林药间作模式下白及光合生理特性1)

秦齐 田梦阳 谢寅峰

(南京林业大学，南京，210037)

窦全琴

(江苏省林业科学研究院)

林药复合经营是现代农林业的重要栽培模式,合理的复合经营系统,可以更有效地利用生态系统中的资源包括水资源、光资源等,提高土壤肥力,防止土壤盐碱化,保持水土[1]。在经济效益上,可以收获多种作物,提高土地的利用率。林药复合系统与单作林相比,林木的落叶多,土壤表层的凋落物增多,可以提高土壤的酶活性[2],可以加快凋落物的分解,可使系统内的物质循环能量增加[3]。系统内凋落物分解产生的大量有机质,有助于土壤优质团粒的构成,有利于保持土壤的水分和通气[4]。复合经营系统内,与单作林相比,覆盖度大,遮光较好,可以有效改善地表的温湿度,可以保持土壤水分,能够满足植物生长的水分需求[5]。宋西德等[6]对杨粮复合经营系统的研究结果表明,光照是影响农作物生长和产量的主要因素之一。彭小博[7]研究发现,由于林冠遮挡作用,地面空气速度和强度减弱,导致林下微环境空气湿度、温度等发生变化。段志平等[8]研究发现,间作系统中随着树龄和树冠体积的增大,遮荫造成的弱光胁迫成为影响间作作物生长发育的重要因素。范元芳等[9]研究发现,玉米-大豆带状间作时荫蔽是影响大豆生长和光合特性的关键因素。

白及(BletillastriataRchb. f.)为兰科白及属多年生草本植物,应用价值广泛,药用历史悠久,具有敛疮、止血、消肿、通窍、排脓、生肌等功能[10]。通过遮阳网人工模拟的方法研究不同光环境对白及光合作用的影响,适当遮光有利于白及进行光合作用,高光环境和过度遮光都会对白及光合能力产生不利影响,栽培期间对白及进行50%～70%的遮光处理有利于其生长发育[11]。研究薄壳山核桃与白及复合栽培对白及生长等的影响,对提高林地利用率,探索新的林药复合经营模式具有重要的实践意义。

光照作为植物生长发育过程中最重要的生态因子之一,是植物生长发育过程中物质和能量的来源,在不同光照条件下植物的生长发育将受到不同影响。本研究以薄壳山核桃-白及间作栽培园为试点,通过设定4种不同生境(冠下、冠缘、冠外、单作)测定白及的光合及叶绿素荧光参数、叶绿素质量分数、抗氧化酶活性,比较各生境间白及的光合生理特性,探明林药间作下白及的生理生态学特征规律,分析白及不同生境下的光合生理响应和动态变化,为薄壳山核桃-白及复合栽培技术提供理论依据。

1 研究区概况

试验地位于江苏省宿迁市泗洪县双沟镇西南岗生态农业示范区,属温带季风气候又属北亚热带和北暖温带过渡区,季风显著,四季分明,雨量充沛,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,全年平均气温14.6 ℃,年平均降水量893.9 mm。土壤为石灰岩、基性岩浆岩发育形成黄棕壤(黄刚土),在0～40 cm的土层中有极黏重紧实的黏化层,pH=6.0左右,土壤肥力较差。

2 研究方法

2.1 供试材料与试验设计

薄壳山核桃与白及复合栽培园中薄壳山核桃12年生,平均树高6.5 m,平均胸径26.5 cm,枝下高0.9 m,冠幅10.7 m,株行距12 m×12 m,林分郁闭度0.8;白及为假鳞茎栽培2年生苗,株行距为15 cm×15 cm。

在薄壳山核桃-白及复合栽培区内分别设置冠下(树冠垂直投影圆半径的1/2附近,离树干2.50 m±0.50 m)、冠缘(树冠垂直投影圆附近,离树干5.00 m±0.50 m)和冠外(树冠垂直投影圆外侧1.50 m,离树干7.00 m±0.50 m)3种不同生境处理,分别以T1、T2、T3表示,以单作白及为对照(T0)。每种生境均按照梅花状均匀布设5个测定点。

