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doi:10. 15889 / j. issn. 1002 - 1302. 2015. 08. 085
米槁净光合速率与生理生态因子的关系
王军才1,廖小锋2,刘济明1,李 鹏1,颜 强1,文爱华1,高 攀1
(1.贵州大学林学院,贵州贵阳 550025;2.贵州科学院山地资源研究所,贵阳 550001)
摘要:为了探明米槁(Cinnamomum migao H. W. Li.)光合作用日变化特征及其与生理生态因子间的关系,采用
Li - 6400 光合测定仪对米槁叶片进行生理生态指标测定,并运用多元逐步回归和通径分析相结合的方法分析了净光
合速率与生理生态因子间的关系。结果表明:米槁净光合速率(Pn)日变化为典型的双峰曲线,第 1 峰[峰值
10. 18 μmol /(m2·s)]出现在 10:00 左右,第 2 峰[峰值 7. 93 μmol /(m2·s)]出现在 15:00 左右,有明显的光合“午
休”现象,气孔因素是导致“午休”的主要原因。通过多元逐步回归分析,得出米槁净光合速率最优回归方程为:Pn =
21. 257 + 100. 982Gs + 0. 168Gi + 0. 067Tr - 0. 056Ca(R
2 = 0. 921)。综合回归分析与通径分析的结果,得出影响米槁叶
片净光合速率的主要生态因子是大气 CO2 浓度(Ca)和空气相对湿度(RH),主要生理因子是气孔导度(Gs)和胞间
CO2 浓度(Ci)。
关键词:米槁;光合作用日变化;净光合速率;生理生态因子;回归分析;通径分析
中图分类号:S718. 45 文献标志码:A 文章编号:1002 - 1302(2015)08 - 0256 - 04
收稿日期:2014 - 07 - 29
基金项目:贵州省林业厅重大项目(编号:黔林科合[2010]重大 04
号) ;贵州科学院省级科研专项资金(编号:黔科院专合字[2011]
02 号) ;贵州省科技计划(编号:黔科合 SY 字[2012]3008)。
作者简介:王军才(1990—) ,男,山东聊城人,硕士研究生,从事森林
培育学研究。E - mail:wangjuncai12@ 126. com。
通信作者:刘济明(1963—) ,男,博士,教授,主要从事植物生态学研
究。E - mail:karst0623@ 163. com。
光合作用在植物界甚至全球生态系统物质与能量循环中
起极其重要作用,它是外因、内因共同综合作用的结果[1]。
光合作用是作物产量和品质构成的决定性因素,同时又是一
个对环境条件变化十分敏感的的生理过程[2 - 3]。米槁(Cin-
namomum migao H. W. Li.)为樟科樟属植物,树高可达
25 m,主干发达,侧枝较细弱,树冠近球形,树皮粗糙茶褐色,
具纵向裂纹,内层及断面棕红色,分布于贵州省、云南省和广
西壮族自治区等地[4],垂直分布范围为海拔 300 ~
1 000 m[5]。米槁性甘、辛,味温,具有温中散寒、理气止痛的
功效,主治胃痛、腹痛、风湿关节炎、胸闷和呕吐等症状[6],是
近年来贵州省拟重点发展的民族特色药材,以米槁为主要原
料开发出的新药有心胃止痛胶囊、心胃止痛软胶囊、米槁心乐
滴丸等[7]。目前国内外对米槁的研究还很缺乏,主要集中在
药用成分分离与鉴定[8]、生物活性与药理特性[9 - 10]、栽培技
术与病虫害防治[11 - 12]等方面,虽然取得了一定成绩,但产业
化发展的技术基础依然薄弱,其中光合作用与其影响因子关
系的研究报道鲜见。为此,以常规栽培的米槁一年生苗木为
试验材料,对其光合作用日变化进行了研究,期望揭示米槁光
合作用中净光合速率与生理生态因子间的关系,为米槁苗木
培育、栽培管理提供科学依据和理论指导。
1 材料与方法
1. 1 试验地概况
试验地位于贵州省贵阳市贵州大学南校区林学院苗圃
内,平均海拔 1 020 m,年平均气温为 15. 6 ℃,年极端最高温
度为 39. 1 ℃,年极端最低温度为 - 7. 8 ℃,最热月平均气温
—652— 江苏农业科学 2015 年第 43 卷第 8 期
为 24 ℃,最冷月(1 月)平均气温 4. 1 ℃。年均降水量为
1 129. 5 mm,年均空气相对湿度为 71%,年均阴天日数为
240. 6 d,年均日照时数为 1 144. 6 h。一年中气候温和,光照
充足,无霜期较长。试验盆栽用土为黄泥土,呈微酸性,pH值
为 5. 5 ~ 6. 5,土壤肥沃。
