沙塵脅迫對新疆引進歐洲李葉片光合和熒光特性的影響

薛亞榮，巴特爾·巴克

（新疆農業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052）

新疆地處歐亞大陸內部，位于中國西北干旱區(qū)，遠離海洋，氣候干燥，風多雨少，植被稀疏，地表裸露，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，是中國沙漠化最嚴重、分布范圍最廣的省區(qū)[1-2]。但是，近年來頻繁的沙塵天氣給人民生活和林果業(yè)的發(fā)展帶來了很多不利的影響[3-4]，如沙塵能引起植物葉面的物理和化學傷害[5]，能遮擋并減弱太陽輻射[6]，影響其呼吸作用[7]、葉片的光合作用等生理生態(tài)特性[8]。莫治新等人的研究結果表明，降塵能顯著降低蘋果和香梨葉片的Pn、Tr、Gs和Ci值[9-10]；張兆永的研究結果表明，鹽堿塵沉降能阻塞棉花葉片氣孔，對氣體交換代謝、光能利用率和水分利用率產(chǎn)生不利影響[11]；浮塵能減少植物葉片光合葉面積，妨礙氣體交換，對其光合作用和呼吸作用產(chǎn)生不利影響[12]；煤粉塵沉降量的增加會使羊柴葉片的Pn和Tr值降低，影響楊柴葉片的生長特性[13]；Naidoo 和Chirkoot 研究了長期煤灰覆蓋對S.chinensis雌葉的PSII 效應，結果發(fā)現(xiàn)，葉PSII的光子產(chǎn)量減少了約21%，蒸散量下降約58%，葉片Pn值也大大降低[14]；王孟輝等人研究發(fā)現(xiàn)，沙塵脅迫能使山楂的Pn、Gs、Tr等參數(shù)降低[15]。因此，研究沙塵脅迫對歐洲李生長的影響情況，對于歐洲李的防災減災方面具有十分重要的意義。目前，國內關于歐洲李的研究僅限于產(chǎn)量、品質、嫁接栽培技術、生物學特性、貯藏加工等方面，而對西洋李種質資源保護、逆境對其光合生理的影響等方面的研究報道卻較少。新疆夏季高溫少雨，是我國生產(chǎn)優(yōu)質西洋李的適宜區(qū)[16]，在巴州、喀什、阿克蘇、伊犁等地已形成了規(guī)模化生產(chǎn)，主要品種有法蘭西、斯泰勒、女神等[17]。本研究以巴州輪臺縣為研究區(qū)，選取法蘭西為研究對象，探究了沙塵脅迫處理對其葉片光合特性與葉綠素熒光特性的影響情況，以期為逆境對歐洲李生理生態(tài)影響機理的揭示和果樹的增產(chǎn)增收提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和試驗材料

選擇在新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州輪臺縣國家果樹資源圃（83°38′～85°25′ E、41°05′～42°32′ N）開展野外試驗。該地區(qū)處于天山南部、塔河中游、塔克拉瑪干沙漠北部，屬于溫帶大陸性干旱氣候，多風沙和浮塵天氣。年均氣溫在10.6 ℃左右，最高氣溫為41.4 ℃，最低氣溫為-21 ℃。年平均降水量、蒸發(fā)量分別為72 和2 080 mm，年均太陽總輻射量可達到577.6 kJ·cm-2。

試驗材料為歐洲李Prunus domesticaL.品種之一的法蘭西，是薔薇科Rosaceae 李屬Prunus果樹之一，別名為西梅、西洋李，屬于引進品種，在新疆有一定面積的種植，其果肉香甜，口感潤滑，富含維生素等物質，被稱為第三代功能性水果[18]。

