连香树(Cercidiphyllum japonicum)为连香树科(Cercidiphyllaceae)连香树属高大且雌雄异株的落叶乔木，是第三纪孑遗植物，现为国家二级重点保护物种。化石记录表明，连香树属植物在晚白垩纪就已出现，在古近纪已遍布北半球，它们作为先锋树种，在洪水冲击过的漫滩地首先生长^[1]，我国境内就有6个化石记录种^[2]。随着地史的变迁，该类群不仅数量逐渐减少，且逐步向中低纬度地区迁移而成为东亚特有类群，目前仅2个相近的现代种间断分布在我国(中部和西南部)和日本^[2]。

植物幼苗作为个体发育的重要阶段，对外界环境的变化极为敏感^[3–4]，幼苗的存活情况不仅会直接影响种群的更新，也会间接的影响森林群落的物种组成、结构和稳定性^[5]。光照是植物幼苗进行光合作用的重要因素，不同的光照对植物幼苗的生长发育具有不同的影响。国内外学者通过人工遮荫的方法，对植物幼苗的生长情况、光合特性变化以及生理特性变化进行了大量的研究，如轻度遮荫促进了莲叶桐(Hernandia nymphiifolia)和琼岛杨(Populus qiongdaoensis)幼苗的生物量积累^[6–7]，提高了乐昌含笑(Michelia chapensis)幼苗的净光合速率^[8]；老鼠簕(Acanthus ilicifolius)幼苗在轻度遮荫环境下生理生态指标表现为促进其生长^[9]，亦有研究表明当光照强度超过一定的范围时就会对植物造成非生物胁迫和生理损害^[10]。目前对连香树的光照研究主要集中于光照对连香树幼苗光和特性、形态特征以及化学计量特征的影响^[11–14]，对生理生化特征的影响研究尚未见报道，本研究利用人工气候室，排除其它环境因素的干扰，设置不同光照强度处理1 a生连香树幼苗，结合形态特征和生理生化特征，深入探讨连香树幼苗对光照强度变化的适应能力和适应策略，以期为连香树的种群复壮及濒危机制研究提供参考。

2022年10月采集四川省绵阳市雪宝顶自然保护区连香树(Cercidiphyllum japonicum)成年健壮母树，于2023年1月中旬进行种子萌发。

于2023年3月初将萌发的幼苗移栽至高15 cm、口径18 cm的塑料盆中，缓苗生长3个月。6月初选取高度接近，生长健壮的幼苗放置在人工气候室中进行光照处理，采用LED灯控制光照强度；根据野外实测连香树生长期内四川省绵阳市雪宝顶自然保护区的自然光照强度，设置了5个光照处理，每个光照处理放置25株幼苗，通过数字光照度计(TES-1335)测定光照强度：以100%自然光照强度为对照(L₃)；低光(L₁)、中低光(L₂)分别是10%、25%自然光照强度的，作为弱光组，以模拟野外林下、林窗的光照条件^[15–16]；中高光(L₄)、高光(L₅)分别是110%、125%自然光照强度的，为强光组，模拟高光胁迫处理。光照时间为12 h/d，湿度为65%，温度为20 ℃，光照处理时间为6月—9月，期间进行统一的水肥管理。

形态指标  每组随机选取5株幼苗于实验开始前和实验结束后用直尺和游标卡尺分别测量株高、基径。实验结束后，每组另外随机选取5株幼苗，采集其成熟健康的功能叶片(从上往下数第3~5片叶子)进行编号和称重，并利用叶片扫描测定仪测定叶长、叶宽、叶面积，最后将这5株幼苗整株收获，用自来水冲净根部所带土壤，剪下根、茎和叶并分别装入茶叶袋中，置于55 ℃烘箱中，烘至恒重, 用电子天平称重。计算叶片含水量、比叶面积、生物量和根冠比。比叶面积为叶面积与叶片干重之比，根冠比为茎叶生物量与根生物量之比。

生理指标  于实验处理的第30、60、90天分别在不同光照强度处理下随机选取5株无病虫害、长势均匀的个体，取成熟的功能叶片(从上往下第3~5片叶子)，用锡箔纸包裹放进自封袋进行编号后放置冰桶中迅速带回实验室–80 ℃保存，委托苏州格锐思生物科技有限公司测定相关指标，每个指标重复测定3次。过氧化物酶(POD)活性[ΔOD₄₇₀/(min·g)]采用愈创木酚法测定^[17]；超氧化物歧化酶(SOD)活性(U/g)采用黄嘌呤氧化酶法测定^[17]；丙二醛(MDA)含量(nmol/g)采用硫代巴比妥酸法测定^[18]；叶绿素(Chl)含量(mg/g)采用乙醇法测定^[18]。