2.2 光合参数的测定

于2021年7—9月份,利用Li-6400便携式光合作用测定仪,对4个不同生境测定点进行白及净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2摩尔分数、光和有效辐射日变化的测定,测定时间为09:00—11:00。每个生境处理均选择白及自顶芽向下第3片完全展开叶进行测定,每个处理各选择6株白及的固定叶1片,每片测3次,共18次重复。

2.3 光响应参数测定

利用Li-6400便携式光合作用测定仪的LED红蓝光源叶室进行测定,设置光合辐射强度的梯度为1 500、1 200、1 000、800、500、300、200、150、100、50、20、0 μmol/(m2·s),温度为自然环境,空气流量和CO2浓度分别设为500和400 μmol/(m2·s)。测定时选择白及自顶芽向下第3片完全展开叶,重复3次。根据叶子飘机理模型进行白及光响应曲线特征参数的拟合,得出表观量子效率(AQY)、光饱和点(Lsp)、光补偿点(Lcp)、暗呼吸速率(Rd)、最大净光合速率(Pnmax)。

2.4 叶绿素荧光参数测定

利用便携式调制叶绿素荧光仪(Hansatech公司,英国)分别测定初始荧光(F0)、最大荧光(Fm)、光系统Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)和光系统Ⅱ潜在的光化学活性(Fv/F0)等。选择白及自顶芽向下第3片叶片测定,每个处理测定3株并取平均值,测定时叶片需经过30 min的暗适应。

2.5 抗氧化酶活性测定

摘取生长一致的3株白及上部完全展开的第一片功能叶(从上到下第2片叶)中部新鲜样品,用液氮处理后,放置0 ℃以下备用。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝4唑(NBT)光还原法进行测定,过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚法,过氧化氢酶(CAT)活性的测定采用紫外吸收法,丙二醛(MDA)质量分数测定采用硫代巴比妥酸法。

2.6 数据分析

采用Excel2016和SPSS22.0进行数据处理分析。

3 结果与分析

3.1 不同生境对白及叶片光合参数的影响

由表1可知,光合有效辐射(RPA)的日变化规律为单峰型,峰值均出现在中午12:00时。6、8月份的不同生境的光合有效辐射在08:00—16:00时存在显著差异,9月份在08:00—12:00时存在显著差异,12:00时的光合有效辐射最高,RPA在不同生境大小均表现为单作生境(T0)、冠外(T3)、冠缘(T2)、冠下(T1)。

由表2可知,在净光合速率日变化(Pn)中,6月份为单峰型变化趋势,峰值出现在10:00时为4.780 μmol/(m2·s);8月份的变化趋势为双峰型,峰值出现在10:00和14:00时,分别为6.275、3.855 μmol/(m2·s);9月份为单峰型变化趋势,峰值出现在12:00时为4.549 μmol/(m2·s);净光合速率的日均值由大到小为8月份、9月份、6月份。胞间CO2摩尔分数(Ci)日变化趋势呈先降低后升高的‘V’型,6月份的谷值出现在10:00时为182.025 μmol/mol;8月份的谷值出现在14:00时为216.515 μmol/mol;9月份的谷值出现在12:00时为210.274 μmol/mol;谷值和日均值由大到小均为8月份、9月份、6月份。在气孔导度(Gs)日变化中,为单峰型变化趋势,6、8、9月份峰值均出现在10:00时,分别为0.078、0.114、0.061 μmol/(m2·s);12:00—18:00的8、9月份不存在显著性差异;峰值和日均值由大到小均为8月份、6月份、9月份。蒸腾速率日变化(Tr)趋势与净光合速率的变化趋势类似;6、9月份为单峰型变化趋势,峰值出现在10:00时,分别为1.948、2.102 mmol/(m2·s);8月份为双峰型变化趋势,峰值出现在10:00和14:00时,分别为1.900、1.442 mmol/(m2·s);峰值由大到小为9月份、7月份、8月份,日均值由大到小为6月份、9月份、8月份。

表1 不同生境下白及叶片光合有效辐射(RPA)的日变化

表2 不同月份净光合速率(Pn)、胞间CO2摩尔分数(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)日变化