1.2 試驗設計

以無沙塵脅迫為對照，設計輕度（5 mg·cm-2）沙塵脅迫和重度（12 mg·cm-2）沙塵脅迫處理，分別用S1 和S2 表示，每種處理的脅迫時間分別設為10、20、30、40 d， 即設有8 個處理和1 個對照，共計9 個處理。按照何芳[19]和帕提古麗·麥麥提[20]的方法，使用太陽輻射儀（AV-20P）和數(shù)據(jù)采集器（AR5），選擇晴天上午在資源圃測定遮陰率，每個處理分別從5年生歐洲李果樹的中上部不同方位各選6 個健康葉片，然后用萬深LA-S 葉面積儀進行掃描，分別計算出每個葉片的葉面積。根據(jù)單位面積覆蓋厚度和葉面積計算出葉片所需沙塵量，再根據(jù)所需沙塵量稱取沙塵，并將沙塵均勻涂于葉片表面，待處理時間達到預定時間后再測定其各項指標。

所需沙塵量＝單位面積沙塵覆蓋厚度×每個葉片的面積。

1.3 測定指標及觀測方法

1.3.1 葉綠素含量的測定

采用劉家堯的方法[21]測定葉綠素含量：稱取去掉中脈的葉片0.15 g，放入研缽中，加入少量石英砂和95%的乙醇2 mL，研成勻漿，再加入95%的乙醇5 mL，靜止3～5 min 后過濾到25 mL 的棕色容量瓶中。將葉綠體色素提取物倒入比色皿中，在波長分別為665、649 nm 處測量吸光度，用95%的乙醇作為空白測量。葉綠素a、b 的濃度分別按照以下公式計算：

Ca＝13.95A665－6.88A649；

Cb＝24.96A649－7.32A665。

式中：Ca為葉綠素a 的濃度；Cb為葉綠素b 的濃度；A665為提取液在波長665 nm 下的吸光度，A649為提取液在波長649 nm 下的吸光度。

葉綠素含量(mg·g-1)＝葉綠素濃度×提取液總體積×稀釋倍數(shù)/樣品鮮質量；

Chl-a 含量(mg·g-1)＝(13.95A665－6.88A649)×V/ (1 000 ×W)；

Chl-b 含量(mg·g-1)＝(24.96A649－7.32A665)×V/ (1 000 ×W)。

式中：Chl-a 表示葉綠素a，Chl-b 表示葉綠素 b；V為提取液體積，W為鮮樣質量。

1.3.2 光合參數(shù)的測定

光合參數(shù)的測定時間為2017年8月28日上午（晴天）。采用CIRAS-2，PP SYSTEMS 光合儀（葉片溫度都控制在25～27 ℃），在自然光照下測定各處理葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、葉片胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導度（Gs）等光合參數(shù)。

1.3.3 葉綠素熒光參數(shù)的測定

在完成歐洲李葉片光合參數(shù)的測定以后，將測定過的活體葉片用錫箔紙包裹好暗適應20 min。暗適應后，使用AZ-FluorCam 植物熒光成像儀，在快門Shutter ＝1、敏感度Sensitivity ＝20、光照Act2 ＝60、Super ＝20 的條件下，測定初始熒光（F0）、PSII 最大光化學效率（Fv/Fm）、非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）和光化學淬滅系數(shù)（qP）等熒光參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計方法

采用SPSS 21.0 軟件中的單因素方差分析法（one-way ANOVA）進行統(tǒng)計分析，用LSD 法對各參數(shù)的平均值進行顯著性檢驗和多重比較，利用Excel 2010 整理數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結果與分析

