亚热带4 种典型人工林幼树光合特征和生物量对土壤水肥因子的响应

许文斌， 余坦蔚， 洪小敏， 李梦娇， 胡亚林

(福建农林大学林学院森林生态—稳定同位素研究中心， 福建 福州350002)

光合作用是植物生命活动的基础，影响植物生长和生物量分配[1].植物光合速率不仅与叶片形态、光合系统的结构等自身生理特性密切相关[2]，而且外部环境因子(例如光照、温度、土壤水分和养分等)能够显著影响植物光合作用及植物生长[3-5].同时，不同树木的叶片形态、光合作用系统解剖结构及其光合酶活性等存在显著差异性[2，6-7]，导致不同树种叶片光合作用速率、生物量累积及分配格局等对环境因子变化响应的敏感性不同[8].因此，开展不同树种对土壤水肥耦合因子响应的研究十分必要，能够为森林培育过程中造林树种选择、土壤水分管理等提供依据.

植物光合作用特征可以通过植物叶片“表观性”的气体交换指标(例如光合速率、蒸腾速率、气孔导度等)、叶绿素含量、光合酶活性和叶绿素荧光动力学参数等表征[9-11].与植物气体交换指标相比，叶绿素荧光参数(例如初始荧光、最大荧光产量、PSⅡ最大光能转换效率、非光化学淬灭系数等)能够表征植物光合系统对光能的吸收、传递、耗散和分配等动力学过程，更具有“内在性”的特点，成为当前植物光合生理状况、植物与逆境胁迫关系等研究的理想探针[9].近年来，已开展大量有关不同树种[7，12]、光照[4，11]、水分[5，13-15]、施肥[10，16-17]等因子对树木叶片光合作用速率、叶绿素荧光特性以及生物量等方面影响的研究.例如，钱树玥等[10]通过对不同水平氮磷养分添加对杉木光合速率和叶绿素荧光参数影响研究发现，杉木苗木对土壤养分梯度响应存在季节性差异.赵瑜琦等[18]研究发现，随着土壤水分胁迫加剧，叶片净光合速率受非气孔限制而显著降低，且中度水分胁迫显著增加根冠比.庞丽等[19]对我国南方主要造林树种杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.)、马尾松(Pinus massonianaLamb.)和木荷Schima superbaGardn.et Champ.)对土壤氮养分添加的响应研究结果表明，氮养分添加增加马尾松和木荷幼苗净光合速率和地上生物量，但降低根系生物量；然而，土壤氮添加导致杉木幼苗N ∶P 失衡加剧，进而降低杉木叶片光合速率及苗木生物量.同样，喻方圆等[8]研究发现水分胁迫对杉木、马尾松、花旗松(Pseudotsuga menziesii(Mirb.) Franco)、北美乔柏(Thuja plicataD.Don)和扭叶松(Pinus contortaDouglas ex Loudon)的苗木生长均有显著影响，但影响的程度因树种而异.可见，不同树种对土壤水肥响应的敏感性存在显著差异.然而，尚未见针对树种“内在”差异性和“外在”环境变化对树木光合作用特征及其生长影响的相对贡献的研究报道.

我国是世界上人工林面积最大的国家[20]，其中杉木、马尾松和桉树是我国亚热带地区重要人工用材林.目前，虽然有关我国亚热带人工林幼树生长对土壤水分和养分因子响应的研究已有较多报道[8，10，12-13，16，21-22]，但是针对树木生长关键是由树种自身生物学特性还是由外部环境因子驱动，不同树种对土壤水肥耦合因子响应差异性的研究依然缺乏.因此，本研究以2 年生杉木、马尾松、尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis)和闽楠(Phoebe bournei(Hemsl.) Yang)幼树为研究对象，比较土壤水分、养分耦合因子对亚热带4 种典型树种人工林幼树叶片的光合作用特征和生物量分配格局的影响，量化树种内在差异和外在环境因子对幼树生长影响的相对贡献，旨在为我国亚热带人工林树种选择和土壤水肥管理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料与处理

供试材料为2 年生的杉木、马尾松、闽楠和尾巨桉幼树.2018 年1 月，将购置于苗圃的2 年生幼树移栽至18 cm×15 cm 大小的花盆中，每盆栽种1 株苗木.在移栽前，每个花盆内装入充分混合、相同重量的黄壤土.2018 年4 月，待苗木完全成活并定植后，将苗木移至温室内培养并进行土壤水分梯度处理.试验期间，保持温室环境条件恒定，其中空气相对湿度70%，温度28 ℃，光照强度250 μmol·m-2·s-1，每天光照时间14 h.