3.2 不同生境对白及叶片光响应参数的影响

从表3可以看出6月份光响应特征参数之间存在显著性差异。T2的AQY显著大于其他生境,说明利用弱光的能力最强,T1、T3、T0之间不存在显著性差异,且由大到小为T3、T1、T0。T2的Lsp显著大于其他3个生境,与T2相比T1、T3、T0分别减少了19.993%、17.142%、31.996%。T2的Lcp显著低于其他3个生境,T3、T0之间不存在显著差异,但T3>T0。T2的Pnmax显著大于其他生境,T1、T3、T0之间不存在显著性差异,且由大到小为T3、T1、T0。T1的Rd显著高于其他生境,且由小到大为T2、T3、T0,T2的Rd最低为1.554 μmol/(m2·s)。

8月份T2的AQY显著大于其他生境,说明利用弱光的能力最强,T1与T0之间、T1与T3之间不存在显著性差异,且由大到小为T2、T3、T1、T0。T2的Lsp显著大于其他3个生境,与T2相比T1、T3、T0分别减少了32.241%、21.436%、32.415%。T2的Lcp显著低于其他3个生境,T1、T3、T0之间不存在显著差异,但由大到小为T3、T0、T1。T2的Pnmax与T1之间不存在显著差异,T1与T0之间不存在显著差异,但由大到小为T2、T3、T0、T1。T2的Rd显著低于其他生境,T3、T0之间不存在显著性差异且由大到小为T1、T0、T3、T2,T1的Rd最高,为2.200 μmol/(m2·s)。

9月份T2的AQY显著大于其他生境,T1与T3、T1与T0之间不存在显著差异,且由大到小为T2、T3、T1、T0。T2的LSP显著高于其他生境,且T1、T0之间不存在显著差异,但是由大到小为T3、T1、T0。T2的LCP显著小于其他生境,T1、T3、T0之间不存在显著性差异,但由小到大为T2、T3、T0、T1。T2的Pnmax显著高于其他生境,T1与T0之间不存在显著性差异,与T2相比T1、T3、T0分别降低了33.499%、19.907%、31.208%。T2的Rd显著低于其他生境,T2与T3之间不存在显著差异,但由小到大为T2、T3、T0、T1。

表3 4种生境下白及6、8、9月份光响应特征参数

3.3 不同生境对白及叶片荧光参数的影响

表4表明荧光参数在不同生境之间存在显著性差异。4种生境初始荧光(F0)的变化,6月份的T2、T0显著高于T1、T3,T1与T3之间、T2与T0之间不存在显著性差异,且由大到小为T2、T0、T1、T3;8、9月份各生境之间的不存在显著性差异,且均由大到小为T2、T1、T3、T0。4种生境中最大荧光(Fm)的变化,6月份,T1、T2显著高于其他生境,T1、T2之间不存在显著性差异,且由大到小为T2、T1、T3、T0;8月份T1、T2之间不存在显著性差异,显著高于T3、T0;9月份T2显著高于T0,T2与T1、T3之间不存在显著差异,T1、T3、T0之间不存在显著差异,但由大到小为T1、T3、T0。单作生境下的光系统Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)显著低于复合生境,6月份4个生境之间存在显著差异,由大到小为T2、T1、T3、T0;8月份T1、T2显著高于T3、T0,T1与T2之间、T3与T0之间不存在显著性差异,且由大到小为T2、T1、T3、T0;9月份T2与T1之间、T2与T3之间、T1与T3间不存在显著性差异,由大到小为T2、T1、T3、T0;3个月相比,由大到小为8月份、9月份、6月份。单作生境下的光系统Ⅱ潜在光化学活性(Fv/F0)显著低于复合生境,6、8月份T1、T2显著高于T3、T0,T1与T2之间、T3与T0之间不存在显著性差异,由大到小为T2、T1、T3、T0;9月份T2显著高于其他生境,且由大到小为T2、T1、T3、T0;3个月相比由大到小为8月份、9月份、6月份。

