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杨树苗光合作用应酚酸影响所改变

发布时间:2020-08-16 20:14点击量:
近几年较多的相关研究表明,人工林多代连作后的地力之所以衰退是由于是林地土壤有毒物质(主要为化感物质,如酚酸)的累积。植物化感物质(Plant Allelochemicals) 的自毒作用不但给植物自身的生长发育带来显著的不利影响,同时其化感作用也会影响生长在其周围的植物,更可怕的是化感物质也对土壤的理化性质造成了一定的影响,进而再度影响植物的吸收和生长。酚酸是连作后产生的典型的化感物质,能直接或间接地影响自身或其他植物、微生物的生长和分布,是导致连作障碍的主要因子。酚酸类物质对植物的伤害是从对根系(包括形态和生理方面)的伤害开始的,由于植物根系直接与土壤环境接触,并且从土壤中吸收所需的营养元素与水分,进一步影响植物地上部分(茎与枝叶)的生长发育。长期下来,植物的干物质积累过程会受到极大的冲击,严重阻碍了农林业的可持续发展。 
目的:探讨酚酸累积对杨树光合作用性能和苗木生物量的影响,从光合作用角度揭示酚酸环境对杨树生长的抑制作用与生理机制。 
方法:因此,在前人研究工作的基础上,以一年生 I-107 (Populus euramericana cv.‗Zhonglin46‘) 杨树幼苗为实验材料,在山东农业大学林学实验站,对先前生长环境一致并且长势也基本相同的杨树幼苗施加不同浓度的外源酚酸,通过测定杨树苗木在不同酚酸浓度下的光响应过程、光合日变化、叶绿素荧光参数、叶绿素(Chl)含量等指标,荧光参数、光谱特征以及相关酶活性,探讨酚酸累积对杨树光合作用性能和苗木生物量的影响,从光合作用角度揭示酚酸环境对杨树生长的抑制作用与生理机制。 
结果:(1)在培养基质中施加酚酸后,杨树的根系活力有所降低,尤其是在高酚酸浓
度下,根系活力迅速下降并且保持在较低的水平;(2) 随酚酸浓度增加,叶绿素(Chl)含量下降;在相同光强下,酚酸浓度在不断增加的过程中,净光合速率(Pn)呈现出显著降低的趋势,同时伴随着光合量子效率(Φ)的显著降低,说明施加外源酚酸后,各处理组出现了不同程度的光抑制现象,且酚酸处理下光补偿点(LCP)增加,表明杨树光和机构对弱光的利用能力降低,而暗呼吸速率(Rd)的降低意味着杨树叶片的生理活动随酚酸浓度的增大而降低;最大净光合速率(Pnmax)也降低,导致光合机构受到一定程度的破坏,光合机构运转状态变差;(3)各处理下杨树光合作用日变化过程均出现不同程度的光合“午休”现象,且随酚酸浓度的变化光合“午休”的原因不同,如 CK~T2 是由于气孔限制(即由于气孔开度降低引起光合作用原料—CO2 供应受阻),高酚酸浓度酚酸对杨树苗木光合效能的影响 
下(T3~T5)则是由于非气孔限制(即酚酸导致杨树叶片的光合机构受到损伤,使叶肉细胞光合能力下降,CO2 与 H2O 的利用效率降低);(4) 随酚酸浓度的增大,初始荧光(Fo) 显著提高,这意味着 PSⅡ反应中心遭到破坏或可逆失活,而最大荧光(Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、最大光化学效率(Fv/Fm)下降,说明酚酸处理的杨树产生了光抑制现象,光化学淬灭(qP)同时下降,说明光合作用天线色素将吸收的光能往光化学反应方向分配的光能的减少;同时通过非光化学淬灭(NPQ)与叶黄素循环脱环氧化程度均增加,说明叶片通过 NPQ 与叶黄素循环的过程以热耗散途径消耗的过剩光能明显增加,此时,酚酸胁迫下的杨树启动自身的保护机制,过剩光能的耗散能使光合机构减少或免受过剩光能的破坏,阻止或降低由于激发能积累引起的 PSⅡ的损害,减少光氧化或光漂白的发生,在一定程度上缓解过剩光能对光合作用系统的影响;(5) 随酚酸浓度增加,杨树叶片丙二醛(MDA)含量逐渐增加,说明酚酸导致叶片光合机构的膜系统遭受破坏,膜脂过氧化程度加剧;杨树叶片内的超氧化物歧化酶(SOD)活性与过氧化物酶(POD)活性均先增加后降低,在低酚酸浓度下,SOD 与 POD 活性增加,活性氧的清除能力增加以减轻对光合作用机构伤害,但较高浓度下杨树叶片的 SOD 与 POD 活性降低,说明杨树叶片的抗氧化系统受到损害,致使多种保护酶活性的下降;(6)植株铵态氮(NH4+-N)含量以及叶片氮素含量指标(NDCI)均表现为随酚酸含量的增加逐渐降低的趋势,说明外源酚酸的施加不利于杨树的氮素积累。 
