全 文 :第38卷 第3期 西 南 师 范 大 学 学 报 (自然科学版) 2013年3月
Vol.38 No.3 Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition) Mar.2013
文章编号:1000-5471(2013)03-0120-07
重庆地区黄葛树夏季光合日变化
与主要环境因子的关系
①
刘 磊1,2, 李旖旎1,2, 夏 磊1,2, 王海洋1, 李名扬1,2
1.西南大学 园艺园林学院,南方山地园艺学教育部重点实验室,重庆400716;2.重庆市花卉工程技术研究中心,重庆400716
摘要:于2011年7月中旬采用Li-6400便携式光合仪研究了夏季黄葛树净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)的日变化
规律,探讨了Pn 和Tr与主要环境因子的关系.结果表明:黄葛树Pn 日变化为双峰型,有明显的“午睡”特征,为
气孔限制因素所致;Tr日变化则为单峰型.黄葛树具有较低的光补偿点(LCP)和较高的光饱和点(LSP),分别约为
21.33μmol/(m
2·s)和1 633.46μmol/(m
2·s),表观量子效率(AQY)约为0.034,为典型的阳生植物.相关分析、
通径分析和决策系数分析显示:主要环境因子对Pn 日变化直接作用大小为叶面温度(tl),空气CO2 浓度(Ca),光合
有效辐射(PAR)和水气压差(VDP),其中起主要决策作用的因子为PAR,主要限制性因子为Ca和 VDP;对Tr日
变化直接作用大小为胞间CO2 浓度(Ci),光合有效辐射(PAR),空气相对湿度(RH),水气压差(VDP)和叶面温度
(tl),其中起主要决策作用的因子为PAR,主要限制性因子为tl和Ci.
关 键 词:黄葛树;净光合速率;蒸腾速率;日变化;环境因子
中图分类号:S792 文献标志码:A
随着城市化的高速推进以及市民对城市环境的高要求,以自然、生态为导向的园林绿地代替传统以视
觉景观为主的园林绿地是未来城市发展的必然趋势[1],也是“森林重庆”和“宜居重庆”的建设要求.而园林
植物是构建“森林重庆”和“宜居重庆”的主体,如何正确地选择、配置和管理、养护园林植物已成为城市园
林绿地建设过程中亟待解决的问题.
黄葛树(Ficus Virens Air.Var sublanceotam)属桑科(Moraceae)榕属(Ficus L.)落叶阔叶乔木,是我国
亚热带地区的广布树种,有时具气根.叶互生,长椭圆形或近披针形;全缘;隐头花序(榕果),花序单生或
成对腋生,或3~4个簇生于已落叶的老枝上,近球形,成熟时黄色或红色,花期5-6月.黄葛树较喜光,
耐旱,耐瘠薄,适应性强,极易繁殖,且绿化性能良好,是重庆主要的乡土树种,并于1986年被政府定为
重庆市市树,为重庆市常见的绿化行道树种之一,亦可以用于公园湖畔、草坪、河岸边、风景区,孤植或群
植造景,提供人们游憩、纳凉的场所[2].
目前,国内对黄葛树的研究主要集中在其生理特性[3]、病虫害防治[4-5]、园林规划设计和植物造景中
的应用[6-8]等方面,对于其光合生理生态特性的研究主要涉及光合速率、蒸腾速率和固碳释氧、降温降湿
及生态效应等[9-11],而重庆地区自然条件下黄葛树光合作用日变化及其与环境因子之间的关系尙未见报
道.本文在测定黄葛树光合作用和蒸腾作用相关指标的基础上,阐述了其净光合速率、气孔导度、蒸腾速
率、胞间CO2 浓度等的日变化特征及其之间的关系,其结果可为黄葛树栽培养护提供光合生理生态方面的
① 收稿日期:2012-03-09
基金项目:国家自然基金项目(30872063)、科技部技术人员服务企业行动项目(2009GJF10034).
作者简介:刘 磊(1972-),男,四川康定人,讲师,博士研究生.主要从事风景园林规划与设计研究.