1. 2 供试材料
1. 2. 1 试验苗木 试验材料为米槁一年生实生苗。该苗木
原位于 2013 年 3 月从贵州省罗甸县逢亭镇逢亭村米槁育苗
基地移栽至贵州大学林学院苗圃温室大棚,种植于规格一致
的塑料花盆(底部内径 23 cm,盆口内径 27 cm,盆高 23 cm)
内,而后进行精心的水肥管理,长势旺盛。9 月中旬,在该批
次的米槁苗中,选取光照条件下长势一致、无病虫害的 3 株米
槁作为试验植株,每株选取中部的 3 张成熟叶,标记固定以备
测定。
1. 2. 2 仪器与设备 光合作用测定仪器为美国 LI - COR 公
司生产的 Li - 6400 光合测定仪。
1. 3 试验方法
米槁光合日变化数据在 2013 年 9 月中旬晴天测定,此时
米槁平均株高 0. 8 m左右,生长旺盛。测定从 07:00—18:00
每隔 1 h测定 1 次,一次测定选取 3 株共 9 张叶片。叶片连
体测量时使用透明叶室、开放气路,空气流速为 500 mL /min,
待相关参数稳定后(约 2 ~ 3 min),记录净光合速率(Pn)、气
孔导度(Gs)、胞间 CO2 浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)、大气 CO2
浓度(Ca)、气温(Ta)、叶温(Tleaf)、光合有效辐射(PAR)、叶
片蒸汽压亏缺(VpdL)等参数,每张叶片连续记录 3 次,最终取
平均值。
1. 4 数据处理与分析
利用 Excel 2007 对实测数据进行图表处理,逐步回归分
析和通径分析用 SPSS 19. 0 完成。
2 结果与分析
2. 1 环境生态因子日变化
光合有效辐射(PAR) (图 1)及气温(Ta)(图 2)一天中的
变化均呈先升后降的趋势;而图 3 中空气相对湿度(RH)呈现
先下降后上升的趋势,大气二氧化碳浓度则上下波动且变化幅
度较小,早间最高,之后迅速下降并维持在 385 μmol /mol 左
右,在 17:00 之后又缓慢上升。其中,光合有效辐射和气温的
峰值均是在 14:00 出现,而空气相对湿度于 16:00 左右降低
至最低值,而且光合有效辐射和空气相对湿度日变化幅度较
大。由图 3 可知,空气相对湿度(RH)早上较高(约 55%) ,
16:00 左右最低(仅 26%) ;叶片蒸汽压亏缺(VpdL)日变化与
RH基本相反。
2. 2 生理因子日变化
2. 2. 1 净光合速率与蒸腾速率日变化 米槁光合曲线呈典
型的双峰型(图 4),具有明显的光合“午休”现象。其中,
07:00—10:00 急剧上升,10:00 左右出现第 1 个高峰,达到
10. 18 μmol /(m2·s);10:00—13:00 净光合速率持续下降,
至 13:00 左右出现谷值,此时净光合速率仅为第 1 次高峰时
的 26. 50%;而后又缓慢上升,于 15:00 左右出现第 2 个高峰,
峰值为7. 93 μmol /(m2·s);在保持短时间的高峰后,于
15:00—18:00 净光合速率迅速降至最低。比较 2 个峰值发
现,下午的峰值仅为上午峰值的 77. 89%,一天中净光合速率
的极差达 8. 93 μmol /(m2·s)。
米槁蒸腾速率(Tr)日变化(图 4)同样为双峰曲线,早间
随着 Ta、Tleaf、PAR的升高以及 RH 的降低而逐步升高,11:00
达到第 1 个峰值,略晚于叶片 Pn 峰值时间;随后 Tr 下降,在
13:00 左 右 出 现 低 谷 值,此 时 蒸 腾 速 率 仅 为
2. 55 mmol /(m2·s),之后逐渐升高,在 15:00 左右达到第 2
个峰值,最后随着 Ta、Tleaf、PAR 的降低和 RH 的升高而迅速
下降。
2. 2. 2 胞间 CO2 浓度、气孔导度及叶温 图 5 显示,米槁气
孔导度(Gs)的日变化与净光合速率相似,全天呈现双峰型变
化 (峰值分别出现在 10:00 及 15:00 左右),15:00 之后随光
强的减弱而迅速下降。胞间 CO2 浓度(Ci)早间较高,随光合
作用的迅速降低,而后变幅减小,傍晚 17:00 之后又迅速升
高。米槁叶温(Tleaf)的变化与外界 Ta 基本一致,10:00—
17:00 均处于 30 ℃以上,最高温度出现在 14:00 前后,约为
39. 01 ℃。
—752—江苏农业科学 2015 年第 43 卷第 8 期
2. 3 影响净光合速率的生理生态因子分析
净光合速率是植物光合作用水平的指示指标,在植物光
