福建柏优树子代容器苗生长特性及光合能力

陈 乾，刘晓颖，邓智文，杨 柯，黄丽婷，荣俊冬，陈礼光，郑郁善

（福建农林大学 林学院，福建 福州 350002）

福建柏Fokienia hodginsii属柏科Cupressaceae福建柏属，是国家Ⅱ级重点保护常绿濒危树种，具有树形优美、材质好、生长快、适应性强等特点，主要分布在中国南部、越南北部和老挝北部海拔350～700 m的山上，同时也被国际自然保护联盟列为濒危物种[1-2]。以往对福建柏的研究主要集中在种质资源收集与筛选、遗传多样性分析、营造林效果评价、形态生长特性等[2-7]方面，而福建柏优树家系实生苗品质与光合生理特性的研究尚未见报道。福建柏良种培育及造林主要以实生苗繁殖为主，优良苗木是福建柏营造林的基础，尤其是优树家系苗木的繁育，家系苗木的自身生长特性及质量对树体的生长、森林培育有重要的影响。优良家系苗木的培育不仅能提高造林后树木的成活率、抗性及适应性[8]，同时还能达到营造速生、优质、丰产林的要求。目前，对福建柏优树家系的选育已有一些研究，主要是从遗传特性方面进行遗传多样性及遗传变异分析[9-10]，但对其选育过程中优树家系苗木的生长及生理特性还需进一步研究。光合作用是植物独特的复杂代谢反应总合，是植物生长发育的基础，是对福建柏幼苗生长及质量评价起决定性作用的重要生理过程。叶绿素含量是决定叶片光能吸收和利用能力的重要指标，叶绿素荧光分析技术是研究植物光合生理状况及机理的理想探针[11]，叶绿素荧光的变化相当灵敏,从植物的形态和生长看不出任何变化时，叶绿素荧光就会发生显著变化[12]，叶绿素荧光特性已经被广泛应用于植物生理研究中。本研究对福建柏优树家系子代苗期质量与光合能力进行研究，对评价优树家系选择利用潜力具有重要意义，通过综合评价法筛选出苗期表现较好的优树家系，以期为福建柏苗木的选育、林分营造与培育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与育苗处理

供试材料来自于云南的11个福建柏优树自由授粉家系种子，分别是2、4、7、8、10、11、15、17、18、20、40号，于2017年12月在福建省南平市森科种苗有限公司进行育苗，优树信息及其种子特征见表1。种子经浸泡后，置于光照恒温恒湿培养箱中催芽，待种子长出2～3片真叶时，移栽到育苗容器袋中，每袋1株，再将各家系按小区摆放在温室大棚内育苗，育苗基质为园土:腐殖质:泥炭:有机肥按5:2:2:1体积比混合而成。

表1 福建柏优树信息及其种子特征Table 1 The information and seed characteristics of Fokienia hodginsii plus-tree progeny

1.2 试验设计

采用完全随机区组试验设计，每个区组分成11个小区，区组之间距离均为100 cm×100 cm，小区之间距离均为25 cm×25 cm，共3个区组，每个区组随机放置11个优树家系苗，共3个重复，每个重复30株，每个优树家系90株，按株行距5 cm×5 cm进行排列放置，所有容器苗进行日常除草、病虫害防治及光照、温度、水分调控等措施培育管理。