通信作者:李名扬,教授,博士生导师.
DOI:10.13718/j.cnki.xsxb.2013.03.008
理论依据.
1 材料与方法
1.1 试验地概况及试验材料
试验于2011年7月中旬在西南大学校园内进行(重庆市北碚区,106°24′-106°26′E,29°48′-29°50′
N),试验区属中亚热带季风性湿润气候,年平均气温18℃左右,冬季气温平均6℃~8℃,夏季平均气温
27℃~29℃,年降水量为1 000~1 400mm,年日照平均数为1 000~1 400h.夏天暑季气候炎热,秋冬
时节雾天长达100d左右.黄葛树位于西南大学校园内,选取平均胸径为20~25cm作为试验材料.
1.2 研究方法
1.2.1 光合日变化测定
在晴朗无风、光照充足的天气条件下,采用Li-6400便携式光合仪(美国Li-COR公司)的开路系统(空
气流速为500μmol/s)从08:00-18:00每2h测定1次净光合速率(Pn,μmol/(m
2·s))和蒸腾速率(Tr,
mmol/(m2·s)),并同步记录光合有效辐射(PAR,μmol/(m
2·s))、气温(ta,℃)、叶片温度(tl,℃)、空
气相对湿度(RH,%)、空气CO2 浓度(Ca,μmol/mol)、胞间CO2 浓度(Ci,μmol/mol)、气孔导度(Gs,
mol/(m2·s))、水气压差(VPD,kPa)等参数值.测定选取黄葛树中部冠层阳面树枝前端第3~5片叶片,
重复3次,重复测定3株,取平均值.根据测定的气体交换指标由下列公式得出[12]:叶片气孔限制值(Ls),
Ls=1-Ci/Ca;水分利用率(WUE,μmol/mmol),WUE=Pn/Tr;光能利用率(LUE,%),LUE=Pn/PAR.
1.2.2 光响应曲线测定
在09:30-10:30叶片经充分光诱导后,采用Li-6400附带的6400-02B型LED红/蓝光源控制叶室内
的光强,光合有效辐射设置为2 000,1 800,1 500,1 200,1 000,800,500,200,100,80,50,20,0μmol/(m
2·s),
测定其Pn.测定时的ta为(30.57±1.01)℃,Ca为(225.24±3.15)μmol/mol,RH为(55.31±1.12)%.
依据公式Pn=Pn max(1-C0exp(-ΦI/Pnmax))拟合Pn-PAR曲线(其中Pn max为最大净光合速率,Φ为表观
量子效率(AQY),I为光合有效辐射,C0 为度量弱光下净光合速率趋于0的指标).通过适合性检验,拟合
效果良好(R2=0.987).并计算出光补偿点(LCP,μmol/(m
2·s)):LCP=Pn maxlnC0/Φ和光饱和点(LSP,
μmol/(m
2·s)):LSP=Pn maxln(100C0)/Φ等参数[13].
1.3 数据处理及统计方法
采用Origin8.0软件进行光响应曲线拟合和积分计算;采用统计软件SPSS Statistics和 Microsoft Ex-
cel 2007对数据进行相关性分析、逐步多元回归、通径分析和决策系数分析等.
2 结果与分析
2.1 主要环境因子的日变化
一天中光合有效辐射(PAR)呈单峰型变化,在14:00左右达到最大值(约(1 453.47±15.23)μmol/(m
2·s)),
随后逐渐减弱,变化幅度较大;大气CO2 浓度(Ca)经过夜间的富集,在早晨最高,随着植物光合作用的进
行,Ca迅速下降,在12:00左右形成一个低谷(251.82±1.16μmol/mol),此后有所回升并保持相对平稳
(图1A).随着PAR的逐渐增大,大气温度(ta)和叶面温度(tl)亦逐步升高,ta 与tl 变化趋势较一致,
12:00—16:00时较高,同一时段tl低于ta,但差异不显著(P>0.05)(图1B).空气相对湿度(RH)随着ta
的升高而不断降低,在14:00达全天的最低点,然后小幅度回升;全天水气压差(VPD)呈单峰曲线变化,
与RH的日变化基本相反,其最大值出现在14:00左右(图1C).
