol-1。

2.4.4 叶片水分利用效率

植物水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)是评价植物生长适宜程度的综合生理生态指标，它实质上反映植物耗水与其干物质生产之间的关系。从图7可见S3处理水分利用效率是最高的，且显著高于其他9个处理，为7.041 μmol·m-2·s-1，N2处理的水分利用效率则最小，为1.556 μmol·m-2·s-1。

图6 不同基质配比对广西地不容胞间CO2浓度的影响

Fig.6 Effects of different substrate ratios on intercellular CO2concentration ofS.kwangsiensis

图7 不同基质配比对广西地不容水分利用效率的影响

Fig.7 Effects of different substrate ratio on water use efficiency ofS.kwangsiensis

2.4.5 叶片气孔限制值

当Gs降低，进入其气孔的CO2就会减少，不能满足植物光合作用的要求，称为光合作用的气孔限制，气孔限制值(Stomatal Limitation Value，Ls)过高会导致植物光合作用停止。试验表明(图8)，在不同栽培基质的广西地不容中S1处理的气孔限制值Ls最大，为0.637 μmol·m-2·s-1；N3处理的值最小，只有0.195 μmol·m-2·s-1。

图8 不同基质配比对广西地不容气孔限制值的影响

Fig.8 Effect of different substrate ratio on stomatal limitation value ofS.kwangsiensis

3 讨论

研究表明，植物生命活动受多种因子综合影响，植物生理特性会随着基质的不同而发生变化，如植物的光合作用、蒸腾作用都会受到一定的影响[16]。栽培基质是植物生长的介质，植物产能大小在很大程度上取决于栽培基质质量[17]。试验表明当基质配比为N1(黄土30%、沙土30%、泥炭土30%、农家肥10%)处理时，广西地不容有相对较高的净光合速率，比其他处理更能积累光合产物。栽培基质在一定程度上是会影响植物根系生长及吸水能力，所以基质性质对叶片的蒸腾速率会产生一定影响[18]。气孔均能不同程度地张开以控制水分的蒸腾，基质中N1、S2这两个处理相比其他处理有较高的气孔导度，说明不同基质同比例相互混合对气孔因素的影响明显。N2、N1、S2处理的蒸腾速率较高，在一定程度上说明植物调节水分顺势及适应逆境的能力，反映出该处理的广西地不容生理活动更为旺盛，同时也会消耗掉更多的土壤水分[19-20]。沙土、泥炭土、珍珠岩、锯木屑等基质都具有一定的透气保水性，在实际应用过程中应多与黄土、黑土等配合使用。本次实验中N1、J2、S2等都是掺入不同比例的沙土、泥炭土的栽培基质，提高广西地不容叶片的净光合速率，由此可见，透气、保水、疏松的栽培基质更适合广西地不容的栽种。从试验数据看，N1、S2处理的广西地不容净光合速率高于其他基质，对应的气孔导度也较高，受到气孔因素影响明显。S3、J3、S1处理的广西地不容净光合速率显著低于其他的基质，其中S1、S3处理净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率都比较低，表明基质中添加过多或太少的碱石灰都会增加植物的气孔限制值，使进入细胞内部的CO2浓度减小，同时降低蒸腾速率，说明碱石灰会影响植物净光合速率，抑制了广西地不容的光合作用。

4 结论

在本次试验中，不同配比组合里，N1(黄土30%、沙土30%、泥炭土30%、农家肥10%)、S2(黄土30%、沙土30%、泥炭土30%、农家肥8%、碱石灰2%)基质质地相对疏松，具有较高的透气性能和保水性，能增强广西地不容光合作用效率和环境的适应力。相对于其他处理，N1、S2处理栽培的广西地不容光合特性综合指标均为最大，可作为培育广西地不容良种壮苗的理想基质。研究结果可为广西地不容育苗应用提供理论依据。