合作用的气体交换研究中扮演重要角色,它受外部生态因子
和内部生理因子的双重影响,不但各个因子对净光合速率的
影响较为复杂,且各因子间也存在交互影响[13]。为此,采用
多元逐步回归分析和通径分析相结合的方法将相关生理生态
因子对米槁净光合速率的影响情况进行解析。
2. 3. 1 相关分析和多元逐步分析 从表 1 生理生态因子间
的相关系数可以看出,Pn 与 Gs、Ci、Tr 存在极显著或显著相
关,而与 PAR、Ta 等因子相关性不显著。按照刘济明等
[14]的
方法,把与米槁净光合速率 Pn 相关性显著的几个因子对 Pn
进行逐步回归分析,剔除部分变量,得到 Pn 对生理生态因子
的回归模型:
y = 21. 257 + 100. 982x1 + 0. 168x2 + 0. 067x3 - 0. 056x4
(R2 = 0. 921)。 (1)
式中:y为 Pn,x1 为 Gs,x2 为 Ci,x3 为 Tr,x4 为 Ca。
从式(1)可以看出,米槁净光合速率(Pn)主要受气孔导
度(Gs)、胞间 CO2 浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)以及大气 CO2 浓
度(Ca)的影响,其他生理生态因子虽然也有影响,但在逐步
回归分析中已被剔除。
表 1 米槁净光合速率和生理生态因子的相关系数
因子 Pn Gs Ci Tr VpdL Ta Tleaf Ca RH PAR
Pn 1. 000
Gs 0. 839** 1. 000
Ci - 0. 560* - 0. 393 1. 000
Tr 0. 523* 0. 269 - 0. 685* 1. 000
VpdL - 0. 352 0. 033 0. 725** - 0. 697* 1. 000
Ta 0. 420 0. 170 - 0. 806** 0. 812** - 0. 625* 1. 000
Tleaf - 0. 048 - 0. 400 - 0. 525* 0. 706* - 0. 704** 0. 791** 1. 000
Ca - 0. 059 - 0. 425 - 0. 504* 0. 680* - 0. 688* 0. 776** 0. 998** 1. 000
RH 0. 374 0. 721** 0. 197 - 0. 437 0. 557* - 0. 479 - 0. 903** - 0. 913** 1. 000
PAR -0. 321 - 0. 676* - 0. 260 0. 449 - 0. 549* 0. 507* 0. 885** 0. 897** - 0. 978** 1. 000
注:* 、**分别为 0. 05 及 0. 01 水平上的显著性相关。
2. 3. 2 通径分析 为进一步明确各生理生态因子对净光合
速率的直接和间接影响,对测定结果进行通径分析,结果见表
2。由表 2 可以看出,在生理因子中 Gs、Ci、Tleaf、VpdL对 Pn 均起
到了重要的作用,而在回归分析中并不重要的 Tleaf和 VpdL也起
到了重要的作用。可能是因为这 2 个因子间存在着极强的负
相关,使它们对 Pn 的影响在相关分析中被抵消,从表 2 中的
间接效应亦可看出[15]。生态因子中 RH、Ta、Ca 也起到了重
要的作用,其中 Ta 的影响最大,但是由于 Ta 与其他因子间存
在极强的正相关性,使它在相关分析中对 Pn 的影响被
减弱。
表 2 生理生态因子对米槁净光合速率的通径分析
因子 总效应 直接效应
间接效应(间接通径系数)
合计 Gs Ci Tr Ca PAR Ta Tleaf RH VpdL
Gs 0. 839 36 0. 719 0. 120 50 - 0. 271 96 0. 028 39 - 0. 025 92 0. 038 03 1. 433 69 - 1. 816 64 1. 418 02 - 0. 683 10
C i - 0. 559 82 0. 693 - 1. 252 51 - 0. 282 23 - 0. 072 16 - 0. 569 68 - 0. 180 80 1. 879 07 - 2. 151 82 0. 387 30 - 0. 262 18
Tr 0. 523 08 0. 105 0. 417 69 0. 193 61 - 0. 474 30 0. 547 70 0. 182 06 - 2. 529 17 2. 903 21 - 0. 858 95 0. 453 53