2.1 沙塵脅迫對歐洲李葉片葉綠素含量的影響

沙塵可以影響植物葉片的光合作用色素，主要表現(xiàn)在葉綠素a、b 含量和a / b 值的變化上，不同程度不同時間的沙塵脅迫處理對歐洲李葉片葉綠素含量的影響情況如圖1所示。由圖1可知，沙塵脅迫后歐洲李葉片的葉綠素含量顯著低于對照，不同程度的沙塵脅迫下，隨著覆沙時間的延長，總葉綠素（Chl）、葉綠素a（Chl-a）及葉綠素b（Chl-b）含量均呈下降趨勢。當沙塵脅迫處理10 d 時，輕度沙塵脅迫處理的Chl-a 和Chl-b 含量分別為1.60 和0.74 mg·g-1，比對照分別低16.2%和34.8%；重度沙塵脅迫處理的Chl-a 和Chl-b 含量分別為1.77 和0.54 mg·g-1，比對照分別低1.2%和23.6%；輕度和重度脅迫處理的Chl 含量值分別為2.31 和2.76 mg·g-1，分別比對照降低21.3%和6.2%。沙塵處理30 d 后，各處理的Chl、Chl-a 和Chl-b 含量隨處理時間的延長而下降的變化趨勢均逐漸減緩，且與對照相比，各處理的3 種葉綠素含量都達到了顯著差異水平；但是，沙塵脅迫處理30 和40 d 后，各處理間3 種葉綠素含量均無顯著差異。葉綠素a / b 之值在輕度脅迫下呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，在重度脅迫下相比對照一直處于較高水平且無顯著差異。當沙塵脅迫處理10 d 時，輕度和重度脅迫處理的Chl-a / Chl-b 之值分別為3.27 和3.14，比對照分別升高28.7%和23.8%；當沙塵脅迫處理40 d 時，輕度和重度脅迫處理的Chl-a / Chl-b 之值分別為2.88和3.32，比對照分別升高13.6%和30.7%。

圖1 不同程度不同時間的沙塵脅迫處理對歐洲李葉片葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of dust stress at different degrees for different durations on chlorophyll content in P.domestica leaves

2.2 沙塵脅迫對歐洲李葉片光合參數(shù)的影響

不同程度不同時間的沙塵脅迫處理對歐洲李葉片光合參數(shù)的影響情況如圖2所示。由圖2可知，經(jīng)過沙塵脅迫后，歐洲李葉片的凈光合速率（Pn）隨脅迫時間的延長而呈現(xiàn)顯著降低的變化趨勢。沙塵脅迫30 d 后其降幅減小，且重度（12 mg·cm-2）沙塵脅迫處理的變化趨勢比輕度（5 mg·cm-2）沙塵脅迫處理的變化趨勢明顯；沙塵脅迫40 d 時，輕度和重度脅迫處理的Pn值分別為5.533 和5.366 μmol·m-2s-1，比對照分別下降54.3% 和55.7%，兩種處理的Pn值相比對照都達到了顯著差異水平。這一結果說明，覆沙量越多、脅迫時間越長，歐洲李葉片的Pn值越低。

圖2 不同程度不同時間的沙塵脅迫處理對歐洲李葉片光合參數(shù)的影響Fig.2 Effects of different dust stress durations at different stress degrees on photosynthetic parameters in P.domestica leaves

蒸騰速率（Tr）隨沙塵脅迫時間的延長總體上也呈降低趨勢。沙塵脅迫10 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Tr值分別為2.8 與2.5 mmol·m-2s-1，比對照分別下降5% 和15%。沙塵脅迫20 d時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Tr值分別為2.70 與2.43 mmol·m-2s-1，比對照分別下降8.9%和17.9%。沙塵脅迫30 d 時，輕度脅迫處理的Tr值為2.20 mmol·m-2s-1，比對照降低25.8%；重度脅迫處理的Tr值為2.26 mmol·m-2s-1，比對照下降23.5%。沙塵脅迫40 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Tr值分別為1.866 與1.966 mmol·m-2s-1，比對照分別下降37.1%和33.7%。

在沙塵脅迫處理前期即脅迫10、20 d 時，葉片的氣孔導度（Gs）均高于對照。沙塵脅迫10 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Gs值分別為83.66 與81.66 mmol·m-2s-1，比 對 照 分 別 高25.5%和22.5%；沙塵脅迫20 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Gs值分別為70.66 與72.00 mmol·m-2s-1，比對照分別高6%和8%。沙塵脅迫處理后期，葉片的氣孔導度普遍受到抑制，其Gs值均低于對照。沙塵脅迫30 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Gs值與對照相比分別降低了4%和3%；沙塵脅迫40 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Gs值均為42 mmol·m-2s-1，比對照均下降了7%。氣孔是H2O 和CO2出入的門戶，是植物生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和水循環(huán)的交匯點[26]，是植物與外界環(huán)境進行氣體交換的重要渠道。沙塵脅迫處理后期Gs值降低的原因可能是，沙塵堵塞歐洲李葉片氣孔，從而影響了氣體交換。Gs值與含水量也有關系，當水分不足時，葉片中脫落酸的含量會增加，從而引起氣孔關閉，導度下降，且光合速率也降低，影響氣體交換。

