九寨溝沉水杉葉藻的葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化研究

高麗楠

(成都大學(xué) 旅游與經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，四川 成都 610106)

九寨溝沉水杉葉藻的葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化研究

高麗楠

(成都大學(xué) 旅游與經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，四川 成都 610106)

以來(lái)源于九寨溝芳草海、箭竹海和五花海3個(gè)湖泊的優(yōu)勢(shì)沉水植物杉葉藻(Hippurisvulgaris)為試材，利用Junior-PAM調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x，在夏季對(duì)其快速光響應(yīng)曲線和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)日變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行測(cè)定，以揭示杉葉藻的光合特征及其與主要環(huán)境因子的關(guān)系。結(jié)果顯示：3個(gè)湖泊光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)日平均值之間無(wú)顯著差異，五花海的水溫(Tw)日平均值極顯著高于芳草海和箭竹海。沉水杉葉藻的最大相對(duì)電子傳遞速率(rETRmax)和半飽和光強(qiáng)(Ek)的日變化在箭竹海和五花海均呈雙峰曲線，在芳草海呈單峰曲線；3個(gè)湖泊沉水杉葉藻光能利用效率一天中均呈早晚高、中午低的近“V”形曲線。五花海沉水杉葉藻的rETRmax和Ek日平均值極顯著高于箭竹海和芳草海，rETRmax、Ek在箭竹海和芳草海之間無(wú)顯著性差異，說(shuō)明五花海沉水杉葉藻有更強(qiáng)的光合能力和對(duì)強(qiáng)光的耐受能力。3個(gè)湖泊沉水杉葉藻Fv/Fm日變化都呈“V”形曲線，五花海沉水杉葉藻Fv/Fm恢復(fù)速度大于芳草海和箭竹海。研究表明，不同的環(huán)境因子，特別是Tw，會(huì)導(dǎo)致沉水植物杉葉藻的葉綠素?zé)晒鈪?shù)在3個(gè)湖泊之間存在顯著差異，即Tw是九寨溝沉水植物杉葉藻光合作用的主要影響因子，12 ℃為光合最適溫度。

九寨溝； 沉水植物； 葉綠素?zé)晒猓?快速光響應(yīng)曲線

青藏高原作為獨(dú)特的自然地域單元，其自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)在全球占有特殊地位，并且與全球氣候與環(huán)境變化息息相關(guān)。近幾十年來(lái)，由于氣候干暖化和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響，青藏高原大多數(shù)湖泊都有不同程度的變化。對(duì)于內(nèi)陸湖泊尤其是高原腹地內(nèi)陸區(qū)湖泊而言，入湖水系少而短，補(bǔ)給湖泊的水量不多。在干燥氣候的影響下，許多湖泊水位下降、湖泊面積縮小、湖水含鹽量增加，有的則逐步干涸、消亡[1]。另外在青藏高原東部，由于高原面保持相對(duì)完整，西南季風(fēng)影響較大，形成寒冷半濕潤(rùn)的環(huán)境，有利于沼澤發(fā)育，因而區(qū)域內(nèi)沼澤分布較普遍，而且面積大[2]。湖泊沼澤化是指經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的泥沙淤積和生物沉積，湖水變淺，開(kāi)始生長(zhǎng)沉水植物和挺水植物，可見(jiàn)水生植物在湖泊沼澤化過(guò)程中具有非常重要的作用。目前對(duì)青藏高原湖泊的研究較少，并且主要集中在高原湖泊水化學(xué)特征[3-4]、古湖沼學(xué)[5]和湖泊沉積物[6-7]等幾個(gè)方面，并未開(kāi)展青藏高原湖泊植物生理生態(tài)學(xué)的相關(guān)研究。