Ca - 0. 352 06 - 0. 786 0. 433 45 0. 023 72 0. 502 36 - 0. 073 48 - 0. 140 18 2. 520 62 - 2. 939 98 1. 094 92 - 0. 554 53
PAR 0. 419 88 0. 224 0. 195 62 0. 121 89 - 0. 558 46 0. 085 56 0. 491 00 - 2. 831 13 3. 315 66 - 0. 941 21 0. 512 31
Ta - 0. 048 00 - 3. 581 3. 533 01 - 0. 287 80 - 0. 363 48 0. 074 44 0. 552 91 0. 177 30 4. 261 23 - 1. 775 12 0. 893 53
T leaf - 0. 058 68 4. 272 - 4. 330 34 - 0. 305 71 - 0. 348 94 0. 071 63 0. 540 63 0. 174 07 - 3. 572 27 - 1. 796 24 0. 906 49
RH 0. 373 78 1. 967 - 1. 592 79 0. 518 34 0. 136 42 - 0. 046 03 - 0. 437 35 - 0. 107 33 3. 232 37 - 3. 901 66 - 0. 987 55
VpdL - 0. 320 62 1. 010 - 1. 330 65 - 0. 486 17 - 0. 179 80 0. 047 32 0. 431 26 0. 113 75 - 3. 167 94 3. 833 76 - 1. 922 82
—852— 江苏农业科学 2015 年第 43 卷第 8 期
综合逐步回归分析和通径分析结果可知,影响米槁净光
合速日变化的生理因子是气孔导度(Gs)和胞间 CO2 浓度
(Ci),生态因子是大气 CO2 浓度(Ca)和相对湿度(RH)。
3 讨论
植物光合作用的日变化有单峰型、双峰型、严重型和平坦
型 4 种类型[16]。米槁叶片光合速率日变化呈双峰曲线,最高
峰出现在 10:00,为 10. 18 μmol /(m2· s),次高峰出现在
15:00,为 7. 93 μmol /(m2·s),午间有明显的“午休”现象。
在高温强光天气下植物很容易出现“午休”现象,高温、强光
和干旱土壤等条件引起的部分气孔关闭和光合作用光抑制是
发生“午休”的主要原因[17]。但对于不同的植物来说,引起
光合速率“午休”的原因可能不同[18 - 21]。关于引起光合速率
产生“午休”的内在机制,大体上有 2 种解释:一种是气孔因
素导致,由于午间太阳辐射增强,叶片细胞气孔阻力增大,
CO2 进入叶片受阻,胞间 CO2 浓度降低,光合速率下降,从而
引起了植物出现“午休”现象[22 - 24];另一种是由非气孔因素
造成的[25]。根据 Farquhar 等的观点[26],判断气孔关闭是不
是光合降低的原因,最重要的依据是胞间 CO2 浓度是否也同
时降低,气孔和非气孔限制的界限是细胞间隙 CO2 浓度的变
化方向,而不是气孔限制与非气孔限制值的相对大小。
本研究发现,在 10:00 以前,米槁叶片 C i 随着 Pn 的增强
而降低;在 10:00—13:00 时,Pn 逐渐下降,Ci 依然下降,同时
发现 Gs 也随之下降,三者的变化趋势相一致,由此可以认为
在此时间段内,Pn 的变化主要是由气孔因素控制的。本试验
同时发现米槁叶片 Gs 和 Tr 的日变化与叶片 Pn 日变化相似,
表现出较强的正相关性。
植物光合作用是一个内外因子共同作用的复杂过程。在
生产中,通过调节某个(某些)生理或生态因子提高树体光合
作用时,要充分考虑调节因子对净光合速率所产生的直接和
间接影响,以及因这些因子变化而导致其他相关因子发生变
化所产生的负面影响[27 - 28]。通过多元逐步回归分析和通径
分析,结果表明影响米槁叶片 Pn 日变化的主要生态因子是大
气 CO2 浓度和空气相对湿度,主要生理因子是气孔导度、胞
间 CO2 浓度。由于减轻或避免“午休”现象是提高植物生长
能力的一种方式[29],因此在米槁苗木培育中,可考虑在日照
过强、温度过高的午间,通过适当遮阴、加强通风等方式,减轻
光合“午休”,促进生长发育,从而缩短苗木培育时间、尽早
出圃。
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—952—江苏农业科学 2015 年第 43 卷第 8 期