采用随机因子试验设计，包括4 树种×3 水分×2 养分，共24 个处理.首先，每个树种选取24 株生长均匀、健康的苗木.随后，将24 株苗木随机分成6 组，每组4 株重复，并分别进行土壤水分梯度和土壤养分处理.试验共设置3 个土壤水分处理(40%、55%和70%饱和田间持水量)和2 个土壤养分处理(未施肥、施N 100 mg·株-1).土壤水分处理采用称重法，即根据土壤重量和土壤饱和田间持水量计算不同土壤水分处理花盆的重量.随后，每3 天称重，并补充水分，保持整个试验期间不同处理土壤水分恒定.土壤施肥的肥料为水溶性复合肥(4.5% NO3-N，6.0%，4.5% Urea-N，30% P2O5，15% K2O，0.46% Mg，0.1% Fe，0.05% Mn，0.05% Zn，0.05% Cu，0.05% B 和0.000 5% Mo)，为避免肥料单次施肥造成烧苗，分别在水分处理完成后的第1 个月和第2 个月进行施肥处理，共2 次，每次施N 量为50 mg·株-1.施肥方式，将肥料溶解于10 mL 去离子水中，用注射器均匀施加至土壤.与此同时，为避免室内环境边界效应对试验结果影响，试验期间每周随机置换花盆位置.

1.2 样品采集与分析

1.2.1 叶片净光合速率、叶绿素荧光参数测定 在试验处理第8 个月，采用便携式Li-6800 光合—荧光全自动测定系统测定叶片净光合速率、气孔导度和PSⅡ有效光能转换效率(Fv′/Fm′).植物光合作用参数的测定在温室内进行，光源为仪器自带光源，光照强度为1 000 μmol·m-2·s-1，CO2浓度设置为4 万分之一，叶室温度28 ℃.因光合作用光照强度为仪器自带光源，且为避免土壤水分变化对相关测定参数的影响，全部苗木光合作用参数的测定在6 h 内完成.随后，将植物叶片进行暗处理，采用叶绿素荧光仪(OS-30P，Li-Cor)测定叶绿素荧光参数，包括初始荧光(Fo)、最大荧光产量(Fm)、可变荧光(Fv)以及PSⅡ最大光能转换效率(Fv/Fm)和潜在活性(Fv/Fo).

1.2.2 植物生物量测定 在测定完植物叶片光合作用和叶绿素荧光参数后，立即进行植物破坏性取样，并将植物分为叶、茎和根系样品.将植物样品放置于烘箱内，在105 ℃杀青30 min，随后在60 ℃条件下，烘干至恒重，称重.

1.3 数据统计分析

采用SPSS 24 软件进行数据统计分析.首先，采用3 因素方差分析方法检验树种、土壤水分和养分3 个因子对叶片光合作用、叶绿素荧光参数以及生物量影响的显著性，并采用Tukey 方法对树种、土壤水分因子进行多重比较.随后，采用逐步回归分析方法检验树种、土壤水分和养分因子对叶片净光合速率、叶绿素荧光参数、总生物量和各器官生物量分配比例等各项指标的关系.统计显著性水平为P＜0.05.采用Sigma plot 软件进行制图.

2 结果与分析

2.1 土壤水分和养分处理对4 种人工林幼树叶净光合速率的影响

由表1 可见，在试验处理8 个月时，树种和土壤水分处理显著影响幼树的叶净光合速率，而土壤养分处理对叶净光合速率的影响差异不显著.尾巨桉的叶净光合速率均值最大，为3.19 μmol·m-2·s-1，闽楠和杉木叶净光合速率分别为1.42 和0.71 μmol·m-2·s-1，马尾松叶片的净光合速率最小，为0.33 μmol·m-2·s-1.此外，树种和土壤水分对叶净光合速率存在显著的交互性作用(表1)，这表明，不同树种幼树的叶净光合速率对土壤水分处理的响应存在差异性.尾巨桉、马尾松幼树的叶净光合速率在不同土壤水分处理间差异均不显著(图1).然而，随土壤水分增加，闽楠、杉木幼树的叶净光合速率呈增加趋势.在70%饱和持水量处理，闽楠叶净光合速率显著高于40%(P＜0.001)和55%(P=0.001)处理.杉木叶净光合速率在70%处理显著高于40%处理(P=0.004)，而与55%处理差异不显著(P=0.058).