利用Excel 2019对原始数据进行整理，利用SPSS Statistics 27.0对数据进行分析，采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小显著差异性检验(LSD)法比较各指标在不同光照处理下的差异显著性；利用双因素方差分析法(Two-Way ANOVA)分析光照强度和处理时间及其交互作用对生理指标的显著影响；相关性分析方法对不同光照强度下幼苗形态指标、生理指标做相关性分析；因子分析方法对不同光照强度下幼苗形态指标、生理指标做主成分分析；利用Origin 2022软件进行作图。文中数据结果均为平均值±标准误。

不同光照强度对幼苗的形态有显著影响(图 1)。随着光照强度的增强，株高增长量、总生物量、地上部分生物量和地下部分生物量均呈现先升后降的趋势，以L₂处理的最高且显著高于L₁和强光处理，L₅处理的最低；基径增长量随着光照强度增强而增加，除L₃和L₄处理间，其余处理间均差异显著；根冠比随光照增强而降低，但差异并不显著。

图 1(Fig. 1)

图 1 光照强度对连香树幼苗生长的影响。L1、L2、L3、L4、L5分别为低光、中低光、对照、中高光、高光；柱上不同字母表示差异显著(P < 0.05)。下同 Fig. 1 Effect of light intensity on growth of Cercidiphyllum japonicum seedlings. L1, L2, L3, L4, L5 represent light intensity at low, medium low, control, medium high, and high levels, respectively. Different letters upon column indicate significant differences at 0.05 level. The same below

单因素方差分析结果表明光照强度对幼苗叶宽、叶长、叶面积、比叶面积、含水量均有显著影响(图 2)。弱光处理的幼苗叶长、叶宽、叶片长宽比随光照强度增强而增加，强光处理组则随光强增大而减小，其中L₂处理叶长、叶宽显著高于对照和强光处理，L₅处理的叶片长宽比显著高于其他处理。与对照相比，强光处理的叶面积、比叶面积随光照强度增强而显著降低，弱光处理的叶面积无显著差异，但比叶面积显著低于对照。随着光照强度的增强，叶片含水量呈现降低趋势，其中L₅处理显著低于其他处理组。

图 2(Fig. 2)

图 2 光照强度对连香树幼苗叶片形态和含水量的影响 Fig. 2 Effect of light intensity on morphology and water content in leaves of Cercidiphyllum japonicum seedlings

连香树幼苗的生理指标受光照、处理时间以及光照和处理时间交互作用的影响极显著(表 1)。不同光照强度下幼苗叶片的SOD、POD活性和MDA、Chl含量随处理时间的增加呈现出不同的变化趋势(图 3)。相同处理时间下，弱光的SOD活性高于强光，随着处理时间的增加，L₁处理的幼苗叶片SOD活性逐渐升高，L₄显著降低，L₂和L₅呈先升后降的趋势，L₃则先降后升且差异显著。

表 1(Table 1)

表 1 光照和时间对连香树幼苗生理指标的影响(F值) Table 1 Effects of light and time on physiological indexes of Cercidiphyllum japonicum seedlings (F value) 指标 Index 光照 Light 时间 Time 光照×时间 Light×time 过氧化物酶 Peroxidase (POD) 1144.29** 96.93** 64.41** 超氧化物歧化酶 Superoxide dismutase (SOD) 73.60** 24.37** 61.21** 丙二醛 Malondialdehyde (MDA) 1443.38** 439.23** 163.55** 叶绿素 Chlorophyl (Chl) 268.22** 581.06** 43.50** 叶绿素 a Chlorophyl a (Chl a) 216.64** 426.78** 36.60** 叶绿素 b Chlorophyl b (Chl b) 139.64** 341.25** 24.39** **: P < 0.01

表 1 光照和时间对连香树幼苗生理指标的影响(F值) Table 1 Effects of light and time on physiological indexes of Cercidiphyllum japonicum seedlings (F value)

图 3(Fig. 3)