1.3 指标的测定

1.3.1 叶绿素荧光参数与叶绿素含量的测定

2019年7月3日上午晴朗无风，采用OS5P调制叶绿素荧光仪对11个福建柏优树家系实生苗叶片活体进行测定。从每个小区选取长势良好且一致的5株幼苗，取自顶端向下第4个小枝中间部位的功能叶并做上标记，对叶片进行暗适应处理至少20 min，进行Fv/Fm模式测量。测量时，使叶片均匀夹于暗适应夹内，并保持光纤探头方向、角度相同，确保均无遮荫且叶片受光方向一致；7月4日上午对标记叶片进行Yield模式与Kinetic模式测量，测定的叶绿素荧光参数包括光系统Ⅱ（PSⅡ）最大光化学效率（Fv/Fm）、PSⅡ潜在的光化学活性（Fv/Fo）、PSⅡ电子传递效率（Fm/Fo）、光适应下PSⅡ实际光量子产额（YⅡ）、光抑制时最大光合电子传递效率（ETR）、光化学猝灭系数（qP）、非光化学猝灭系数（qN）。7月4日下午剪取每个小区标记叶片并剪碎成混合样，采用80%丙酮提取48 h后用分光光度计测定叶绿素在663 nm和645 nm波长下的吸光度，并计算叶绿素总量（Chl(a+b)）、叶绿素a含量/叶绿素b含量（Chla/b）。

1.3.2 生长指标、生物量的测定

2019年7月5日，从每小区随机选取15株幼苗，使用数显游标卡尺测定地径（DBH）与苗高（SH），并求平均值。之后，每小区随机选取10株幼苗，去掉育苗袋及根系上的基质，用自来水洗净根系上的杂质，尽量避免根系的损伤和掉落，带回实验室晾干，将根、茎、叶分开，分别称其鲜质量，再装进信封，置于80 ℃烘箱烘干至恒质量。用精度0.01的电子天平称量根干质量（RDM, g）、茎干质量（SDM, g）和叶干质量（LDM, g），结果取平均值。计算单株生物量（IB, g）、根重比（RWR）、茎重比（SWR）、叶重比（LWR）、高径比（HDR）、冠根比（CRR）。

IB=RDM+SDM+LDM；

LWR=LDM/IB；

SWR=SDM/IB；

RWR=RDM/IB；

HDR=SH/DBH；

CRR=（SDM+LDM）/RDM。

1.4 数据处理与分析

利用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据统计分析及图表绘制，采用单因素方差分析进行显著性检验（P＜0.05）,同时采用LSD最小显著差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 福建柏优树家系容器苗生长及光合生理性状分析

表2方差分析结果表明，福建柏家系内苗期生长、质量指标及光合能力参数差异不显著，优树家系间HDR、Fm/Fo、YⅡ、ETR也无显著差异，但家系间其他质量指标及叶绿素荧光参数存在显著差异或极显著差异。苗期的IB、Chl(a+b)、qN最大值与最小值差距较大，说明家系间变幅较大，最大值分别是最小值的1.96倍、1.76倍、3.35倍，变异系数也较大，分别达到了23.03%、17.78%、16.28%，表现出较大的个体生长及部分生理差异。家系幼苗的LWR、SWR、RWR、CRR最大值分别高出最小值35.56%、59.09%、52.94%、64.29%，变异系数更是达到了9.62%、10.34%、15.00%、14.74%，表明不同福建柏家系幼苗间由于生物量积累及在各器官中分配而表现出的生长差异较大。荧光参数Fv/Fo变异系数较大，达到了14.8%，说明苗期福建柏的PSⅡ潜在光化学活性差异较大，光能利用效果存在差异。