九寨溝自然保護(hù)區(qū)位于青藏高原東緣，屬于對(duì)全球氣候變化敏感的區(qū)域，是聯(lián)合國(guó)世界自然遺產(chǎn)、聯(lián)合國(guó)世界生物保護(hù)區(qū)、國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家級(jí)重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，通過(guò)了綠色環(huán)球21認(rèn)證，是中國(guó)最具吸引力的自然風(fēng)景旅游目的地。九寨溝區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺和斷裂發(fā)育，特別是鈣華地貌發(fā)育，形成了鈣華湖泊和瀑布、植物島和灘流等奇觀，成為高寒地區(qū)獨(dú)具特色的喀斯特地貌景觀。九寨溝的旅游活動(dòng)呈現(xiàn)空前的繁榮，但是在帶來(lái)巨額經(jīng)濟(jì)收入的同時(shí)，巨大的游客人數(shù)、大量的旅游活動(dòng)以及修建旅游基礎(chǔ)設(shè)施給景區(qū)的植被、水體和土壤等造成了一定的負(fù)面影響。目前九寨溝一些湖泊泥沙淤積明顯，湖泊沼澤化問(wèn)題嚴(yán)重。伴隨著湖泊泥沙淤積還有大量營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)的輸入，水生植物大量生長(zhǎng)。另外，水生植物促進(jìn)沉積效應(yīng)是非常顯著的，這樣淺灘范圍逐步擴(kuò)大，湖泊面積變小，水生植物大量生長(zhǎng)，會(huì)加快沼澤化的進(jìn)程[8]，并對(duì)湖泊和景區(qū)產(chǎn)生不利的影響，也將直接影響到景區(qū)景觀資源的保護(hù)和可持續(xù)利用。但是，目前對(duì)九寨溝的研究主要集中在地質(zhì)地貌[9-10]、水文[11]、景觀成因[12]、旅游[13]等方面，還未見(jiàn)對(duì)九寨溝自然保護(hù)區(qū)內(nèi)水生植物生長(zhǎng)狀況的研究報(bào)道。

葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)能快速靈敏地反映植物生理狀態(tài)及其與環(huán)境的關(guān)系，是一種理想的光系統(tǒng)探針，可直接或間接地了解光合作用過(guò)程。光合日變化是維持植物光合機(jī)構(gòu)內(nèi)不同組分響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境條件平衡能力的一種反映，葉綠素?zé)晒鈪?shù)則反映光合機(jī)構(gòu)一系列重要的適應(yīng)調(diào)節(jié)過(guò)程[14]。目前，結(jié)合葉綠素?zé)晒鈪?shù)反映九寨溝水生植物光合作用日變化特征的研究尚無(wú)報(bào)道。因此，本研究采用在線監(jiān)測(cè)與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，以九寨溝優(yōu)勢(shì)沉水植物杉葉藻為試驗(yàn)材料，探討不同湖泊同一沉水植物杉葉藻的葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化特征，討論光強(qiáng)和水溫等重要環(huán)境因子對(duì)水生植物光合作用的影響，為研究九寨溝沉水植物的生長(zhǎng)過(guò)程、湖泊沼澤化治理、生態(tài)與環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)資料。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)樣地的選擇與概況

九寨溝自然保護(hù)區(qū)位于四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣中南部(103°46′～104°05′E，32°55′～33°16′N)，其地處青藏高原東緣岷山山脈南段尕爾納峰北麓，是長(zhǎng)江水系嘉陵江源頭的一條支溝，地貌為高山峽谷區(qū)，地勢(shì)南高北低，海拔1 996～4 764 m。九寨溝具有冷涼干燥的季風(fēng)氣候特征，年平均氣溫6.5 ℃，極端低溫為-19.1 ℃，極端高溫為33.7 ℃；年平均降水量681 mm，降雨多集中在5—10月；年日照時(shí)數(shù)為1 600 h，相對(duì)濕度為60%～70%[15]。九寨溝水生植物種類豐富，水生維管植物共有75種(含6變種)，隸屬于23科41屬[16]。

芳草海(Grass Lake,GL)、箭竹海(Arrow Bamboo Lake,ABL)和五花海(Five Colored Lake,FCL) (圖1)處于挺水植物階段，湖泊沉積速度加快。如果今后水量繼續(xù)下降，湖泊濕地萎縮，沼澤化過(guò)程將更快。在經(jīng)過(guò)多次野外實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，選取芳草海、箭竹海、五花海作為本次研究樣地，海拔分別為2 934、2 632、2 478 m。將九寨溝分布廣泛的優(yōu)勢(shì)沉水植物杉葉藻(Hippurisvulgaris)作為研究對(duì)象，杉葉藻群落為典型的北極高山分布型，是喜寒冷環(huán)境分布的群落類型，是高原高寒環(huán)境的一種指示群落[2]。

圖1 九寨溝地理位置示意圖

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 野外試驗(yàn)選在水生植物生長(zhǎng)旺季的7月15—23日進(jìn)行。選擇晴朗無(wú)云的天氣，分別測(cè)定3個(gè)湖泊沉水杉葉藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的日變化，7:00—17:00，每2 h測(cè)定一次。葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量由脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xJunior-PAM (Walz,Germany)連接到手持三星Q1U-000電腦上進(jìn)行，由WinControl-3軟件控制。測(cè)定過(guò)程中在水深80 cm以內(nèi)隨機(jī)選擇受試植物，采集的植株葉片迅速進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定，保持植株葉片浸泡在湖水中同時(shí)避免強(qiáng)光照射。測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)過(guò)程中，用磁性葉夾將葉片夾住，并且調(diào)節(jié)光纖末端到樣品的距離為2 mm(光纖的直徑為1.5 mm)。