结论:施加酚酸后,杨树的根系活力有所降低,即外源酚酸削弱了根系的吸收能力、
合成能力、氧化能力和还原能力;酚酸导致杨树叶片对强光的适应与利用效率降低,对弱光的利用效率降低,并产生光抑制现象;酚酸导致光和系统 PSⅡ反应中心破坏或可逆失活,PSⅡ的电子传递情况减弱。 
 
杨树(Populus) 属杨柳科(Salicaceae)杨属, 是广泛栽培于我国江淮流域与华北地区的一种速生用材(乔木)树种 (杨阳等, 2010),具有较强的耐寒性与抗性,人们常常将其栽培在沿河两岸、山坡和平原,因此杨树人工林分布较广。杨树人工林多采用集约栽培的模式,由于该树种具有适应性强、速生、易扦插、易改良杂交等特点,成为营造防护林、水土保持林、水源涵养林、四旁绿化甚至农田防护林的首选树种。中国是世界上人口最多的国家,近几年,在我国社会与经济的飞速发展的带动下,人们在木材相关产业(如家具、建筑材料、办公用品等)对木材需求量的不断增大,使得人们对有着“速生丰产林”称号的杨树进行大力发展与种植,导致其多实行多代连作经营模式,由于长期单一经营和多代连作,单一的栽培管理方式导致很多地方的杨树人工林已经发生林下土地生产力下降、土壤生态环境恶化、林木生长衰弱、林木病虫害严重等不良现象,这种不良现象已经严重影响了杨树人工林的可持续发展并成为亟待解决的问题。连作或重茬导致的土壤中化感物质(如酚酸类物质)积累、地力严重衰退,由此引起的连作障碍会进一步导致减产现象,这严重制约了农业生产以及人工林经营的可持续发展。引起杨树人工林连作障碍的因素有很多,主要包括有土壤化感物质、土壤物理化学性质变劣等。国内外学者从研究桉树与杉木连载开始,目前对两树种连栽的研究较多,从近年开始,随着我国发展需要对杨树木材需要量的增大,人们对杨树连栽引起的一系列相关问题逐渐引起人们广为关注。由于植物的光合作用过程对环境的变化(尤其是水分、CO2 与温度的变化)有着高度的相应变化,而单叶水平的光合作用对群体的光合作用水平有着相当重要的影响,单叶水平的光合速率快对高的群体水平的光合速率十分有利,这会进一步影响植物的干物质积累,从而影响木材的品质与产量。所以,研究连作对杨树光合效率的影响可以从植物生理的角度来了解杨树产量下降的原因,为提高杨树人工林生产力以及促进杨树人工林可持续经营提供理论依据。 
研究认为,酚酸类物质的引起的化感效应是杨树人工林生产力衰退的关键性因素
(谭秀梅等, 2010),随酚酸浓度增大杨树幼苗光合效应呈现显著下降趋势(杨阳等, 2010),谭秀梅与杨阳等研究者重点研究了酚酸对杨树根系与林下土壤理化性质,而有关连作土壤酚酸累积对杨树光合作用影响的问题,还缺乏深入研究和认识。因此,研究酚酸对杨树光合生理生态特性的影响有利于为减轻杨树连作障碍以及维持杨树人工林长期生产力在多方面具有较为深远的意义。孙海兵等(2011)通过研究得出酚酸类物质是引起连作障碍的一类化感活性较强的自毒物质的结论,这为人们研究其他植物的连作问题提供了依据,大多数酚酸物质都具有较强的化感活性,能够通过多种途径对植物产生影响
(Schutter et al., 2001; Yu and Matsui, 1997),如降低植物生理活性,从而导致连作障碍,使植株长势变弱、产量和品质下降,因此,截至目前,酚酸类物质是研究植物化感作用时分析最多的一类物质。如 Sène 等(Sène et al., 2000)对连作高粱(Sorghum bicolor)后的土壤进行测试,结果表明高粱连作会使酚酸类物质在土壤中长期大量堆积,使其在土壤中的含量明显增加,这样会使下茬作物的生长过程与发育过程受到不同程度的抑制作用,进一步使高粱产量与质量降低;豌豆连作后,下茬作物的生长受到了抑制作用,喻景权(喻景权与松井佳久, 1999)等人通过对重茬土的进一步的监测分析,并表示豌豆连作后土壤中会大量积累香豆酸和香草酸,这两种物质对豌豆的生长活性表现出较强的抑制性。目前有关连作障碍的研究多为农作物或药材,如花生(李培栋等, 2010),玉米(时