图 3 光照强度和对处理时间对连香树幼苗生理特征的影响。柱上不同小写和大写字母分别表示相同处理时间不同光照强度和相同光照强度不同处理时间下差异显著(P < 0.05)；POD: 过氧化物酶; SOD: 超氧化物歧化酶; MDA: 丙二醛; Chl: 叶绿素。下同 Fig. 3 Effects of light intensity and time on physiological characteristics of Cercidiphyllum japonicum seedlings. Different small and capital letters indicate significant differences at 0.05 level under different light intensities at the same time and the same light intensity treated different time, respectively. POD: Peroxidase; SOD: Superoxide dismutase; MDA: Malondialdehyde; Chl: Chlorophyl. The same below

相同处理时间下，弱光、对照的POD活性始终显著高于强光，MDA含量则相反；相同光照下, 弱光的POD活性随处理时间增加呈下降趋势但不显著，L₃和L₄先升后降且差异显著，L₅显著上升; 强光的MDA含量随处理时间增加而显著增加，L₁、L₃先降后升，L₂则相反且差异显著。

相同光照下，对照和强光的Chl、Chl a、Chl b含量均随处理时间的增加而显著下降，弱光则呈先降后升的趋势且差异显著。相同处理时间下，强光的Chl、Chl a、Chl b含量均显著低于对照，弱光则随着光照的增强而显著降低。

连香树幼苗形态和生理指标间存在相关性(表 2)。其中，叶绿素含量与生物量、根冠比呈显著负相关，与POD活性呈显著正相关；MDA含量与叶面积、比叶面积、POD活性呈显著负相关，与根冠比呈显著正相关；POD活性与根冠比呈显著负相关、与株高增长量呈显著正相关性；比叶面积与叶面积和SOD活性之间呈显著正相关；株高增长量与基径增长量之间呈显著正相关，与根冠比之间呈显著负相关。

表 2(Table 2)

表 2 相关性分析 Table 2 Correlation analysis 指标 Index 生物量 Biomass 根冠比 Root to shoot ratio 株高增长量 Plant height increment 基径增长量 Base diameter increment 叶面积 Leaf area 比叶面积 Specific leaf area SOD POD MDA Chl 生物量 Biomass 1 根冠比 Root-shoot ratio 0.748 1 株高增长量 Plant height increment –0.495 –0.906* 1 基径增长量 Base diameter increment –0.191 –0.707 0.937* 1 叶面积 Leaf area –0.412 –0.803 0.865 0.839 1 比叶面积 Specific leaf area –0.588 –0.790 0.672 0.537 0.902* 1 SOD –0.524 –0.567 0.350 0.193 0.693 0.927* 1 POD –0.737 –0.958* 0.951* 0.801 0.823 0.728 0.454 1 MDA 0.761 0.905* –0.859 –0.702 –0.898* –0.882* –0.685 –0.943* 1 Chl –0.905* –0.954* 0.764 0.492 0.643 0.726 0.567 0.903* –0.865 1 *: P < 0.05

表 2 相关性分析 Table 2 Correlation analysis

对不同光照强度下连香树幼苗的10个生长和生理指标进行主成分分析，结果表明前2个主成分累积贡献率高达90.87% (表 3)，能综合幼苗生长的大部分信息，因此要将这10个指标转化成2个新的综合指标。对于第1主成分(表 4)，除了生物量、根冠比和MDA含量具有较高的负载荷外，其他生长指标均有较高的正载荷。以主成分1和主成分2对应的方差贡献率作为权重建立综合评价模型，其表达式为Y=0.7841Y₁×12.46%Y₂。不同光照强度下幼苗生长的综合评价值(表 5)。综合评价值为L₂ > L₁ > L₃ > L₄ > L₅，这表明中低光照下的幼苗有最佳的生长状态，强光下幼苗生长受到抑制且光照越强抑制作用越明显。

表 3(Table 3)

表 3 光照对连香树幼苗生长影响主成分分析方差解释 Table 3 Principal component variance explanations of effect of light on the growth of Cercidiphyllum japonicum seedlings 成分 Component 初始特征值 Initial eigenvalue 提取平方和载入 Extract the sum of squares to load 特征值nr Eigenvalue 方差贡献率/% Variance contribution rate 累积贡献率/% Cumulative contribution rate 特征值 Eigenvalue 方差贡献率/% Variance contribution rate 累积贡献率/% Cumulative contribution rate 1 9.410 78.41 78.41 9.410 78.41 78.41 2 1.496 12.46 90.87 1.496 12.46 90.87 3 0.961 8.00 98.87 4 0.134 1.11 100.00

