國立臺灣大學生農學院森林環境暨資源學系 碩士論文
School of Forestry and Resource Conservation College of Bioresources and Agriculture
National Taiwan University Master Thesis
三種殼斗科樹種苗木在缺水逆境下之生長、
光合作用及葉綠素螢光表現
Seedlings Growth, Photosynthesis and Chlorophyll Fluorescence of Three Fagaceae Species Grown under
Water Deficit Stress
洪先禹 Hsien-Yu Hung
指導教授：郭幸榮 博士 Advisor: Shing-Rong Kuo, Ph.D.
中華民國 99 年 1 月 January, 2010
摘 要
本試驗於台大農場溫室進行，以森氏櫟 (Cyclobalanopsis morii)、三斗石櫟 (Pasania hancei)及狹葉櫟 (Cyclobalanopsis stenophylloides) 作為試驗樹種。目的 在探討這 3 種樹種在所擬訂的缺水逆境歷經不同持續時間之後其生長形態、氣 孔導度、光合作用速率、葉綠素螢光參數等之變化。生長介質水勢分為3 種變級：
充分澆水 (1–2 日澆水一次，C)、中度水逆境 (-90~-50 kPa，M)及重度水逆境 (-190~-130 kPa，S)，並依這 3 種變級及持續時間 1 或 2 個月組合成 5 種處理 (CC、
CS、MM、MS 及 SS)，隨後又恢復正常澆水 1 個月，試驗期間從 2008 年 5 月 持續到 2008 年 8 月。
結果顯示：各級缺水逆境處理的苗高、苗徑相對生長量皆幾停滯而與對照處 理間有顯著差異，受害最深者為森氏櫟，重度缺水2 個月後苗木全部死亡。葉部 長/寬比例也有顯著變化，而變得較為狹長。葉綠素濃度在各逆境處理下的變化 因樹種而異，森氏櫟及三斗石櫟不論中度或重缺水處理皆下降，狹葉櫟則只在重 度缺水下才顯著下降。
受缺水處理苗木之淨光合作用(Pn)率及氣孔導度(gs)皆下降，水分利用效率 (WUE)雖有隨缺水處理而發生變化，三斗石櫟及狹葉櫟則只有重度缺水處理持續 2 個月後始有顯著差異，森氏櫟則在重度缺水 1 個月後即有顯著下降。螢光參數 中之Fv/Fm、 F′v/F′m、ΦPSII及qP等依缺水程度及處理時間而呈現出PS II 活性下 降，此同時，NPQ 則上升以消散多餘的能量並保護 PS II 並使其減少受損。暗反 應參數中，Rd的上升顯示出碳水化合物的耗竭。光合作用速率亦隨著gs、Vcmax
及Jmax的下降而受到抑制，即是在中度或是重度缺水的處理中，Pn同時受到氣孔 與非氣孔限制因素之限制。
恢復供水後，Pn、gs以及WUE 除了森氏櫟之 SS 處理因苗木已死亡之外，
其它樹種及處理均有不同程度之恢復。Fv/Fm、F′v/F′m、qP、ΦPSII及NPQ 等螢光 參數亦隨各處理之受損程度不同而有不同程度的復原。暗反應參數中，Rd的復
原同時受到處理水勢及逆境持續期間的影響。Vcmax及Jmax的表現則在各缺水處 理仍與對照組有顯著差異。
關鍵字：森氏櫟、三斗石櫟、狹葉櫟、相對生長率、葉綠素濃度、氣孔導度、光 合作用、葉綠素螢光、缺水逆境
Abstract
This study investigated stomatal conductance, photosynthetic rate and
chlorophyll fluorescence parameters of Morii oak (Cyclobalanopsis morii), Nanban tanoak (Pasania hancei) and Arishan oak (Cyclobalanopsis stenophylloides) in response to simulated water deficits in the greenhouse of NTU, Taipei, Taiwan. This experiment classified the medium water potentials into three levels: non-stress (C), middle stress (-90~-50 kPa, M) and severe stress (-190~-130 kPa, S). Three levels were performed for 1 or 2 months and combined into five treatments of watering regimes (CC, CS, MM, MS, SS), and one month rewatering followed. This experiment was conducted from May 2008 to October 2008.
Result showed that the relative growth rates of both height and diameter were differed significantly between control and water stress treaments. The most appalling injury was appeared in Morii oak, the seedlings died after 2 months of severe stress.
The leaf length/width ratios in three species were significantly increased. The
concentrations of chlorophyll under stress varied according to species, which of Morii oak and Nanban tanoak were decreased significantly whether in middle or severe stresses but of Arishan oak were decreased only in severe stresses.
The net photosynthetic rates (Pn) and stomatal conductances (gs) were decreased in the stressed seedlings of all three species. Significant differences of water use efficiency (WUE) appeared after two months of severe stress in Nanban tanoak and Arishan oak instead of one month in Morii oak. The fluorescence parameters, Fv/Fm, F′v/F′m, ΦPSII, and qP, were significantly fell depending on the levels of water deficits or the lengths of treated periods, revealed the decreased activity of PS II; meanwhile, the rising of NPQ quenched excess energy to protect PS II from damage. The dark reaction parameter of photosystem, Rd, showed that more carbonhydrate was
exhausted. The photosynthetic rates of stressed treatments were decreaded due to decrease of gs, Vcmax and Jmax, which indicated both of stomatal and non-stomatal limitations were occurred under middle and severe stress.
After rewatering, Pn, gs, and WUE were partially or mostly recovered in stress treatments except that the seedlings of SS treatment of Morii oak died. The
fluorescence parameters, Fv/Fm, F′v/F′m, qP, ΦPSII, and NPQ were recovered according to the damage caused by treatments. The recovery of Rd was affected by both soil water potentials and the persistent period of stress. The performances of Vcmax and Jmax were still significantly different between stress and control set.