鹏等, 2010),地黄(张重义等, 2010),太子参(林茂兹等, 2010),草莓(甄文超等, 2004)等,对于木本植物很少。 
植物的光合作用对环境因子的响应高度敏感(裴斌等, 2013),光合机构是在逆境环境中受到伤害的首要位点,光合作用效率是决定植物生产力以及作物产量的重要因素(许大全, 2002),测定光合作用-光和有效辐射的响应曲线特征是研究植物生理生态学特性的重要手段之一;植物的叶绿素荧光特性能够从能量代谢与转换的角度快速且无损伤地对植物的光合作用进行监测,包含丰富的与光合作用过程变化相关的信息,被认为为是检测植物光合作用生理与环境关系之间的无损伤的内在探针(温国胜等, 2006)。近几年,叶绿素荧光探针逐渐应用于自毒物质对植物的影响上,如郁继华等(郁继华等, 2006)利用叶绿素荧光技术研究茄子连作障碍,沈宝云等(沈宝云等, 2013)将该技术应用马铃薯连作障碍的研究。所以,本研究在具体的试验条件下,研究酚酸对气体交换参数、叶绿素荧光参数以及光合作用过程中发生的一系列生理生化指标如叶绿素含量以及抗氧化酶活性的影响,从这几个方面较为客观准确、直观、深入系统地认识酚酸类物质对杨树光合作用抑制机理。 
一般来说,在逆境下,光合作用过程受到限制,同时净光合速率下降(李吉跃等, 1999),例如,逆境胁迫时,容易造成膜脂过氧化程度加快,体内的丙二醛(MDA)增加,此时,在保护酶系统承受范围内,植物体内的保护酶如超氧化物歧化酶(SOD)与过氧化物酶(POD)等抗氧化酶活性增加,保护酶之间的协调作用能够最大限度的保护机体,清除体内的活性氧和保护植物细胞使其减少或免受氧化胁迫伤害,从而提高植物的抗旱性。在农业生产中,一切的管理措施通常都是以围绕改善光合性能进行的。所以光合作用的研究涉及较为广泛,几乎涉及到植物生物学的各个领域。由于荧光技术方便快捷且无损伤的特点,近几年叶绿素荧光技术开始较为广泛的应用于光合作用的研究,在检测和分析在光合作用扮演着越来越突出的角色。另外,酚酸对植物光合生理特性的影响十分复杂,并非某两个、三个或若干个做耦合计算得出的,涉及到对诸多生理生化的影响,这同时与植物本身所具有细胞的特质有着十分紧密的联系。因此,因此,必须在具体的试验条件下测定实验材料的多个参数如气体交换参数,荧光参数,植物光谱反射特征等并结合与光合作用过程有关联的生理生化指标如抗氧化酶活性、叶绿素含量、硝酸还原酶活性,甚至要结合植物根系的情况(孙景宽等, 2009;张仁和等, 2011),方能较为客观、准确、系统、深入地认识不同浓度酚酸对杨树光合效能的影响。 
植物树种或品种不同,其对逆境因素的响应特点或适应能力都有差别。为此,本研究以 1 年生杨树苗木为试验材料,分别以单纯 Hoagland 营养液、含不同浓度酚酸的 Hoagland 营养液模拟杨树连作,观测不同浓度酚酸处理下杨树叶片光合作用的气体交换(含其日变化过程)、叶绿素荧光、光谱反射特征、抗氧化酶活性、硝酸还原酶活性、根系活力等生理参数,来探讨随酚酸浓度增加杨树叶片光合作用的变化过程,以及对保护酶活性的影响,揭示杨树连作生物量下降的内在原因,以期为为进一步从植物生理的角度为减轻杨树连作障碍问题提供理论依据与方法。杨树多代连作经营后会产生连作障碍,在研究过程中,人们充分认识到酚酸类物质引起的化感作用在其竞争活动中成为一种限制因子。迄今为止,关于杨树连作研究多见于林下土壤理化性质(许婷婷等, 2014;王延平等, 2010a)、根际效应(杨阳等, 2010;王延平等, 2010b),尚缺乏对连作状态下杨树光合作用光响应特征与日变化特征、叶绿素含量、叶绿素荧光动力学特征、光谱反射特征以及与根系活力、抗氧化酶活性协同作用的研究。