2.2 不同福建柏优树家系生长特性差异性分析

通过对不同家系福建柏幼苗各器官生物量分配及生长指标进行差异分析，结果见表3。由表3可知，福建柏幼苗期生长有一定差异，部分家系间质量存在显著差异。不同家系福建柏幼苗均有LWR＞SWR＞RWR，说明单株生物量在叶片中分配最高，分配最少的是根系，作为养分、水分及有机物运输枢纽的茎干生物量介于叶片和根系之间，幼苗期福建柏主要集中在叶片的生长。各家系幼苗LWR分布在0.45～0.61之间，7号叶重比最小，2号最大，平均叶重比为0.52，出现在15号和17号，2号与其他10个家系间叶重比存在显著差异，7号与除20号外的9个家系间差异也达到显著水平；SWR最小值出现在2号，最大值出现在20号，变幅为0.22～0.35，2号与4、10、40号，20号与8、17号差异均不显著，但2号、20号与其他家系间差异均达到显著水平，其他家系间均不存在显著差异；RWR变幅为0.17～0.26，2、11、17号均最小，7号表现为最大，2、17号与7、18号均存在显著差异，7号与18号差异不显著，而与其他家系间差异显著；IB分布在1.62（7号）～3.17 g（2号）之间，平均单株生物量为2.3 g，2号与4、10号差异不显著，与其他家系间存在显著差异，7号与8、17、40号差异未达显著水平，与其他家系间差异显著；HDR变幅为56.06～69.95，最小值、最大值分别出现在15、4号，不同家系间差异不显著，说明苗高与地径的生长在调查期具有很好的一致性；CRR分布在3.08（7号）～5.06（17号）之间，部分家系间存在显著差异，冠根比的大小决定了地上部分与地下部分生物量的分配差异。

表2 福建柏优树家系容器苗生长及光合能力参数方差及变异分析†Table 2 Seedling quality and photosynthetic capacity parameters variance and variation analysis

表3 不同福建柏家系生长特性方差分析†Table 3 Variance analysis results on growth characteristics of different Fokienia hodginsii families

2.3 不同福建柏优树家系容器苗光合能力差异性分析

通过对不同家系福建柏容器苗光合能力参数差异性进行分析（表4），发现福建柏苗期生理特性存在一定差异，部分家系间差异达到显著水平。Chl(a+b)分布在0.72（17号）～1.27 mg/g（2号）之间，Chla/b变幅为1.69（17号）～1.99（10号），2号与10号的Chl(a+b)均高达1 mg/g以上，2号Chla/b较大，仅次于10号的1.99,由此说明2号与10号的Chla明显高于Chlb，这对幼苗的适应性及抗性提高有重要影响。方差分析表明，家系间Chl(a+b)与Chla/b均达到极显著差异。

表4 不同福建柏家系容器苗光合能力参数方差分析结果Table 4 Variance analysis results on photosynthetic capacity parameters of container seedlings of different Fokienia hodginsii families

Fv/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo分 别 为0.71～0.81、2.38～3.61、3.72～4.61，最小值与最大值也分别出现在4号与2号、17号与10号、4号与10号。Fv/Fm的变化反映了最大光系统Ⅱ（PSⅡ）的光能转换效率，常与光抑制程度相关，在正常条件下，该值范围在0.75～0.85之间，该值越高，反映出植物受到光抑制的程度越低[13-14]，但4、17、40号的Fv/Fm值明显低于0.75，严重受到光抑制影响，这3个家系间Fv/Fm值无显著差异，但均与其他8个家系间存在显著差异，且这8个家系的Fv/Fm值处于0.76～0.81之间，说明这8个家系PSⅡ潜在光化学效率处于正常水平。2、10号的Fv/Fm值差异不显著，均与其他9个家系间差异显著，7、8、11、15、18号及20号之间差异不显著，这6个家系均与其他5个家系间存在显著差异。Fv/Fo值的大小反映潜在光化学活性的高低，Fm/Fo代表PSⅡ电子传递效率，部分家系间存在显著差异，10、11、18、20号的Fm/Fo均相对较高，PSⅡ潜在光化学活性Fv/Fo也较高，说明有活性的PSⅡ反应中心的数量也较多，能把所捕获的光能有效地转化为所需的化学能。