Keywords: Cyclobalanopsis morii, Pasania hancei, Cyclobalanopsis stenophylloides, relative growth rate, chlorophyll concentration, stomatal conductance, photosynthetic rate, chlorophyll fluorescence, water deficit stress
目錄
壹、 前言...1
貳、 前人研究...3
一、 土壤水勢 (water potential) 組成及其測定方法 ...3
二、 水分短缺的定義...4
三、 缺水逆境對植物之影響...5
參、 材料與方法...13
一、 試驗苗木的培育...13
二、 試驗時間及地點...14
三、 試驗設計及處理...14
四、 調查項目...17
肆、 結果...22
一、 試驗期間澆水量...22
二、 苗木形質生長...22
三、 苗木生理活性...25
伍、 討論...53
一、 苗木形質生長...53
二、 光合色素濃度之變化...54
三、 光合作用...55
陸、 結論...62
柒、 參考文獻...64
圖目錄
圖 1 生長介質之水分特性曲線，為試驗介質含水率與水勢之相對關係。...15 圖 2 處理流程示意圖。...16 圖 3 森氏櫟 (C. morii)、三斗石櫟 (P. hancei) 及狹葉櫟 (C. stenophylloides) 在
不同水分條件處理下，苗高 (左排) 及苗徑 (右排) 相對生長率之表現 (mean±se)。長條柱以不同英文字母標示者為以 LSD 檢定處理間差異達 5% 顯著水準。 ...24 圖 4 三樹種在不同日期下葉部長寬比例 (葉長/葉寬) 之變化結果
(mean±se)。長條柱以不同英文字母標示者為以 LSD 檢定處理間差異達 5% 顯著水準。 ...25 圖 5 三樹種葉綠素 a (左上)、葉綠素 b (上)及類胡蘿蔔素(左)濃度在不同處理
下，不同時間之變化 (mean±se)。長條柱上以不同英文字母標示者為以 LSD 檢定處理間達 5% 顯著差異水準。...27 圖 6 三種樹種在不同水分處理後在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之氣孔導度值 (gs) 在不同觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表在相同時間點不 同處理經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之苗木在 8/15 已經 死亡，故無資料。...30 圖 7 三種樹種在不同水分處理後在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之淨光合作用速
率 (Pn) 在不同觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表在相同 時間點不同處理經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之苗木在 8/15 已經死亡，故無資料。 ...31 圖 8 三種樹種在不同水分處理後在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之水分利用效率
(WUE)在不同觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表在相同時 間點不同處理經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之苗木在 8/15 已經死亡，故無資料。...32
圖 9 三種樹種在不同水分處理後之 PS II 潛在最大光量子收益 (Fv/Fm) 在不同 觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表在相同時間點不同處理 經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之苗木在 8/15 已經死亡，
故無資料。...34 圖 10 三種樹種在不同水分處理後在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之PS II 最大光量
子效率 (F′v/F′m) 在不同觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表 在相同時間點不同處理經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之 苗木在8/15 已經死亡，故無資料。 ...36 圖 11 三種樹種在不同水分處理後在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之PS II 開啟比例 (qP) 在不同觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表在相同時間 點不同處理經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之苗木在 8/15 已經死亡，故無資料。...38 圖 12 三種樹種在不同水分處理後在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之PS II 光利用效
能 (ΦPSII) 在不同觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表在相 同時間點不同處理經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之苗木 在8/15 已經死亡，故無資料。 ...40 圖 13 三種樹種在不同水分處理後在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之非光化學消散
(NPQ) 在不同觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表在相同時 間點不同處理經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之苗木在 8/15 已經死亡，故無資料。...42 圖 14 三種樹種在不同水分處理後光呼吸 (Rd, day respiration) 在不同觀測時間
之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表在相同時間點不同處理經 LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之苗木在 8/15 已經死亡，故無資 料。...44 圖 15 三種樹種在不同水分處理後 Rubisco 酵素最大羧化速率 (Vcmax, maximal
Rubisco carboxylation rate) 在不同觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母
標示者代表在相同時間點不同處理經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟 之SS 組之苗木在 8/15 已經死亡，故無資料。...46 圖 16 三種樹種在不同水分處理後電子傳遞速率 (Jmax, maximal electron
transport rate) 在不同觀測時間之變化 (mean±se)。不同字母標示者代表在 相同時間點不同處理經LSD 檢定達 5% 顯著水準。森氏櫟之 SS 組之苗 木在8/15 已經死亡，故無資料。 ...47 圖 17 三種樹種控制組苗木 (實心圓，CC 及 6/16 之 CS) 及缺水處理苗木在缺水
處理期間 (空心三角形，6/16、7/17 測量) 及恢復供水期間 (實心三角形，