因此,我们通过使用不同外源浓度酚酸的方法来模拟连作,研究杨树对酚酸逆境胁迫响应特征,对其在造林、绿化及其生态恢复中的合理应用不但具有重要理论价值还有较强的实践意义与指导意义。因此,本文根据相关研究结果设置多个酚酸梯度来模拟杨树的连作过程,通过对不同酚酸梯度(模拟连作代数)的杨树光合作用、生理等参数连续观测,以分析探索在酚酸对杨树气体交换参数、荧光参数、根系活力、光谱反射特征、抗氧化酶活性、硝酸还原酶活性以及渗透调节物质(可溶性糖与脯氨酸)等生理生化参数的变化,达到以下几个目的: 
(1) 分析探索酚酸浓度对杨树气体交换参数、荧光特性、光谱反射特征以及相关生理生化参数的影响;从植物生理生态层面揭示外源酚酸对杨树光合作用的抑制特征,探索杨树光合作用效率指标随外源酚酸浓度的的响应过程与机制。 
(2) 从气孔限制与非气孔限制等的角度探索分析随培养基质中酚酸浓度的变化杨树光合“午休”的主要限制因素揭示酚酸对杨树光合作用的影响过程与机制,探索限制光合作用的主要因素发生转变时对应的酚酸浓度; 
这为深入了解酚酸处理状态下杨树生理特征,解决连作对杨树的抑制作用,减轻日益凸显的杨树连作障碍提供思路、理论依据和技术支持。 
1.2 研究现状与进展 
早在 1869 年,德国研究人员在对云杉人工林进行调查时,发现第二代云杉人工林
存在地力衰退问题,此后将此类现象统称为 “第二代效应”,后来在欧洲国家(如挪威、法国、前苏联),亚洲国家(如印度、印度尼西亚),澳洲国家(如澳大利亚)等地也发现了类似的问题,人工林尤其是人工纯林的多代连作引起植物根系分泌的化感物质增多,一系列的活动转移至根系周围的土壤,这是导致人工林地力衰退的主要原因之一。目前,人工林地力衰退问题不再是某一个国家或某一个洲的问题,逐渐演变成一个世界性的问题,这严重影响到人工林的可持续经营。有研究表明土壤作为贮藏养料的“库” 和提供丰富养分的“源”,这与土壤微生物和土壤酶活性有着极为密切的关系(付刚等, 2008)。随人工林经营年限增加,植物对土壤中的大量营养元素的消耗也增多,甚至匮乏,树木被采伐并以此方式转移出林地时,林地营养元素也被随之携带走,这会给土壤带来养分匮乏的问题,尤其是多代连作时土壤中的元素处于不断被“带”走的状态,这更是加重了土壤的负荷与承受能力;这个问题对在生态系统物质循环中扮演着尤其重要角色的 N 素更加严峻。化感物质进入土壤后其化感作用作用于土壤微生物以及土壤酶活性,使其活性受到抑制,这可能会进一步对土壤 N 素有效性产生了显著抑制(王华田等, 2013),而土壤中 N 素的有效性程度不但对根系的觅食效率产生重大影响(Ruffel S et al., 2011),同时也可能抑制土壤中某些微生物的生长(Einhellig F A et al., 1995; Tsutomu O et al., 2001)影响微生物群落的多样性。另外,人工林连作导致的地力衰退不单单是由于土壤养分的亏缺或偏肥,而是多方因素错综复杂的综合反映(谭秀梅等, 2008)。引起植物连作障碍的主要因素大致包含以下几个方面:土壤微生物群落的稳定关系被打破,根际正常的微生物群落组成及其结构受到严重影响,导致土壤中微生物群落多样性降低,这是微生物群落对抗病原微生物的能力下降,使病原微生物数量增加,首先对植物根系造成不利影响;土壤养分亏缺,不利于下茬植物的正常生长与发育,降低下茬植物的抗逆性与抗病性,而高发病虫害,从而导致植物的产量和品质下降;化感物质(如酚酸类物质)的自毒作用(夏品华与刘燕, 2010),这对植物细胞的活性有严重的削弱作用。 
