修枝强度对坡垒幼树生长和生理特性的影响及综合评价*

桂慧颖，方发之，麦有专，吴二焕，张晓凤

(海南省林业科学研究院/海南省红树林研究院，海南 海口 571100)

坡垒(HopeahainanensisMerr.et Chun)为龙脑香科(Dipterocarpaceae)坡垒属常绿乔木。野生坡垒为国家Ⅰ级保护植物，少量散生于海南热带雨林国家公园霸王岭、尖峰岭等片区的原始森林及次生林中[1-2]，被IUCN评估定为“濒危灭绝”等级。为保存坡垒种质资源和丰富种群数量，可根据其生态、经济价值等，探索海南特色保护性开发途径。坡垒开发利用价值主要集中于两方面，一是坡垒木材为海南特类材，木质坚重、结构致密、耐腐蚀，是造船、建筑等的优质原料[1]；二是其树形通直，干形优美，具独特观赏价值，可作庭院树、行道树等。将种群扩繁与园林绿化有机结合是濒危植物保护的有效途径之一，可充分发挥坡垒的生态及经济价值，使其在保护中得以发展。目前对坡垒的研究集中于种群分布及生境特征[3-4]、种群发育[5-6]、叶绿体基因组特征[7]、种子育苗[8-9]等方面，关于坡垒园林化管理的研究未见报道。

修枝是指人为地除去树冠下部对生长无显著贡献的部分活枝、全部濒死枝及死枝[10]，达到促进生长、培育通直干形的目的，已作为常见的森林抚育方式，广泛应用于杨树(Populussimonii)[11]、红松(Pinuskoraiensis)[12]、福建柏(Fokieniahodginsii)[13]等的人工林经营管理中，是生产经济价值高的无节良材和景观树种的重要方法。相关研究表明，适度修枝可增加林下光合有效辐射，增强林下光照强度[14-15]；降低树体养分消耗与提高光合作用生产效率[10]；促进林木生长，增加树干通直度和圆满度[16-17]。基于此，本文以坡垒幼树为研究对象，将修枝技术引入坡垒幼树抚育管理中，解决坡垒幼树自然生长较为缓慢的问题。通过研究不同修枝强度对坡垒幼树生长、生理及光合特性等的影响，并采用隶属函数法进行综合评价，探究最有利于提升坡垒幼树生长势、促进幼树生长发育的修枝强度。研究结果可为培育优质坡垒苗木提供技术参考，为坡垒园林化培育及应用奠定基础，为坡垒人工林可持续经营管理提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于海南省临高县东英镇罗堂村(109°33′E、19°57′N)，地处琼北台地，地势平缓。属热带海洋性季风气候，年平均温度23.4 ℃，年平均日照2 175 h，年平均降雨量约1 100～1 800 mm。成土母质玄武岩，土壤为红壤，土层深厚，土壤pH值为4.26。

1.2 试验方法

试验用苗木为海南省林业科学研究院培育的4 a生坡垒容器苗。2020年4月定植，株行距 2 m×3 m。参试苗木平均苗高为(2.05±0.15)m，平均基径为 (21.47±1.83)mm。次年10月在试验地内选择苗木大小、长势基本一致的坡垒幼树进行修枝试验。以CK(不修枝)为对照，设置3种修枝强度处理：即T1为轻度修枝(修去活枝冠层1/4长的下层枝条)，T2为中度修枝(修去活枝冠层1/3长的下层枝条)，T3为重度修枝(修去活枝冠层1/2长的下层枝条)。试验采用完全随机区组设计，每种处理重复 3次。

修枝处理6个月后，采用树高测定仪测量各处理幼树树高，使用电子游标卡尺测量幼树基径，分别计算树高生长量(ΔH)及胸径生长量(ΔD)。选择晴朗天气使用光合作用测定仪(Li-6800，LI-COR公司，美国)，测定不同处理坡垒幼树向阳成熟叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)等光合指标。水分利用效率(WUE)、瞬时羧化效率(CE)计算式[18]如下。

