濒危植物香果树不同生境下光合荧光特性的比较

毛小涛，郭连金，程薪宇，薛苹苹，杨 锌，刘晓静

（1. 上饶师范学院 生命科学学院，江西 上饶 334001；2. 上饶农业技术创新研究院，江西 上饶 334001；3. 河南内乡宝天曼国家级自然保护区管理局，河南 南阳 474350）

香果树（Emmenopterys henryiOliv.）属茜草科（Rubiaceae），为我国单种属特有的孑遗植物，对研究茜草科植物系统演化、发育及地理区系等具有重要科学价值［1-2］。因此，对不同生境的香果树开展光合特性研究有助于提高香果树光合能力，增强幼苗的竞争力，促进种群的恢复和自我更新。光与植物环境的关系是研究植物生理生态的热点问题之一，光合特性是决定植物在群落中地位的关键因素，也是评价植物适应环境的重要因子［3-5］。生境改变是植物濒危的重要因素［6］。生境片断化及相关非生物因子的改变显著影响濒危植物的生长生存［7］。香果树树形优美，花艳丽且大，开花时如“金花玉叶”般，还富有香气，是优秀的观赏树木［8］。香果树还有非常好的药用价值，其根和树皮可治疗恶心、呕吐、跌打损伤，提取出来的吲哚生物碱有一定的抗癌作用［9-10］。目前，关于香果树的研究主要集中在形态解剖、种子特性、开花特性、遗传差异、群落特性等方面［11-15］。在光合特性方面，香果树幼苗喜荫，大树喜光，其种子萌发、母树开花结实都需要充足的光照［1，16］。刘鹏［17］等发现高光强对香果树幼苗生长不利，低强度和中强度光强下香果树生长良好。康华靖［18］等发现香果树对光环境有特殊的要求，光照过强或过弱都影响其生长发育，其中800 ~ 900 m 海拔是香果树生长最佳区域。同一生境中树冠下、树冠边缘、林窗和林缘的香果树幼苗的光合特性有所不同，冠下和冠缘幼苗光合日变化呈单峰型，林窗和林缘幼苗的光合日变化呈双峰型［19］。前人研究多数是在相同的生境中进行的，而不同生境中香果树的光合特性还没有被报道。本研究对宝天曼自然保护区、青苔关林场、武夷山国家公园三种生境中香果树光合和叶绿素荧光特性进行比较研究，旨在探讨不同生境下香果树的光合特性差异，以期为香果树保护及种群恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

河南伏牛山宝天曼自然保护区（33°25′ ~ 33°33′N，110°53′ ~ 111°49′E）位于伏牛山南麓、秦岭东段，年均温9 ~ 9.4℃，年均降水量893.2 mm，年均蒸发量991.6 mm，相对湿度51.2%，≥ 10℃的年积温为4 200 ~ 4 900℃，无霜期为227 d，土壤类型主要为黄棕壤、棕壤和暗棕壤，植被类型以温带落叶阔叶林为主［20］；湖北大别山青苔关林场（31°11′ ~ 31°48′N，115°42′ ~ 116°07′E）位于大别山南麓，年均温9.5 ~12℃，年均降水量1 629 mm，相对湿度62.5%，≥ 10℃的年积温为4 500 ~ 5 500℃，土壤类型以黄棕壤和山地黄棕壤为主；福建武夷山国家公园（27°33′ ~27°54′N，117°27′ ~ 117°51′E）年平均气温在12 ~13℃，年均降水量2 150 mm，年均蒸发量1 492 mm，相对湿度为84%，无霜期为253 ~ 272 d，土壤类型主要有红壤、黄红壤、黄壤和山地草甸土［21］。