表4 4种生境不同月份白及荧光参数

3.4 不同生境对白及叶片叶绿素质量分数的影响

本研究结果表明不同生境之间白及叶绿素质量分数有明显变化(表5)。6月份T2的叶绿素a质量分数显著高于其他处理,且由大到小为T2、T1、T3、T0;8月份T1与T2之间、T1与T3之间不存在显著性差异,T0显著小于其他生境;9月份各生境间存在显著差异,T2显著高于其他生境,且由大到小为T2、T3、T0、T01;6、8月份之间的叶绿素a质量分数没有太大的差异,9月份的叶绿素a质量分数显著小于其他月份。各生境间叶绿素b质量分数的大小变化趋势与叶绿素a质量分数一致,均为T2显著高于其他生境;6月份4个生境之间的差异显著,且由大到小为T2、T1、T3、T0;8月份T1、T2之间不存在显著性差异;9月份T2显著大于其他生境,T1、T3与T0之间不存在显著性差异,但由大到小为T3、T0、T1。总叶绿素与叶绿素a的处理间显著性差异一致。w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)的值从T1到T0是逐渐升高的;6月份各生境之间存在显著性差异,且由小到大为T2、T1、T3、T0;8月份T1、T2显著低于其他生境,T1、T2之间无显著性差异但由小到大为T2、T1、T3、T0;9月份T1显著低于其他生境,T2、T1之间不存在显著性差异,但由小到大为T1、T2、T0、T3。

3.5 不同生境对白及叶片抗氧化酶活性的影响

植物体内的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)在植物抵御逆境胁迫和抗衰老方面有着重要作用。由表6可知,白及抗氧化酶活性和丙二醛(MDA)质量分数存在差异。SOD的酶活性在4个生境中整体上呈逐渐下降的趋势,在6月份4个生境之间不存在显著性差异,但由大到小为T2、T0、T3、T1;8月份T2显著大于其他生境,与T0相比T1、T2、T3分别增加了4.590%、6.096%、2.608%;9月份4个生境之间不存在显著性差异,与T0相比T1、T2、T3分别增加了4.351%、2.065%、1.696%;3个月的酶活性由大到小为6月份、8月分、9月份。POD是植物体内清除过氧化氢的主要酶之一,在受到胁迫时酶活性升高。4个生境之间的POD酶活性差异显著,在7月份T1显著低于T2、T3、T0,且T2、T3、T0之间不存在显著性差异,与T0相比T1减少了24.750%,T2、T3分别增加了10.168%、4.256%;8月份4个生境之间差异不显著,但由大到小为T2、T1、T3、T0;9月份T0显著低于其他生境,T2、T3之间不存在显著性差异,但由大到小为T2、T3、T1;3个月由大到小为9月份、8月份、6月份。CAT的酶活性是呈逐渐上升的趋势,在6月份T0显著高于其他生境,T1、T2之间不存在显著差异,但由大到小为T3、T1、T2;8月份T3、T0显著大于T1、T2,T1、T2之间、T3、T0之间不存在显著性差异,与T0相比T1、T2分别减少了78.752%、79.997%;9月份T1显著低于其他生境,T2、T3、T0之间不存在显著差异,与T0相比T1减少了85.196%。MDA质量分数在4个生境均是逐渐增高的,由大到小为T0、T3、T2、T1;6月份时其他生境与T0相比,T1、T2、T3分别减少了54.951%、29.178%、29.755%;8月份时其他生境与T0相比,T1、T2、T3分别减少了57.918%、46.993%、15.042%;9月份时其他生境与T0相比,T1、T2、T3分别减少了47.734%、22.396%、11.164%;3个月相比由大到小为8月份、9月份、6月份。

4 讨论与结论

光照是植物生长发育的基本条件,光合作用作为植物最基本的生理活动,不同生长条件例如光照强度、温度、水分等对植物光合作用有着不同影响[12],因此植物在不同生长季节、不同生境条件下光合作用差异较大。白及是一种喜阴忌强光的植物,度、水分、湿度等对白及生长及产量品质都有一定影响[13]。贺安娜等[14]的研究表明,白及的光合速率在6月份较高,随时间的推移,白及在炎热的8月份和10月份光合速率都比较低,尤其是10月份,光合速率日平均值仅3.31 μmol/(m2·s)。不同光照条件明显影响白及叶片的光合及生理特性,随着不同月份、不同生境光照强度变化,光合速率、叶绿素质量分数、抗氧化酶活性等均有较大变化。

