水淹脅迫對4種園林綠化樹種幼苗氣體交換參數(shù)的影響

郭淑紅，薛 立，楊振意，張 柔

(1 廣州普邦園林股份有限公司，廣東 廣州510600;2 華南農(nóng)業(yè)大學 林學院，廣東 廣州510642)

水淹脅迫使土壤長時間處于水分飽和狀態(tài)，導致土壤中氧氣和光照不足［1］，影響植物的形態(tài)特性［2-3］和生理代謝［4］，甚至引起死亡，因而成為植物主要的非生物脅迫之一［5］．光合作用是植物最基本的生命活動，也是碳循環(huán)及生態(tài)水文循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)［6］．水淹脅迫降低植物的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率［7］，還會引起葉綠素含量和光合作用相關功能酶活性下降，PSⅡ光化學效率降低等［8］．目前，已有許多學者對水淹脅迫下植物的生理特性進行了研究［7，9-10］．樂昌含笑Michelia chapensis 、紅荷Schima wallichii、紅苞木Rhodoleia championii 和樟樹Cinnamomum camphora 均是華南地區(qū)常用園林綠化樹種．目前，已有關于樂昌含笑的光合特征和葉綠素熒光特性的研究以及樟樹幼苗機械損傷葉片對葉綠素熒光影響的研究［11-12］，也有4 種供試幼苗在水淹脅迫下的葉綠素、可溶性糖和蛋白質(zhì)等生理指標的研究［13-14］，但鮮見水淹脅迫對這4 種幼苗葉片氣體交換參數(shù)影響的報道．本研究以樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹為材料，對比分析其葉片氣體交換參數(shù)對水淹脅迫的響應，以期從光合生理角度了解這4 種樹種的耐水淹生理機制，為華南地區(qū)篩選耐水淹樹種提供參考．

1 材料與方法

1．1 試驗材料

試驗幼苗為樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹的實生容器苗(購于廣東省龍眼洞林場林木種苗示范基地)，營養(yǎng)袋規(guī)格12 cm×10 cm，袋內(nèi)基質(zhì)為林下表土與黃心土混合而成．幼苗的基本情況見表1．水淹脅迫在華南農(nóng)業(yè)大學林學院6 樓的溫室進行．采用長60 cm，寬37 cm，深17 cm 的塑料盆，將營養(yǎng)袋培育的實生苗置于盆內(nèi)，然后進行水淹處理．

表1 4 種幼苗生長基本情況Tab．1 General characteristics of four seedlings cm

1．2 試驗方法

2009年10月23日開始，每個樹種選取生長良好和形態(tài)長勢基本一致的24 株幼苗放入水盆中進行水淹處理，設置水位在土壤表面，同時，將正常栽培管理的幼苗作對照．水淹處理每天都補換水1 次，對照每天定時定量澆水1 次，保持對照的毛管持水量為33.76%，田間持水量為25.48%．處理在室溫下進行，室內(nèi)溫度28 ℃左右，相對濕度75%～85%．在7、14、21、28、35 d 5 個水淹時間和停止水淹7 d 時(即試驗42 d)測定幼苗的生理指標．

選取生長狀況一致的5 株幼苗，從每株幼苗頂部開始的第3～8 位功能葉間選取6 枚葉片掛牌標記，于早晨9:00—11:00 用Li-6400 便攜式光合系統(tǒng)分析儀(美國LI-COR 公司)測定幼苗葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、細胞間隙CO2摩爾分數(shù)(xCO2)、蒸騰速率(Tr)，每枚葉片測定6 次．測定條件:葉室溫度控制在20～25 ℃，采用紅藍光源，光強為1 000 μmol·m－2·s－1，CO2的摩爾分數(shù)為400 μmol·mol－1，流速為500 μmol·s－1．

數(shù)據(jù)處理和作圖由Microsoft excel 完成，Duncan’s 多重比較和各項指標測定結(jié)果的主成分分析均由SAS 9.0 軟件系統(tǒng)完成．

2 結(jié)果與分析

2．1 水淹脅迫對凈光合速率(Pn)的影響

隨著脅迫時間的增加，4 種幼苗的Pn 均呈下降趨勢，且都顯著低于對照(P＜0.05)(圖1)．正常生長環(huán)境下(0 d)樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹的Pn分別為5.16、7.37、4.31 和4.38 μmol·m－2·s－1，紅荷的Pn 最大，紅苞木的最小．35 d 時4 種幼苗的Pn 均達到最小值，分別為1.87、0.43、－0.26和0.62 μmol·m－2·s－1，比對照下降了63.76%、94.10%、106.04%和85.77%．其中，樂昌含笑降幅最低，較耐水淹，而紅苞木的Pn 為負值，表明此時其幼苗的呼吸速率大于光合速率，抗?jié)承暂^差．恢復7 d 后樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹幼苗的Pn 較35 d 時顯著上升(P＜0.05)，卻仍顯著低于對照(P＜0.05)，分別為對照的70.09%、32.12%、23.97%和56.72%．