8/15 測量)，在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之淨光合作用速率 (Pn) 與氣孔導 度 (gs) 間的迴歸關係。...49 圖 18 三種樹種控制組苗木 (實心圓，CC 及 6/16 之 CS) 及缺水處理苗木在缺水
處理期間 (空心三角形，6/16、7/17 測量) 及恢復供水期間 (實心三角形，
8/15 測量)，在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之淨光合作用速率 (Pn) 與 ΦPSII
間的迴歸關係。...50 圖 19 三種樹種控制組苗木 (實心圓，CC 及 6/16 之 CS) 及缺水處理苗木在缺水
處理期間 (空心三角形，6/16、7/17 測量) 及恢復供水期間 (實心三角形，
8/15 測量)，在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之淨光合作用速率 (Pn) 與 Vcmax
間的迴歸關係。...51 圖 20 三種樹種控制組苗木 (實心圓，CC 及 6/16 之 CS) 及缺水處理苗木在缺水
處理期間 (空心三角形，6/16、7/17 測量) 及恢復供水期間 (實心三角形，
8/15 測量)，在 PAR 1,000 μmol m-2 s-1下之淨光合作用速率 (Pn) 與 Jmax
間的迴歸關係。...52
表目錄
表 1 試驗開始時各樹種之苗高、苗徑。...17 表 2 各螢光參數之計算式。...20 表 3 三樹種各處理於不同階段之總灌溉量。...22
壹、 前言
在台灣，歷年來山地造林係以生產木材為導向，造林樹種以採用主幹通直的 針葉樹種為主。致過去在森林伐採或林相變更時，乃建造紅檜、台灣扁柏、柳杉、
杉木及二葉松等具木材市場價值針葉樹之同齡純林。隨林學知識之累積及經濟之 發展，森林經營的理念已不再將木材生產視為造林之唯一目標，更進而期待森林 有較為複雜之結構而能發揮更完整之生態功能，因此，近年來以建造多種原生樹 種混生林為主要方案，在低海拔山區及平地造林乃以採用闊葉樹種為多。
森林自建造至成熟所歷經的時間為期數十年或數百年，受不同程度逆境(stress) 之限制而降低其生理活性及生長乃不可避免。在諸多逆境中，水分缺乏 (water deficit) 為發生最頻繁而被眾多研究者所關注與探討的逆境，致累積豐碩的研究成 果 (Kozlowski and Pallardy, 2002)。水分缺乏通常緣於降雨量不足或分配不均，最 為熟知者為地中海型氣候區，年降雨量大多在750 mm 以下，且集中在冬季，夏季 則炎熱乾燥，水分嚴重不足，而限制植物生長及分布(Joffre et al., 1999)。在北半球 低緯度有季節風吹拂之地區，雨季隨季風而至或遠離，降雨量多出現在生長季節，
但偶因乾季延長或雨季降雨不足也會引發水分缺乏逆境。分布在這一帶的植物通 常會在水缺乏逆境時期進行生理調節 (physiological adjustment) 或改變形態來減 少較為嚴重水逆境來臨時之傷害 (Larcher, 2002)。不同樹種間由於遺傳調控方式或 能力的差異，避免或忍受水分缺乏逆境的能力也有所不同 (Freitas, 1997)。在台灣，
山地區域降雨量較平地為多，但偶有缺水逆境，森林社會中主要組成樹種在長期 演化過程是否孕育在水分缺乏逆境的生理調節能力，研究文獻尚為貧乏，乃引發 本研究的興趣。
殼斗科樹種繁多，為台灣中低海拔森林社會的重要組成樹種，也為未來造林 及森林復育之潛力樹種，本實驗以本研究室所培育的3 種台灣原生樹種苗木：森 氏櫟(Cyclobalanopsis morii Hay.)、狹葉櫟(Cyclobalanopsis stenophylloides Hay.)及三
斗石櫟(Pasania hancei Benth.)為研究對象，將其生長介質的水分作不同缺乏程度及 歷程的調控，再恢復充分供水，調查各不同調控處理下之生長表現、光合作用速 率及螢光釋放狀況，目的在探討：(1)苗木在不同水分調控環境下生理活性受抑制 之程度；(2) 各樹種在中度水分缺乏逆境下是否具有馴化能力，以減輕隨後而至之 較重度缺水逆境之傷害；(3) 在不同逆境程度及持續期缺水逆境後恢復供水，生理 活性之恢復能力，供後續相關研究或造林樹種選擇之參考。
貳、 前人研究
一、 土壤水勢 (water potential) 組成及其測定方法
土壤或植物中的水液與純水之間的自由能差，稱為水勢 (water potential)。水 分移動的方向係自高水勢處往低水勢處移動。土壤水勢 (Ψw) 理論上由 4 種成分所 組成，即滲透勢 (osmotic potential, Ψo，又稱溶質勢solute potential, Ψs)、壓力勢 (pressure potential, Ψp)、基質勢 (matric potential, Ψm) 及重力勢 (gravitational potential, Ψg)，即 Ψw=Ψo+Ψp+Ψm+Ψg。滲透勢 (Ψo) 為土壤中離子與其他溶質對水 所產生的引力；壓力勢 (Ψp) 為對土壤體系施加壓力而提高的自由能；基質勢 (Ψm) 為土壤顆粒對水分之附著與毛細管作用所產生之吸力；重力勢 (Ψg) 為水分在土壤 中因高低位差所產生之勢能。一般來說，壓力勢以及重力勢均甚小而忽略不計，
故土壤水勢估算式可重新描述為：Ψw=Ψo +Ψm。又因為在一般在森林土壤中，滲透 勢相對於基質勢乃微小，故通常以基質勢視為土壤水勢，Ψw=Ψm (Kramer and Boyer, 1995)。
當土壤在水分飽和狀況下，土壤水勢趨近於 0。當土壤含水率下降，水勢的 負值擴大，亦即此時土壤具有吸水而趨向飽和的傾向。土壤中的毛細管力與吸附 力保持並控制水分移動，此負的潛勢稱為吸力 (suction) 或張力 (tension) (Hillel, 1971; Fredlund and Rahardjo, 1993)。張力之增減與土壤水分含量有關，土壤於張力 平衡時所保持的水量為孔隙體積之函數，亦為基質吸力 (matrix suction) 之函數，
此函數可以將不同土壤經測定水分含量及水勢變動後繪成曲線，稱為土壤水分特 性曲線 (soil water characteristic curve)，該曲線可了解土壤質地、構造與某一張力 下之土壤含水率。在傳統上，常用壓力鍋法測定，乃利用加壓將土壤水分擠壓出，
並測得土壤所損失之水分重量，即可推算出土壤水分關係曲線 (Fredlund and Rahardjo, 1993)。
時域反射儀 (time domain reflectometry, TDR) 以電磁波測量，已證實土壤導電 常數與體積含水量間具有密切關係 (Topp et al., 1980)，為即時而準確測定土壤含 水率之非破壞方法，是近10 年來的田間試驗或模擬試驗中發展的技術。藉由相同 技術所生產之Equitensionmeter，可搭配同時測出土壤含水率與土壤水勢，擺脫傳 統壓力鍋法在田間模擬試驗不易施行之限制 (Or and Wraith, 1999)。
二、 水分短缺的定義
植物之水分吸收，乃因蒸散作用而使葉部產生相對較低之水勢，藉以形成植 物體內之水勢梯度，以吸引根域附近具較高水勢梯度之水分進入植物體。土壤水 勢為負值，即在0 以下，所以土壤本身亦有吸水的傾向。通常情況下，當降水量 低於蒸發散量的時候，土壤水勢就會因含水量下降而降低。此時根系吸收的水分 無法平衡水勢梯度差距，即進入植物體的水分不足，為一般所稱之乾旱逆境 (drought stress)。廣義而言，水分逆境可分為造成土壤缺乏 O2的淹水逆境(flooding stress)，以及土壤缺水(water deficit)之乾旱逆境，惟通常情況下缺水逆境指的是乾 旱逆境。因為乾旱逆境主要是緣於根系吸收水分量不足以平衡蒸散損失而起，致 有時土壤水分雖充足但因空氣過度乾燥也可能發生。簡言之，缺水的逆境可分為 土壤缺水及空氣缺水兩種，但空氣缺水的狀況不在本文討論之範圍，意即本文所 稱之水分逆境係指土壤水分缺乏的狀況而言。
水分 (H2O) 在植物體內主要有下述幾項功能：(1)良好的溶劑，大部分物質可 藉由溶解於水中而進出植物體；(2)維持植物體直立、形體或器官維持(如氣孔的開 合)所需之膨壓；(3) 良好的溫度穩定性質，可使生物體內溫度保持穩定，各種酵 素活動有效運行；(4)光合作用的重要原料；(5) 細胞原生質的重要構成物質。因此，