1.2 试验设计

1.2.1 香果树光合特性试验

通过温室（上饶师范学院生态园）种植香果树幼苗，采用便携式光合仪（Li-6 400xt，美国LI-COR公司）对1 ~ 2 年龄（SC）和3 ~ 6 年龄（MC）香果树幼苗光合日变化、光合响应曲线、二氧化碳（CO2）响应曲线测定，确定香果树光饱和点、CO2饱和点及光响应曲线，为野外试验做前期测定准备。

1.2.2 野外香果树光合及荧光特性试验

2019 年7 ~ 8 月对三种生境中的香果树进行光合及荧光特性测定。每种生境中选取生长良好的香果树，分别选取1 ~ 2 年龄幼树（S），3 ~ 10 年龄小树（M），10年以上龄大树（D）3 ~ 5株，每株选择枝条顶端第3 ~ 4 片完全展开长势良好的成熟叶片进行光合及荧光指标测定。光合及荧光参数使用便携式光合仪测定。

1.3 试验方法

1.3.1 光合日变化、光合响应曲线、CO2响应曲线测定

以温室培养的香果树苗（1 ~ 2 年龄苗为SC，3 ~6 年龄苗为MC）为试验材料进行光合日变化、光合响应曲线、CO2响应曲线测定。

光合日变化测定：于2019 年7 月3 日6：00 ~18：00 进行，在自然光照下测定，每2 h 测量一次，每类苗测3 株，每株测5 个重复，记录每个时间点的净光合速率。

光响应曲线测定：于2019 年7 月5 ~ 6 日进行，温度设定为25℃，CO2浓度设定为400 µmol·mol-1，使用红蓝光源提供不同有效光强，强度分别设定为1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 µmol·m-2·s-1，测定不同光照强度下的香果树叶片净光合速率。

CO2响应曲线测定：于2019年7月8 ~ 9日进行，温度设定为25℃，有效光强依光响应曲线测定的香果树光饱和点进行设定，由外源钢瓶提供不同浓度CO2，浓度设定为 400、400、600、50、80、150、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 500 µmol·mol-1，测定不同CO2浓度下的叶片净光合速率。

1.3.2 不同生境香果树光合及荧光参数测定

光合参数测定：光合参数在晴朗的天气上午9：00 ~ 12：00进行测定，试验在2019年完成，其中宝天曼自然保护区（BTM）于7 月11 日测定，青苔关林场（QTG）于7 月13 日测定，武夷山国家公园（WYS）于7月28日测定，使用Li-6400xt光合仪测定光合参数，使用红蓝光源，光强依据光响应曲线测定结果设定，测定净光合速率、气孔导度、蒸腾速率及水分利用效率（净光合速率/蒸腾速率）等参数，每个生境不同树龄香果树重复5次。

荧光参数测定：荧光参数测定与光合参数测定同时进行，测定光系统Ⅱ有效光化学效率（Effective photochemical efficiency of PSII， Fv′/Fm′）、光化学淬灭（Photochemical quenching， qP）、非光化学淬灭（Non-photochemical quenching， NPQ）、电子传递效率（Electron transport rate， ETR）等参数，每个生境不同树龄香果树重复3次。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010 软件对数据进行处理，使用SPSS 16.0 软件进行数据统计分析，用单因素方差分析（one-way ANOVA）结合Duncan 检验差异性，使用GraphPad Prism软件作图。

2 结果与分析

2.1 香果树光合特性

2.1.1 香果树光响应曲线

由图1 可以看出，1 ~ 2 年龄（SC）和3 ~ 6 年龄（MC）香果树的光响应曲线变化趋势基本一致，在光照强度小于200 µmol·m-2·s-1时，净光合速率随光照强度的增加迅速增大，之后随光照强度增加，净光合速率增加速度明显降低，直到净光合速率达到最大后增长趋于平缓。由图中可以看出光照强度达到400 µmol·m-2·s-1时，1 ~ 2 年龄苗和3 ~ 6 年龄苗的光合速率达到最大，此时的光照强度为香果树幼苗的光饱和点。其中1 ~ 2 年龄苗在达到光饱和点后，净光合速率随光照强度增加逐渐下降，表现出明显的光抑制现象。

