石碌含笑（Michelia shiluensis Chun et Y. F. Wu）为木兰科含笑属常绿乔木,是国家二级重点保护植物,已被列入中国物种红色名录和世界木兰科红色名录[1,2,3],零星分布于海南（石碌）和广东（阳春）[4,5],是一种美丽而优雅的园林观赏植物和重要的用材树种[6],因此石碌含笑具有重要的研究和保护价值。
濒危植物的濒危机制与其对立地条件,如光、水、肥、气、热等因子的要求密不可分[7],而光合作用能同化无机碳化物,把光能转化成化学能,对植物生长发育起着至关重要的作用[8,9,10]。与此同时,森林的碳汇功能及其在降低温室效应的作用也受到广泛关注[11,12,13,14]。因此,研究濒危植物的光合及固碳特征,能够使我们了解其濒危机制,制定可行的保护方案。近年来,不少学者对木兰科树种的光合特性及其生境适应性进行了研究[15,16,17],但并未见到关于石碌含笑光合及固碳特征的报道。石碌含笑已备受各界重视和生产推荐,然而对其的研究进展相对滞后,笔者通过对石碌含笑光合参数特征进行测定分析,并对其固碳释氧量进行估算,旨在阐明其光合及固碳特征,揭示其生存环境生态适应性机制的有效途径,为其配置造林和生态效益评价提供理论技术依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 试验区域概况 试验区域位于广州市东北郊（113°21°26°°E,23°9°26°°N）,华南农业大学试验苗圃。属亚热带季风气候,年平均气温为21.8 ℃,各月平均气温均在13.0 ℃以上,最冷为1月,平均气温13.3 ℃,最热为8月,平均气温28.8 ℃。全年最高温38 ℃,最低温-0.6 ℃;年降水量1638 mm,4—9月的降水量占全年降水量的80%,尤以5—8月最高,占全年62%,年平均湿度79%。
1.1.2 试验材料 试验材料均选自于华南农业大学试验苗圃,所用苗木为采用二年生黄兰大砧嫁接而成的盆栽大苗,苗木实行常规田间管理。选取3棵生长正常的苗木为试验材料。参试树种平均地径(1.70±0.23)cm;平均苗高(0.41±0.05)m。
1.2 方法
1.2.1 光合参数测定 在春夏秋冬4个季节测定光合参数。选择春夏秋冬代表月份于2016年7月、10月和2017年1月、4月的晴朗天气进行试验。在每株样树上,选取树冠中上部向阳的当年生枝条上顶端的第3~5片成熟功能叶片进行活体测定,测定时段6：00—18：00,步长2 h。采用LI-6400型便携式光合测定仪（Steady State Promoter,Li-COR,INC,USA）,分别测定记录其净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）、气温（Ta）、空气相对湿度（Rh）和光合有效辐射（PAR）,每株测定3片叶,重复记录5次,取其平均值进行统计分析。水分利用率（WUE）为光合速率与蒸腾速率的比值（WUE=Pn/Tr）;光能利用效率（SUE）为光合速率与光合有效辐射光强的比值（SUE=Pn/PAR）。
1.2.2 光响应特征值测定 在2016年10月中旬选择一个晴天的10：00—11：30进行试验。将红蓝光源LED设定光合有效辐射（PAR）梯度为0、25、50、100、200、300、400、600、800、1000、1200、1500、2000 μmol/(m2·s),自动测定不同光照强度下叶片的净光合速率,设置最长等待时间为200 s,最短为120 s。试验材料测3株,5次重复,取平均值。利用直角双曲线模型求得出光饱和点（LSP）、光补偿点（LCP）、光饱和最大净光合速率（Pnmax）、暗呼吸速率（Rd）和表观量子效率（AQY）。
1.2.3 固碳释氧测定与估算 首先根据选定树种在某一季节的Pn日变化绘制净光合速率日变化曲线,再用简单积分法计算各树种在测定当日的净同化量,计算公式为[18]：
$T\text{=}\sum\nolimits_{i=1}^{i}{\left[ \frac{\left( {{P}_{i\text{+1}}}\text{+}{{P}_{i}} \right)}{\text{2}}\times \left( {{t}_{i\text{+1}}}-{{t}_{i}} \right)\times \text{3600/1000} \right]}$
式中;T为测定日单位叶面积的净同化总量[mmol/(m2·d)];Pi为初测点的瞬时净光合速率[μmol/(m2·s)],Pi+1为下一测定点的瞬时净光合速率[μmol/(m2·s)],ti为初测点的瞬时时间,ti+1为下一测定点的时间,i为测定次数。