植物自種子發芽、生長到生殖，都必須要有足量的水分方可正常進行。當土壤水 分缺乏的時候，植物體水分持續由蒸散作用散失，此時蒸散速率又大於吸收速率，
植物體的水分含量持續減少，引發一系列如細胞膨壓降低，阻滯細胞增大、增生，
酵素失去活性等反應，最終造成植物永久凋萎 (Taiz and Zeiger, 2002)。
三、 缺水逆境對植物之影響
(一) 細胞水勢之變化
植物體內的水勢 (Ψw) 組成與土壤不同，主要為來自細胞壁的壓力勢 (Ψp)、
溶質所形成的溶質勢 (Ψs) 及高低位差所形成之重力勢 (Ψg)，惟在論述細胞或組織 水勢時，Ψg略而不計。當植物體與外界進行水分交換時，Ψw、Ψs及Ψp 均發生變 化，使細胞的體積也隨之改變。在細胞缺水的過程中，原生質與細胞分離
(plasmolysis) 乍一出現時候，細胞的相對體積當作 1.0，並將此時的 Ψp定為0，所 以細胞的水勢就等於溶質勢 (Ψw=Ψs)。當細胞吸水，體積隨之增大，細胞液稀釋，
滲透勢增大，壓力勢也升高，致細胞吸水達到飽合時，溶質勢與壓力勢的絕對值 相等同(|Ψs|=|Ψp|)，細胞水勢 Ψw為0，細胞不能再吸水 (Taiz and Zeiger, 2002)。
(二) 葉肉的反應
乾旱環境下，植物尚可進行較為微弱的光合作用以維持生命時，多將較高比 例的光合作用產物投資於細胞壁之生產，增厚細胞壁以有效維持細胞的膨壓 (Marshall and Dumbroff, 1999)。但增厚之細胞壁也將限制細胞之增大，使葉片伸長 量降低，葉面積縮小。在缺水環境時，植物各部位中通常以葉部最為敏感，當枝 條水分狀態尚未有明顯的降低趨勢時，葉片的增長速率即已下降 (Hinckley et al., 1991; Davies et al., 1994)。
(三) 缺水對葉綠素含量的影響
光合作用的能量來源是太陽輻射能，葉綠素為植物吸收太陽輻射能之色素，
致其含量的多寡會影響光合作用的能力(Ottander et al., 1995; Murchie and Horton, 1997)。植物長時間處於水逆境下會降低葉綠素含量，因此有研究者將葉綠素濃度 作為生理狀況的判釋指標(Pukacki and Kamińska-Rożek, 2005)。水分缺乏會導致葉 a、b 及胡蘿蔔素含量的減少(Pukacki and Kamińska-Rożek, 2005)，以免吸收過
量的光能而對植物造成傷害 (Colom and Vazzana, 2003; Pieters and Souki, 2005)。
(四) 在缺水逆境下光合作用活性之改變
生長在缺水逆境下的植物，最明顯的生理反應就是氣孔關閉而導致光合作用 的速率降低。氣孔關閉可分為主動關閉及被動關閉二種，主動關閉可咎因於根部 分泌ABA 再運轉至地上部以進行一系列生理調控而誘導保衛細胞關閉氣孔腔；被 動關閉則為葉部膨壓下降而使得氣孔關閉。一般而言，大氣濕度的大幅下降將會 導致蒸散速率的增加，為了紓緩水分的損失，植物的最初始反應就是關閉氣孔 (Manes et al., 2006)，此種機制即為被動關閉。若是在乾季，土壤水分因蒸發散作 用的耗損而不足，氣孔則以主動關閉為主 (Steudle, 2000)。
乾旱影響光合作用的生理機制目前仍爭論未歇。Tezara et al. (1999)認為植物若 處於乾旱逆境，會使 RuBP 的生成受到抑制而減弱 ATP 的更新能力，導致光合 速率衰減。Farquhar et al. (2002) 卻認為水分受到限制的植物，偏向將更多的氮分 配給光合酵素Rubisco (ribulos-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase)，以維持在缺 水逆境下的光合作用速率。Warren et al. (2000) 也認為有一些澳洲樹種的 Rubisco 含量高出光合作用所需的最適量，當氣孔部份關閉的時候，高濃度的 Rubisco 可 以進行高速率的光合作用以消耗光能來減少過剩光能抑制的傷害。事實上，在多 年之前即有研究者認為儘管氣孔因子是造成光合作用能力下降的主要原因，但氣 孔因子與非氣孔因子的衰減通常是併同發生， 而不會只有氣孔限制單獨發生 (Collatz et al., 1976)。
(五) 葉綠素螢光反應
植物行光合作用的光反應 (light reaction) 是在葉綠體 (chloroplast) 上的類囊 體 (thylakoid) 進行。類囊體膜中含有由葉綠素和蛋白質組成的光合系統
(photosystems)。光合作用過程即由光合系統 II (PS II) 吸收光能並放出電子開始。
光能被PS II 的天線系統 (light-harvesting antenna) 吸收後，會匯集到反應中心 (reaction center)，也就是 P680。被激發的 P680 會進行電荷分離 (charge separation)，
傳送一個電子給其後的電子接受者 (electron acceptor) Phe。Phe﹣再將電子傳送給下 一個電子接受者 QA，以進行後續的化學反應(chemical reaction)。葉綠素分子吸收 光能而由基態 (ground state) 躍升到激發態 (excited state)，再由激發態降回基態的 時候，一般認為經由3 種路徑來釋放能量：(1) 光化學消散 (photochemical quenching，ΦP)：光能傳遞給反應中心再釋出電子，經電子傳遞鍊生成 ATP 及 NADPH 供暗反應使用；(2) 非光化學消散 (non-photochemical quenching，ΦD)：當 電子傳遞鍊無法消費光化學消散所傳遞的電子時，過溢的能量有一部分會經由天 線系統轉化為熱能釋出；(3) 螢光 (fluorescence，ΦF)：過溢的光能並未轉化為熱 能消失，而以較吸收光更長波長的光重新輻射。在低光環境下，這3 種消散途徑 通常就能夠把吸收光能完全予以耗盡 (ΦP+ΦD+ΦF=1)。但是在高光的環境下，吸收 的光能大於這3 種消散路徑而超載 (ΦP+ΦD+ΦF<1)，過剩光能則會與氧分子結合，
產生有害的活性氧，導致光合器官受到傷害，光合作用能力下降，即為光抑制作 用 (Müller et al., 2001; Kato et al., 2003)。
上述3 種能量消散路徑乃互相消長，在光合作用的效率較佳時，熱 (ΦD) 與螢 光(ΦF) 的散發量就相對減少。在相同的光合作用效率下，若熱的發散量減少就會 有較多的能量以螢光的形式釋出 (Maxwell and Johnson, 2000)。光合系統 II 的光量 子效能會影響螢光釋放量的強弱，另外，PSII 中的電子接受者 QA的狀態也會影響 電子傳遞鍊的平衡。從葉綠素天線系統到光合系統反應中心的過程是可逆的，即 傳輸進入反應中心的激發能量有機會回到葉綠素的天線系統。在天線系統吸收光 子後的10×10-12 – 15×10-12 sec 內，整個傳遞過程就已經達到平衡狀態。當 QA存在 於氧化態的比例越高則越利於接受電子 (進行還原)，能量往反應中心傳遞的比例 就越高；反之，若越多的QA處於還原狀態，電子傳遞鍊被阻塞的程度就越嚴重，
平衡會趨向天線系統，激發能停在葉綠素的時間越長，螢光釋放量也越多 (徐，2002;
Hall and Rao, 1999)。因此，由光合系統 II 釋出的螢光量可以推估 QA的狀態及電子 傳遞鍊是否順暢，是植物光能利用及光合系統效能的指標 (Krause and Weis
1991)，亦表示植物光合作用光反應系統的變化 (Heraud and Beardall, 2000)。
在暗適應狀態下 (dark adapted state)，一般在黑暗環境 20–30 分鐘之後，類囊 體膜上的光化學電子傳遞會停止活動，PS II 反應中心的 QA 全部處於氧化狀態，