2.2 净光合速率和光能利用率的日变化
黄葛树净光合速率(Pn)的日变化曲线呈双峰型,2个峰值分别出现在10:00左右((11.80±0.66)
μmol/(m
2·s))和14:00左右((11.06±0.23)μmol/(m
2·s)),其中第2峰值较第1峰值略低,12:00左
右出现峰谷,存在明显的光合“午睡”现象.Pn 日均值约为(9.07±0.99)μmol/(m
2·s),同时根据图2计
算出黄葛树日同化CO2 量即Pn对时间的日积分值,约为347.03mmol/(m2·d).
121第3期 刘 磊,等:重庆地区黄葛树夏季光合日变化与主要环境因子的关系
图1 主要环境因子日变化
光能利用率(LUE)是指植被通过光合作用固定太阳能的效率,表现为一定光能下植物通过叶片光合组
织固定的碳量,LUE反映了植物对不同光强的利用能力[14].一天中,黄葛树的LUE介于0.006~0.020之
间,低于0.050.LUE呈“U”型变化,早晚较高,中午(12:00)急剧下降至最低值(0.006%),因为此时的Pn
最低,而PAR却很高(图2).Pn与LUE间呈显著负相关(r=-796,P<0.05),符合许大全的论述[15].
2.3 蒸腾速率和水分利用率的日变化
黄葛树蒸腾速率(Tr)的日变化为单峰曲线,呈早晚较低,随着PAR和温度的升高,逐渐增高,最大值
出现在14:00左右,约为(5.43±0.27)mmol/(m2·s),与叶面温度(tl)最高峰出现的时间一致,说明黄葛
树通过加速蒸腾作用来调节tl不至于过度升高的同时,通过水分运输矿质营养成分的不断供应,满足较高
的Pn,保持较强的光合能力[16],这是植物对午间高光强高温的一种适应.Tr 日均值约为(3.51±0.37)
mmol/(m2·s),同时根据图3计算出黄葛树日蒸腾量即Tr对时间的日积分值,约为123.89mol/(m2·d).
图2 黄葛树Pn和LUE日变化 图3 黄葛树Tr和 WUE日变化
植物水分利用效率指植物消耗单位水分所生产的同化物质的量,它实质上反映了植物耗水与其干物质
生产之间的关系,是评价植物生长适宜程度的综合生理生态指标[17].黄葛树的 WUE日变化趋势与Tr变
化基本相反,从08:00—12:00WUE变化趋势较大,之后逐渐上升,16:00后又有所下降(图3).WUE与
Tr间呈负相关,但不显著(r=-0.581,P>0.05).
2.4 气孔导度与胞间CO2 浓度和气孔限制值的日变化
气孔导度(Gs)受环境因子影响很大,适宜的光强有利于气孔开张,气孔阻力降低,Gs增大,在土壤水
分充足时,植物为避免高温灼伤叶片,可通过蒸腾作用带走叶片热量,增大Gs[18].在08:00时黄葛树Gs值
较低,可能是低温导致CO2 扩散能力的降低,从而使叶片的Gs值较低[19];随着PAR的增加,叶面温度开
始上升,利于气孔张开,Gs值也缓慢上升,并在10:00—14:00长时间保持较高水平,随后随PAR的下降
而减小.
Farquhar和Sharkey等[20-21]认为,影响Pn下降有气孔限制和非气孔限制两方面因素,气孔限制使Gs
下降,阻止了CO2 的供应;非气孔限制是叶肉细胞光合能力下降,使叶肉细胞利用CO2 的能力降低,从而
221 西南师范大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第38卷
图4 黄葛树Gs、Ci和Ls日变化
使Ci含量升高.而判断叶片光合速率降低的主要原因是
气孔因素还是非气孔因素的2个可靠判据,是Ci和Ls
的变化方向,即Ci降低和Ls升高表明Pn降低的主要原
因为气孔因素;而Ci增高或不变和Ls降低则表明主要
原因是非气孔因素[22].黄葛树Pn 日变化为双峰型,其
中12:00和16:00时Pn 降低,黄葛树的Ls均呈增高趋
势,Ci均呈降低趋势,故此时Pn降低均为气孔限制因素
引起(图4).