用葉綠素?zé)晒鈨xJunior-PAM測(cè)定最大光化學(xué)效率(maximal quantum yield,Fv/Fm)，隨機(jī)選擇生長(zhǎng)一致且葉片受光方向相同的5株植株，測(cè)定植株頂端以下第3～4片葉。用暗適應(yīng)夾夾住葉片20 min后，首先開(kāi)啟檢測(cè)光[0.1 μmol/(m2·s)]，得到暗適應(yīng)條件下光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最小熒光(Fo)，再由飽和脈沖光[10 000 μmol/(m2·s)]激發(fā)測(cè)得暗適應(yīng)的最大熒光(Fm)。根據(jù)Fo和Fm計(jì)算出PSⅡ最大光化學(xué)效率，以反映PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率或潛在的光能轉(zhuǎn)化效率[17]。

Fv/Fm= (Fm-Fo)/Fm

(1)

用葉綠素?zé)晒鈨xJunior-PAM測(cè)定快速光響應(yīng)曲線(rapid light curves,RLCs)，隨機(jī)選擇5株植株，測(cè)定植株頂端以下第3～4片葉。測(cè)量由電腦控制，光化光強(qiáng)度(photosynthetic active radiation,PAR)梯度設(shè)置為66、90、125、190、285、420、625、820 μmol/(m2·s)，打開(kāi)測(cè)量光和光化光，適應(yīng)10 s后打開(kāi)飽和脈沖，之后提升PAR并適應(yīng)10 s，再打開(kāi)飽和脈沖，如此重復(fù)8次。打開(kāi)飽和脈沖前的熒光為Ft，打開(kāi)飽和脈沖得到最大熒光Fm′，由此可以得出PSⅡ的有效量子產(chǎn)量(Yeild)。

Yeild= (Fm′-Ft)/Fm′

(2)

根據(jù)Yeild和PAR可以計(jì)算出相對(duì)電子傳遞速率[relative electron transport rate,rETR,μmol/(m2·s)][17]，其中0.5是假設(shè)吸收光能被光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)和PSⅡ平均分配，0.84是植物的經(jīng)驗(yàn)性吸光系數(shù)[18]。

rETR=Yeild×PAR×0.5×0.84

(3)

快速光曲線擬合采用Platt等[19]的方程式：

rETR=rETRmax×(1-e-α×PAR/rETRmax)×

e-β×PAR/rETRmax

(4)

式中，rETRmax為無(wú)光抑制時(shí)的最大潛在相對(duì)電子傳遞速率[maximum relative electron transport rate,μmol/(m2·s)]，α為快速光曲線的初始斜率(photosynthetic efficiency)，β為光抑制參數(shù)。由此可以得出半飽和光強(qiáng)[saturating photon flux,Ek,μmol/(m2·s)]。

Ek=rETRmax/α

(5)

1.2.2 光合有效輻射強(qiáng)度和水溫 與葉綠素?zé)晒鈪?shù)同步測(cè)定，采用AccuPAR Lp-80 Ceptometer測(cè)定水面下沉水杉葉藻頂端的光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)，利用溫度計(jì)測(cè)定水體溫度(water temperature,Tw)。

1.2.3 葉綠素含量 將沉水杉葉藻放在裝有少量湖水的低溫箱，并在最短時(shí)間內(nèi)運(yùn)至九寨溝實(shí)驗(yàn)室。稱取新鮮植株頂端葉片約1.6 g，擦凈組織表面污物，剪碎，以80%的丙酮進(jìn)行研磨。用紫外分光光度計(jì)(UV-1240-PC,Shimadzu)測(cè)定663 nm和645 nm處的吸光度，重復(fù)測(cè)量6次，計(jì)算葉綠素a(Chla,mg/g)、葉綠素b(Chlb,mg/g)和葉綠素(a+b)[Chl(a+b),mg/g]含量[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0和Origin 7.5統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理及統(tǒng)計(jì)分析。用One-way ANOVA進(jìn)行分析，以P<0.05為顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 3個(gè)湖泊的環(huán)境因子日變化特征