而非光化學消散也處於最低狀態。此時若給予一道微弱的測量光 (measuring radiation, MR, <0.1–0.2 μmol m-2 s-1)，則可以測得最低螢光 (minimum fluorescence yield, F0)，此為天線系統的最小放射量。 隨後再給予一道飽和的脈衝光 (saturating pulse, SP, 約 3,000–10,000 μmol m-2 s-1) 可使 QA迅速被還原，即PS II 反應中心呈 現完全關閉的狀態，此時可以測得最大螢光放射量 (maximum fluorescence yield, Fm)，代表天線系統及 PS II 反應中心放出的螢光總量。Fm與F0的差值Fv (maximum variable fluorescence yield) 與 Fm的比值 (Fv/Fm, maximum quantum yield of PS II photochemistry, maximum PS II photochemical efficiency) 則表示最大光化學潛能 (Roháček and Barták, 1999)。
當植物在光適應的狀態 (light adapted state) 即在有光照環境下，給予一連續 不飽合的紅光 (actinic radiation, 約 80–300 μmol m-2 s-1) 可以觀測到葉綠素螢光 明顯上升而達到Fp，隨後便逐漸下降到穩定態螢光Fs (steady state fluorescence yield)，此時電子傳遞速率與相連接之碳還原循環中的生化反應間已達到平衡。在 Fp到Fs的過程當中，光化學以及非光化學相關的反應同時發生 (Roháček, 2002)。
與光化學相關的反應為電荷自PS II 反應中心分離進行電子傳遞；而非光化學相關 的反應則是形成 pH 梯度 (pH gradient) 而促進了類囊體膜上的非輻射能量以熱 能消散 (non-radiative energy dissipation to heat)、光捕捉複合體 II 的磷酸化 (LHCII phosphorylation)及 PS II 反應中心的光抑制等。隨後再開啟飽和脈衝光予以照射可 以得到F′m (maximum chlorophyll fluorescence yield in the light adapted state)，此時 PS II 的反應中心應完全關閉 (qP=0)，但因為非光化學消散仍在進行 (qN>0)，所以 F′m<Fm；再將連續不飽合的紅光關閉，並施以遠紅光 (far-red radiation) 幫助 QA 完 全開啟 (qP=1)，得到 F′0 (Lichtenthaler, et al., 2005)。
組合以上的幾個基礎螢光數值，可定義出下述螢光參數：
1. qP (proportion of open PS II)
0
m s m
P
m v
F F F F
q F F F
s
代表PS II 反應中心將捕獲之光能用於光化學電子傳遞之比例，乃反映植物的 光合作用對光能的利用效率，常用於估算PS II 之 QA存在於氧化態的比例，
即將qP視為PS II 反應中心處於開放態的比例，與 PS II 反應中心的總數目有 關 (Fracheboud and Leipner, 2003)。較高的 qP顯示PS II 反應中心之電子受體 QA處於氧化態比例較高，有利於光合作用之電子傳遞。qP下降歸因於光照已 達光合作用的飽和程度，致有一部份或所有反應中心處於還原態而關閉 (Maxwell and Johnson, 2000)。
2. F′v/F′m (maximum intrinsic efficiency of PS II) ' / 'v m m 0
m
F F F F
F
為光照下PS II 有效光化學利用效率，代表 PS II 反應中心在開啟情況下的初 始光能利用效率(激發能捕獲能力)，即從光捕捉複合體(light harvesting complex II, LHCII)到 PS II 反應中心能量轉換的效率(Rosenqvist and Kooten, 2003)。
3. ΦPSII (quantum yield of PS II; actual photochemical efficiency of PS II in the light)
m s
PSII
m
F F
F
為葉綠素吸收光能後用在光化學消散的比例，代表PS II 反應中心在有部份關 閉情況下的實際初始光能利用效率，即 ΦPSII=F′v/F′m×qP。ΦPSII的大小取決於 反應中心開啟 (氧化) 的比例 (qP)，以及反應中心在光照條件下的實際效率 (F′v/F′m) (Fracheboud and Leipner, 2003)。影響 qP的主要因子為光照強度是否到 達光合作用的飽和度，而影響F′v/F′m的原因則可能是在逆境下發生光抑制所 致 (Maxwell and Johnson, 2000)。
4. ETR (electron transport rate)
此參數係代表在光照下PS II 的電子傳遞速率。式中 ΦPSII的意義如前所述，
PPFD (photosynthetic photon flux density) 為光照強度，常數 0.5 的意義係假設 所吸收的光子會被兩個光系統PS I 及 PS II 平均分配，常數 0.84 則為經驗數 值，代表輻射到葉面的光能約有84%會被葉面吸收以供光合作用之用 (White and Critchley, 1999)。C3植物光反應所產生的電子除了用於固碳之外，還用於 光呼吸及氮代謝。用在非碳固定的電子傳遞，有助於消散過剩光能，防止固 碳電子傳遞鍊的過度還原，提供光保護的作用 (Niyogi, 1999)。在低光時，隨 著電子傳遞速率的增加，光合作用增加的幅度也較大，但在高光下，電子傳 遞速率雖可持續增加，光合作用速率的增幅則會縮小，表示電子傳遞產生的 能量用在光呼吸的比例增加 (Kurasová et al., 2000)。
0.5 0.84 ETRPSIIPPFD
5. NPQ (non-photochemical quenching)或 qN
m m
m
F F
NPQ F
;
0
m m
N m
F F
q F F
此參數用來表示光能消散的過程中非光化學消散的比例。常用的兩種表示參 數為：qN=(Fm-F′m)/(Fm-F0) 或 NPQ=(Fm-F′m)/F′m。兩者的主要差別在於qN在高 光下較不敏感，其數值介在0–1 之間；而 NPQ 的數值，理論上可以從 0 到無 限大，在飽和光度時，通常會落在0.5–3.5 左右 (Maxwell and Johnson, 2000)。
非光化學消散的能力，可以用來評估當植物吸收的光能過剩時是否能以熱的 形式予以耗散，也就是植物消除多餘能量的能力。因此通常認為NPQ 對植物 的光合系統II 具有某一程度的保護作用，可避免光傷害，亦可調節 PS II 光線 系統的過剩激發能 (Rosenqvist and Kooten, 2003)。
(六) A-Ci曲線
在論述光合作用速率變化的相關文獻中最常見的兩種反應曲線，一為光合作 用速率對光量改變對應的光反應曲線，另一為光合作用與葉肉間隙CO2濃度對應
/ l
的A-Ci曲線 (Long et al., 1996; Long and Hällgren, 1993)。A-Ci曲線主要是將受測 的葉片放置在一系列不同濃度的CO2濃度中測量其淨光合作用速率。進行A-Ci曲 線測定的前題為假設CO2進入葉內與水汽自葉片擴散是經由相同的孔道，於是可 藉由蒸散作用速率及葉片與大氣之間水汽壓差來計算Ci之數值 (Long and Hällgren, 1993)：
i a
C C A g
式中Ci為細胞間隙CO2濃度，Ca為大氣中的CO2濃度 (ambient CO2