一般植物晚上的暗呼吸消耗为白天同化量的20%[19],测定日的同化总量换算成该日的CO2总固定量,计算公式为：
$\text{ }\!\!~\!\!\text{ }{{\text{ }\!\!\omega\!\!\text{ }}_{\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}}}\text{=T}\times (\text{1}-\text{0}\text{.2)}\times \text{44}\div \text{1000}$
式中,${{\omega }_{\text{C}{{\text{O}}_{2}}}}$为单位面积叶片固定CO2质量[g/(m2·d)];44为CO2的摩尔质量(g/mol)。
$\text{ }\!\!~\!\!\text{ }{{\text{ }\!\!\omega\!\!\text{ }}_{{{\text{O}}_{\text{2}}}}}\text{=T}\times (\text{1}-\text{0}\text{.2)}\times \text{32}\div \text{1000}$
式中,${{\omega }_{{{\text{O}}_{2}}}}$为单位面积叶片进行光合作用时释放的O2质量[g/(m2·d)];32为O2的摩尔质量(g/mol)。
1.2.4 叶绿素含量测定 根据Arnon法[20]测定叶片叶绿素含量。2016年10月摘取新鲜叶片,捣碎后用80%的丙酮提取,提取液定量后在分光光度计上进行光密度值的测定,计算叶片每单位干重的叶绿素含量。
1.3 数据处理
所得测定数据使用LI-6400仪器自带软件处理,并采用Microsoft Excel 2010软件、SPSS 22.0软件进行作图与统计分析。
2 结果与分析
2.1 大气环境因子动态变化特征
如图1A所示,1月、4月、7月和10月的Ta和PAR日变化呈明显的单峰型。其中1月、7月、10月的Ta均在12：00达到峰值,而4月的Ta则在14：00达到峰值。7月和10月的PAR在12：00达到峰值,1月和4月的PAR在10：00达到峰值。
不同月份的Ca与Rh值呈现与上述2个指标相反的变化特征,两者均在6：00达最大值。7月Ca最低值出现在14：00附近,说明在14：00时,植株光合作用达到最高峰,Ca下降,14：00以后,Ca有了一定的回升,此时,随着光合作用的下降,Ca逐渐回升。
7月的Rh在10：00达到最低点,而4月、10月和1月Rh则在14：00达到最低点。各月Rh的日均值由大到小为：7月（65.3%）>10月（48.6%）>1月（40.9%）>4月（32.1%）。
2.2 光合参数动态变化特征
2.2.1 净光合速率 石碌含笑的四季Pn日变化并不都呈现单一的双峰（图2A）。1月、4月、7月的变化曲线为双峰型,10月为单峰型。1月峰值出现在10：00和14：00,12：00时出现光合午休现象并不显著,Pn下降幅度较小,Pn最大值为6.16 μmol/(m2·s)。4月峰值出现在10：00和14：00,Pn最大值为8.12 μmol/(m2·s)。7月峰值出现在08：00和14：00。Pn最大值为9.90 μmol/(m2·s)。12：00时Ta为41.3 ℃,PAR为1800 μmol/(m2·s),属于强光高温天气,表现出明显的光合午休现象。10月,峰值出现在12：00,Pn最大值为12.14 μmol/(m2·s)。石碌含笑不同月份Pn日均值由大到小依次为：10月>7月>4月>1月。
2.2.2 蒸腾速率 石碌含笑的四季Tr并无固定的日变化规律,兼有单峰和双峰（图2）。1月、4月、10月的Tr日变化曲线表现为单峰型,7月为双峰型。石碌含笑各月份Tr日均值由大到小依次为：7月>10月>4月>1月。7月在Ta最高的10：00—12：00时,Tr正在下降的状态,说明石碌含笑在高温强光的条件下,有一定的降低蒸腾,减少水分损失的能力。
2.2.3 水分利用效率 由图3可看出,石碌含笑不同季节的WUE日变化趋势都呈波动变化。1月和4月WUE日变化趋势十分相似,且基本符合达到一个峰值后波动降低的特征,且在一整天的变化中出现第一个峰值后,不会再产生明显的峰值。在1月份和4月份,WUE均在8：00时达到最大值。7月的WUE日变化基本趋势呈“U”型,6：00的时候出现一个峰值,在6：00—12：00时呈现下降趋势,在12：00—18：00时呈上升趋势,并在18：00达到第二峰值。10月WUE均在6：00达到日最大值,然后从6：00—14：00呈现波动递减,在14：00—16：00期间呈明显上升趋势,在16：00达到一个峰值,最后逐渐降低,说明净光合的下降速度远高于蒸腾速率。石碌含笑的WUE日均值季节变化为10月（4.52 μmol/ mol）>4月（3.59 μmol/mol）>1月（2.72 μmol/mol）>7月（1.92 μmol/mol）。