表6 4种生境不同月份白及叶片保护酶活性

植物影响光合作用的因素可以分为气孔因素和非气孔因素[15]。当净光合速率、胞间CO2摩尔分数与气孔导度同时下降时,影响净光合速率的因素为气孔因素,当气孔导度降低,胞间CO2摩尔分数升高时,影响光合作用的因素为非气孔因素[16]。本试验中影响白及光作用的主要因素为气孔因素。本次试验中3个月的光合有效辐射之间不存在显著性差异,大气湿度与温度存在差异但不显著,6月份的大气二氧化碳浓度显著小于8、9月份。4个生境之间的净光合速率、气孔导率、蒸腾速率之间均存在显著性差异,冠缘生境显著优于其他生境,但冠下生境显著低于其他生境,说明过度的遮荫会减弱白及的光合性能。刘海等[17]的研究表明,在50%透光时,白及的净光合速率显著高于其他处理。8月份冠缘生境的最大净光合速率显著高于其他月份,说明白及在8月份的冠缘生境下具有更优的光合潜能,能产生更多的化合物,冠下、冠外、单作3个生境在3个月份中的最大净光合速率存在差异但不显著。

在植物光能的吸收与转换、分配过程中,叶绿素荧光动力学参数可以比较客观的反映植物光合性能的内在机制和效率。非胁迫条件下,PSⅡ中的最大光化学量子产量值一般为0.80～0.83,是检测植物是否受到胁迫的参数之一。本研究中冠下、冠缘、冠外3种生境的PSⅡ中的最大光化学量子产量均在0.8左右,表明在一定遮光条件下白及的光化学效率更高。6、8、9月份3个月之间的荧光数据之间并不存在显著性差异,但复合经营中的3个生境与单作相比,PSⅡ中的最大光化学量子产量和光系统Ⅱ潜在光化学活性都有一定程度的升高,反映植物潜在的最大光化学能力,在正常生理状态下,PSⅡ中的最大光化学量子产量一般比较稳定,当PSⅡ中的最大光化学量子产量出现下降时,说明植物可能已经受到了胁迫,PSⅡ反应中心受到了损伤。单作生境的PSⅡ中的最大光化学量子产量和光系统Ⅱ潜在光化学活性均小于复合生境,其中T2生境的值最大,说明单作生境的光系统反应中心受到了损伤。

叶绿素质量分数可以表现出植物对光能的利用能力,当叶绿素质量分数增加时,w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)比值降低,植物可以通过提升叶片中叶绿素b的质量分数,捕获更多的光能进而弥补环境中光照强度的不足,是植物对弱光的适应[18]。3个月份的叶绿素质量分数差异不显著,但整体来看8月份略高于其他月份,说明8月份对光照的利用能力优于其他月份。同一月份的4种生境相比,冠缘的叶绿素a、叶绿素b的值均高于其他生境,w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)的比值与其他生境相比是降低的,说明在冠缘生境下,白及能够捕获更多的光能,光能的利用率也优于其他生境。

抗氧化酶系统在植物抵御外界胁迫、维持膜结构、抗衰老等方面起着重要作用,SOD酶主要是清除活性氧自由基、CAT酶主要是清除线粒体电子传递、β-脂肪酸氧化、光呼吸等过程中产生的过氧化氢的作用,防止活性氧、自由基对植株造成损害[19]。本试验中复合生境中的SOD酶活性处在较高水平,冠缘生境SOD的酶活性显著高于其他生境,说明复合生境通过较高的SOD酶活性来清除活性氧自由基,防止膜结构受到破坏。单作生境的CAT酶活性较高,复合生境整体较低,说明单作生境需要CAT酶来清除反应产生的过氧化氢作用,防止植株受到损伤。POD酶主要用来清除过氧化物,冠缘生境下的POD酶活性较高,说明白及通过调节自身的抗氧化系统,及时清除过氧化物,减少活性氧对植株造成的伤害。

综上所述,复合经营条件下会对白及的生长、品质等起到一定的促进作用,从生长、生理、光合特性、酶活性等指标均能体现,最后通过分析光合荧光特性、叶绿素含量、抗氧化酶活性,可知在4个生境中,冠缘生境是最优的,冠缘生境最有利于白及的生长。说明适当遮荫有利于白及光合作用与生长,较高光强及过度遮荫均不利于白及生长且过度遮荫会使白及光合机构受损。林药间作是一种复杂的复合生态系统而白及喜温暖潮湿,光照强度不宜过强、温度不宜过高,通过构建薄壳山核桃和白及间作栽培模式,可充分利用空间、光照、温度资源,为白及的生长提供良好生长环境,形成生态位互补,取以短养长、提高效益之利。