6 种观赏竹光合特性和叶绿素荧光特性研究

李丹，胡德越，赵红霞，路兴慧，王杰慧

(聊城大学农学与农业工程学院，山东 聊城 252059)

竹子为禾本科常绿植物，具有经济、生态、社会等多重价值，在抵制环境胁迫、应对气候变化、提高城市绿化方面效益显著[1]。 目前，北方竹类植物达到9 属180 余种[2]，主要应用于造林和公园绿化。 孙化雨等[3]发现，北京地区3 种观赏竹叶绿素荧光参数Fv/Fm 的值均是夏季大于冬季，金镶玉竹受环境胁迫的影响更大。 欧阳乐祺[4]研究表明，光合有效辐射、气温、气孔导度和蒸腾速率是影响大节竹属4 种竹子净光合速率的主要因素。 乔一娜等[5]评价了福建10 种观赏竹的光合利用能力和光合效率，得出花巨竹(Gigantochloa verticillata)、金丝慈竹(Bambusa affinis)、佛肚竹(Bambusa ventricosa)更适应城市绿化种植。 目前，对于观赏竹引种驯化、栽培技术、景观应用的研究较多[6，7]，而对不同竹种光合能力综合评价的研究尚不足，对南方毛竹(Phyllostachys edulis)的研究较多[8-10]，少见关于北方引进竹种的研究[11]。

山东省聊城市为我国“南竹北移”永久会址，成功引进70 多个竹种[12]，其中斑竹(Phyllostachys bambusoidesf.lacrima-deae)、淡竹(P.glauca)、金镶玉竹(P.aureosulcatacv.Spectabilis)、黄槽竹(P.aureosulcata)、黄竿乌哺鸡竹(P.vivaxcv.Aureocaulis)、蓉城竹(P.bissetii)的观赏价值较高。 为此，本研究选取聊城市百竹园中引种驯化的这6 种观赏竹为研究对象，深入了解其对夏季强光的适应性，分析竹类植物的光合特性、叶绿素荧光特性和光合荧光参数的相关性，并用隶属函数法对竹种的光合能力进行综合评价，以期筛选出适宜北方城市绿化的高光竹种，为竹林的保护和生态发展以及“南竹北移”的引种推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与材料

研究区位于山东省聊城市百竹园(北纬36°30′00″，东经115°59′00″)内，占地66 500 m2，属典型的温带季风气候，四季分明。 降水多集中在夏季，占全年降水量的60%，以7 月份最多。 2022年聊城市7 月份降水量为724 mm，平均气温为26.9℃，平均相对大气湿度为82%。

依据百竹园不同竹种群落分布情况，选择6种(金镶玉竹、斑竹、黄槽竹、黄竿乌哺鸡竹、淡竹和蓉城竹)边缘明确、长势良好、竹种纯正、特征明显、观赏价值高的竹群，从中再选取竹龄3 年且株高一致、数量较多的散生竹为研究对象；样地内竹子的选择同时满足分枝点低、粗细均匀、生长良好、上午时间能够充分接收阳光照射等条件。

1.2 指标测定及方法

1.2.1 光响应曲线与光合日变化测定 每种竹子选取3 株生长状况相近的健株作为观测对象，每株选择中上部侧枝方位一致、朝向相同、大小形态相近的健康成熟叶3 ～5 片，于2022 年7 月选择晴朗无云无风天气，在上午8∶30—11∶30 利用英国汉莎CIRAS-2 便携式光合仪测定光响应曲线。条件为:进气口CO2浓度为360～420 μmol/mol，设定叶室中光合有效辐射(PAR)强度为0、50、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 μmol/(m2·s)共14 个梯度，每个光强梯度设置时间为2 min，读出净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等指标值。 光响应曲线测定完成后将叶片做好标记。 利用饱和光强测定不同竹种的光合日变化，测定时间为8∶00—18∶00，每隔2 h 测定1 次，共计6 个时段。

1.2.2 叶绿素含量和叶绿素荧光测定 每种竹子选取中上部无病虫害且受光均匀的完全展开叶15 片，5 片为一组，用便携式叶绿素仪(SPAD-502)测定叶绿素含量。 上午9∶00—11∶00，将叶片避光暗处理20 min，用便携式多功能植物效率分析仪(Handy PEA)测定6 种观赏竹的叶绿素荧光，测量时保证叶面干净无灰尘，避开叶脉。