圖1 水淹脅迫下凈光合速率的變化Fig．1 Changes of net photosynthetic rate under waterlogging stress

2．2 水淹脅迫對葉片氣孔導度(Gs)的影響

隨著脅迫時間的增加，4 種幼苗的葉片Gs均呈下降趨勢，各水淹脅迫階段Gs都顯著低于對照(P＜0.05)(圖2)．0 d 時樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹的 Gs分別為 0.096、0.158、0.089 和0.040 mol·m－2·s－1，紅荷最大，樟樹最小．35 d 時4 種幼苗的Gs均達到最小值，分別為0.032、0.005、0.008和0.006 mol·m－2·s－1，比對照下降66.52%、96.76%、91.47%和84.61%．其中，樂昌含笑的Gs降幅最小，樟樹次之，紅荷和紅苞木降幅較大．恢復7 d 后，除樂昌含笑外，其他3 種幼苗的Gs較35 d 時顯著上升(P＜0.05)，但均顯著低于對照(P＜0.05)，樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹幼苗的Gs分別為對照的36.73%、13.19%、12.87%和65.27%．

圖2 水淹脅迫下氣孔導度的變化Fig．2 Changes of stomatal conductance under waterlogging stress

2．3 水淹脅迫對細胞間隙CO2 摩爾分數(shù)(xCO2)的影響

0 d 時樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹的xCO2分別為285、296、224 和221 μmol·mol－1(圖3)．隨著脅迫時間的增加，樂昌含笑的xCO2先降后升，各脅迫階段的xCO2均顯著低于對照(P＜0.05)，14 d 時達到最小值218 μmol·mol－1，比對照下降23.49%，35 d 時為247 μmol·mol－1，比對照下降13.26%;紅荷xCO2先降后升，14、21、28 d 時顯著低于對照(P＜0.05)，14 d時達到最小值243 μmol·mol－1，比對照下降17.90%，35 d時上升至與對照相同水平，為294 μmol·mol－1;紅苞木的xCO2持續(xù)上升，各脅迫階段均顯著高于對照(P＜0.05)，35 d 時達到574 μmol·mol－1的最大值，比對照上升了60.96%;樟樹的xCO2先降后升，14 d 時達到最小值，為190 μmol·mol－1，比對照下降14.25%．35 d 時達最大值，比對照顯著提高39.39%，其他處理也顯著高于對照(P＜0.05)．由數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，紅荷和樂昌含笑的xCO2變幅較小，樟樹次之，紅苞木最大．恢復7 d 后，樂昌含笑的xCO2顯著上升，而其他幼苗顯著下降，樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹的xCO2分別為對照的90.97%、86.78%、104.70%和124.64%．

圖3 水淹脅迫下細胞間隙CO2 摩爾分數(shù)的變化Fig．3 Changes of intercellular mole fraction of CO2(xCO2)under waterlogging stress

2．4 水淹脅迫對葉片蒸騰速率(Tr)的影響

隨著脅迫時間的增加，4 種幼苗的葉片Tr 均呈下降趨勢，且都顯著低于對照(P＜0.05)(圖4)．0 d時樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹的Tr 分別為3.04、2.67、2.77 和0.83 mmol·m－2·s－1．在35 d 時Tr均達到最低值，分別為0.04、0.13、0.02 和0.10 mmol·m－2·s－1，比對照下降98.71%、95.02%、99.29%和87.71%．恢復7 d 后，除紅苞木與35 d 時為同一水平外，其他3 種幼苗的Tr 均顯著上升(P＜0.05)，此時樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹幼苗的Tr分別為對照的16.57%、10.95%、5.15%和45.44%，均顯著低于對照(P＜0.05)．

圖4 水淹脅迫下蒸騰速率的變化Fig．4 Changes of transpiration rate under waterlogging stress

2．5 對4 種幼苗耐水淹能力的主成分分析

為了研究影響4 種幼苗耐水淹能力的主導因素，采用多元統(tǒng)計分析中的主成分分析法進行了綜合評價［15］，結(jié)果見表2．由表2 可以看出，4 項葉片氣體交換參數(shù)指標中前2 個主成分因子的累計貢獻率為95.53%，表明前2 個主成分已經(jīng)把供試幼苗在水分脅迫下生長適應性的95.53%的信息反映出來，因此選取前兩個主成分作為植物耐水淹能力評價的綜合指標．第1 主成分貢獻率較大(74.55%)，其對應較大特征向量的評價指標為凈光合速率和氣孔導度，第2 主成分對應最大特征向量的評價指標為細胞間隙CO2摩爾分數(shù)，說明本研究中凈光合速率和氣孔導度是反映水淹脅迫的最重要的指標，其次為細胞間隙CO2摩爾分數(shù)．

表2 水淹脅迫下幼苗氣體交換參數(shù)的主成分分析Tab．2 Principal components under waterlogging stress on leaf gas exchange parameters of seedlings