光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)與水溫(Tw)是影響水生植物光合作用最重要的環(huán)境因子。PAR的日變化都呈明顯的單峰型曲線，7：00最低，隨后迅速升高，在13：00 達(dá)到一天中的峰值。3個(gè)湖泊的PAR在7：00都小于65 μmol/(m2·s)，而在正午時(shí)段(12：00—14：00)大于1 800 μmol/(m2·s) (圖2A)，PAR日平均值在3個(gè)湖泊之間無(wú)顯著差異。3個(gè)湖泊Tw日變化也呈明顯的單峰型曲線，7：00左右為最低值，芳草海、箭竹海和五花海的最高水溫都出現(xiàn)在13：00，分別為11.20、11.16、20.6 ℃。五花海Tw日平均值(15.79 ℃)極顯著高于芳草海(8.87 ℃)和箭竹海(9.27 ℃) (P<0.01)，而芳草海和箭竹海Tw日平均值之間無(wú)顯著性差異(圖2B)。

圖2 3個(gè)湖泊水下光合有效輻射強(qiáng)度(A)和水體溫度(B)的日變化

2.2 3個(gè)湖泊沉水杉葉藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化特征

2.2.1 最大光化學(xué)效率 由圖3看出，3個(gè)湖泊沉水杉葉藻Fv/Fm日變化都呈“V”形曲線。7：00最高，之后隨著PAR的增強(qiáng)而逐漸降低，芳草海和箭竹海的沉水杉葉藻Fv/Fm在11：00降至最低值，而五花海Fv/Fm在13：00達(dá)到最低值，表明3個(gè)湖泊的沉水杉葉藻均發(fā)生了光抑制現(xiàn)象。之后隨著PAR的降低，F(xiàn)v/Fm開(kāi)始恢復(fù)，17：00芳草海和箭竹海Fv/Fm分別恢復(fù)了92.42%和95.71%，可見(jiàn)傍晚未恢復(fù)到清晨水平，而五花海Fv/Fm恢復(fù)到清晨時(shí)的水平。

圖3 3個(gè)湖泊沉水杉葉藻的Fv/Fm日變化

2.2.2 快速光響應(yīng)曲線 rETR反映實(shí)際光強(qiáng)下的相對(duì)電子傳遞效率，用于度量光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致碳固定的電子傳遞情況，其值由光強(qiáng)、葉片吸收光系數(shù)和有效熒光產(chǎn)量計(jì)算得到[21]。從圖4可以看出，9：00五花海沉水杉葉藻的rETR達(dá)到一天中的最高值，而其余2個(gè)湖泊均在13：00達(dá)到最高值。7：00和17：00，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，芳草海和箭竹海的沉水杉葉藻的rETR隨PAR增強(qiáng)而不斷上升，但是當(dāng)PAR過(guò)大，超過(guò)飽和光強(qiáng)285 μmol/(m2·s)，rETR開(kāi)始下降；11：00和13：00，rETR隨著PAR增強(qiáng)由迅速升高再到緩慢升高；而15：00在PAR為420 μmol/(m2·s)時(shí)緩慢下降。7：00和17：00，五花海沉水杉葉藻的rETR在PAR為420 μmol/(m2·s)時(shí)降低；9：00和11：00時(shí)rETR隨著PAR逐漸升高。通過(guò)分析RLCs，可獲得一系列反映光合能力的參數(shù)。

圖4 3個(gè)湖泊沉水杉葉藻的快速光響應(yīng)曲線日變化

圖5A表明，7：00—17：00，芳草海的沉水杉葉藻rETRmax日變化呈典型的單峰型曲線，7：00 左右最低，為13.14 μmol/(m2·s)，而后迅速上升,13：00達(dá)到峰值[54.47 μmol/(m2·s)]，此時(shí)光PAR亦達(dá)到一天中的最高值，之后逐漸下降，到17：00降為30.12 μmol/(m2·s)。而箭竹海的沉水杉葉藻rETRmax日變化呈雙峰型曲線，9：00時(shí)出現(xiàn)第1個(gè)峰值，而后下降，13：00為一天中的最高值[53.13 μmol/(m2·s)]。五花海沉水杉葉藻rETRmax日變化也呈典型的雙峰型曲線，一天中的最高值[89.55 μmol/(m2·s)]出現(xiàn)在9：00，并且極顯著高于其余2個(gè)湖泊rETRmax的最高值(P<0.01)。每個(gè)湖泊沉水杉葉藻Ek日變化趨勢(shì)與其rETRmax基本一致(圖5C)，五花海沉水杉葉藻Ek日均值[249.07 μmol/(m2·s)]、rETRmax日均值[61.88 μmol/(m2·s)]都極顯著高于其余2個(gè)湖泊(P<0.01)，但Ek、 rETRmax日均值在芳草海和箭竹海之間無(wú)顯著差異。