表1 不同树种、土壤水分和养分处理对叶净光合效率和叶绿素荧光特性影响的3 因素方差分析1)Table 1 Three-way ANOVA analysis of tree species， soil water and nutrient effect on net photosynthetic rate and fluorescence characteristics

2.2 土壤水分和养分处理对4 种人工林幼树气孔导度的影响

不同树种人工林幼树的叶片气孔导度存在显著差异，且存在显著的树种×土壤水分×养分交互性作用(表1).尾巨桉幼树的叶片气孔导度显著高于闽楠、杉木和马尾松(图2).随着土壤水分增加，闽楠幼树的叶片气孔导度呈增加趋势，而杉木、马尾松幼树叶片气孔导度仅在施肥条件下呈增加趋势.在未施肥条件下，尾巨桉幼树的叶片气孔导度在55%饱和持水量处理最高，而施肥后尾巨桉幼树的叶片气孔导度在70%水分处理时达最大值.闽楠和马尾松幼树叶片气孔导度在不同土壤养分处理间差异不显著.然而，在70%饱和持水量条件下，施肥显著提高了尾巨桉(P=0.009)和杉木(P=0.04)幼树叶片的气孔导度.

图1 不同土壤水分和养分处理对4 种人工林幼树净光合速率的影响Fig.1 Impacts of different soil water and nutrient treatments on net photosynthetic rates of young trees under 4 plantations

图2 不同土壤水分和养分处理对4 种人工林幼树气孔导度的影响Fig.2 Impacts of different soil water and nutrient treatments on stomatal conductance of young trees under 4 plantations

2.3 4 种人工林幼树叶绿素荧光参数对土壤水分和养分处理的响应

由表2 和表3 可知，4 种人工林幼树的叶绿素荧光参数存在显著性差异，不同树种叶片的Fv/Fm 变化范围为0.80～0.84，杉木叶片Fv/Fm 最大，其次为马尾松和闽楠，尾巨桉最小，且闽楠与尾巨桉叶片Fv/Fm差异性不显著(P= 0.118).针叶树(杉木和马尾松)叶片Fv/Fo 显著大于阔叶树(尾巨桉和闽楠)(P＜0.001)，且杉木与马尾松叶片Fv/Fo 差异性显著(P＜0.001)，但尾巨桉和闽楠叶片Fv/Fo 差异性不显著(P=0.12).不同树种幼树叶片PSⅡ有效光能转换效率(Fv′/Fm′)大小顺序为杉木=尾巨桉＞马尾松＞闽楠.土壤水分处理能够显著影响叶片的Fv/Fo，且存在树种×水分交互作用(表1).与55%和70%处理相比，在田间持水量40%处理条件下杉木叶片Fv/Fo 分别降低8.06%(P=0.035)和8.01%(P=0.037).然而，尾巨桉、马尾松和闽楠叶片Fv/Fo 在不同土壤水分处理下差异不显著.此外，树木叶片Fo、Fv/Fm 和Fv/Fo 存在显著的树种×养分交互作用(表1).施肥能够提高马尾松叶片Fo(P=0.022)，但降低叶片Fv/Fm(P=0.006)和Fv/Fo(P=0.007).施肥显著增加闽楠叶片Fv/Fo(P=0.011).尾巨桉和杉木叶片Fo、Fv/Fm和Fv/Fo 在不同土壤养分条件下差异不显著.

2.4 土壤水分和养分处理对4 种人工林幼树总生物量及分配比例的影响

在试验处理8 个月时，树种、土壤水分处理能够显著影响幼树的总生物量，而土壤养分处理对幼树的总生物量影响不显著(P=0.243).此外，幼树总生物量存在显著的树种×水分交互性作用，而树种×养分(P=0.807)和水分×养分(P=0.534)交互性不显著.不同树种幼树总生物量大小顺序为杉木＞尾巨桉＞闽楠=马尾松(图3).在饱和持水量70%的处理，尾巨桉、闽楠、杉木幼树的总生物量均显著高于40%和55%水分处理，而与持水量40%和55%的处理相比差异不显著.然而，马尾松幼树总生物量在饱和持水量55%处理显著高于40%处理，而与饱和持水量70%处理相比差异不显著.