長時間的沙塵脅迫后，歐洲李葉片胞間CO2濃度（Ci）的變化呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，并且達到顯著差異水平。沙塵脅迫10 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Ci值分別為165.3 與161.0 μmol·mol-1，比對照分別上升30.6%和29.5%。沙塵脅迫20 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Ci值分別為175.0與199.3 μmol·mol-1，比 對 照 分 別 上 升33% 和39%。沙塵脅迫30 d 時，輕度脅迫處理的Ci值為154.3 μmol·mol-1，比對照高27.9%；重度脅迫處理的Ci值為122.3 μmol·mol-1，比對照高20.0%。沙塵脅迫40 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的Ci值分別為108.6 和85.6 μmol·mol-1，比對照分別上升16.7%和11%。總之，長時間覆沙處理的Ci值均高于對照，并呈現(xiàn)出一個倒U 字形的變化曲線。這一結果說明，葉片Pn值的降低，沙塵脅迫前期是由葉片葉肉細胞光合能力的降低和葉綠素含量的減少等非氣孔因素造成的，沙塵脅迫后期主要受氣孔因素的制約。

2.3 沙塵脅迫對歐洲李葉片熒光參數(shù)的影響

不同程度不同時間的沙塵脅迫處理對歐洲李葉片熒光參數(shù)的影響情況如圖3所示。從圖3中可以看出，輕度和重度脅迫處理的初始熒光（F0）都顯著低于對照，但隨著脅迫時間的延長葉片F(xiàn)0值有所增加，其增幅隨著脅迫時間的延長而增大。沙塵脅迫10 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的F0值分別為223.8 與225.8，比對照分別低10.4%和9.6%；沙塵脅迫30 d 時，輕度和重度脅迫處理的F0值分別為239.7 與227.5；處理40 d 時，輕度和重度沙塵脅迫處理的F0值分別為254.4 與228.4，各處理與對照間的差異均達到顯著性水平。

圖3 不同程度不同時間的沙塵脅迫處理對歐洲李葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響Fig.3 Effects of different dust stress durations at different stress degrees on chlorophyll fluorescence parameters in P.domestica leaves

PSII 最大光化學效率（Fv/Fm），兩種沙塵脅迫處理的Fv/Fm之值均隨著脅迫時間的延長而逐漸降低，且脅迫時間越長，降幅越大（如圖3所示）。沙塵脅迫10 d 時，輕度和重度脅迫處理的Fv/Fm之值均為0.83，比對照均降低1.2%。沙塵脅迫20 d 時，輕度脅迫下歐洲李葉片的Fv/Fm之值為0.817，比對照降低2.8%；重度脅迫下歐洲李葉片的Fv/Fm之值為0.820，比對照降低2.38%。沙塵脅迫40 d 時，輕度和重度處理的Fv/Fm之值分別為0.803 與0.804，較對照分別降低4.4%和4.3%，兩種沙塵脅迫處理與對照間的差異在不同脅迫時長下均達到顯著性水平。

非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）能反映光系統(tǒng)對過剩光能的耗散能力。 除了經(jīng)過10 d 的重度沙塵脅迫處理外，其他各脅迫處理的NPQ 值均隨著脅迫時間的延長而增加。沙塵脅迫40 d 時，輕度和重度脅迫處理的NPQ 值分別為3.52 與3.66，較對照分別升高了0.47%和3.58%，重度脅迫處理的增幅大于輕度脅迫處理的，說明重度脅迫下歐洲李葉片具有較強的熱耗散能力。