1.3 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2015 和SPSS 26.0 软件计算光合荧光指标平均值、标准偏差，使用单因素方差分析法分析不同竹种光合生理参数和叶绿素荧光参数的差异(α ＝0.01)，采用Pearson 相关分析法分析各竹种光合荧光参数的相关性(P＜0.05)，利用Origin 2021 软件作图。

采用叶子飘教授的光合计算软件3.4.2 对光响应曲线进行拟合，采用直角双曲线修正模型进行，其表达式[13]:

式中，α 是光响应曲线的初始斜率，β 和γ 为系数，I 为光合有效辐射，Rd 为暗呼吸速率。 通过模型得出光饱和点LSP、光补偿点LCP。

采用标准化的叶绿素OJIP 荧光诱导动力学曲线[14]:

式中，f 是各时间点荧光值，Fmin为该曲线最小荧光值，Fmax为该曲线最大荧光值。

2 结果与分析

2.1 6 种观赏竹光合特性比较

光响应曲线能够清楚地反映植物生长所需要的能量与叶片净光合速率之间的关系。 由图1 可知，6 种观赏竹光响应曲线的变化规律具有一致性。 其中，初始阶段，净光合速率(Pn)随着光合有效辐射(PAR)的增加呈快速上升趋势，自变量和因变量之间的线性程度较高，PAR 小于400 μmol/(m2·s)时各竹种Pn 之间的差异较小；提升阶段，当PAR 持续增加，Pn 攀升速度放缓，各竹种间的光合能力差距明显，其中淡竹净光合速率最高，金镶玉竹和黄槽竹最低；饱和阶段，Pn随着PAR 的增加稳定在峰值左右，黄竿乌哺鸡竹最先达到饱和状态，其次是金镶玉竹、斑竹、黄槽竹，最后是淡竹和蓉城竹；下滑阶段，Pn 随着PAR的增加而降低，黄竿乌哺鸡竹和金镶玉竹下滑趋势明显，出现光抑制现象。

图1 6 种观赏竹的光响应曲线

从6 种观赏竹光响应曲线的拟合结果(表1)看出，其R2值均大于0.9，拟合值与Pn 实测值相近，说明直角双曲线修正模型的拟合程度较高，是6 种观赏竹Pn-PAR 的最佳模型。

表1 6 种观赏竹光响应曲线拟合结果

由表2 可知，不同竹种的最大净光合速率(Pnmax)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、暗呼吸速率(Rd)、表观量子效率(AQY)不同。 其中，淡竹的Pnmax最高，为14.53 μmol/(m2·s)，黄竿乌哺鸡竹的Pnmax最低，为9.65 μmol/(m2·s)，6 种观赏竹的最大净光合速率从高到低排序为淡竹＞蓉城竹＞斑竹＞黄槽竹＞金镶玉竹＞黄竿乌哺鸡竹，说明淡竹、蓉城竹、斑竹叶片在单位面积内同化CO2量多，光合能力较强。 蓉城竹的LSP 最高，为1 718.22 μmol/(m2·s)，说明其在强光下具有较强的适应能力；淡竹的LSP 居第二，为1 688.38 μmol/(m2·s)，但其LCP 相较于其它竹种偏低，为28.99 μmol/(m2·s)，因而淡竹捕获光能的范围较广；斑竹的LCP 最低，为28.22 μmol/(m2·s)，能够充分利用弱光；金镶玉竹和黄竿乌哺鸡竹的LSP 低于其它竹种，但LCP 较高，说明它们更适合在遮荫环境下生长。 黄竿乌哺鸡竹的Rd 和AQY 值均最大，分别为1.36 μmol/(m2·s)、0.041 mol/mol，说明该竹种对于光合产物的消耗量最大，不利于有机物的累积；斑竹、蓉城竹的Rd 较低，能够获取大量有机物，且消耗量少。

