马尾松与5种乡土树种混交的叶片超微弱发光特征研究*

肖可菁 冼丽铧 鲍海泳 陈红跃

（华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642）

所有的生命有机体都有自发的超微弱发光（Ultra Weak Luminescence, UWL）。UWL 是生物系统中自发辐射的一种极弱的准连续光子辐射，这种光子辐射通常极其微弱，强度一般为100～103 hv/（s·cm2），射光谱覆盖从近红外、可见光到紫外线的相对较宽的光谱范围[1-3]。超微弱发光指标不仅可以反映植物的生长状况，也可表征植物的抗逆性，可作为植物生理生长的特性指标[4-6]。

荷木Schima superba、红锥Castanopsis hystrix、黧蒴Castanopsis fissa、枫香Liquidambar formosana和假苹婆Sterculia lanceolata 等树种是中国华南地区马尾松林分改造常用乡土树种，本研究在模拟马尾松Pinus massoniana 林地中混种上述5 种试验树种，并对马尾松与各树种的超微弱发光特征指标进行跟踪监测与分析，探讨不同混种模式下各树种相关生理活动与代谢活动的变化特点与适生机制，分析了各混种模式下树种的生长特点，归纳了马尾松林地内适生乡土树种，为华南地区马尾松人工林林分改造与生态公益林建设提供可靠的参考与依据。

1 研究区概况

试验地设在广州市华南农业大学林学与风景园林学院8 楼天台，位于北纬23°09′，东经113°21′，全年平均气温为21.9 °C，平均相对湿度77 %，年均降雨量1 899.8 mm，集中在4—9 月，属亚热带季风气候。试验地环境热量资源丰富，光照充足，太阳年辐射热量106.7 k cal·cm-2，年平均日照时数1 906 h，日照率43%，有利于苗木生长。

2 材料与设计

2.1 试验材料

试验树种为马尾松、红锥、黧蒴、枫香、荷木和假苹婆。试验前进行初步筛选，选择冠幅、地径、苗高及长势相近的苗木，其苗高约为30 cm。

2.2 试验设计

苗木采用75 cm×30 cm×35 cm 种植盆，土壤为普通黄心土与沙质土1:1 混合，适量添加腐殖土。试验设对照组（CK），单混种组试验（B）与双混种组试验（C），试验设计如表1。每盆苗以矩阵排列，每半月移动一次种植盆摆放位置，避免边缘效应对试验的影响。每个月施肥一次，NPK 复合肥，及时清除种植盆中杂草。每盆种植12 株，每行6 株，分2 行种植，树种依次交叉混交，每种试验重复3 次，共63盆，试验时间持续9 个月。

表1 试验设计与处理Table1 Experiment design and treatment

2.3 指标测定

随机选择长势相近且具有代表性的新鲜成熟叶片为材料，统一称取0.15 g，经过5 min 暗处理后放入BPCL 型超微弱发光测量仪样品室，测定样品的自发发光值；在光强为1 000～1 500 Lx 荧光灯下光照5 min 后，将叶片放入BPCL 型超微弱发光测量仪样品室，仪器自动开始延迟发光的测定。每次测量持续时间为60 s，每间隔1 s 采集1 次数据。工作电压1 000 V，维持室温25 ℃，在暗室中进行试验。测量前后各测一次本底，每个处理做3 个重复，取平均值作为结果。

2.4 数据处理

试验数据应用Microsoft Excel 2007 和SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析以及邓肯多重检验分析。

延迟发光的DL 曲线[7-8]如式1。

式中I0为初始发光值，β 为衰减系数，τ 为相干时间。I0、β 和τ 都是衡量树种生长的正相关指标。

3 结果与分析

各树种生物超微弱发光（Biological ultra weak photon emission, BPE 值）（I）、初始发光值（I0）、衰减系数（β）和相干时间（τ）数值如表2 所示。

3.1 树种自发光比较

超微弱发光特征指标分为自发光和延长发光两部分。综合比较各树种BPE 值，总体变化趋势是单混种组（B）与对照组（CK）相比变化并不显著（P ＞0.05），BPE 值略有升高甚至小幅下降，双混种组（C）则有显著升高（P ＜0.05），除双混种组（C）假苹婆的BPE 值增加不明显，C10 组还略有下降外，总体BPE 值表现为C 组＞B 组＞CK 组。这说明双混种试验各树种间的相互作用对马尾松BPE 值的影响要比单混种树种的影响大，马尾松BPE 值明显受到各试验树种的影响。综合各试验组分析，C1 试验组（马尾松+黧蒴+枫香）中3 种树种的BPE 值都有显著升高，由此可知，此3 种树种混交时能相互促进。

3.2 树种延迟发光比较

3.2.1 DL 曲线特征指标I0比较 综合比较各树种特征指标I0，与对照组（CK）相比，单混种组（B）的假苹婆I0值出现了小幅下降，低至10 892.64。除荷木双混种组（C）的值与对照组（CK）相比有显著提高外，双混种组（C）的值仅有极小程度的升高，差异并不显著。说明马尾松与假苹婆混交时，马尾松对假苹婆的代谢活动有所抑制，而马尾松与枫香混种对荷木的代谢活动有所促进。