初始斜率(α)可以反映植物葉片對(duì)光能的利用效率，表現(xiàn)了植物葉片捕光能力的大小。3個(gè)湖泊沉水杉葉藻α一天中呈早晚高、中午低的近“V”形變化趨勢(shì)，并且3個(gè)湖泊沉水杉葉藻α日平均值之間無(wú)顯著差異(圖5B)。

圖5 3個(gè)湖泊沉水杉葉藻的rETRmax (A)、α(B)和Ek(C)日變化

為進(jìn)一步說(shuō)明PAR和Tw對(duì)3個(gè)湖泊沉水杉葉藻rETRmax的影響，以3個(gè)湖泊為整體，將沉水杉葉藻rETRmax分別與PAR、Tw進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明，rETRmax分別與PAR、Tw的回歸模型均達(dá)到顯著水平，rETRmax與Tw的決定系數(shù)(R2=0.68，P<0.01)顯著大于rETRmax與PAR的決定系數(shù)(R2=0.33，P<0.05) (圖6)，表明Tw是導(dǎo)致3個(gè)湖泊沉水杉葉藻rETRmax差異的主要因子。

圖6 3個(gè)湖泊沉水杉葉藻的rETRmax與環(huán)境因子的回歸關(guān)系

2.3 3個(gè)湖泊沉水杉葉藻的葉綠素含量

葉綠素是綠色植物葉綠體內(nèi)參與光合作用的重要色素，葉片中的光合色素是植物光合作用的基礎(chǔ)，植株功能葉中葉綠素含量的高低在很大程度上反映了植株光合能力和生長(zhǎng)狀況。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，沉水杉葉藻的Chla、Chl(a+b)和Chla/b在3個(gè)湖泊之間均有顯著性差異(P<0.05) (表1)，其中芳草海和箭竹海的沉水杉葉藻Chla、Chl(a+b)和Chla/b均顯著大于五花海，而Chlb在3個(gè)湖泊沉水杉葉藻之間無(wú)顯著差異。

表1 3個(gè)湖泊沉水杉葉藻的葉綠素含量

湖泊Chla含量/(mg/g)Chlb含量/(mg/g)Chl(a+b)含量/(mg/g)Chla/b芳草海0.69±0.05a0.27±0.03a0.96±0.07a2.77±0.36a箭竹海0.57±0.03a0.26±0.03a0.83±0.06a2.26±0.13a五花海0.43±0.00b0.23±0.02a0.66±0.03b1.93±0.17b

注: 表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同一參數(shù)同一列內(nèi)不同小寫字母表示差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

3.1 3個(gè)湖泊沉水杉葉藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化特征比較

本研究通過(guò)對(duì)3個(gè)湖泊沉水杉葉藻的快速光響應(yīng)曲線日變化的研究表明，3個(gè)湖泊PAR之間無(wú)顯著差異，而五花海沉水杉葉藻的rETRmax日平均值極顯著高于其他2個(gè)湖泊，而芳草海和箭竹海的rETRmax日平均值之間無(wú)顯著差異，因五花海的Tw較高使rETRmax升高，這與對(duì)汕頭海域龍須菜(Gracilarialemaneiformis)的研究結(jié)果一致，溫度升高使其光合速率提高[22]。另外，3個(gè)湖泊沉水杉葉藻rETRmax與Tw的決定系數(shù)(R2=0.68，P<0.01)顯著大于rETRmax與PAR的決定系數(shù)(R2=0.33，P<0.05)，表明Tw是導(dǎo)致3個(gè)湖泊沉水杉葉藻rETRmax差異的主要因子。沉水植物都有適合其正常生命活動(dòng)的溫度范圍，當(dāng)外界環(huán)境溫度在該溫度范圍內(nèi)時(shí)，酶促反應(yīng)會(huì)隨溫度升高而加快，在一定程度上能促進(jìn)光合作用；而低溫可直接引起植物光合作用酶活性下降[23]。