表2 不同土壤水分和养分处理对4 种人工林幼树叶绿素初始荧光(Fo)、最大荧光产量(Fm)和最大可变荧光(Fv)的影响Table 2 Impacts of different soil water and nutrient treatments on initial fluorescence yield (Fo)， maximum fluorescence yield (Fm) and maximum variable fluorescence (Fv) of young trees under 4 plantations

表3 不同土壤水分和养分处理对4 种人工林幼树叶绿素PSⅡ最大光能转换效率(Fv/Fm)、有效光能转换效率(Fv′/Fm′)和潜在活性(Fv/Fo)的影响Table 3 Impacts of different soil water and nutrient treatments on maximal photochemical efficiency in the dark (Fv/Fm) and in the light (Fv′/Fm′)， and potential activity (Fv/Fo) of PSⅡin the young trees of four plantations

图3 不同土壤水分和养分处理对4 种人工林幼树总生物量的影响Fig.3 Impacts of different soil water and nutrient treatments on total biomass of young trees under 4 plantations Different lowercase letter on bar indicate significant difference among soil water treatments

由图4 可见，树种显著影响幼树的叶、茎和根各器官生物量的分配格局.土壤水分处理显著影响幼树的叶、根生物量分配比例，而对幼树茎生物量分配比例的影响不显著(P=0.404).随着土壤水分的增加，幼树的根生物量比例呈降低趋势，而叶生物量比例呈增加趋势.此外，幼树的叶(P=0.002)和茎(P=0.022)生物量比例存在显著的树种×养分交互性作用.施肥提高了尾巨桉的茎生物量比例，但降低叶生物量比例.土壤养分处理对闽楠、杉木和马尾松幼树各器官生物量分配比例影响均不显著.

2.5 树种、土壤水分和养分因子对幼树光合特性、生物量的回归分析

根据树种叶片特性将4 种人工林树种分为针叶树种(杉木、马尾松)和阔叶树种(尾巨桉、闽楠)，根据树种演替阶段特性将树种分为先锋树种(尾巨桉、马尾松)和建群树种(杉木、闽楠).由表4 可见，树种自身内在特性是影响人工林幼树的叶净光合速率、气孔导度、叶绿素荧光参数、总生物量和各器官生物量分配比例的关键因子.在叶片光合作用和叶绿素荧光参数的回归模型中，土壤水分和养分因子均被移出回归模型.然而，土壤水分是预测幼树总生物量、叶生物量和根生物量分配比例的重要环境因子，且土壤水分解释幼树总生物量的贡献较树种更高.进一步分析发现，不同类型树种解释幼树的光合作用特征和生物量的贡献不同，其中树种叶片类型是影响叶片的净光合速率、气孔导度、Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′以及叶和茎生物量分配比例的最大因子，而树种演替阶段特性是解释幼树叶片Fo、总生物量和根生物量分配的关键因子.

图4 不同土壤水分和养分处理对4 种人工林幼树各器官生物量分配比例的影响Fig.4 Impacts of different soil water and nutrient treatments on biomass allocation of different organs of young trees under 4 plantations

表4 树种、土壤水分和养分因子对幼树光合参数、生物量影响的回归预测模型1)Table 4 Regression analysis of net photosynthetic rate， chlorophyll fluorescence and biomass， and variables of tree species， soil water and nutrient

3 讨论与小结

植物光合和荧光特性是植物在进化过程中逐渐形成的一种重要的生存策略和资源利用策略，具有明显的物种自身内在差异性[4].本研究发现，亚热带4 种典型人工林幼树的叶片净光合速率、气孔导度和叶绿素荧光参数存在显著的差异性.可见，不同树种叶片的光合作用系统结构存在显著的种间差异性，进而导致不同人工林幼树的“表观性”的气体交换能力和光系统Ⅱ的光化学量子吸收、传递和耗散能力不同[7，12].阔叶树(尾巨桉、闽楠)叶片的净光合速率和气孔导度均大于针叶树(杉木、马尾松)，但针叶树叶片Fv/Fm 和Fv/Fo 等高于阔叶树，该研究结果与以往研究相一致[4，21，23].例如，Tjoelker et al[24]研究发现，纸桦(Betula papyriferaMarshall)和山杨(Populus tremuloidesMichx.)叶片净光合速率和气孔导度显著高于针叶树种云杉(Picea mariana(Mill.) B.S.P.)、短叶松(Pinus banksianaLamb.)和落叶松(Larix laricina(Du Roi) K.).植物光合速率往往与植物叶片大小、厚度、气孔密度、叶绿素含量、可溶性蛋白含量和叶片N 含量等有关[2，25-26].此外，管铭等[4]研究发现，在强光照条件下马尾松叶片净光合速率和Fv/Fm 均高于青冈栎(Cyclobalanopsis glauca(Thunb.) Oerst.)等阔叶树，但弱光照条件下呈相反趋势.本研究在较弱光照条件下温室内进行，因而对杉木和马尾松叶片光合作用形成一定的抑制和胁迫.