qP代表PSⅡ吸收的光能转化为化学能的效率，反映了PSⅡ反应中心的光合活性的高低与开放程度[15]。qN表示植物PSⅡ反应中心的叶绿体耗散能量的一种途径，主要耗散掉的是不能用于光合电子传递的光能，是保护光合部位的一种机制。qP、qN的分布范围为0.81（10号）～0.97（17号）、0.20（7号）～0.67（2号），qP值越大，PSⅡ反应中心的光化学活性越高，捕获的光能转化为化学能的效率也越高，部分家系间qP值存在显著差异，说明不同家系间光能转化为化学能的效率也有所差异；qN值的大小反映了不同家系利用光能的效果，值越小，该家系利用光能的效果越佳，部分家系间qN值差异显著，说明部分家系间对光能的利用效果也有差别，主要表现在7号对光能的转化与利用效果相对最好。YⅡ代表光环境下PSⅡ实际光量子产额，反映的是对光能的有效转化能力，该值越大表明PSⅡ光能转换率越高，PSⅡ活性越强[16]。ETR反映光抑制时最大潜在相对电子传递效率，即实际光照下表观电子传递效率。YⅡ、ETR的分布范围为0.69（2号、4号、7号）～0.76（18号）、34.63（2号）～38.23（18号），所有家系间YⅡ、ETR值均不存在显著差异，但2号仍表现出最高的光能转化效率与电子传递能力，而8号均处于最低状态。

2.4 福建柏优树子代苗生长特性及光合能力的主成分分析

通过对15个生长及光合能力指标进行主成分分析，提取4个综合指标，代表15个单项指标的绝大部分信息，4个综合评价指标分别定义为第1主成分、第2主成分、第3主成分、第4主成分，其特征值分别为5.716、3.574、2.090、1.586，其方差贡献率分别为38.107%、23.828%、13.935%、10.571%，累积方差贡献率达86.411%（表5）。由表5～7可知，以每个主成分对应特征值的方差贡献率作为权重建立综合评价模型，其表达式为F=0.381 1F1+0.238 3F2+0.139 4F3+0.105 7F4，由此表达式可计算11个优树家系容器苗生长特性及光合能力的综合得分，并得出排名。根据综合得分，11个优树家系容器苗质量由高到低为：2、10、8、18、7、4、11、20、17、40、15号。

表5 主成分特征值、方差贡献率及累积贡献率Table 5 Principal component eigenvalues, variance contribution rates and cumulative contribution rates

表6 主成分系数Table 6 Principal component coefficient

2.5 综合评价

采用Ward法对11个福建柏优树家系容器苗生长指标及光合能力参数进行聚类分析，建立聚类树状图（图1），结合主成分分析的综合得分值，将11个福建柏优树家系苗划分成3类。其中，2、10号为第Ⅰ类，质量最好；8、18、7号为第Ⅱ类，质量中等；4、11、20、17、40、15号为第Ⅲ类，质量较好。

表7 不同家系福建柏容器苗生长特性及光合能力综合得分值及排名Table 7 Comprehensive scores and rankings of growth characteristics and photosynthetic capacity of container seedlings of different families of Fokienia hodginsii

3 结论与讨论

苗木质量直接影响造林的成活率及营造林效果，并最终影响森林生物量及生产力，决定着林分的质量高低[17]。选择福建柏优良家系可以作为种质资源库建立、种子园建园、无性繁殖材料，扩大这些优良家系的产种能力和无性繁殖系数，可以为福建柏人工营造林提供良种，有效地提高福建柏生产力和人工林经营水平[18]。评价苗木质量高低不仅仅选择形态生长指标，还应考虑其生理表现以及形态生长与生理特性的联系，以此综合评价苗木的质量，苗木生长及生理表现在培育过程中除了受自身遗传因素影响外，还有其他诸多因素会影响育苗性，例如育苗容器大小、基质种类、水分等因素[19-21]。

图1 福建柏优树子代容器苗生长生理特性聚类结果Fig.1 Growth physiological characteristics clustering on container seedlings of superior trees of Fokienia hodginsii