concentration)，A 為光合作用速率 (CO2 assimilation rate)，gl為CO2進入葉肉之傳 導度 (leaf conductance)。藉由上式可以經由供給固定濃度的 Ca求得Ci。若直接採 用Ca來解讀葉片的光合作用能力，則存有誤差，原因是CO2的擴散會受到葉表面 的介面層 (boundary layer)、氣孔導度 (gs, stomata conductance)、及葉肉導度 ( gm, mesophyll conductance) 的影響。採用 Ci時係藉數學模式將介面層阻力及氣孔阻力 予以排除，進而計算出葉肉細胞中CO2濃度之變化。實際上，Ci乃是細胞間隙之 CO2濃度，並非葉綠體進行羧化作用所直接接觸到的CO2濃度，仍然會受到葉肉 導度(gm)之影響而衰減，但傳統上均將葉肉導度的影響視為極小而忽略不計。近年 來有研究者認為直接以Ci估算各項光合作用相關參數仍存有偏差，將gm略而不計 並不適當，而以傳統氣體交換測量及葉綠素螢光反應推估gm，來消除誤差，排除 影響因子(Loreto et al., 1992; Bernacchi et al., 2002)。
由A-Ci曲線所估算之參數主要為 Rubisco 之最大羧化活性 (maximum carboxylation rate allowed by Rubisco, Vcmax)、RuBP 更新所需最大電子傳遞速率 (maximum rate of photosynthetic electron transport (based on NADPH requirement), Jmax)、磷酸三碳醣利用效率 (TPU, triose-phosphate use efficiency, triose-phosphate utilization) 及光呼吸速率 (Rd, day respiration rate, mitochondrial respiration in the light) 等。
在光飽合點下，碳同化速度主要是受到葉片內部CO2濃度的限制，而CO2濃
度則受氣孔導度之影響。此外，光合作用的羧化作用及RuBP 的更新速率尚受其它 生化因子的影響。氣孔與非氣孔因子之間何者的限制程度較強也因植物種類不同 而異，藉由研究這些限制因子之間的關係，可供解釋植物生產力的不同，以及用 以理解不同物種間資源運用策略的差異。此外，氣孔與非氣孔限制因子在不同物 種所代表的意義，對於了解其在高濃度CO2下對CO2的吸收反應相當重要，可供 探討各種樹種的生態特性 (Juárez-López et al., 2008)。
通常認為植物存在於水分不足之逆境下，葉部氣孔導度會下降，大氣中CO2
往葉肉細胞間隙擴散的速度也隨著降低，導致光合作用速率下降(Chaves, 1991)。
另外，在缺水逆境初期，光合作用能力下降尚因RuBP 的含量降低以及 ATP 的合 成減少。若水逆境繼續存在，則Rubisco 酵素活性的下降合併出現，以及光抑制的 發生 (Flexas and Medrano, 2002a, 2002b; Bota et al., 2004)。
當細胞間隙CO2濃度下降時，Calvin 循環所需的 CO2供給不足，所以光合作 用的暗反應速率也隨之下降。這時候PS II 必須減少光能的吸收或將過剩的光能轉 化為對光系統無害的產物，即 PS II 反應中心關閉以及天線系統將光能轉換成無 害的熱能，都是保護PS II 的機制 (Maxwell and Johnson, 2000)。事實上，保護機 制會在缺水逆境中發生，而且隨著植物種類、生長歷程以及逆境的程度而各有不 同的表現(Damesin and Rambal, 1995; Sánchez-Rodriguez et al., 1997; Tambussi et al., 2002.)。
根據 Medrano et al. (2002) 所推測的調控模型，在缺水條件下最先發生的是氣 孔的關閉，其次會降低CO2的同化作用，並且使得 CO2 :O2 的比例下降，也因而 增加光呼吸作用以及 Mehler 反應，即 Rd 會上升。電子傳遞速率 (ETR) 的下降，
非光化學的消散 (NPQ) 增加， Fs則會漸漸下降。從此調控模型，可以從各相關 生理參數的改變來解讀受害的程度，進一步釐清苗木在缺水各階段的調適特性。
參、 材料與方法
一、 試驗苗木的培育
(一) 試驗樹種
本試驗之樹種為森氏櫟、狹葉櫟及三斗石櫟。
森氏櫟為常綠喬木，分布於海拔 1,600–2,400 公尺左右山區，頗為普遍，偶 而形成小面積純林，多見於針闊葉混生林 (劉，1960)，為台灣中高海拔地區中重 要闊葉樹種 (呂等，1999)。
狹葉櫟亦為常綠喬木，分布於海拔900–2,600 公尺左右之山區，其生育地環境 大多屬於較溼潤的中坡或溪谷地 (陳，1994；劉，1991；吳，1999)。陳 (2006) 認 為狹葉櫟是銜接檜木林帶，以及闊葉林帶上部之指標樹種，是殼斗科樹種中分布 海拔最高的少數樹種之一。
三斗石櫟為常綠喬木，多見於較陰濕避風之生育地，在海拔500–3,000 公尺之 山區均可生長，是台灣殼斗科樹種中海拔適應範圍最廣的一種 (呂等，1999)。
(二) 種子來源、播種
本實驗室於2005 年 11 月自中部橫貫公路所採集之這三種樹種種子，於 2006 年3 月於台大航測館前播種於盛裝珍珠石、蛭石、泥碳土及農地土壤等比例混合 之苗籃。
森氏櫟：於鳶峰及翠峰-梅峰之間採得，海拔高約 2,400 m。
狹葉櫟：於合歡山、楠溪林道等處採得，海拔高約2,000 m。
三斗石櫟：於梨山-德基之間取得，海拔高約 1,600 m。
(三) 苗木培育
2008 年 3 月將先前播種於苗籃而移植至在 1 L 軟盆之苗木，篩選較健壯、大 5 L 之紅色硬盆 (口徑 20 cm，深 18 cm)，生長介質以珍珠
石、蛭石、泥碳土及農地土壤等體積混合，並施用市售好康多2 號 (N: P: K=16: 5:
10) 180 天型緩效性肥料，每盆約 20 g，每天澆水。
二、 試驗時間及地點
2008 年 5 月開始在台灣大學舟山路實驗農場玻璃溫室進行，室內光度約為全 光之75 %，以窗型風扇通氣及排除熱氣，避免溫度的過度上升，至 2007 年 8 月完 成，共歷程4 個月。
三、 試驗設計及處理
(一) 生長介質水分特性曲線之標定
採用Equitensionmeter type EQ2 (Delta-T Devices Ltd, UK) 來標定生長介質在 不同水分含量下之水勢。本儀器最佳的標定範圍為 -100 kPa – -1000 kPa，適合作 為水逆境監控之用，可經由HH2 Moisture meter (Delta-T Devices Ltd, UK) 來顯示 儀器與介質平衡後的電壓值，並經由原廠所附之電壓-潛勢校正表換算為介質水 勢。
因EQ2 反應水勢需要較長的時間，而本實驗有需要對水勢做即時監控，致將 試驗用之生長介質事前以EQ2 及Probe type ML2 (Delta-T Device Ltd，UK)建立介質 水分含量與水勢之關係曲線—生長介質水分特性曲線 (medium water characteristic curve)。在試驗期間，以生長介質含水率測定儀之測值間接推定當時水勢來管制苗 木根系的水分環境，當測值下降至擬訂的下限含水率時即予澆水，澆水量係以實 測含水率與擬訂之上限含水率間的差距與介質體積計算而來。並藉由這曲線選擇3 個水勢作為本次試驗之水分處理控制點 (圖 1)。
0 50 100 150 200
010203040
water potential (-kPa)
wat er c ont ent ( vol %)
70 20 kPa
160 30 kPa
圖 1 生長介質之水分特性曲線，為試驗介質含水率與水勢之相對關係。
(二) 水勢控制分級
依據生長介質之水分特性曲線，訂定3 種水逆境程度之水勢控制範圍。分別 為：
充分澆水 (control, C)：1–2 天充分澆水一次。
中度水逆境 (moderate water stress, M)：生長介質水勢控制範圍為 -50 kPa – -90 kPa。
重度水逆境 (severe water stress, S)：生長介質水勢控制範圍為 -130 kPa – -190 kPa。
(三) 試驗水勢處理
以預定的3 種水勢分級，搭配不同處理時序的排列組合，共有 5 種處理 (圖 2)：
CC：從試驗初期到結束 (5/12–8/15) 都充分澆水。
CS：試驗初期(5/12–6/16)充分澆水，試驗中期 (6/16–7/17) 轉為重度水逆境。
MM：從試驗開始到逆境處理結束 (5/12–7/17) 都施以中度水逆境處理。
MS：試驗初期(5/12–6/16)為中度水逆境處理，試驗中期 (6/16–7/17) 轉為重度 水逆境。