根據(jù)葉片氣體交換參數(shù)指標與幼苗耐水淹能力的聯(lián)系，由主成分的特征向量可計算出每個樹種的主成分得分，本研究選取了2 個主成分，由于主成分之間相互獨立且有著不同的貢獻率，因此，每個主成分得分就是其加權值，其中權重就是主成分對應的貢獻率．每個樹種的葉片氣體交換參數(shù)指標值分別和各主成分中的葉片氣體交換參數(shù)指標的特征值相乘后，按樹種累加各葉片氣體交換參數(shù)指標得分，再分別與各主成分的權重相乘，求和計算出主成分的綜合得分，得分高的樹種其耐水淹能力強．

經(jīng)計算，樂昌含笑、紅荷、紅苞木和樟樹幼苗的耐水淹能力綜合得分分別為1.94、0.71、0.62 和0.68，可見這4 種幼苗的耐水淹能力由高到低依次為樂昌含笑、紅荷、樟樹、紅苞木．

3 討論

水淹改變植株生長的土壤水分條件，從而影響其光合生理生態(tài)特性［16］．凈光合速率是衡量植物對逆境條件光合生理響應能力的重要參數(shù)［17］，水淹條件下植物保持較高的凈光合速率和正常的光合特性是植物能耐受水淹的重要原因之一［16］．已有研究表明，水淹會導致不耐淹植物的光合能力顯著下降［18］，而對于耐淹植物的根部發(fā)生水淹時，對其光合能力的影響較?。?6］．本研究的水淹脅迫過程中，4 種幼苗的凈光合速率均持續(xù)下降．水淹35 d 時，紅苞木的凈光合速率為負值，而其他樹種為正值，其中樂昌含笑的凈光合速率降幅最?。纱丝梢哉J為，4 種幼苗中，樂昌含笑為耐淹樹種，紅苞木為不耐淹樹種，樟樹和紅荷介于二者之間．

通常認為引起光合速率下降的因素包括氣孔限制因素和非氣孔限制因素［19］．氣孔是光合作用時吸收空氣中CO2和蒸騰過程中水蒸氣從體內(nèi)排到體外的主要通道，淹水植物早期光合速率的下降與氣孔的關閉有關，植物對土壤淹水缺氧最敏感的響應就是氣孔關閉，氣孔導度下降，從而導致葉片吸收CO2的能力降低［20］．當胞間CO2摩爾分數(shù)降低和氣孔限制值增大時，光合速率的下降主要由氣孔導度的下降所引起［19］．非氣孔限制是因為葉肉細胞光合能力下降，導致葉肉細胞利用CO2的能力降低，進而使胞間CO2摩爾分數(shù)升高［21］．影響幼苗凈光合速率下降的主要原因由氣孔限制轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩叵拗?，此時幼苗的光合作用主要受1，5－二磷酸核酮糖(RuBP)再生的影響，如光合作用關鍵酶Rubisco 羧化活性下降［22］，同時光合電子的傳遞，如Cytb6f 和質(zhì)醌等光合電子傳遞鏈組分的減少［23］，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和三磷酸腺苷(ATP)的合成，磷酸戊糖循環(huán)的還原過程也會影響植株的光合作用［24］，阻礙葉肉細胞對CO2的利用，從而導致胞間CO2的積累．本研究中，樂昌含笑、紅荷和樟樹的胞間CO2摩爾分數(shù)在水淹期的前14 d 隨著氣孔導度的下降而下降，而14 d 后其胞間CO2摩爾分數(shù)并不隨著氣孔導度降低而下降，反而有所升高，推測這3 種幼苗在水淹14 d 前光合速率的下降主要是由氣孔限制所致，14 d 后主要是由非氣孔限制所致;紅苞木的胞間CO2摩爾分數(shù)隨著氣孔導度的下降持續(xù)上升，推測引起紅苞木凈光合速率降低的主要因素一直為非氣孔限制，表明樂昌含笑、紅荷和樟樹的耐水淹能力較紅苞木強．

水淹結(jié)束后，植株的恢復生長能力越強，對植物耐受水淹越有利，而水淹后植株的光合生產(chǎn)對恢復生長是有利的．本試驗中，水淹恢復7 d 的凈光合速率測定結(jié)果表明，樂昌含笑恢復到對照的70.09%，紅苞木僅為23.97%，樟樹和紅荷居二者之間，說明樂昌含笑抗水淹能力最強，而紅苞木最弱．

對樹木耐水淹性的評價，當涉及到多種樹木、多個指標的情況時，因各指標所表達的樹木耐水淹性順序往往不一致，利用一般的簡單方法很難得出確切結(jié)果．采用綜合指標法可使單個指標對評定耐水淹性的局限性得到其他指標的彌補和緩解，從而使評定的結(jié)果與實際較為接近，在植物生理研究中被廣泛使用［25－27］．本研究運用主成分分析法對4 個樹種的4 項生理指標進行了綜合評定，水淹處理的4個樹種的耐水淹能力由大到小的順序為樂昌含笑、紅荷、樟樹、紅苞木，這與其光合生理指標的變化相吻合．

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