表2 6 种观赏竹光响应曲线特征参数

2.2 6 种观赏竹光合参数日变化规律

2.2.1 净光合速率日变化 净光合速率(Pn)代表植物器官的光合能力，是植物生物量生产的最终来源[15]。 由图2(a)可知，斑竹、淡竹、黄槽竹、黄竿乌哺鸡竹、蓉城竹的Pn 日变化曲线为单峰型，只有金镶玉竹为双峰型。 斑竹、淡竹、黄槽竹、黄竿乌哺鸡竹的Pn 最高峰值出现在上午10∶00，蓉城竹出现在中午12∶00，说明蓉城竹较耐强光；金镶玉竹Pn 两次峰值分别为10∶00 和14∶00，且上午峰值大于下午，说明金镶玉竹出现光合“午休”现象。 淡竹Pn 最高峰值为15.23 μmol/(m2·s)，约为黄竿乌哺鸡竹Pn 最高峰值[8.83 μmol/(m2·s)]的2 倍。 6 种观赏竹净光合速率日均值依次为淡竹＞斑竹＞蓉城竹＞黄槽竹＞金镶玉竹＞黄竿乌哺鸡竹(表3)。

表3 6 种观赏竹光合特征参数日均值

2.2.2 气孔导度日变化 气孔根据环境条件的变化调节其开口大小的程度称为气孔导度(Gs)，气孔导度对植物的光合作用有直接影响[16]。 由图2(b)可知，6 种观赏竹气孔导度日变化的规律与净光合速率大致相同，斑竹、淡竹、金镶玉竹、黄槽竹、黄竿乌哺鸡竹在10∶00 气孔张开程度最大，峰值分别为186.00、138.33、81.00、127.67、91.33 mmol/(m2·s)，蓉城竹在12 ∶00 时Gs 最大，为146.67 mmol/(m2·s)。 由表3 可知，6 种观赏竹气孔导度日均值依次为斑竹＞蓉城竹＞淡竹＞黄槽竹＞黄竿乌哺鸡竹＞金镶玉竹，说明斑竹、蓉城竹、淡竹对CO2的吸收量大于黄槽竹、黄竿乌哺鸡竹和金镶玉竹。

2.2.3 胞间CO2浓度日变化 CO2是植物进行光合作用和制造有机物的原料，胞间CO2浓度(Ci)的高低直接影响着植物光合速率的大小[17]。 由图2(c)可见，6 种观赏竹Ci 日变化曲线与Pn、Gs相反，不同竹种的Ci 到达低谷的时间有所不同。其中，黄竿乌哺鸡竹在10∶00 出现一次低值，斑竹在12∶00 出现一次低值，蓉城竹在14∶00 出现一次低值，淡竹、金镶玉竹、黄槽竹均出现两次低值，分别在10∶00 和14∶00。 6 种观赏竹Ci 日均值依次为淡竹＜斑竹＜黄槽竹＜蓉城竹＜金镶玉竹＜黄竿乌哺鸡竹(表3)。

2.2.4 蒸腾速率日变化 植物通常会通过调节自身的蒸腾作用来降低组织的温度，蒸腾速率(Tr)反映了植物体内水分向体外散失的情况[18]。由图2(d)可知，除金镶玉竹蒸腾速率日变化为双峰曲线外，其余竹种蒸腾速率日变化均为单峰曲线，峰值出现的时间与Pn 和Gs 吻合，早上和中午的蒸腾速率大于傍晚。 由表3 可以看出，蓉城竹Tr 日均值最高，黄槽竹最低，分别为2.40、1.58 mmol/(m2·s)，6 种观赏竹蒸腾速率日均值依次为黄槽竹＜金镶玉竹＜黄竿乌哺鸡竹＜淡竹＜斑竹＜蓉城竹。

2.2.5 水分利用效率日变化 水分利用效率(WUE)是评价植物同化效率、运转强度、抗旱效率和节水效率的重要指标[19]。 由图2(e)可知，6种观赏竹水分利用效率的日变化规律为淡竹、金镶玉竹、蓉城竹WUE 曲线呈双峰，最高峰值出现在10∶00，分别为4.79、4.87、4.04 μmol/mmol；斑竹、黄槽竹、黄竿乌哺鸡竹WUE 曲线为单峰，斑竹WUE 最高值(3.89 μmol/mmol)出现在12∶00，黄槽竹WUE 最高值(4.19 μmol/mmol)出现在10∶00，黄竿乌哺鸡竹WUE 最高值(3.62 μmol/mmol)出现在8∶00，这与黄竿乌哺鸡竹早上蒸腾速率较小、光合速率较大有关。 6 种观赏竹水分利用效率日均值依次为淡竹＞黄槽竹＞斑竹＞蓉城竹＞金镶玉竹＞黄竿乌哺鸡竹(表3)。