光化學淬滅系數(shù)（qP）能大致反映光系統(tǒng)II的電子傳遞活性的強弱。兩種沙塵脅迫處理的qP值在沙塵脅迫10 d 時均高于對照的qP 值，但從沙塵脅迫20 d 開始，各處理的qP 值隨著處理時間的延長均逐漸降低，直至低于對照的qP 值；沙塵脅迫30 d 時，輕度和重度脅迫處理的qP 值分別為0.21 與0.23；沙塵脅迫40 d 時，輕度和重度脅迫處理的qP 值分別為0.19 與0.22，比對照分別降低20%和7.14%。輕度沙塵脅迫下qP 的減幅更顯著。

3 討 論

葉綠素是植物在光合作用過程中吸收光化學能的物質[22]。環(huán)境脅迫可以導致植物體內葉綠素酶活性的增強，進而加快葉綠素的降解。黃承建等人[23]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫可以導致苧麻的葉綠素含量顯著降低。本研究結果表明，沙塵脅迫導致了歐洲李葉片Chl、Chl-a、Chl-b 含量均降低，從而降低了歐洲李葉片對光強的利用率，這與孫璐[24]的研究結果一致。

干旱脅迫[25]、低溫脅迫[26]、水脅迫[27]、遮陰脅迫[28]等逆境條件都可導致植物葉片Pn值的降低。通常認為，導致植物葉片Pn值降低的因素有兩個：氣孔因素和非氣孔因素[29-31]。Reddy 等[32]認為，水分脅迫致使葉片氣孔關閉，這是光合作用強度降低的首要原因。Farquhar 和Sharkey[29]研究發(fā)現(xiàn)，如果在Pn值降低的同時Ci值不變或者升高，則說明Pn值降低是由葉片葉肉細胞的光合能力的降低而導致的；反之，如果在Pn值降低的同時Ci值也跟著降低，則說明凈光合速率下降是由氣孔因素引起的。本研究結果得出，沙塵脅迫后歐洲李葉片的Pn、Tr值隨處理時間的延長均降低，Gs和Ci值則隨處理時間的延長而均呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，說明歐洲李葉片在沙塵脅迫前期非氣孔因素是影響其光合作用的主導因素，脅迫后期主要受氣孔因素的影響。這與帕提古力·麥麥提[20]的研究結果一致。

葉綠素熒光技術被稱為研究植物光合功能的快捷、無損的探針，更能反映光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面的特點[33-34]。光合作用速率的降低會影響植物對光能的吸收、傳遞和轉化，主要表現(xiàn)為光化學活性的下降[35]。Krause GH研究發(fā)現(xiàn)，沙塵脅迫導致葉綠素光合機構的破壞，降低PSII 原初光能轉換效率，抑制PSII 潛在活性[36]。本研究結果表明，在沙塵脅迫下，歐洲李葉片的Fv/Fm之值降低，同時F0先降后升，說明歐洲李葉片發(fā)生了光抑制現(xiàn)象且PSII 受到破壞[37]。沙塵脅迫下，歐洲李葉片的qP 值先升后降，而NPQ 值呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，說明沙塵脅迫改變了歐洲李葉片的PSII 的分配方式，通過提高熱耗散，消耗過剩光能來適應沙塵脅迫環(huán)境，這與黃清榮等[38]，劉全勇等[39]的研究結果一致。

4 結 論

輕度和重度沙塵脅迫下，歐洲李葉片的Chl、Chl-a、Chl-b 含量均減少，且處理時間越長其含量的減幅均越大。

沙塵脅迫后歐洲李葉片的Pn和Tr值均隨處理時間的延長而降低，而其Gs和Ci值卻隨處理時間的延長均呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，說明沙塵脅迫前期非氣孔因素是歐洲李光合作用的主要限制因素，沙塵脅迫后期氣孔因素為其主要限制因素。

沙塵脅迫導致Fv/Fm之值呈下降趨勢，說明沙塵脅迫使歐洲李產(chǎn)生了光抑制現(xiàn)象，但在沙塵脅迫后期，能夠通過提高NPQ 來增加熱耗散，消耗過剩光能，從而保護光合機制。