3個(gè)湖泊沉水杉葉藻rETRmax達(dá)到一天中最高值時(shí)，每個(gè)湖泊的Tw都為12 ℃，因此，12 ℃可能為九寨溝沉水杉葉藻的光合最適溫度，而熱帶和亞熱帶大多數(shù)植物光合最適溫度為23～32 ℃[24]。從芳草海和箭竹海rETRmax的日變化來(lái)看，隨著Tw升高，rETRmax增強(qiáng)，但Tw在13:00升高到光合最適溫度(12 ℃)時(shí)，rETRmax也達(dá)到一天的峰值。但箭竹海沉水杉葉藻的rETRmax日變化中，11:00有所降低，因箭竹海湖泊水體的pH值(8.4)較高[25]。有研究表明，湖泊水具有較高pH值時(shí)，溶解的無(wú)機(jī)碳源(可利用的CO2)濃度會(huì)降低[26]。為了適應(yīng)水體中低CO2環(huán)境，促使光合作用正常進(jìn)行，雖然部分水生植物在進(jìn)化過(guò)程中演變成能利用HCO3-作為光合作用的無(wú)機(jī)碳源，但是CO2仍是水生植物最容易利用和主要的無(wú)機(jī)碳源[27]。因此，pH值變化顯著影響水中溶解的無(wú)機(jī)碳源，從而影響沉水植物光合作用。另外，五花海沉水杉葉藻rETRmax日變化中，13:00出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，因高于光合作用的最適溫度12 ℃。有研究表明，植物光合作用日變化過(guò)程中，常伴隨著高光強(qiáng)和高溫，這時(shí)高溫起主導(dǎo)作用，引起酶活性降低[28]。

3個(gè)湖泊沉水杉葉藻α日變化趨勢(shì)表現(xiàn)為清晨和傍晚較高、正午較低，表明其具有調(diào)控光合作用和高效利用PAR的能力。而這與某些學(xué)者研究相反，由于喜鹽草(Halophilaovalis)長(zhǎng)期生長(zhǎng)在深水域(>10 m)，PAR低，正午時(shí)α并未出現(xiàn)降低[29]。九寨溝3個(gè)湖泊沉水杉葉藻生長(zhǎng)在0.5～0.8 m的淺水域，較高的PAR使其具有適應(yīng)強(qiáng)光的能力。與本研究結(jié)果相一致，淺水域生長(zhǎng)的巨藻(Macrocystispyrifera)，正午時(shí)PAR較強(qiáng)，促使α降低[30]。事實(shí)上，九寨溝位于青藏高原東緣，高海拔地區(qū)加上九寨溝湖泊水體透明度高，具有更強(qiáng)PAR、UV-B，正午時(shí)段(12:00—14:00) PAR均大于1 800 μmol/(m2·s)，與低海拔地區(qū)水生植物相比沉水杉葉藻更耐強(qiáng)光。本研究結(jié)果顯示，Tw日均值在3個(gè)湖泊之間存在顯著差異，但PAR日均值無(wú)顯著差異，沉水杉葉藻α日均值也無(wú)顯著差異。有研究表明，Posidoniasinuosa的α隨著溫度的增加幾乎無(wú)變化，這是因?yàn)榭焖俟忭憫?yīng)曲線是電子傳遞速率隨PAR變化的曲線，而α為快速光響應(yīng)曲線的初始斜率，且表示光能利用效率與溫度無(wú)關(guān)[31]。

9:00—17:00，3個(gè)湖泊沉水杉葉藻Ek均低于PAR，沉水杉葉藻一天中幾乎有10 h處在光飽和狀態(tài)。3個(gè)湖泊沉水杉葉藻Ek隨著Tw的變化而變化，五花海Tw較高，其Ek也較高。有研究表明，Posidoniasinuosa和Amphibolisgriffithii的Ek也隨著Tw的升高而增強(qiáng)[32]。五花海沉水杉葉藻Ek顯著高于其他2個(gè)湖泊，說(shuō)明其耐受強(qiáng)光。另外，沉水杉葉藻rETRmax和Ek的變化趨勢(shì)一致，因?yàn)镋k反映了植物耐受強(qiáng)光的能力，而對(duì)強(qiáng)光耐受能力強(qiáng)的植物具有較高rETRmax[33]，因此，五花海沉水杉葉藻有更強(qiáng)的光合能力和對(duì)強(qiáng)光的耐受能力，光保護(hù)能力更強(qiáng)。