在自然状况下植物分泌物中的大量化感物质转移进入土壤的主要有 3 种途径:首先,由植物体挥发释放的化感物质在雨雾淋溶的作用下进入林下土壤;其次,由根系分泌,直接或在微生物作用下进入土壤环境;然后通过一系列植物残体或凋落物的腐解(王延平等, 2010)的途径进入土壤。酚酸类等化感物质进入土壤后,会导致土壤微生物多样性降低,这意味着土壤生态系统健康程度有所下降,并在很大程度上影响林地生产力(倪桂萍, 2013)。另外,这些化感物质一般具有很强的毒理性,会对林木自身(如细胞的新陈代谢等)产生较强的自毒作用,如果没有将土壤中的自毒物质清理出去,那么,自毒物质在土壤中的长期累积将导致植物根系生长受抑,地下部分(即根系)的生长发育对地上部分的生长有着非常紧密的关联(如为地上部分提供养分与水分等),因此,根系的生长发育受限也终将会影响植物地上部分的生长发育,制约林木生产力等一系列问题,这是人工纯林地力衰退的重要原因之一。 
1.3 植物的连作障碍分析 
在同一块地上同一种(科)作物或者近缘作物的连续种植,即便是在正常管理的情
况下,也会导致其产量、品质降低以及生育状况变差等的不良现象,即所谓的连作障碍。树木连作障碍主要有以下几种表现:幼树不能生长或生长时间较长不能进入盛果期;各种病虫害加重;土壤地力退化等。连作现象发生在果园时,容易导致果树的轮纹病、腐烂病等病害病情加重,且迅速发展。 
主要形成原因有以下几种:①自毒抑制:即植物根系分泌的有毒物质通过各种途径进入土壤后对下茬植物的生长发育产生抑制的一种现象。大部分的毒素是由植物根系分泌的,还有一小部分是有植物地上部分的茎叶分泌;残茬腐解,病原微生物以及特定微生物所分泌的有毒物质。目前,多年对杨树人工林连作后的林下土壤的研究表明,对羟基苯甲酸、苯甲酸、阿魏酸、香草醛、肉桂酸,是土壤中所占比重较大的 5 种酚酸类物质。②土壤理化性状恶化:主要包括土壤养分不均衡、土壤酸化、土壤板结、有机质含量降低、土壤肥力下降以及土壤耕作层变浅等;③土传病害、虫害加重(同时也是最主要的原因和形式):植物连作后的土壤环境不但为病原菌的生存和繁殖提供了寄主,还提供了较为优越的营养条件,从而抑制有益微生物的生长,使土壤微生物群落生态系统发生生态失衡的现象,加重土传病发率;④元素平衡破坏:由于作物根系对土壤中营养元素的选择性,作物重茬或连作后易使土壤中的矿物质元素流失严重,而后打破土壤养分的平衡状态,又会影响作物对某些元素的吸收与利用,这样会进一步限制其生长发育,诱使产品的质量与品质降低;⑤土壤次生盐渍化:即造成的土壤水分盐分(植物养分)的动态运移失衡,盐分积累导致盐渍化,主要表现为作物根系的吸水能力以及主动运输能力的减弱,造成植株生长发育不良。化感作用与许多生态因子(如水肥、温度、土壤酶活性、植物生境、微生物侵染、动物侵食)有关,并彼此相互影响,比如植物化感物质也通过络合、酸溶解、吸附、抑制、竞争等方式影响土壤的养分形态和水平;反过来,土壤养分缺乏也同时影响着植物化感物质在的形成、分泌与释放,这对植物化感潜力造成一定的影响(肖辉林等, 2006)。 
土壤养分缺乏对化感潜力的影响主要表现在可使植物产生和释放次生物质含量与活性在大多数情况下的增加。例如 Dear 等人(1965)的研究结果表明当土壤中缺乏硼素时会导致向日葵叶片中的绿原酸和咖啡酸含量升高;Koeppe 等(1976)通过对不同土壤养分生长的向日葵的研究表明,土壤中缺乏磷(P)元素时,导致日葵根系分泌的酚类物质增多以及绿原酸同分异构体的浓度显著提高(P<0.05);Hall 等(1982)研究人员对不同程度营养胁迫下的向日葵的研究表明向日葵受到的营养胁迫程度越强,酚类物质增加趋势越明显。 
1937 年,化感作用一词由德国科学家 Molish 首次提出(Makoi et al., 2007)。此后,酚酸类物质作为植物促生、防御分子、色素、抗胁迫、信号分子和化感物质的研究逐渐引起科研人员的关注(谢星光等, 2014)。化感物质对于不同植物生长发育时期影响也各有不同,目前一般认为化感物质对植物幼苗生长期的影响要大于种子的萌发期。 
2 材料与方法 
2.1 试验区概况 
试验地位于山东农业大学林学实验站(35°38′~36°33′N, 116°02′~117°59′E),在山东农业大学南校区附近,位于泰安市泰山区,泰山区位于泰安市中部,东西南三面与泰安市岱岳区搭界,北部与济南市长清区、历城区毗连。四季分明,属暖温带半湿润大陆性季风气候。年平均气温 12.9 ℃,年平均最高气温 19.2℃,年平均最低气温 7.9℃,≥10 ℃ 年积温在 2350 ℃~4777 ℃,无霜期 202 天,多平均降水量 741.8mm,降雨多集中在 7~