郑仁华等[22]对福建柏优树子代苗期性状遗传变异和生长节律的研究表明，1年生苗的苗高与地径具有较大的遗传变异，苗高受遗传因素制约的程度更高,在调查期内不同时期与苗高存在显著的相关性，而本试验中高径比在不同优树家系间差异不显著，可能是由于参试苗期的幼苗地径与苗高受遗传因素制约程度相近或者均较小。苗木是由各营养器官组成的统一整体,各部分生长存在着相互依赖又相互制约的关系[23]。吴岐奎等[24]对不同家系东京野茉莉生物量进行研究，各器官生物量分配格局表现为树干＞根＞叶＞侧枝。陈诗等[25]对1年生云南松不同家系苗生物量进行研究，云南松各家系间总生物量存在一定的差异，各器官生物量分配为叶＞根＞茎，说明不同植物各器官生物量分配存在差异，不同家系间可能无差异，但不同家系间单株生物量也可能存在差异。此研究中，不同优树家系福建柏幼苗各器官生物量分配均为叶＞茎＞根，不同优树家系间单株生物量存在显著差异，地上部分与地下部分生物量分配也存在差异，这对福建柏幼苗的抗性有重要的影响。作为我国南方造林树种的福建柏，可以通过各器官生物量分配及总生物量来反映和衡量幼苗的生长及光合能力。冠根比能够反映出幼苗与根茎两部分的营养收支平衡问题，已有对不同家系白桦苗木冠根比研究[26]表明，茎根比达到差异显著水平，这与本试验对不同家系福建柏幼苗冠根比研究结果一致，说明福建柏苗木各家系间的生长存在着明显的差异。肖遥等[27]、赵玉涛等[28]对不同产地南方红豆杉及银杏各家系幼苗光合生理的差异进行分析，不同产地间南方红豆杉叶绿素含量无显著差异，但在不同家系间均有极显著差异，银杏幼苗家系间的叶绿素含量差异较大，Chla/b在家系间差异则较小。本研究中，虽然Chla/b在家系间变异系数较小（CV=5%），但不同家系间Chl(a+b)与Chla/b达到极显著差异，Chl(a+b)最高的2号较最低的17号高76.39%，说明部分家系间叶绿素含量差异较大，对于不同种源地福建柏叶绿素含量差异性还需进一步研究。

福建柏幼苗本身能耐一定的庇荫，在林冠下能天然更新，但不断长大后，需光量逐渐增加，因此福建柏苗期的光合能力存在一定限度，也主要表现在叶绿素荧光特性上。叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fv/Fo、qP、qN在不同家系间存在极显著差异，但Fm/Fo、YⅡ、ETR差异不显著，这种光合能力表现可能主要是由于基因差异引起的。较高的Fv/Fm、Fv/Fo是衡量植物高光合效率的重要依据，本试验中2、10号的Fv/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo均处于较高水平，说明这两个家系能将叶片吸收的光能有效地转化为需要的化学能，形成更多的ATP和NADPH，促进光合碳同化进程的高效运转和有机物质的积累，这与不同品种扁桃光合特性[29]及薄壳山核桃家系苗期荧光特性[8]的研究结果相似。YⅡ、ETR在不同家系间差异不显著，说明光抑制时最大潜在电子传递效率与光环境下PSⅡ实际光化学效率在不同家系间无显著差异性，这可能与福建柏幼苗耐一定程度庇荫的遗传特性有关，具体的机制尚待进一步研究。

形态指标是评判苗木生长状况最有效的指标，叶绿素含量及荧光参数也可有效地反映植物光合能力状况，利用主成分分析和聚类分析，按综合评价值高低将11个优树家系划分为3类，其中2、10号为第Ⅰ类，表现出最佳的长势，LWR、IB、HDR、CRR较高，叶绿素含量及荧光参数值也较高，反映出较高的光合能力；8、18、7号为第Ⅱ类，其长势及光合能力中等；4、11、20、17、40、15号为第Ⅲ类，其生长生理特性较好。因此，在本试验11个优树家系中，2、10号优树子代生长特性及光合能力优于其他9个优树家系，可优先考虑其作为造林苗木继续培育，在不同立地条件下进行大面积造林后是否依然能够表现出较好的长势及光合能力还有待进一步研究。