WUE=Pn/Tr，CE=Pn/Ci。

光合测定结束后，分别采集不同修枝处理坡垒幼树相同方位叶片，放入采样袋置于液氮中速冻30 min，后放入超低温冰箱保存用于生理指标测定。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物歧化酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、丙二醛含量(MDA)均采用Solarbio检测试剂盒测定；可溶性糖含量(SSC)采用蒽酮比色法[19]测定，总叶绿素含量(TCC)采用分光光度法[19]测定。

1.3 数据处理与分析

试验结果使用Excel 2010、SPSS 25.0、Sigmaplot 14等软件进行统计分析及作图。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD法检验不同修枝强度处理间的各生长、生理、光合指标的差异显著性。采用Pearson法对各生长、生理及光合指标间的相关性进行双尾检验。采用模糊数学隶属函数法[20-21]综合分析不同修枝强度对坡垒幼树生长发育的影响，所测指标与苗木生长势呈正相关时采用公式①计算该指标隶属函数值μ(Xj)，呈负相关时采用公式②计算。根据公式③与公式④分别计算各指标标准差系数Vj及权重Wj，根据公式⑤计算综合评价值D。D值越大，表明该处理对坡垒幼树生长综合促进效果越好。

①

②

③

④

⑤

式中：Xj表示第j个指标值，Xmin表示第j个指标的最小值，Xmax表示第j个指标的最大值，Xij表示第i个处理下第j个指标的隶属函数值，Xj表示第j个指标所有处理的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同修枝强度对坡垒幼树生长的影响

由图1可知：除T1处理外，其余修枝处理的树高生长量均显著高于不修枝处理(P<0.05)，修枝处理的胸径生长量则低于不修枝处理，但差异不显著(P>0.05)；不同修枝处理间，树高生长量随修枝强度的增加先上升后下降，胸径生长量则随修枝强度的增加而减少；各处理中，以T2树高生长量最大，以CK胸径生长量最大。

图1 不同修枝强度下的坡垒树高生长量和胸径生长量注：图中误差线表示正标准差；不同小写字母表示单因素方差分析结果为各修枝处理间该指标有显著差异(P<0.05)；CK为不修枝处理，T1为轻度修枝，T2为中度修枝，T3为重度修枝。下同。Fig.1 The height growth and DBH growth of H.hainanensis under different pruning intensity

2.2 不同修枝强度对坡垒幼树生理变化的影响

不同修枝强度对坡垒幼树保护性酶(SOD、POD、CAT)活性、可溶性糖、MDA和总叶绿素含量的影响如图2～4所示。

图2 不同修枝强度下的坡垒SOD酶和POD酶活性Fig.2 The activity of superoxide dismutase and peroxidase of H.hainanensis under different pruning intensity

图3 不同修枝强度下的坡垒CAT酶活性和总叶绿素含量Fig.3 The catalase activity and total chlorophyll content of H.hainanensis under different pruning intensity

所有修枝处理的坡垒幼树的保护性酶活性、总叶绿素含量均显著高于不修枝处理(P<0.05)，可溶性糖和MDA含量显著低于不修枝处理(P<0.05)。不同修枝处理间，坡垒幼树SOD酶活性、POD酶活性、总叶绿素含量均随修枝强度的增加呈现先升高后降低的变化趋势；可溶性糖含量反之，随修枝强度的增加先降低后升高；CAT酶活性则随修枝强度的增大而增强；MDA含量随随修枝强度的增大而减少。各项处理中，T2处理的SOD酶活性、POD酶活性、总叶绿素含量显著高于其他处理，T1处理的可溶性蛋白含量与MDA含量、T3处理的CAT酶活性显著高于其他处理。

图4 不同修枝强度下的坡垒可溶性糖和MDA含量Fig.4 Soluble sugar and malonaldehydic acid contents of H.hainanensis under different pruning intensity