图1 香果树光响应曲线Fig.1 Light response curve of E. henyi

2.1.2 香果树CO2响应曲线

由图2 可以看出，1 ~ 2 年龄（SC）和3 ~ 6 年龄（MC）香果树的CO2响应曲线变化趋势基本一致，在CO2浓度小于1 200 µmol·mol-1时，净光合速率随CO2浓度的增加迅速增大。当CO2浓度达到1 200 µmol·mol-1时，净光合速率不再增加并有明显的下降趋势，两种幼苗都表现出CO2抑制现象。表明1 200 µmol·mol-1的CO2浓度为两种生长年限香果树的CO2饱和点。

图2 香果树CO2响应曲线Fig.2 CO2 response curve of E. henyi

2.1.3 香果树光合日变化

为了探讨香果树光合日变化，对1 ~ 2年龄（SC）和3 ~ 6 年龄（MC）香果树光合参数日变化进行测定，结果如图3所示，两种生长年限的香果树光合速率都表现出明显的双峰型变化趋势，并有明显的“午休”现象。其中生长年限长的香果树光合速率高于生长年限短的。

图3 香果树净光合速率日变化Fig.3 Diurnal variations of photosynthetic rate of E. henyi

2.2 不同生境对香果树光合特性的影响

为了探讨不同生境下香果树光合特性，在生长季分别对宝天曼自然保护区（BTM）、青苔关林场（QTG）、武夷山国家公园（WYS）香果树光合特性进行测定，其中青苔关林场香果树为迁地保护种群。三种生境下香果树的光合参数变化如图4 所示，三种生境中宝天曼自然保护区香果树不同年限间净光合速率没有显著差异，青苔关林场和武夷山国家公园10 年以上龄香果树净光合速率明显高于1 ~ 2年龄幼树，其中宝天曼自然保护区香果树的净光合速率最低（图4A）；三种生境中香果树气孔导度随树龄增加而增加，青苔关林场增加趋势最明显，宝天曼自然保护区和武夷山国家公园香果树气孔导度变化趋势相似，1～2 年龄最低（图4B）；三种生境中香果树蒸腾速率随树龄增加而增加，树龄越大，蒸腾速率越大，其中武夷山10 年以上龄香果树最高（图4C）；三种生境中香果树水分利用效率有显著差异，树龄越小其水分利用效率越高，宝天曼自然保护区和青苔关林场都是1 ~ 2 年龄幼树水分利用效率最高，武夷山国家公园香果树的水分利用效率各树龄之间无显著差异（图4D）。

图4 不同生境下香果树光合指标变化Fig.4 Photosynthetic parameters of E. henyi in different habitats

2.3 不同生境对香果树荧光特性的影响

由图5 可以看出，三种生境香果树间的有效光学化学效率（Fv′/Fm′）有显著差异，宝天曼自然保护区最高，青苔关林场次之，武夷山国家公园最低，其中宝天曼自然保护区1 ~ 2 年龄幼树的最高达到0.71，显著高于其它树龄，其它两个生境中树龄越大Fv′/Fm′越大（图5A）；宝天曼自然保护区的香果树光化学淬灭（qP）最低，青苔关林场和武夷山国家公园没有显著差异，三种生境中随树龄增加qP有增加趋势（图5B）；宝天曼自然保护区和青苔关林场香果树不同树龄间非光化学淬灭（NPQ）没有显著差异，只有武夷山国家公园1 ~ 2 年树龄的香果树NPQ 显著高于10 年树龄以上的香果树（图5C）；宝天曼自然保护区电子传递效率（ETR）最低，青苔关林场和武夷山国家公园的ETR 基本一致，具有随树龄增加而增加的趋势（图5D）。

图5 不同生境下香果树荧光指标变化Fig.5 Chlorophyll fluorescence parameters of E. henyi in different habitats