9 月(陈建等, 2008);土壤类型主要为棕壤土,质地为沙壤土,pH=8.4 (刘刚等, 2010)。 
2.2 试验材料 
本研究以一年生 I-107 杨树(Populus euramericana cv.‗Zhonglin46‘)无性系幼苗为材料。杨树广泛分布于欧、亚、北美,树皮常为灰白色,光滑或纵裂。杨树木材应用非常广泛,多用来生产家具、人造板、办公用品及纤维等,同时也用作建筑材料。乔木,树干通常端直;沿河两岸、山坡和平原都能生长。叶可做为牛、羊的饲料;芽脂、花序、
树皮可供药用;常为营造四旁绿化、防护林、护岸林或水土保持林的树种。 
2015 年3月,将粗细基本一致的1年生杨树枝条均匀的剪成20cm的插穗,于蒸馏水中侵泡2周。每2天换一次水,2周后选取大小基本一致的插穗进行扦插,每个花盆(内径 38cm,深45cm,下部有排水通气孔)扦插一枝,以石英砂为培养基质 (每盆约25kg),定期浇水,于5月中下旬开始给杨树幼苗浇营养液,依据谭秀梅等(2008)对二代杨树人工林的研究,将二代林土壤中酚酸浓度为X,模拟连作时,0.5X,1.5X,2.0X,3.0X的水平分别参照1.0X进行换算,以不加酚酸的Hoagland营养液为对照(CK),0.5X,1.0X,1.5X,
2.0X,3.0X(表1)分别对应T1,T2,T3,T4,T5。试验共设置5个处理组,即T1、T2、
T3、T4、T5,每组设置6盆,每7天浇一次营养液,每次每盆4L。每次浇营养液之前第4 天用蒸馏水冲洗基质以防止酚酸类物质积累。至2015年8月上旬,对不同处理试验植株进行生理观测。在试验观测期间,搭建简易遮雨棚,以防止降雨天气雨水对实验的干扰
(夏宣宣等, 2015; 夏宣宣等, 2016)。 
2.3 试验方法 
2.3.1 气体交换参数测定方法 
1. 光响应过程的测定:2015 年 8 月,每处理选择 3 棵生长势基本一致、生长健壮、无病虫害的杨树苗木开始光合作用等参数的观测。分别从每处理选择好的 3 株试验植株的中部选取 3 片生长健壮的成熟叶片并做标记,应用英国 PP System 公司生产的 CIRAS-2 型光合作用测定系统在典型的晴天测定各浓度外源酚酸处理的各植株的标记叶片的气体交换参数的光响应过程,每个叶片重复 3~4 次,测定时,大气温度 26-28℃,相对湿度(58±4.0)%,分别使用液态 CO2 钢瓶与 LED 人工光源控制叶室 CO2 浓度与光合
选择在典型晴朗的天气,与光响应过程的测定同步,测定已标记叶片在相同光和有
效辐射不同 CO2 浓度条件下的净光合速率(Pn),即测定 Pn 随 CO2 浓度变化的响应曲线。
应用英国 PP System 公司生产的 CIRAS-2 型光合作用测定系统在典型的晴天测定各浓度外源酚酸处理的各植株的标记叶片的气体交换参数的在饱和光强下的 CO2 响应过程。选择在完全晴朗天气下 8:30-11:00 之间,每个标志叶片重复 3~4 次,保证每处理有
9 个以上的重复。在测定此 CO2 响应过程参数时大气温度 26-28℃,相对湿度(58±4.0)%。根据前期对杨树光合作用光饱和点测定的结果,确定在测定 CO2 响应过程时将人工 LED 光源控制在 1500μmol•m-2•s-1(即饱和光强),为保证数据的准确性,在测定时使 CO2 浓度达到设定浓度保持 10 min 后再读数,使植株适应该 CO2 浓度后再进行测定。使用液态 CO2 钢瓶来叶调节室 CO2 浓度,控制调节叶室的 CO2 浓度设定的浓度梯度为 1500、 1200、1000、800、600、400、250、200、150、100、50、0μmol•mol-1。仪器自动记录相关参数。绘制 Pn-Ci 的响应曲线,对 Ci<200μmol∙mol-1 内的曲线进行线性回归,求得光合作用的 CO2 补偿点(CO2 compensation points,Г;μmol∙mol-1)、羧化效率(Carboxylation efficiency,CE;mol∙mol-1)和光下呼吸速率 Rp(Photorespiration rate,Rp;μmol∙m-2∙s-1)及