本研究发现，亚热带4 种人工林幼树的生物量及各器官生物量分配比例亦存在显著的树种差异性.不同树种人工林幼树总生物量大小顺序为杉木＞尾巨桉＞闽楠＞马尾松，并且与杉木、闽楠相比，尾巨桉和马尾松等先锋树种倾向将更多的生物量分配至地上器官.该研究结果与常宏等[22]、喻方圆等[8]的研究结果相一致.植物生长速率不仅与净光合速率有关，且与叶面积指数和叶生物量分配密切相关[1].不同树种人工林的生物量和分配格局差异可能是植物进化演变过程中长期适应环境条件的选择结果，速生树种杉木和尾巨桉幼树因而具有更高生物量.

土壤水分处理能够影响植物净光合速率、总生物量和分配比例[8，15，22].土壤水分胁迫会导致植物叶片气孔关闭和非气孔限制，进而降低植物光合作用和生长[5，27].本研究发现，随着土壤水分增加，杉木和闽楠幼树叶片的净光合速率和气孔导度呈增加趋势.同时，随着土壤水分增加，尾巨桉、闽楠和杉木幼树的总生物量显著增加，叶生物量分配比例呈增加趋势，而根生物量比例呈降低趋势.可见，土壤水分条件是影响幼树光合作用和生长的重要环境因子[13，15].然而，与土壤水分相比，土壤养分对不同人工林幼树光合生理特性和生物量的影响相对较小.以往有关土壤养分与树木光合作用、生长关系的大量研究表明，土壤养分对树木光合速率、叶绿素荧光参数和生物量影响存在不确定性，与施肥种类、剂量和形态，土壤肥力大小，光照、水分和温度等其他环境因子有关[3，10，16-17].此外，叶绿素荧光与光合作用效率密切相关，任何环境因素对光合作用的影响都可以通过叶绿素荧光反映出来[4].叶绿素荧光参数能够表征叶片光合系统II 的活性及环境胁迫抗性[10-11].通常，在非胁迫条件下Fv/Fm、Fv/Fo 和Fv′/Fm 的变化极小，而当发生环境因子胁迫时会降低[11，13，23].本研究发现，土壤水分和养分处理对幼树叶绿素荧光参数影响并不明显，表明在温室较弱光照条件下，土壤水分和养分胁迫并未对PSⅡ结构造成较大损伤，PSⅡ并不是调控幼树光合效率及生长响应的主要因素.然而，土壤水分胁迫导致杉木叶片Fv/Fo 降低，而土壤养分添加降低马尾松叶片Fv/Fm和Fv/Fo.可见，不同类型树种人工林对环境因子响应的敏感性存在差异.

亚热带4 种典型人工林幼树的叶片光合特性和生物量存在显著的树种×土壤水分交互性效应，表明不同人工林幼树的光合系统结构、光合速率以及幼树生长对土壤水分因子的响应不同.该研究结果与以往研究一致.例如，张毅龙等[23]发现，环境胁迫对树木叶绿素荧光特性的影响具有树种差异.喻方圆等[8]报道花旗松对水分胁迫不敏感， 而水分胁迫对杉木、马尾松等树种的高生长均有显著影响.此外，本研究发现树种和土壤养分对叶绿素荧光参数和生物量分配亦有显著的交互性作用.由于树种对土壤水分和养分等环境因子的需求和适宜性等存在差异，不同树种人工林幼树对土壤水分和养分等环境因子变化的响应不同[8，18，22].本研究结果表明，树种内在的生物学差异性是影响幼树净光合速率和叶绿素荧光参数的重要因子.相对而言，土壤水分和养分因子对植物光合参数的影响较小.与树种特性相比，土壤水分变化对人工林幼树的总生物量影响更大，且土壤水分能够在一定程度上解释叶、根生物量分配比例.土壤养分并不是影响亚热带4 种人工林幼树光合作用和生长的关键因子，其原因可能是由于树木生长初期对土壤养分需求较小，土壤自身含有的养分能够满足幼树早期生长需要.

综上，亚热带4 种人工林幼树的叶净光合速率、叶绿素荧光和生物量均具有明显的树种差异性.土壤水肥变化能够影响亚热带人工林幼树的叶光合速率、荧光特性、总生物量及各器官生物量分配格局.由于不同树种自身对环境因子需求和适应性差异，幼树叶光合特性、生长对土壤水肥耦合因子的响应不同.因此，在我国亚热带人工林培育过程中，需注重造林树种选择，并依据树种生物学特性进行合理的水肥管理.本研究是温室控制试验，今后需开展野外自然条件下不同树种、不同发育阶段树木生长对土壤水肥因子响应的研究.