SS：從試驗開始到逆境處理結束 (5/12–7/17) 都施以重度水逆境處理。
所有缺水處理在7/17 測定各項生理性狀之後，都恢復充分供水，並於 8/15 進 行最後一次測定而結束。
5/12 6/16 7/17 8/15
CC CS MM
MS SS CC CS
MM MS
SS CS MS SS
MM
CC CC CS MM
MS SS
充分 澆水
CS
–70±20 KPa
MS
–160±30 kPa
圖 2 處理流程示意圖。
(四) 苗木水分控制處理及排列
將同一樹種之外觀形態及大小一致的苗木，逢機分配至不同水分控制處理。
本試驗為單因子試驗，有5 種水勢處理，每處理 13 株苗木，每株為 1 重複。3 樹 種的試驗苗木總數為：5×13×3=195 株。試驗開始時之苗高及苗徑，見表 1。
表 1 試驗開始時各樹種之苗高、苗徑。
森氏櫟 三斗石櫟 狹葉櫟
苗高 (cm) 55.36±0.23 53.78±0.26 53.56±0.27 苗徑 (mm) 7.41 ± 0.02 6.54 ± 0.02 7.46 ± 0.02
四、 調查項目
(一) 苗木生長及形質測定 1. 苗高及苗徑
測定日期為水逆境處理前之5/14，及處理後之 5/30、6/14、6/30 及 7/16，共 5 次。以相對生長率(relative growth rate, RGR)來表示生長反應。計算式為 (Garnier, 1992)：
( ) (
新測苗高 徑 前測苗高 徑) 相對苗高 (徑) 生長率：
前測苗高 (徑) 日數 2. 葉片長度與寬度
在5/14，從各處理取 4 株，自樣苗梢頂往下數 5 片尚未完全成熟的葉片，若 是不滿5 片則從缺，測量其長度及寬度，比較各測定日期的長/寬比例變化。
(二) 生理性狀 1. 葉色素之測定
在5/12、6/16 及 7/17 自各樹種各處理逢機選取 4 株苗木，每株 1 片樣葉以 40°C 進行烘乾，以葉面積儀 LI-3000 (LI-COR, USA) 測定葉面積。
測定時先將烘乾後的樣葉以液態氮在試管中磨碎，並以DMSO 溶解並萃取。
將萃取液定量後以紫外光-可見光光譜儀 (Jasco, Model V-550) 在 645 nm、663 nm 波長進行吸光值測定。並以下式計算葉綠素含量 (Barnes et al., 1992)：
a (mg/cm ) (14.852 D663 5.14 D645) /
葉綠素 含量 V A
b (mg/cm ) (25.482 D645 3.36 D663) /
葉綠素 含量 V A
2 V A
(mg/cm )=[(1000D480 -1.29Chla3.78Chlb) / 220] / 類胡蘿蔔素含量
Dλ：萃取液在 λ 波長 (nm) 下之吸光度 V：萃取液總體積 (L)
A：葉片面積 (cm2) 2. 光合作用參數測定 (1) 取樣與測定時間
於上午9 時至下午 5 時間測定。每處理取 4 株樣苗，每樣苗取 1 樣葉。以生 長在主梢或側梢自梢端向下之第5–8 片外觀已成熟且健康、完整的葉子予以標記，
作為每次測定之樣葉。
(2) 測定方法
測定儀器為可攜式光合作用測定系統 LI-6400 (portable photosynthesis system, LI-COR, USA)，測定在不同光量下的淨光合作用速率 (net photosynthetic rate, μmol CO2 m-2 s-1)。測定之前，LI-6400 之 IRGA (infrared gas analyzer) 先啟動暖機 30 分 鐘，再進行儀器的校正歸零 (flow rate, irga)及環境參數設定，如下：
流速 (molar flow rate of air entering the leaf chamber, flow)：400 μmol m-2 s-1 葉溫 (leaf temperature, Tleaf)：27 °C
相對濕度 (relative humidity, RH_S)：55±10 % CO2 (CO2-Ref) 濃度參考值：380 μmol CO2 mol-1
測定前以PPFD (photosynthetic photon flux density) 為 600 μmol m-2 s-1 的光量 激發葉片10–15 min 使活化後進行測定，順序為 600–800–1,000–1,250 – 1,500 – 2,000 μmol m-2 s-1。在各光度下誘導約3–5 min 之後，若光合作用速率與氣孔導度 已達穩定狀態，始進行紀錄。
3. 葉綠素螢光測定
葉綠素螢光釋放量測定分成光合作用電子傳遞鍊獲得充分休息後的暗適應
態，以及在光照環境下之光適應態2 種。
(1) 暗適應
暗適應測定時間為17:00 之後，先將待測苗木置於完全黑暗的環境下適應 30 分鐘以上，使QA回到氧化態(徐，2002)。以 LI-6400 搭配螢光葉室 (6400-40 Leaf Chamber Fluorometer, LI-COR, USA) 予以測定。待樣本之螢光值穩定至 ±5 (相對 單位)後，對葉面施以微弱光量 (< 1 μmol m-2 s-1) 照射，測得輻射出的最小螢光 (F0)；之後再利用遠超出植物行使光合作用所需之飽和脈衝光 (> 4,000 μmol m-2 s-1, 6400-40 套件使用的是 > 7,000 μmol m-2 s-1, 630 nm 之可見光) 照射 0.6–0.8 sec，測 得最大螢光值 (Fm)。
(2) 光適應
光適應下各螢光數值之測定是在各光度下光合作用氣體參數紀錄之後進行。
首先測定該光度級下穩定狀態的螢光Fs；再以飽和脈衝光照射測得最大螢光值為 F′m；最後關閉光合作用光源，使用遠紅外光照射葉面，此時PS I尚可消耗PS II所 傳遞之電子，使PS II電子傳遞鍊進行最大傳導速率，致螢光消散能量的程度降到 最小，此時其螢光值F0。為探討螢光參數與最大光合作用光能利用之關聯性，本 文各處理皆採用光合作用已飽和光度(約 1,000 μmol m-2 s-1)，之螢光生理參數 (Kitao et al., 2006)。各螢光參數之計算式如表 2。
表 2 各螢光參數之計算式。
參數 計算式
Fv/Fm (maximum PS II quantum yield) v/ m m 0
m
F F F F
F
ΦPSII (effective photochemical efficiency of PS II)
m s
PSII
m
F F
F
F′v/F′m (photochemical efficiency of the open
reaction center of PS II)
/ m 0
v m
m
F F
F F
F
qP (proportion of open PS II)
0
m s m s
P
m v
F F F F
q F F F
NPQ (non-photochemical quenching) m m
m
F F
NPQ F
4. 光合系統暗反應參數之估算
欲估算暗反應相關參數，需先測定細胞間隙不同濃度CO2 (Ci)下之光合作用速 率 (A)，再以其反應曲線 (A-Ci curve) 之迴歸式估算相關參數。測定過程係將光源 設定在飽和光量，再於不同CO2濃度下測量CO2的固定速率，環境參數設定為：
流速 (molar flow rate of air entering the leaf chamber, flow)：400 μmol m-2 s-1 葉溫 (leaf temperature, Tleaf)：27 °C
相對濕度 (relative humidity, RH_S)：55±10 % 光度：1,200 μmol m-2 s-1
當光度飽和而CO2濃度處在相對較低的時候， RuBP 的更新速率超出耗用 量，光合作用羧化反應主要受到Rubisco 活性的限制，故 A-Ci反應曲線只受到一 個因子，即CO2 濃度的影響而呈近似直線的樣式，依其斜率估算 Rubisco 的最大 羧化速率 (Vcmax)，此亦決定了直線之初始斜率，此直線與縱軸交會之截距，即為 在光照下消耗光合作用產物的呼吸作用 (Rd，含Mehler 反應及光呼吸作用)。可藉 下列模式進行估算(Caemmerer, 2000)。