已有研究表明[34]，F(xiàn)v/Fm不受物種的影響，非脅迫條件下，該參數(shù)的變化極小，多數(shù)高等植物Fv/Fm約為0.83；當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，F(xiàn)v/Fm會(huì)顯著降低。從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3個(gè)湖泊沉水杉葉藻Fv/Fm均小于0.80，表明3個(gè)湖泊沉水植物均可能受到脅迫，且外界脅迫對(duì)沉水植物PSⅡ反應(yīng)中心造成一定損傷[35]。目前已有關(guān)于UV-B輻射、多環(huán)芳烴污染以及網(wǎng)狀藻的附著對(duì)水生植物Fv/Fm影響的報(bào)道[36-37]，其他因子脅迫對(duì)Fv/Fm的影響還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。結(jié)合采樣區(qū)域的環(huán)境狀況，可能引起采樣區(qū)域沉水植物Fv/Fm值降低的原因?yàn)楦咴^強(qiáng)UV-B輻射和植物體上附著的藻類[38]，至于植物本身Fv/Fm對(duì)脅迫因子的耐受性如何，還有待進(jìn)一步研究。葉片光合機(jī)構(gòu)吸收過(guò)剩光能后會(huì)引起開(kāi)放PSⅡ反應(yīng)中心Fv/Fm降低，即產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，嚴(yán)重的光抑制可以導(dǎo)致反應(yīng)中心的不可逆破壞[39]。3個(gè)湖泊沉水杉葉藻的Fv/Fm日變化中，隨著PAR增強(qiáng)，F(xiàn)v/Fm均呈顯著的降低趨勢(shì)，表明均發(fā)生光抑制，這與對(duì)喜鹽草的研究結(jié)果一致[33]。另外，17:00五花海沉水杉葉藻Fv/Fm基本恢復(fù)到7:00水平，表明此時(shí)光抑制基本消失，說(shuō)明沉水杉葉藻葉片日間光抑制現(xiàn)象并非光合機(jī)構(gòu)被破壞所致，而是光合機(jī)構(gòu)可逆失活造成的一種保護(hù)性反應(yīng)。午后，隨著PAR降低，五花海沉水杉葉藻Fv/Fm恢復(fù)速度大于芳草海和箭竹海。這與Franklin[40]研究結(jié)果相似，25 ℃時(shí)Ulvarotundata的Fv/Fm恢復(fù)速度至少是 10 ℃時(shí)的2倍。但是，芳草海和箭竹海Fv/Fm在17:00分別恢復(fù)了92.42%和95.71%，并未恢復(fù)到清晨水平，這主要是由于低溫加劇了UV-B對(duì)重要生理參數(shù)Fv/Fm的負(fù)面影響[40]。

3.2 3個(gè)湖泊沉水杉葉藻葉綠素含量的比較

芳草海和箭竹海的沉水杉葉藻Chla含量大于五花海，可見(jiàn)隨著水溫的降低，Chla含量增加。這與Madsen等研究相似，在水溫低時(shí)，Ranunculusaquatilis的Chla含量最大[41]。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，Ruppiadrepanensis和Potamogetongramineus隨著溫度上升Chla含量增加[42]。九寨溝高原湖泊的沉水杉葉藻的葉綠素含量較低，特別是Chlb的降低減少了攝取過(guò)剩光能對(duì)光合反應(yīng)中心的傷害。因生長(zhǎng)于高海拔地區(qū)的植物，長(zhǎng)期受低溫、強(qiáng)輻射的脅迫，逐漸形成了以較低的葉綠素含量來(lái)適應(yīng)該環(huán)境的特性[43]，說(shuō)明九寨溝高原生境對(duì)沉水杉葉藻產(chǎn)生了脅迫效應(yīng)，減少了葉片對(duì)光能的捕獲，降低光合機(jī)構(gòu)遭受破壞的風(fēng)險(xiǎn)，這也是沉水植物適應(yīng)九寨溝高原生境的一種自身調(diào)節(jié)機(jī)制。

3.3 氣候變化對(duì)九寨溝沉水杉葉藻生長(zhǎng)的影響

不同的環(huán)境因子，特別是Tw，會(huì)導(dǎo)致沉水植物杉葉藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)在3個(gè)湖泊之間存在顯著差異。本研究結(jié)果顯示，Tw是九寨溝沉水杉葉藻光合作用的主要影響因子。