3 讨论

光响应曲线和CO2响应曲线是了解植物光合作用特性的主要内容之一，光合日变化体现了植物利用光能的变化趋势，能够体现植物与环境的相互关系［22，23］。通过对香果树幼苗光响应曲线和CO2响应曲线测定，发现香果树幼苗光饱和点为400 µmol·m-2·s-1，CO2饱和点为1 200 µmol·mol-1，日变化为双峰曲线，存在有明显的“午休”现象，表明香果树幼苗属喜荫植物，在光照强度过大时，出现明显的光抑制。此结果与刘鹏、李冬林、宋丽莉［17，24，25］等研究结果相同，香果树幼苗在低光强环境中生长良好，高光强环境对香果树幼苗生长不利。在香果树保护中，建议幼苗阶段适当控制光照强度，有利于幼苗茁壮生长。

香果树主要分布在我国亚热带不连续的温带落叶森林中，在这些狭窄的分布区内，香果树种群由于生境退化、生理生态适应能力下降，导致其种群不断萎缩［8，18，26］。光照是影响香果树分布的重要因素之一，决定其干物质积累和生长发育［27］。比较不同生境下光合特性有助于了解香果树与生存环境之间的适合度。本研究结果发现纬度越高香果树净光合速率越低，树龄越大香果树净光合速率越高；不同生境中3 ~ 10年龄香果树的气孔导度最高，2年以下龄和10年以上龄香果树气孔导度没有显著差异；不同生境中香果树的蒸腾速率随树龄增加而逐渐增加，武夷山10 年以上龄香果树蒸腾速率最大；相对应香果树水分利用效率随树龄增加而减小，武夷山10年以上龄香果树蒸腾速率最小。此结果与郭连金、刘鹏［1，17］等发现的香果树幼树喜荫、大树喜阳的光合特性一致。香果树幼树喜荫，光合速率小，大树喜阳光合速率大，导致幼树竞争力弱，其中武夷山香果树幼苗最多，青苔关香果树幼苗次之，宝天曼香果树幼苗最少，此结果可能是不同纬度光照强度不同所导致，也与香果树自身光合特性相关。

植物叶绿素荧光具有光合作用探针的作用，通过对荧光参数的测定能够揭示植物光合响应机制［28-30］。本研究结果发现宝天曼保护区2 年龄以下香果树Fv′/Fm′最高，其它两个生境各树龄之间Fv′/Fm′没有显著差异，说明香果树树龄越大，光系统Ⅱ（PSⅡ）反应中心开放度越小；宝天曼保护区香果树qP 显著低于其它两个生境，3 个生境中3 ~ 10 年龄香果树qP 最高，2 年以下龄香果树qP 最低，说明随纬度增加，香果树PSⅡ光电子传递效率下降，这与香果树ETR 随纬度增加而增加相吻合。NPQ 是PSⅡ天线色素以热能的形式耗散的光能，是植物自我保护的机制［29］。3 个生境中武夷山保护区香果树NPQ 最高，随树龄增加香果树NPQ 有下降趋势，说明随树龄增加香果树碳同化累积的能量增多。结果表明宝天曼保护区香果树电子利用效率和非光化学淬灭是3 个生境中最低的，说明纬度显著影响了香果树叶绿素荧光特性。

4 结 论

综上，香果树幼苗在低光强下生长良好，高光强对其幼苗生长有抑制作用。纬度越高香果树净光合速率越低，树龄越大香果树净光合速率越高，这可能是导致香果树幼苗随纬度增加而减少的原因之一。香果树光电子利用效率随纬度增加而降低，生境不同影响了香果树的叶绿素荧光特性。因此，在保护过程中应根据纬度不同，确定不同的保护策略，高纬度地区可以采用栽植种苗增加种群幼苗数量，低纬度地区可以通过间伐降低冠层遮荫促进幼苗生长，保证香果树自然更新。