表 3 光照对连香树幼苗生长影响主成分分析方差解释 Table 3 Principal component variance explanations of effect of light on the growth of Cercidiphyllum japonicum seedlings

表 4(Table 4)

表 4 光照对连香树幼苗生长影响主成分矩阵 Table 4 Principal component matrix of effect of light on growth of Cercidiphyllum japonicum seedlings 指标 Index 第1主成分 1st principal component 第2主成分 2nd principal component 载荷 Load 标准化变量系数 Standardized variable coefficient 载荷 Load 标准化变量系数 Standardized variable coefficient 生物量 Biomass –0.696 –0.227 0.499 0.408 根冠比 Root/top –0.967 –0.315 0.046 0.038 株高增长量 Plant height increment 0.939 0.306 0.339 0.277 基径增长量 Branch diameter increment 0.797 0.260 0.577 0.472 叶面积 Leaf area 0.913 0.298 0.070 0.057 比叶面积 Specific leaf area 0.856 0.279 –0.359 –0.294 SOD 0.619 0.202 –0.646 –0.528 POD 0.975 –0.318 0.093 0.076 MDA –0.971 –0.316 0.133 0.109 Chl 0.889 0.290 –0.260 –0.213

表 4 光照对连香树幼苗生长影响主成分矩阵 Table 4 Principal component matrix of effect of light on growth of Cercidiphyllum japonicum seedlings

表 5(Table 5)

表 5 光照对连香树幼苗生长影响得分 Table 5 Effect score of light on seedling growth of Cercidiphyllum japonicum seedlings 光照梯度 Light gradient 第1主成分得分(Y1) 1st principal component scrore 第2主成分得分(Y2) 2nd principal component scrore 综合得分(Y) Aggregate score L1 2.4577 –1.4049 1.7521 L2 2.1521 1.6221 1.8896 L3 0.6043 –0.4161 0.4220 L4 –2.4009 0.8717 –1.7739 L5 –2.8133 –2.2897 –2.2897

表 5 光照对连香树幼苗生长影响得分 Table 5 Effect score of light on seedling growth of Cercidiphyllum japonicum seedlings

光照在植物的生存生长方面发挥了重要作用^[19]。随着光照强度发生变化，植物会通过增加或者减少垂直生长和基径生长的同化碳从而调节幼苗株高增长量和基径增长量来适应光环境的变化^{[5, 20]}。另外生物积累量也会出现差异^[6]，有研究表明当光照减弱时，地上部分生物量会有所增加从而获得更多的光能，而光照增强时，地下部分生物量会增加, 以吸收更多的养分和水^[9]。本研究中，株高增长量在中低光处理下达到最高值，显著高于其余各组, 而基径增长量随着光照强度增强而增加，这表明光照强度的增强并不利于连香树幼苗顶端分生组织的分裂，反而对幼苗的次生生长相对友好。这说明连香树幼苗在适度遮荫(即野外林窗环境)时，会将同化碳更多的用于垂直生长，这可能是为了最大程度的获得光照，体现了连香树幼苗对光环境改变的形态适应策略；总生物量、地上部分生物量和地下部分生物量均在中低光处理下达到最大值，强光处理下达到最小值，这表明林窗环境下连香树幼苗不仅会增加地上部分以获取更多光资源，还会增加地下与土壤的接触面积来汲取更多养料和水分，这是连香树幼苗在林窗环境下生长的双重优势，这与程勇^[11]、Masako等^[20]的研究结果相似。连香树幼苗根冠比虽然随光强增加而减少但差异并不显著，这可能是试验处理时间较短的缘故。

叶片是植物感知外界环境变化最敏感的部位，叶片性状与物种的生长、存活和光照需求密切相关^[21]。当光照强度增加时，植物可以通过增加叶片厚度、减小叶长、叶宽、比叶面积等来抵御强光带来的伤害，而低光条件下，植物的叶子薄而大，从而增加光照接触面积，提高光能利用率^[22–23]。本研究结果表明，与对照组相比，强光组幼苗叶长、叶宽、叶面积、比叶面积都逐渐下降；弱光组叶长、叶宽、比叶面积显著高于对照组，其中中低光组叶长、叶宽、叶面积达到最高值，低光组比叶面积达到最高值。这表明在强光环境下，连香树幼苗为抵御强光环境带来的伤害，会形成小而厚的叶片，但这并不利于幼苗通过光合作用积累有机物，与之相反中低光(即野外林窗环境)下幼苗会通过扩大光合作用面积来制造更多的有机物以供自身生长发育所需，这与生物量指标分析部分相呼应；而低光处理下(即野外林下环境)，连香树幼苗会通过减少叶片生物量, 增大比叶面积来提高对光能的捕获能力以补偿光照强度不足造成的光合速率下降，即使比叶面积达到最高，但叶长、叶宽、叶面积均低于中低光处理组，由此可见，中低光照(即野外林窗环境)更有利于连香树积累有机物从而满足生长发育的需要。另外，叶片的含水量随光照强度增加而减少，这可能是因为连香树幼苗为了适应强光环境，通过增加蒸腾作用加速水分蒸发使叶片变得皱缩，从而减少叶片与光照的接触面积，避免强光环境带来的伤害。