目前，有些學(xué)者通過(guò)利用復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)湖泊水質(zhì)的影響，結(jié)果表明氣候變化會(huì)導(dǎo)致湖泊水質(zhì)惡化[44]。然而，九寨溝位于青藏高原的東緣，具有高海拔、低水溫、鈣華等特點(diǎn)，屬于對(duì)全球氣候變化敏感的區(qū)域。普遍認(rèn)為，全球氣候變化導(dǎo)致湖泊水溫升高，從而提高水生植物光合作用能力和生產(chǎn)力。然而，水生植物能夠抑制風(fēng)浪和湖流，固持底泥，保護(hù)湖底免受風(fēng)浪侵蝕，促進(jìn)湖水中懸浮物的沉降，減少再懸浮和營(yíng)養(yǎng)元素的溶解釋放，增加水體透明度，因此更加有利于水生植被發(fā)育；另外，由于大型水生植物的凋落物分解較慢或不能完全分解，這些分解殘?jiān)蜁?huì)沉積在湖底，從而又將其吸收的一部分營(yíng)養(yǎng)鹽以分解殘?jiān)男问綒w還給底泥，分解殘?jiān)练e到表層沉積物又會(huì)使湖泊產(chǎn)生“生物淤積效應(yīng)”，因而影響底泥的狀態(tài)[45]。有研究表明，水生植物從底泥所吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其枯枝落葉所增加湖泊的沉積物[46]。本研究結(jié)果表明，Tw是九寨溝水生植物光合作用的主要影響因子，九寨溝的芳草海和箭竹海Tw日平均值都低于沉水杉葉藻的光合最適溫度(12 ℃)，全球變暖可能會(huì)加快九寨溝高原湖泊沼澤化進(jìn)程。

綜上所述，九寨溝獨(dú)特的環(huán)境因子對(duì)3個(gè)湖泊沉水杉葉藻的葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化產(chǎn)生了影響。研究結(jié)果顯示，3個(gè)湖泊PAR日均值之間無(wú)顯著差異，五花海的Tw日平均值極顯著高于芳草海和箭竹海，Tw升高使五花海沉水杉葉藻rETRmax和Ek上升，所以五花海沉水杉葉藻有更強(qiáng)的光合能力和對(duì)強(qiáng)光的耐受能力。五花海沉水杉葉藻Fv/Fm恢復(fù)速度大于芳草海和箭竹海，較低的Tw使其余2個(gè)湖泊沉水杉葉藻的光抑制恢復(fù)緩慢。所以，Tw是九寨溝沉水杉葉藻光合作用的主要影響因子，12 ℃為光合最適溫度，全球變暖可能會(huì)加快九寨溝高原湖泊沼澤化進(jìn)程。

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Diurnal Variation in Chlorophyll Fluorescence Parameters of SubmergedHippurisvulgarisin Jiuzhaigou

GAO Linan

(College of Tourism and Economic Management,Chengdu University,Chengdu 610106,China)

In summer,we selected a dominantHippurisvulgarisin Jiuzhaigou to examine diurnal rapid light curves(RLCs) and maximal quantum yield(Fv/Fm) in three lakes,namely Grass Lake(GL),Arrow Bamboo Lake(ABL)and Five Colored Lake(FCL),in order to investigate the photosynthetic characteristics and its relation with the main environmental factors. The results showed that there was no significant difference in daily averages of photosynthetic active radiation(PAR) of submergedHippurisvulgarisamong the three lakes,the daily averages of water temperature(Tw) was significantly higher in FCL than that in GL and ABL. The diurnal variation of relative electron transport rate(rETRmax) and saturating photon flux(Ek) of submergedHippurisvulgarisin GL showed a single-peak cuve,but in ABL and FCL showed double-peak cuve.In three lakes,the photosynthetic efficiency ofHippurisvulgarisshowed a V type diurnal cycle with the highest values in the early morning and evening，but the lowest at noon.The daily averages of rETRmax,Ekof submergedHippurisvulgaris in FCL were significantly greater than those in other two lakes,there was no significant difference between the other two lakes,which indicated that the submergedHippurisvulgaris in FCL had higher photosynthetic capacity and tolerance to strong light.In three lakes,Fv/Fm ofHippurisvulgarisshowed a V type diurnal cycle,the recovery of Fv/Fm in FCL was faster than that in GL and ABL.The results indicated that in three different lakes,the chlorophyll fluorescence parameters of submergedHippurisvulgariswere significantly different caused by a diversity of place-dependent environmental conditions,especially water temperature.In summary the most important photosynthesis factor appeared to be water temperature,the optimal temperature for photosynthesis of submergedHippurisvulgarisin Jiuzhaigou was about 12 ℃.

Jiuzhaigou; submerged macrophyte; chlorophyll fluorescence; rapid light curves

2015-07-29

高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目(B08037)

高麗楠(1983-)，女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，講師，博士，主要從事植物生理生態(tài)學(xué)研究。 E-mail：gaolinan20081212@163.com

Q945.79

A

1004-3268(2016)02-0119-08