3.2.2 DL 曲线特征指标τ 比较 综合比较各树种τ 值，单混种组（B）与对照组（CK）相比升幅不大甚至假苹婆单混种组（B）有小幅下降，说明马尾松对这五种树种τ 值变化影响有限，尤其是对假苹婆的生命活动的有序运行有抑制作用。双混种组（C）较对照组（CK）除红锥有明显升高外其余树种均无明显变化，由此可知，马尾松与枫香混种对红锥的系统内部联系以及生命活动有序性有促进作用。各试验组马尾松τ 值变化不大，马尾松受其他树种影响不明显。综合比较τ 值表现为C 组＞B 组＞CK 组。

3.2.3 DL 曲线特征指标β 比较 综合比较各树种β 值，总体变化趋势与其他超微弱发光特征指标有所不同。特别是黧蒴，其β 值在混种试验中低于对照组，表现为CK 组＞C 组＞B 组。说明马尾松与荷木、红锥、假苹婆分别混交时都对黧蒴内部组分间的相互联系有抑制作用，但在马尾松与枫香混交中，黧蒴的β 值却有所上升。

3.3 超微弱发光指标的聚类分析

为综合分析评价各树种在不同处理中（含对照）的超微弱发光指标，对各树种的超微弱发光指标进行聚类分析，结果如图1～6 所示。

马尾松可分为3 类：第一类为双混种组（C）的混种组合C2～C10，第二类为单混种组（B）的混种组合B4 与双混种组（C）的混种组合C1。第三类为单混种组（B）的混种组合B1、B2、B3、B5与对照组（CK）。

荷木可分为3 类：第一类为双混种组（C）的混种组合C2、C5 以及C8，第二类为双混种组（C）的C9，第三类为单混种组（B）和对照组（CK）。

图1 马尾松超微弱发光指标聚类分析Fig.1 Cluster analysis diagram of ultra-weak luminescence index of Pinus massoniana

表2 各树种超微弱发光特征参量Table 2 Ultra weak photon emission characteristic parameters of each species

红锥可分为两类：第一类为双混种组（C）的混种组合C3、C6、C8 以及C10，第二类为单混种组（B）和对照组（CK）。

黧蒴可分为3 类：第一类为双混种组（C）的混种组合C2、C3 以及C4，第二类为双混种组（C）的混种组合C1，第三类为单混种组（B）和对照组（CK）。

枫香可分为3 类：第一类为双混种组（C）的混种组合C1、C5 以及C6，第二类为双混种组（C）的混种组合C7 和单混种组（B），第三类为对照组（CK）。

假苹婆可分为3 类：第一类为双混种组（C）的混种组合C10，第二类为双混种组（C）的混种组合C4、C7 以及C9，第三类为单混种组（B）和对照组(CK）。

综合各树种超微弱发光指标可以发现，各树种指标数值基本表现为双混种组（C）优于单混种组（B），优于对照组（CK）。

马尾松+黧蒴+荷木、马尾松+枫香+荷木、马尾松+红锥+荷木、马尾松+红锥+黧蒴以及马尾松+红锥+枫香等5 种混种组合超微弱发光强度较高，树种内部相互联系紧密，抗逆性强。

图 2 5 种乡土树种的超微弱发光指标聚类分析Fig.2 Cluster analysis diagram of ultra-weak luminescence index of 5 native species

4 讨论与结论

自发光与细胞代谢氧化过程密切相关，延迟发光则代表了生物生命活动强度内部相互联系紧密程度[9-11]。一般认为，BPE 与生物体的氧化代谢活动密切相关，其强弱与生物体内氧化还原代谢过程中产生的活性氧代谢有关，BPE 值越大，表示植物体内活性氧含量越高，代谢活动越旺盛[12]；I0表示初始光量子，I0的大小代表生物总体的新陈代谢活动强度，初始光量子值越大，代谢活动越旺盛，相干时间τ 代表着系统内部关联性的强弱与系统的有序性，在生物发光中可以作为生命活动有序性的度量，衰减系数是影响弛豫速率的重要参数，可以用来表征生物内部各组分间相互作用的大小[13]。β 值越大，DL 曲线衰减越慢，生物内部个组分相互作用越大，相互联系越紧密。由各树种的具体超微弱发光特征数值及邓肯分析结果可知，各树种普遍存在超微弱发光特征值由对照组至单混种组，至双混种组依次增大的规律，这说明各树种混种，混种程度的增大会对植物的生长带来正面效应。混种可以有效增强各树种生理生长活动。对于马尾松，混种使其BPE 有显著提高，其他几项指标受影响不大，其中，双混种组中马尾松的指标变化更明显，说明混种试验对马尾松的代谢活动产生了较大影响。由此表明，马尾松与其他树种混交时，植物细胞代谢氧化过程有明显提高，代谢旺盛，尤其是在双混种实验中。而对植物生命活动强度以及内部联系的紧密程度无太大影响。

综合各项研究指标，试验结果证明各树种混种其超微弱发光会有不同程度提高。马尾松+黧蒴+枫香组合超微弱发光最高，是马尾松纯林林分改造的理想树种搭配选择，马尾松与枫香的混交组合与其他3种树种混交都有促进作用，而马尾松与假苹婆混交却对假苹婆有抑制作用，对此情况可能的解释是马尾松对假苹婆有抑制作用，而枫香对假苹婆有促进作用且枫香的促进作用大于马尾松的抑制作用。试验仅对单混种与双混种情况进行了监测分析，随着混种树种种类的增加，与各树种的生理活动相关的各项监测有待开展进一步的试验研究。