2.3 不同修枝强度对坡垒幼树光合特性的影响

不同修枝强度对坡垒幼树光合特性的影响如图5～7所示。

图5 不同修枝强度下的坡垒净光合速率和蒸腾速率Fig.5 Net photosynthetic rate and transpiration rate of H.hainanensis under different pruning intensity

所有修枝处理的坡垒幼树叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度，及T1处理的水分利用效率和羧化效率、T2处理的羧化效率均表现为修枝大于不修枝。其中修枝处理的净光合速率和胞间CO2浓度显著高于不修枝处理(P<0.05)，T2处理的蒸腾速率、气孔导度显著高于不修枝处理(P<0.05)，T3处理的蒸腾速率显著高于不修枝处理(P<0.05)，其余处理的光合指标间均未有显著差异(P>0.05)。不同修枝处理间，叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、瞬时羧化效率均随修枝强度的增加呈现先升高后降低的变化趋势；胞间CO2浓度和水分利用效率则相反，随修枝强度的增加先降低后升高。各处理中，以T2处理的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、瞬时羧化效率最高，以T1处理的水分利用效率最高，以T3处理的胞间CO2浓度最高。

图6 不同修枝强度下的坡垒气孔导度和胞间CO2浓度Fig.6 Stomatal conductance and intercellular CO2 concentration of H.hainanensis under different pruning intensity

图7 不同修枝强度下的坡垒水分利用效率和瞬时羧化效率Fig.7 Water use efficiency and carboxylation efficiency of H.hainanensis under different pruning intensity

2.4 坡垒幼树各指标相关性分析

对坡垒幼树各项指标做相关性分析，结果如表1所示，由表1可知坡垒幼树多指标间存在显著相关性。树高生长量与SOD活性、总叶绿素含量、光合速率、气孔导度显著正相关，与POD活性极显著正相关，与可溶性糖含量、丙二醛含量极显著负相关。SOD活性与POD活性、总叶绿素含量极显著正相关，与蒸腾速率显著正相关，与可溶性糖含量极显著负相关。POD活性与CAT活性、总叶绿素含量、光合速率、气孔导度极显著正相关，与可溶性糖含量、丙二醛含量极显著负相关。CAT活性与气孔导度极显著正相关，与可溶性糖含量、水分利用效率显著负相关，与丙二醛含量极显著负相关。总叶绿素含量与光合速率、气孔导度显著正相关，与蒸腾速率极显著正相关，与可溶性糖含量极显著负相关。可溶性糖含量与丙二醛含量极显著正相关，与光合速率显著负相关，与蒸腾速率、胞间CO2含量极显著负相关。丙二醛含量与气孔导度、胞间CO2含量极显著负相关，与水分利用效率显著正相关。光合速率与胞间CO2含量显著正相关，与水分利用效率极显著负相关。蒸腾速率与瞬时羧化效率极显著正相关。

表1 坡垒幼树各项指标间的相关系数Tab.1 The correlation coefficients between indexes of H.hainanensis saplings

2.5 修枝对坡垒幼树生长发育的综合影响

林木生长是其自身生理调节、光合能力、抗逆性及外界环境等的各因素相互作用的综合体现，难以用某单一指标评价修枝处理对坡垒幼树生长发育的影响。因此，采用模糊数学隶属函数法对不同修枝处理下的各项指标进行隶属函数值计算，并根据各指标权重值进行累加，得综合评价值，综合值越大对坡垒幼树生长的促进效果越好。由表2可知，修枝处理综合值均高于不修枝处理，表明修枝处理可有效促进坡垒幼树生长，增强树势，有利于培育坡垒壮苗。各修枝处理中，中度修枝处理的综合值最大(0.717)，对坡垒幼树生长综合促进效果最佳；轻度修枝处理的综合值最小(0.476)，对坡垒幼树生长综合促进效果最差。