2.2.4 气孔导度变化特征 气孔调控植株叶片与外界之间的水分和CO2交换,气孔导度的大小对植物光合Pn值和Tr值都有重要的影响。石碌含笑在各季节的气孔导度（Cond）日变化规律和对应季节的Tr日变化相似,其Cond不同月份变化如图3B所示。1月、4月、10月的Cond日变化表现为单峰型,7月为双峰型。石碌含笑各月份Cond日均值由大到小依次为：7月>10月>4月>1月。
2.2.5 胞间CO2浓度与气孔限制值 由图4可以看出,在同一季节里,石碌含笑的Ci和Ls日变化趋势基本相反,且同种植物在不同季节间差异明显。其Ci日变化趋势均呈现“U”型,即在6：00时较大,6：00—10：00 PAR逐渐增大,气孔开启,Pn值增大,消耗CO2,Ci逐渐减小,石碌含笑在10：00时开始呈上升趋势,在12：00时达到峰值后下降,到14：00到达一个低谷后回升。
2.3 光响应特性
由图5可知,当PAR=0时,石碌含笑的Pn为负值,说明此时植物只进行呼吸作用,此时植物Pn值的相反数即为其暗呼吸速率（Rd）。在低光强[0~200 μmol/(m2·s)]时,Pn随PAR的增大呈线性增大,后增长逐渐趋于平缓,当达到某一光强时,Pn不再随PAR增大而增大。
根据直角双曲线修正模型拟合结果分析石碌含笑的光响应特征如下。石碌含笑的光饱和点（LSP）为1532 μmol/(m2·s);光补偿点（LCP）为5.11 μmol/(m2·s);最大净光合速率（Pnmax）为8.03 μmol/(m2·s);表观量子效率（Φ）为0.015。
2.4 光合因子关联性系统分析
2.4.1 光合作用各气体交换参数与环境因子的相关性 由表1可知,Ta、PAR和Ca三个大气环境两两之间呈极显著相关性（p<0.01）,且与Rh均无明显相关性。石碌含笑的Pn值均与Ta、PAR、Tr、Ls呈显著正相关（p<0.05）。
表1 各气体交换参数与环境因子的相关性分析Tab. 1 Correlation coefficients between gas exchange parameters and environmental factors |
| 指标Index | Ta | PAR | Ca | Rh | Pn | Tr | Gs | Ci | WUE | Ls |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ta | ||||||||||
| PAR | 0.492** | |||||||||
| Ca | -0.675** | -0.522** | ||||||||
| Rh | 0.153 | -0.167 | -0.243 | |||||||
| Pn | 0.473* | 0.701** | -0.219 | -0.109 | ||||||
| Tr | 0.728** | 0.818** | -0.688** | 0.110 | 0.721** | |||||
| Gs | 0.539** | 0.673** | -0.715** | 0.454* | 0.568** | 0.865** | ||||
| Ci | -0.547** | -0.410* | 0.123 | 0.480** | -0.701** | -0.418* | -0.049 | |||
| WUE | -0.379* | -0.233* | 0.716** | -0.100 | 0.182 | -0.389* | -0.427* | -0.222 | ||
| Ls | 0.312 | 0.229 | 0.209 | -0.558** | 0.619** | 0.186 | -0.189 | -0.944** | 0.457* |
Note: * indicates significant correlation at the 0.05 level, ** indicates extremely significant correlation at the 0.01 level. | |
注：*表示0.05水平下显著相关,**表示0.01水平下极显著相关。 |