2.3 6 种观赏竹叶绿素含量及荧光特性比较

叶绿素荧光诱导动力学(OJIP)曲线可以反映原始光化学反应、光系统功能和结构的变化以及环境因素对光合系统的影响[20]。 O 点代表初始荧光水平(t ＝20 μs)即暗适应叶片的最小荧光，用Fo 表示；J 点(t ＝2 ms)和I 点(t ＝30 ms)是中间水平，分别用Fj 和Fi 表示；P 点(t ＝500 ms～1 s)是峰值水平，为暗适应叶片的最大荧光，用Fm 表示[21]。 由图3 可知，6 种观赏竹OJIP 点位明显，荧光信号强弱存在差异，从高到低依次为黄竿乌哺鸡竹＞斑竹＞淡竹＞金镶玉竹＞蓉城竹＞黄槽竹。 由归一化后OJIP 曲线(图4)可知，6 种观赏竹在O 相和P 相的差异较小，在J 相和I 相的差异较大。 Vt 表示标准化任意时间t 的可变荧光强度，其表达式为Vt ＝(Ft-Fo)/(Fm-Fo)，通过计算得出J 相和I 相的可变荧光强度。 其中，6 种观赏竹的Vj 从小到大排序为淡竹＜斑竹＜金镶玉竹＜蓉城竹＜黄槽竹＜黄竿乌哺鸡竹，Vi 从小到大排序为黄槽竹＜金镶玉竹＜蓉城竹＜淡竹＜斑竹＜黄竿乌哺鸡竹。

图3 6 种观赏竹OJIP 荧光诱导曲线

图4 6 种观赏竹标准化的OJIP 荧光诱导曲线

叶绿素含量与植物的光合能力密切相关，叶绿素荧光参数反映的是植物叶片对光能的吸收和利用情况[22]。 由表4 可知，淡竹、斑竹的叶绿素含量较高，黄槽竹和蓉城竹较低。 6 种观赏竹的Fo 变化幅度较小，蓉城竹初始荧光最小，黄竿乌哺鸡竹最大。 黄竿乌哺鸡竹的Fm 和Fv 最大，黄槽竹的Fm 和Fv 最小。 Fv/Fm 反映的是光系统Ⅱ最大光化学效率，6 种观赏竹的Fv/Fm 变化范围为0.784 ～0.832。 Fv/Fo 反映的是光系统Ⅱ潜在光化学活性。 斑竹和淡竹的Fv/Fm、Fv/Fo 均显著高于其它竹种，说明斑竹和淡竹具有较高的光能转化效率，其反应中心活性较高。 淡竹的PIabs和PItotal均最高，分别是黄槽竹、黄竿乌哺鸡竹PIabs的2.63、2.33 倍，PItotal的1.41、2.66 倍。

表4 6 种观赏竹叶绿素荧光参数比较

2.4 6 种观赏竹光合荧光参数的相关性

由表5 可知，6 种观赏竹光合荧光参数密切相关，反映了竹种对于当地环境的适应状况。 其中，Pn 受多个因子的影响，与Gs、Tr、WUE、PIabs极显著正相关，与PItotal显著正相关，与Ci、Fo 极显著负相关，与SPAD、Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo 均为正相关不显著。 Gs 与Ci 显著负相关，与Fo 极显著负相关，与Tr 极显著正相关，与PIabs显著正相关。 Ci 与多个参数呈负相关。 Tr 与Fv/Fm 和Fv/Fo 显著正相关，与Fo 显著负相关。 叶绿素SPAD 值与Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、PIabs均极显著正相关。 Fm、Fv 与Fv/Fm、Fv/Fo 极显著正相关。 Fv/Fm 与Fv/Fo、PIabs极显著正相关。 PIabs与PItotal极显著正相关。

表5 6 种观赏竹光合荧光参数相关性

2.5 6 种观赏竹光合能力综合分析评价

用隶属函数法对6 种观赏竹的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)、叶绿素含量(SPAD)、初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在光化学活性(Fv/Fo)、受光面积综合性能指数(PIabs)、整体综合性能指数(PItotal)共13 个指标进行分析并按照光合性能大小由高到低进行综合分析评价和排序，能够直观地看出不同观赏竹光合能力的高低。 隶属函数法计算公式如下[23]:

第一步，与净光合速率呈正相关的指标隶属函数值为R(Xa)＝(Xa-Xmin)/(Xmax-Xmin) ，式中Xa为各竹种实际测得的数值，Xmin和Xmax分别为所有竹种中该指标实际测得的最小值和最大值；

第二步，与净光合速率呈负相关的指标隶属函数值为R(Xa)＝1-(Xa-Xmin)/(Xmax-Xmin) 。

第三步，计算各竹种13 个指标隶属函数值的平均值。 平均值越大的竹种综合光合能力越强。

由表6 可知，6 种观赏竹光合能力大小依次为淡竹＞斑竹＞蓉城竹＞金镶玉竹＞黄竿乌哺鸡竹＞黄槽竹。

表6 6 种观赏竹光合能力综合评价

3 讨论与结论

光是促进光合作用并影响植物生长、形态发生和存活的基本生态因素[24]。 植物在夏季强光下的最大净光合速率和净光合速率反映了植物光合系统活性及其光能利用效率[25]。 本研究中，淡竹、斑竹、蓉城竹Pnmax较大，金镶玉竹、黄槽竹、黄竿乌哺鸡竹的Pnmax较低，其中，金镶玉竹出现了光抑制现象，并采取关闭部分气孔、降低蒸腾速率的方法降低组织温度，减少强光对光合系统的损伤。 除金镶玉竹光合日变化为双峰外，其它竹种光合日变化的Pn、Gs、Tr 均为单峰型，说明这些竹种对夏季强光均具有不同程度的适应性。 淡竹的Pn、WUE 显著高于其它竹种，同时LCP、Rd、Ci 较低，说明淡竹具有较好的碳水平衡能力，能够有效利用水分接受强光，对弱光也表现出良好的适应性，而且淡竹对于光合产物的消耗小，有机物质积累较多，这与张洋洋等[26]对沿海沙地淡竹的研究结果一致。 黄竿乌哺鸡竹的Pn、LSP、WUE 显著低于其它5 种观赏竹，Rd、Ci 最高，说明黄竿乌哺鸡竹不耐强光，在进行光合作用时消耗的产物较多，光合能力较差；金镶玉竹和黄槽竹的LCP 较高，说明它们更适应遮荫环境，有机物质积累能力较差。

叶绿素荧光动力学OJIP 曲线的OJ 阶段在很大程度上由初级光化学驱动，主要反映的是初级PSⅡ醌电子受体(QA)的减少，JI 阶段由生物化学反应主导，主要反映的是系统间电子载流子的减少，如次级PSⅡ醌电子受体(QB)[27，28]。 本研究中，淡竹Vj 最小、Vi 较小，黄竿乌哺鸡竹Vj、Vi 最大，说明淡竹PSⅡ质体醌(PQ)电子传递速率最快，黄竿乌哺鸡竹最慢，这与蔡粟唯等[29]的研究结果一致。 Fv/Fm 反映的是PSⅡ最大光化学效率，可以用来推断植物的受胁迫程度。 植物正常生长状态下的Fv/Fm 范围为0.80 ～0.84，淡竹、斑竹的Fv/Fm 较高，分别为0.830、0.832，除黄槽竹为0.784 外其余竹种Fv/Fm 值均大于0.8，推测黄槽竹受到当地环境胁迫的可能性较大。 性能指数PIabs是表达PSⅡ总光合活性最敏感的参数，总性能指数PItotal指示PSⅡ、PSⅠ和系统间电子传递链的整体功能活性，淡竹和斑竹的PIabs、PItotal均较高，说明它们光系统反映中心的活性较大，对环境的适应性强。

综合本研究结果，6 种观赏竹光合性能之间差异显著。 光合参数与荧光参数表现出极大的相关性，其中竹种叶片净光合速率与气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率、叶片受光面积综合性能指数极显著正相关，与整体综合性能指数显著正相关，与胞间CO2浓度、初始荧光强度极显著负相关。利用隶属函数法基于13 个指标进行综合分析得出，6 个竹种光合能力大小依次为淡竹＞斑竹＞蓉城竹＞金镶玉竹＞黄竿乌哺鸡竹＞黄槽竹。 因此，淡竹、斑竹属于高光竹种，具有较好的环境适应能力，可以作为南竹北移的优秀绿化竹种，能够对聊城等北方城市的生态环境改善起到重要作用。