表2 不同修枝强度处理对坡垒幼树生长影响的综合评价Tab.2 Comprehensive evaluation table of the effects of different pruning intensity treatments on the growth of H.hainanensis saplings

3 讨论与结论

3.1 讨论

枝条与叶片是林木树冠的重要组成部分，相较于树冠下层，树冠上层枝叶所获得光照时间长、强度高、光合有效辐射强，其枝叶有效光合生产能力显著高于树冠下层[22-23]。因此，适度修除树冠下层的枝条，有利于扩展林木生长空间，增加林分透光度，对林木生长有正向促进作用。相关研究表明，红松未修枝林分生长速率显著低于修枝林分[12]，通过修枝可促进福建柏林分生长和干物质积累[13]。本文通过对比未修枝与已修枝坡垒幼树间的生长差异发现，所有修枝处理的树高生长量均显著高于不修枝处理，修枝处理的胸径生长量则低于不修枝处理。研究结果与尚富华等[24]对毛白杨(Populustomentosa)、刘西军等[11]对杨树的研究结果一致，与高云昌等[25]对白榆(Ulmuspumila)、张甜等[26]对落叶松(Larixgmelinii)的研究结果不同。前者均发现修枝对林木高生长有促进作用，对增粗生长有抑制作用；后者则发现修枝能促进林木树高及胸径的生长。究其原因是树种的生物学特性差异导致其对修枝的生长响应不同。此外，通过对比试验时间可发现，前者均为修枝后1 a内对林木树高、胸径变化进行测量，后者的测量时间则为修枝后3～5 a。由此推测修枝对林木粗生长的抑制效应随时间的增加逐渐减弱，这一推论也在王春胜等[27]对西南桦(Betulaalnoides)同一修枝林分在不同时间内的生长效应测量结果中得到证实。Alcorn等[28]的研究认为，出现此现象的原因是林木通过萌发新梢促进树高生长优于径生长，且根据有机物质就近分配原则，冠层下部枝条生产的营养物质向下输送以促进树干基部和根系生长，修枝去除部分下部枝条正是树干基部组织生长所需的营养物质来源，因此修枝首先对树干基径生长产生影响；而随树冠逐渐恢复，其抑制效应将逐渐解除。

在正常情况下，植物细胞内活性氧的产生和保护性酶等的清除作用处于动态平衡状态；当受到外界胁迫时，活性氧积累过多，动态平衡被打破，活性氧导致脂膜过氧化反应，产生脂膜过氧化产物(MDA)，细胞膜完整性被破坏[29-30]。非结构性碳水化合物是光合产物被用于植物形态构建和维持呼吸后的剩余部分(包括可溶性糖、淀粉等)，当受到外部伤害后，植物将利用体内储存的非结构性碳转化成抵抗损伤的应急产物[31-32]。修枝处理在本质上是对林木的外部机械损伤，当被修除一定枝叶后，林木为应对外部伤害将启动系列防御性生理生化反应，以提高植物抵抗外界胁迫的能力。王玥琳等[33]的研究发现，低度修枝和高度修枝均能显著提高降香黄檀(Dalbergiaodorifera)的SOD、POD、CAT和PAL活性，减少MDA含量。刘可欣等[31]对水曲柳(Fraxinusmandshurica)的研究发现，经各修枝强度处理的叶片氮质量分数、叶绿素质量分数均高于对照，非结构性碳质量分数低于对照。本文通过测定对照及各修枝处理坡垒幼树生理指标发现，修枝处理的保护性酶活性、总叶绿素含量均显著高于不修枝处理，可溶性糖和丙二醛含量均显著低于对照。研究结果与上述学者的结果一致，说明植物在受到机械损伤后，通过增强保护性酶活性清除多余活性氧，减少脂膜过氧化产物的积累，同时消耗植物体内储存的非结构性碳进行细胞组织重建，增加总叶绿素含量以提高光合速率，逐步减弱机械伤害对植物体的影响。