2.4.2 最大净光合速率与叶绿素含量相关性 由试验可知,石碌含笑在10月的日均净光合速率最高为12.14 μmol/(m2·s),为4个季节最大,因此秋季为石碌含笑生长旺期。其中10月份的叶绿素a含量为0.939 mg/L、叶绿素b含量为0.017 mg/L及总叶绿素含量为0.956 mg/L。由表2可看出,最大净光合速率与叶绿素a、总叶绿素的含量呈显著正相关（p<0.05）。叶绿素a和总叶绿素的含量呈显著正相关（p<0.01）,总叶绿素含量由叶绿素a含量决定。
表2 生长旺期最大净光合速率和叶绿素含量相关性Tab. 2 Correlation coefficients between the maximum net photosynthetic rate and chlorophyll content in the growth period |
| 指标Index | Pnmax | Chla | Chlb | Chlt |
|---|---|---|---|---|
| Pnmax | ||||
| Chla | 0.845* | |||
| Chlb | -0.004 | -0.329 | ||
| Chlt | 0.857* | 0.999** | -0.285 |
Note: * indicates significant correlation at the 0.05 level, ** indicates extremely significant correlation at the 0.01 level. | |
注：*表示0.05水平下显著相关,**表示0.01水平下极显著相关。 |
2.5 固碳释氧能力
表3 石碌含笑四季日净固碳量与释氧量Tab. 3 Net carbon sequestration and oxygen release of the four seasons |
| 指标 Index | 4月 April | 7月 July | 10月 October | 1月 January | 全年平均 Annual average |
|---|---|---|---|---|---|
| 净固碳量 Net carbon sequestration/(g·m-2·d-1) | 9.10±1.49BC | 11.07±0.51AB | 13.25±0.41A | 6.87±0.84C | 10.07±0.81 |
| 释氧量 Oxygen release/(g·m-2·d-1) | 6.61±1.08BC | 8.05±0.36AB | 9.63±0.30A | 5.00±0.61C | 7.32±0.59 |
Note: Different capital letters in the same row indicate extremely significant differences at the 0.01 level. | |
注：同行不同大写字母表示在0.01水平下差异极显著。 |
3 讨论
石碌含笑的四季Pn日变化并非呈现单一的双峰。1月、4月、7月的变化曲线为双峰型,10月为单峰型。一般认为,净光合速率降低的因素可分为两类：气孔限制因素和非气孔限制因素。气孔限制因素是由于环境因子变化导致气孔部分关闭,造成CO2进入叶片受阻从而引起净光合速率下降;非气孔限制因素则是由于自身羧化酶活性减弱而引起的净光合速率下降[22]。当Ci增加或不变,Ls减小时,可认为是非气孔限制因素引起[23]。由此可知,1月、7月10：00-12：00的Pn下降,是非气孔限制因素引起。其不同月份Pn日均值由大到小依次为：10月>7月>4月>1月。10月净光合速率水平高于7月,主要由于7月天气炎热,于8：00以后PAR迅速增加,Tr 10：00之后迅速降低,引起气孔张开度减小,导致叶片温度升高、酶活性降低或丧失,影响光合速率。因此,生长旺盛期在10月,说明在大气温度较低和光强较弱的秋季反而有更高的光合速率,与李梦、朱贤良等[24,25]的光合日变化规律研究结果相似。石碌含笑的光饱和点为1532 μmol/(m2·s);光补偿点为5.11 μmol/(m2·s)。即光补偿点低而光饱和点较高,对光强的变化具有较强的光合可塑性,说明它能够适应不同的光照环境,在强光环境和弱光环境都有较强的光能利用能力。石碌含笑全年日均净固碳量为10.07 g/(m2·d),比邵永昌等[26]研究中的深山含笑、广玉兰、枫香、桂花、银杏、木兰、日本晚樱等树种的日均净固碳量大,说明其拥有较强固碳能力[27,28,29,30]。综上所述,石碌含笑对强弱光有较强的利用能力,在华南地区炎热气候条件下也具有“午休”的适应性自我调节机制,并且拥有较强的碳汇能力,兼具良好的景观效益与优良的生态效益,具有树种功能多样性,适合在华南地区推广种植。