CO2 浓度饱和时的 Pn(潜在最大光合能力) (Farquha et al., 1982)。 
2.3.2 荧光参数测定方法 
叶绿素荧光参数测定:叶绿素荧光参数能反映出植物的―内在性‖特点,经常用于描述植物光合生理状况和光合作用机理,能很好的反映出植物光合作用与环境关系尤其是在监测到光系统天线色素对吸收光能的传递、耗散、分配等方面,因此常作为两者之间的快速、无损伤的内在探针。因此,这项技术在植物抗逆性、植物生态、光抑制以及光破坏的防御机制等方面的也得到较为广泛的应用。我们对不同处理杨树叶绿素荧光参数的观测是与对其光响应曲线的测定同步进行的。应用英国 Hansatech 公司生产的脉冲调制式 FMS2.02 型荧光系统,测定 CK 及各处理组杨树叶片的荧光参数。测定前,应使植株叶片在自然光下活化 40min 左右。将叶片夹夹在标记的叶片上,测得叶片实际荧光产量(Fs),随后给叶片加一个强闪光 (光和有效辐射 PAR 为 5000μmol•m-2•s-1,脉冲时间 0.7s) ,获得光下最大荧光(Fm') 以及光下最小荧光(Fo')),随后关闭暗适应夹,使叶片夹内的叶片充分暗适应(一般暗适应 30min 左右),随后加一个强闪光(PAR 约为 5000 μmol•m-2•s-1,脉冲时间 0.7s) ,测得叶片的最大荧光(Fm),初始荧光(Fo),以及电子传递速率(ETR),另外,按 Rohacek(2002)公式计算 PSⅡ的实际光化学效率 ΦPSⅡ= (Fm' -Fs)/Fm';PSⅡ的最大光化学效率 Fv/Fm= (Fm-Fo)/Fm;光化学猝灭系数 qP = (Fm'-
Fs)/(Fm'-Fo');非光化学猝灭系数 NPQ=(Fm-Fm')/Fm'。 
2.3.3 光谱参数测定方法 
运用英国 PP System 公司生产的 Unispec SC 单通道光谱分析仪测定。波长范围为 310~1100nm。该仪器有一个内置卤素灯,在使用一个有分支光纤将仪器与叶片夹连接起来,一端连接到夹叶片的叶片夹,分叉的另一端连则接到卤素灯的输出端口,光纤(能最大限度的输入与输出的光质)的探头(直径为 2.3mm)固定在一个标准叶夹中,与叶片之间夹角为 60°。由于 Unisepc SC 具有内置光源,因此可以在任何光强环境中测定,尤其适合在室内以及控制光强条件下分析植物以及各种其它物质的光谱。植物光谱分析是基于植物的光谱特性。植物的光谱反射特征主要是根据叶片内的水分含量、各种色素的含量和其它生物化学成分含量或浓度与反射率的相关关系(主要由于不同物质对光的吸收和反射的不同造成的)可建立植物叶片或冠层反射光谱的各种生理生化组分的检测指标或诊断模型。光谱分析技术的发展使其广泛的应用在对植物生理生态学的研究中,可以无损、实时、精确、快速的反映出植物在多个层面各种条件下的生理生态特性。 
光谱反射技术可以应用于:植物色素含量的测定、植物水分含量的测定、叶黄素组分、氮素营养(赵瑞娇等, 2010)等。 
叶绿素指标 ChlNDI=(R750–R705)/(R750+R705) (Richardson et al., 1995; Stylinski et al., 
2002; Zhang et al., 2007)。 
含水量指标 WI=R900/R700 (Pe ñuelas et al., 1997)。 