光合作用是植物生产力构成的主要因素，是植物生长、发育的基础[34]。树冠枝叶是光合作用发生的主要场所，修枝即人为减少了光合作用的发生器官，将对林木光合生理产生直接影响。王玥琳等[35]研究发现，降香黄檀轻度修枝处理胞间CO2浓度、净光合速率、蒸腾速率以及气孔导度均显著高于CK，重度修枝与CK除蒸腾速率外均差异不显著，但都大于CK。Medhurst等[36]对黑木相思 (Acaciamelanoxylon)的研究发现，修枝6周后，50%修枝强度处理的树冠上部、中部最大光合速率以及最大气孔导度均显著高于未修枝处理。本文研究结果与上述学者的研究结果一致，所有修枝处理的净光合速率和胞间CO2浓度均显著高于不修枝处理。相关研究认为，修枝引起林木净光合速率增加是其应对外部机械伤害触发的补偿机制[31]，该补偿机制也在黑木相思[36]、大花序桉(Eucalyptuscloeziana)[37]等的修枝光合响应研究中被发现。对此刘可欣等[31]的研究认为，出现该现象的内在原因可能有两种：一是与修枝导致叶片氮质量分数增加有关，在本文中表现为叶绿素含量的增加，经修枝处理后林内光照条件得到改善，二者共同导致净光合速率的提高。二是与修枝导致叶片气孔导度增加有关，本文也发现修枝处理的气孔导度大于未修枝处理。气孔的开度越大，经气孔进入坡垒幼树机体的CO2越多，胞间CO2浓度越高，进而提高叶片净光合速率。经本文相关性分析也可证实，坡垒叶片净光合速率与总叶绿素含量、胞间CO2浓度显著正相关。此外由于气孔导度的增加，坡垒幼树叶片出现蒸腾速率提高、水分利用效率降低的现象，可能导致坡垒幼树水分供应不足。因此，在进行最佳修枝强度选择时，应从植物体的耐受程度、多项特征指标的变化等方面进行综合考虑。

不同修枝处理对坡垒幼树的影响是生长、生理、光合等多因素共同作用的结果，仅根据某一指标评判不同修枝强度的作用是片面的。基于此，本文采用模糊数学隶属函数法对不同修枝处理的成效进行综合评价。将不同修枝强度下的各项特征指标通过函数转换成[0，1]的度量值，在统一量纲下进行比较，用隶属度综合值作为修枝处理优劣的综合鉴定标准[38-39]。经计算后可得中度修枝处理对坡垒幼树生长的综合促进效果最佳；不修枝处理对坡垒幼树生长综合促进效果最差。最佳修枝强度的研究结果与张甜等[26]对落叶松、王春胜等[27]对西南桦的结果不同，表明不同树种对修枝处理的耐受程度不同，应根据各树种的生物学特性开展相关研究与试验，科学确定合理修枝程度。此外，由于本研究试验周期较短，仅从生长、生理和光合角度探讨修枝对坡垒幼树的影响，未能就修枝处理对坡垒幼树材积、造林地小气候变化、林下土壤理化性质、林下植被等的影响进行研究，此部分内容有待进一步研究讨论。

3.2 结论

实施修枝处理后，坡垒幼树保护性酶活性增强，清除因修枝破坏抗氧化系统平衡产生的多余活性氧，脂膜过氧化产物减少，消耗可溶性糖进行细胞组织重建，减少机械损伤伤害。坡垒保留叶片光合能力方面表现为净光合速率提高，胞间CO2浓度增加，总叶绿素含量增加和胞间CO2浓度增大是引起净光合速率增大的主要原因。修枝对坡垒幼树高生长有显著促进作用，对粗生长表现出抑制效应。相关性表明坡垒幼树多指标间存在显著相关性。经隶属函数法综合分析，修去活枝冠层1/3长的下层枝条对坡垒幼树生长的综合促进效果最佳。