2.5 光合作用光响应曲线
植物的光合———光响应曲线(Pn-PAR曲线)是光合
作用随着PAR而改变的系列反应曲线,这种曲线的测定
对于判定植物的光合能力非常有用,通过曲线可以得到
表观量子效率、光合能力、光补偿点、光饱和点和暗呼吸速率等反映植物光合特性的生理参数(表1),同时
光响应曲线也是模拟和计算冠层光合作用的基础,因此测定Pn-PAR曲线在植物生理生态学研究领域是一
项十分重要的研究内容[23-24].黄葛树Pn 随着PAR的增加而增加,尤其在0~200μmol/(m
2·s)左右时,
图5 黄葛树光响应曲线(R2=0.983 5)
Pn几乎呈直线上升(Pn=1.269PAR-3.231,R2=0.968
7),在PAR超过1 000μmol/(m
2·s)时,Pn 上升速度开
始减慢,并趋于平缓(图5).植物的光饱和点(LSP)和光
补偿点(LCP)反映了植物对光照条件的要求,分别体现了
对强光和弱光的利用能力,黄葛树的LSP和LCP分别为
1 633.46μmol/(m
2·s)和21.33μmol/(m
2·s),说明为
黄葛树典型的阳生植物;反映植物在弱光下吸收、转换和
利用光能能力[25]以及光合作用中光能转化效率的指标[26]
表观量子效率(AQY)约为0.034;反映植物在单位面积叶
片上所能将大气中CO2 转化成生物有机物最大潜力的最
大净光合速率(Pn max)约为11.80μmol/(m
2·s).
表1 黄葛树主要光合参数
LCP/(μmol·m
-2·s-1) LSP/(μmol·m
-2·s-1) Pn max/(μmol·m
-2·s-1) AQY
21.33 1 633.46 11.80 0.034
2.6 Pn和Tr与主要环境因子的关系
表2列出了Pn、Tr与主要环境因子的相关系数矩阵.相关分析表明,黄葛树Pn 与PAR、tl之间呈显
著正相关(P<0.05);而Tr与VDP、PAR、tl之间呈显著正相关(P<0.05).
表2 Pn 与环境因子的相关系数
Pn Gs Ci Tr VDP ta tl Ca RH PAR
Pn 1
Gs 0.482 1
Ci -0.706 0.223 1
Tr 0.376 0.290 -0.395 1
VDP 0.431 -0.270 -0.786* 0.731* 1
ta 0.575 0.0334 -0.784* 0.727 0.717 1
tl 0.745* 0.157 -0.832* 0.718* 0.729 0.972** 1
Ca -0.168 -0.110 0.367 -0.647 -0.351 -0.819* -0.694 1
RH -0.496 0.125 0.795* -0.715 -0.801* -0.975** -0.939** 0.737* 1
PAR 0.829* 0.529 -0.647 0.740* 0.561 0.757* 0.841* -0.569 -0.642 1
注:*、**分别表示在0.05和0.01水平上显著.
321第3期 刘 磊,等:重庆地区黄葛树夏季光合日变化与主要环境因子的关系
简单相关关系不能很好地反映多因子影响下的相关性,为确定生态因子变化对黄葛树光合生理特性的
影响程度,采用逐步多元回归分析方法,建立了多元线性回归方程.
Pn与主要环境因子的回归方程为:Pn=-46.67 5+0.093 7Ca+0.002 6PAR+0.794 2tl-0.741 5VDP
(R2=0.995 4),故黄葛树Pn的主要环境影响因子为Ca、PAR、tl和VDP.进一步通径分析表明(表3):各
影响因子的直接作用绝对值大小顺序为tl,Ca,PAR和VDP.tl的直接作用最大,且为正作用,这与两者的
相关性是一致的,说明夏季tl对于的Pn的变化起到了主导作用;Ca与Pn的相关系数较低,可能是其直接
作用被tl的负作用所掩盖;PAR与Pn呈显著正相关,而PAR的直接作用较小,原因可能是PAR除了直
接影响Pn外,还通过tl,Ca和VDP的间接作用影响Pn.