叶黄素循环是植物光破坏防御的一种重要机制,也是近些年来的研究热点。叶黄素循环组分的分析通常使用 HPLC 测定,即费时又费力,而且要破坏被测植物组织。根据叶黄素循环组分中的紫黄质(V)、环氧玉米黄质(A)和玉米黄质(Z)对不同波长光的吸收和反射特征,可以用光谱仪快速无损伤的研究叶黄素循环,为叶黄素循环的研究提供了一个快速便捷的工具。叶黄素循环的三个组分对不同光强做出快速响应,叶黄素循环指标(PRI)则反映了依赖叶黄素循环的热耗散的快速启动过程。Gamon (Gamon et al., 1990)等表明,叶黄素循环色素状态与完整叶片在 531nm 处的反射光谱特征有紧密关系,并基于光谱反射光谱特征建立了光化学反射指数 PRI=(R531- R570)/(R531+R570) (Gamon et al., 1992; Weng et al., 2006),PRI 与叶黄素循环的脱环氧化程度密切相关。 
每处理均选 20 个以上的叶子,每片叶子测 4~5 个重复。 
2.3.4 各生理生化参数的测定方法 
采用双组分光光度法(即硫代巴比妥酸法)测定叶片丙二醛(MDA, mmol•g) 的含量
(郝建军等,2006);叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性则采用氮蓝四唑法(郑炳松,2006),以一定时间内产物生成量或底物的消耗量作为酶活性单位;采用愈创木酚显色法测定植物叶片过氧化物酶(POD)活性(孙群与胡景江,2005),即以在 470nm 波长下每分钟吸光度变化值表示酶活性大小。 
可溶性糖(Ss)的测定采用赵世杰等(2002)的硫酸苯酚法;采用磺基水杨酸提取+酸性茚三酮显色法(赵世杰等, 2002)测定叶片内游离脯氨酸(Pro)含量。根系活力采用氯化三苯基四氮唑(triphenyltetrazolium chloride, TTC)法测定(邹琦, 2006),即以四氮唑的还原强度 (μg•g-1•h-1)表示根系活力;硝酸还原酶(NR)活性(μg NO2-•g-1•h-1)采用活体法测定(刘萍与李明军, 2007),用比色法读取反应生成的粉色化合物的光密度值。 
相对电导率采用浸泡法测定,即取 0.1g 叶片,浸泡于装有 10ml 去离子水的刻度试管中,在室温下静置 12 h,此时用电导仪测定试管中浸提液的电导 (R1),而后密封试管,连试管采用沸水浴加热约 30 分钟,冷却至室温后摇匀,再次测定浸提液电导(R2)。相对电导率= R1/R2×100%(陈建勋与王晓峰, 2006; 刘宁等, 2000),每处理重复 6 次。 
2.3.5 数据处理 
各参数在完成测定后,将各酚酸下相应的参数数据输入 Excel 2003 进行整理,并利
用 Excel 2003 软件作图。而后使用 SPSS 19.0 软件对数据进行统计分析(差异性分析),采用单因素 (one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)在 5%水平上进行差异显著性检验(P=0.05)。本文图(表)中数据均为平均值±标准误。 
3 结果与分析 
3.1 酚酸浓度对杨树叶片光合参数的影响 
3.1.1 酚酸浓度对杨树光响应曲线的影响 
 
 
图 1 不同酚酸浓度下杨树叶片净光合速率的光响应过程(平均值±标准误差) 
Fig. 1 Light response of net photosynthetic rate under different phenolic acid concentration (mean±SE) 
 
由图 1 看出,杨树叶片 Pn 在不同酚酸浓度下的光响应过程具有显著差别但也有一定的相似之处,即 Pn 随着 PAR 的增大首先表现为先直线式快速升高而后表现为曲线式缓慢升高的趋势。具体表现在:在较低光强下(PAR≤200μmol•m-2•s-1),不同浓度酚酸处理下的 Pn 均随 PAR 的增加而迅速上升,而后增加趋势变得缓慢至对应出现各自的最大净光合速率(Pnmax),对应出现饱和光强(LSP);之后的光响应过程因蛭石中酚酸浓度的不同而展现出较大差别,即酚酸浓度高于 T3(T3、T4、T5)后,Pn 则随 PAR 的继续增加而稍有降低(光饱和抑制),而 CK、T1、T2 处理中的 Pn 则随 PAR 的继续增加而稍有增加。