MDA是膜脂过氧化作用的最终产物，它会破坏植物细胞膜系统的稳定性，因此MDA的含量可以反映膜脂过氧化和植物膜系统受害的程度^[24–25]。本研究中L₄、L₅处理组MDA含量显著高于其余各组且随着处理时间增加持续上升，L₁、L₂、L₃处理组MDA含量始终保持在较低水平，到处理结束时, 对照组MDA含量显著高于弱光组，但显著低于高光组，这表明强光胁迫会大幅增加幼苗质膜氧化程度，连香树幼苗无法很好的适应，而遮荫有利于保护幼苗细胞膜系统且连香树幼苗适应状态良好，这与杨虎彪等^[26]对吊罗山薹草(Carex diaoluoshanica)的研究结果接近。

多项研究表明，当植物处于逆境时，体内的活性氧会大幅增加，而植物防御系统所产生的SOD和POD是植物体内清除自由基和过氧化物的主要抗氧化酶，可以减轻细胞损伤^[27–28]。处理30 d后，L₁、L₄处理组SOD活性显著高于对照组，L₂、L₅显著低于对照组；处理60 d后，对照组SOD活性最低，弱光组显著高于强光组且L₂活性最高；处理90 d后，弱光组SOD活性依旧显著高于强光组, 但L₁活性最高，这表明随着处理时间的增加，强光胁迫会抑制SOD的作用，而低光可能也会对幼苗产生胁迫, 但却刺激幼苗产生更多的SOD，从而使幼苗受到保护，这与朱伟平等^[29]对坡柳(Dodonaea viscosa)的研究结果不一致，可能是因为SOD活性的变化不仅与光照强度、水分条件有关，还与植物物种有关。在整个试验过程中，高光组POD活性始终显著低于其余各组，结合MDA含量变化，这可能是在强光胁迫下幼苗膜脂过氧化加剧，间接影响到合成POD所需蛋白质的合成。弱光组POD活性较高且变化趋势较稳定，在试验处理结束后，与对照组相比活性变化为L₂ > L₁ > L₃且有显著差异，这说明在中低光处理下，幼苗体内产生的过氧化氢能够得到及时的清理，从而有效保护幼苗生长。

光合作用是植物重要的生理过程，为了适应弱光环境，植物通常会增加叶绿素含量，降低叶绿素a/b值来捕获更多的光能^[30–31]。本研究中，与对照相比，强光下幼苗叶片Chl、Chl a和Chl b含量都显著降低，且随着处理时间的增加而显著降低，结合MDA的变化来看，可能是因为持续在强光环境下，连香树幼苗无法很好的适应，幼苗膜系统受伤害程度增大，导致叶绿素大量溶解；而弱光处理下，幼苗叶片Chl、Chl a和Chl b含量显著增加，且随着处理时间的增加呈现先降后升的趋势，这表明强光环境不利于连香树幼苗捕获光能，光合作用能力降低从而导致生物量积累降低，而连香树幼苗对遮荫环境适应渐佳，从而产生更多的光和色素来增强光合作用能力，增加有机物的产生，这与秦舒浩等^[32]对西葫芦(Cucurbit pepo)的研究结果类似。

综上，光照对连香树幼苗生长和生理生化特性的影响显著，连香树幼苗在不同遮荫程度以及强光环境下均能生长，但是过强的光照环境会对植物的抗氧化系统以及细胞膜系统造成损伤，而过弱的光照强度不利于植株的生长。在野外林窗环境下，连香树幼苗体内抗氧化酶调节能力较好，生长状态良好，因此得出野外的林窗环境更适合连香树幼苗生长，这可以为连香树幼苗野外培育工作以及种群的建立提供参考。