*
(1 / )
C c cmax
O
A V C R
C K O K
d
上式中Vcmax為Rubisco 羧化的最大速率，C 為細胞間隙 CO2濃度，KC為Rubisco 酵素對CO2的Michaelis 常數，O 是 O2的氣體分壓，KO則為Rubisco 對 O2的Michaelis 常數，Rd則代表了光照下的呼吸速率，Γ*則是當Rubisco 親氧反應為羧化反應速率 2 倍時的 CO2濃度。
在C3植物中，A-Ci曲線中當Ci值超過200–300 μmol CO2 mol 之後，碳同化速 率的上升開始受到RuBP 更新能力的影響。此時可以使用下式來描述碳同化速率的 改變。
*
4 8 *
j d
A J C R
C
上式的J 為電子傳遞速率，若是在飽和光度下所測得，則又可以寫成 Jmax，即 最大的電子傳遞速率。本模式的常數係假設每次羧化作用會耗用4 個電子。一般 常見的葉綠素螢光技術是藉由ΦPSII來估算電子傳遞速率
( )，而本模式因為使用了 Ci而直接涉及暗反應的羧化作
用，可估算真正用在NADP+的生成且用在RuBP 更新的電子(Sharkey et al., 2007)。
0.5 0.84 ETRPSII I
以上Rd、Vcmax及Jmax等參數的估算係以LI-COR 公司所提供之光合作用反應 曲線分析軟體。
(三) 資料統計分析
本試驗測量苗木各項生長及生理參數皆以統計軟體 R (GNU S, v2.8.0) 進行 變異數分析，並藉套件 agricolae 以 LSD 作處理間均值差異的顯著性檢測。
肆、 結果
一、 試驗期間澆水量
3 種試驗樹種在不同水分處理下，不同階段每株苗木的平均澆水量列於表 3。
CC處理因每日澆水，不計澆水量。各水逆境的實際澆水量係依生長介質的水分特 性曲線 (圖 1) 估算所需之澆水量。
表 3 三樹種各處理於不同階段之平均灌溉量。
階段 處理 森氏櫟 三斗石櫟 狹葉櫟
CC 充分供水 充分供水 充分供水
CS 充分供水 充分供水 充分供水
MM 78.15±7.22 ml 78.55±7.34 ml 75.60±7.28 ml MS 77.74±7.12 ml 75.96±7.43 ml 74.34±7.63 ml 第一階段
5/12–6/16
SS 45.77±4.29 ml 56.14±6.45 ml 52.69±5.80 ml
CC 充分供水 充分供水 充分供水
CS 44.89±5.11 ml 50.14±4.66 ml 50.31±6.64 ml MM 78.37±7.04 ml 69.97±5.53 ml 74.08±6.75 ml MS 53.98±5.64 ml 50.64±5.62 ml 54.82±5.53 ml 第二階段
6/16–7/17
SS 45.06±4.11ml 56.30±5.48 ml 46.74±4.85 ml
二、 苗木形質生長
(一) 苗高、苗徑相對生長量
觀察苗木接受不同程度缺水處理後的生長表現，三種試驗樹種表現類似的趨 勢，在5/14 至 5/30 之缺水逆境初期，MM及MS苗木的高生長速率已有下降現象 ( 圖 3)。而以SS處理者的下降最嚴重。在直徑生長方面，各逆境處理也皆衰退，惟 處理間差異不顯著。5/30 至 6/16 期間各逆境處理持續進行，苗木生長衰退情況與 前期類似。6/16 以後，CC、MM、SS的逆境程度未變，而CS由充分供水轉為重度
水逆境，MS則由中度轉為重度缺水逆境，這三種嚴重水逆境處理苗木的生長更為 低劣，尤以MS及SS二處理的生長最劣。自 6/30 至 7/16 期間，逆境處理對苗木生 長的不良效應更為明顯無論中度或重度水逆境，在統計上皆顯著劣於對照組，惟 處理間差異不顯著。顯示逆境處理初期，生長受抑制程度因逆境程度而異，當逆 境持續至一個半月後，則逆境程度間差異不顯著。
(二) 葉部長寬比例變化
在6/14 時，三種樹種經缺水逆境處理的苗木，其葉部的長/寬比例，已呈現逐 漸增加的趨勢，至7/16 時已因逆境程度加重及(或)時間延長，葉子皆變得更為狹 長 (圖 4)，顯示這三種樹種的葉片形態皆在不同水分狀況下而有所不同。
5/14-5/30 5/30-6/14 6/14-6/30 6/30-7/16 C. morii
RGR-height (cm cm1 day1 ) 0.0000.0020.004 CCCS
MM MS SS a a
bcbc aab
bcc d
a
bc bbcc a
bbb b
5/14-5/30 5/30-6/14 6/14-6/30 6/30-7/16 P. hancei
RGR-height (cm cm1 day1 ) 0.0000.0020.004 CC
CS MM MS SS a a
b bc aa
bcbc a
bc b cdd
a
b b b b
5/14-5/30 5/30-6/14 6/14-6/30 6/30-7/16 C. stenophylloides
RGR-height (cm cm1 day1 ) 0.0000.0020.004 CCCS
MM MS SS a a
bb b a a
b b b a
bbcb c
a
b bb b
5/14-5/30 5/30-6/14 6/14-6/30 6/30-7/16 C. morii
RGR-diameter (mm mm1 day1 ) 0.00000.00150.0030 a a b bb
aab bcc c
b b
b b a
b bb
b CC CS MM MS SS
5/14-5/30 5/30-6/14 6/14-6/30 6/30-7/16 P. hancei
RGR-diameter (mm mm1 day1 ) 0.00000.00150.0030 a a
bb b
a a bab
b a
bcb bcc
a
b b b b CC CS MM MS SS
5/14-5/30 5/30-6/14 6/14-6/30 6/30-7/16 C. stenophylloides
RGR-diameter (mm mm1 day1 ) 0.00000.00150.0030 a a
abb b aab
b b b a
bcbcb c
a
bb b b
CC CS MM MS SS
圖 3 森氏櫟 (C. morii)、三斗石櫟 (P. hancei) 及狹葉櫟 (C. stenophylloides) 在不 同水分條件處理下，苗高 (左排) 及苗徑 (右排) 相對生長率之表現
(mean±se)。長條柱以不同英文字母標示者為以 LSD 檢定處理間差異達 5%
顯著水準。
5/14 6/14 7/16 C. morii
02468 CC
CS MM
MS SS
a a a a a c c b b a e c d b a
5/14 6/14 7/16
P. hancei
02468
a a a a a c c
b b a
e
c d b a
5/14 6/14 7/16
C. stenophylloides
02468
a a a a a c c
b b a
c
b b ab a
圖 4 三樹種在不同日期下葉部長寬比例 (葉長/葉寬) 之變化結果 (mean±se)。長 條柱以不同英文字母標示者為以LSD 檢定處理間差異達 5% 顯著水準。
三、 苗木生理活性
(一) 葉綠素及胡蘿蔔素濃度的變化
Chl a 的變化趨勢與水逆境強度及處理時間長短有關，且因樹種而異。逆境處 理1 個月後 (6/16)，森氏櫟及三斗石櫟的水逆境處理組低於對照組，狹葉櫟則無 此現象。在7/17，除了狹葉櫟的 MM 及 MS 處理組外，三種樹種在水逆境下，無 論只經一個月之CS 或已歷經 2 個月之 SS 處理，皆明顯降低其 Chl a 濃度；至於 Chl b，其在各逆境處理組大致上也隨處理時間延長而下降，下降幅度最大者也是 SS 組。在類胡蘿蔔素的變化，森氏櫟及三斗石櫟受中、重度缺水處理的組別經 1 個月後，即在6/14 類胡蘿蔔素濃度便有顯著下降；處理延長至 2 月後，森氏櫟 MS 處理的類胡蘿蔔素與對照組無顯著差異，其他各逆境處理則與對照組顯著差異。
在狹葉櫟，接受缺水處理之期間，各處理之類胡蘿蔔素皆與對照組保持在同一層 級，未有顯著差異，有別於森氏櫟及三斗石櫟。