决策系数(R2)是通径分析中的决策指标,用它可以把各自变量对因变量的综合作用进行排序,排序最
大的变量为主要决策变量,但未必它的直接决定作用大;排序最小的变量,若其决策系数为负,则为主要
限制性变量,但未必它的直接决定作用小[27].各环境因子对黄葛树Pn的决策系数表明(表3):其大小排序
为R2(PAR),R2(tl),R2(VDP)和R2(Ca).其中R
2
(Ca)
最小且为负值,但其直接作用较大.故夏季PAR为主要决策变量,
tl次之,而VDP和Ca为主要限制性变量.
表3 Pn 与环境因子的通径系数和决策系数
环境因子 直接作用
间接作用
Ca PAR tl VDP
决策系数
(R2)
Ca 0.786 7 -0.326 9 -0.781 3 0.153 1 -0.883 9
PAR 0.574 2 -0.447 8 0.947 3 -0.244 5 0.622 6
tl 1.126 3 -0.545 8 0.483 0 -0.318 0 0.410 7
VDP -0.436 1 -0.276 1 0.321 9 0.821 3 -0.566 1
Tr与主要环境因子的回归方程为:Tr=2.606 7-0.040 7Ci+0.608 0VDP-1.150 6tl-0.073 2RH+
0.001 9PAR(R2=1.000 0),则影响Tr日变化的环境因子主要是Ci、VDP、tl、RH和PAR.通径分析表
明环境因子对Tr直接作用绝对值大小为:Ci,PAR,RH,VDP和tl(表4).tl的直接作用最小,但是它通过
其他环境因子的简介作用相对较大.
各环境因子对Tr的决策系数大小排序为:R2(PAR),R2(VDP),R2(RH),R2(tl)和R
2
(Ci).中R
2
(Ci)
最小且为负,但其
直接作用最大.故PAR是主要决策变量,其次是VDP和RH,tl和Ci是主要限制性变量.
表4 Tr与环境因子的通径系数和决策系数
环境因子 直接作用
间接作用
Ci VDP tl RH PAR
决策系数
(R2)
Ci 0.963 1 -0.556 0 0.355 8 -0.628 7 -0.529 3 -1.688 4
VDP 0.707 3 -0.757 0 -0.311 7 0.633 5 0.459 0 0.533 8
tl -0.427 6 -0.801 3 0.515 7 0.742 6 0.688 0 -0.796 9
RH -0.790 9 0.765 7 -0.566 6 0.401 5 -0.525 2 0.505 5
PAR 0.818 1 -0.623 1 0.396 8 -0.359 6 0.507 7 0.541 5
3 结论与讨论
黄葛树是重庆市的乡土树种,在园林绿化中较为成熟,通过对其光合日变化与主要环境因子的关系研
究表明:夏季黄葛树的Pn日变化呈双峰曲线,有明显的“午睡”现象.引起“午睡”现象的原因很多,主要是
强光、高温、低湿和土壤干旱等环境条件引起的气孔部分关闭和光暗呼吸加强或光合作用光抑制的发
生[28].根据气孔限制理论及其判别依据和标准,引起夏季黄葛树午间Pn 的原因为气孔限制因素,即气孔
部分关闭引起.Tr日变化为单峰曲线.Tr与Pn日变化规律不同,说明植物的蒸腾作用过程及其影响因素
与光合作用不同.
Kristina[29]指出研究者常常以高Pn 和高 WUE被作为植物生存和广泛分布能力强弱的指标.黄娟
等[30]认为Pn能表征植物的光合能力,即在相同条件下,高Pn的植物具有更强的光合能力和对环境的适应
能力;而 WUE表征植物有效利用水分的能力,即在相同条件下,WUE高的植物的抗旱能力较强.本文研
421 西南师范大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第38卷
究结果表明,黄葛树夏季日光合同化量和 WUE均较强,说明这与廖建雄[9]等对武汉市常用园林植物的研
究结果不一致,可能与其选用的试验材料年龄、生长环境和测定方式不同有关.
植物的光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)反映了植物对光照条件的要求,分别体现了对强光和弱光的利
用能力,一般LCP和LSP均较低的为典型的阴生植物,反之为典型的阳生植物(LCP在9~27μmol/m
2·s之
间,LSP在360~900μmol/m
2·s之间[31]).有观点认为,LCP较低和LSP较高的植物对光环境的适应性
较强,而LCP较高和LSP较低的植物对光照的适应性相对较窄[32].根据光响应曲线模型得出黄葛树的
LSP和LCP分别为1 633.46和21.33μmol/m
2·s,为典型的阳生植物,且对光环境的适应性较强,可能
与其长期适应重庆地区夏季高光强,冬季多雾的环境有关.其AQY约为0.034,这一结果符合长势良好植
物的AQY一般在0.03~0.05之间的结论[33]
通过对Pn和Tr与环境因子的相关性分析和通径分析发现,tl与Pn呈显著相关性,且是Pn 的决定因
子.但也有学者认为温度与Pn 的相关性是一种假相关,不应是Pn 的直接限制因子[16,34-35],可能不同地
域、不同季节或不同树种等温度对Pn和Tr的影响不同[36-37].对于Pn 的日变化,PAR为主要决策变量,
而VDP和Ca为主要限制性变量;对于Tr的日变化,PAR是主要决策变量,tl和Ci是主要限制性变量.
城市园林绿地规划者可以利用黄葛树的光合能力、对水分的耗散和利用效率以及固碳释氧和降温增湿
能力,来进行园林植物的优化配置和管理.但对其不同年龄段、不同季节或逆境环境中的光合、蒸腾特性
还有待进一步研究.
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On Diurnal Changes in Summer Photosynthetic Rate of
Ficus Virens Air.Var Sublanceotamin Relation with
Environmental Factors in Chongqing
LIU Lei 1,2, LI Yi-ni 1,2, XIA Lei 1,2,
WANG Hai-yang1, LI Ming-yang1,2
1.Colege of horticulture and landscape architecture,Southwest University,
Key Laboratory of Horticulture Science for Southern Mountainous Regions,Ministry of Education,Chongqing 400716,China;
2.Chongqing Engineering Research Center for Floriculture,Chongqing 400716,China
Abstract:Diurnal changes in the net photosynthetic rate(Pn)and transpiration rate(Tr)of Ficus Virens
Air.Var sublanceotamhave been studied by means of the Li-6400photosynthesis system in mid-July of
2011.The relationship between the Pn,Trand environmental factors have been analyzed by correlation co-
efficient analyses,path coefficient analyses and decision coefficient analyses for a purpose of providing a
theoretical understanding of the photosynthetic physio-ecology of F.Virens Air.Var sublanceotamto facili-
tate the introduction and cultivation of this species.Diurnal changes of Pnhad two peaks,occurring in the
morning and afternoon,with a midday depression of photosynthesis.The reduction in Pnat midday origi-
nated from stomatal limiting factors.In contrast to Pn,Tr has only one peak.The light compensation
point(LCP)is 21.33μmol/(m
2·s)and light saturation point(LSP)1633.46μmol/(m
2·s),indicating
that F.Virens Air.Var sublanceotamis a typical heliophyte.The apparent quantum yield(AQY)is
0.034.The direct impact of environmental factors on Pnoccurred in the order tl>Ca>PAR>VDP,and
Ci>PAR>RH>VDP>tlon Tr.PAR is the primary determining factor;Caand VDP is the main limiting
factor for Pn.While PAR is the primary determining factor;tland Ciis the main limiting factor for Tr.
Key words:Ficus Virens Air.Var sublanceotam;net photosynthetic rate;transpiration rate;diurnal chan-
ges;environmental factors
责任编辑 陈绍兰
621 西南师范大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第38卷