干旱-復(fù)水對旱柳生長與光合生理特性的影響

管健，古琳，劉俊祥*

(1.遼寧生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，沈陽 110101；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室，北京 100091)

全球氣候變化背景下，干旱發(fā)生的頻率和強度不斷加劇，給林木生長發(fā)育造成嚴重傷害。干旱脅迫導(dǎo)致凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度顯著降低[1]，光合機構(gòu)受損[2]，水分利用效率下降[3]，使木本植物的碳平衡和水力傳導(dǎo)失調(diào)，面臨著死亡的威脅[4]。干旱脅迫下的生理、生長表征和復(fù)水后的生理、生長補償共同決定了木本植物應(yīng)對干旱脅迫的生存策略[5]，復(fù)水后的補償效應(yīng)是檢驗旱害解除后木本植物恢復(fù)能力的標準[6]。研究干旱和旱后復(fù)水條件下木本植物動態(tài)的生長和光合生理響應(yīng)，可為揭示其對干旱脅迫的適應(yīng)機制奠定基礎(chǔ)。旱柳(Salixmatsudana)為楊柳科(Salicaceae)柳屬(Salix)植物，是我國北方地區(qū)重要的農(nóng)田防護、平原造林和園林綠化樹種，生態(tài)適應(yīng)性廣泛，生產(chǎn)應(yīng)用價值高。本文以旱柳為試驗材料，采用盆栽控水的方法研究了干旱-復(fù)水條件下旱柳的生長和光合生理響應(yīng)，擬明確旱柳應(yīng)對干旱脅迫的應(yīng)對策略，解析脅迫強度對復(fù)水后生長補償效應(yīng)的影響，揭示旱柳對干旱-復(fù)水的適應(yīng)性機制，以期為耐旱林木資源的篩選和培育提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)

2015年4月12日取旱柳1年生枝條作為插穗，在中國林業(yè)科學(xué)研究院科研溫室扦插培養(yǎng)，基質(zhì)為草炭土∶珍珠巖=3∶1，常規(guī)養(yǎng)護管理。取大田20 cm表層園土，過2 mm篩，自然風干。園土田間持水量為26.68%，pH值7.35，有效磷42.69 mg/kg，有效氮104.43 mg/kg，有效鉀107.59 mg/kg，有機質(zhì)26.87 mg/kg，土壤全磷0.08%，全氮0.10%，全鉀1.56%。2015年6月10日，選取株高 50 ± 5 cm的旱柳扦插苗，清水洗凈根部后轉(zhuǎn)移至裝有3 kg園土的花盆中，保持園土含水量為田間持水量的80%，花盆規(guī)格19 cm(上口)×17 cm(下口)×21 cm(高)。

1.2 實驗設(shè)計

2015年7月15日，選取株高106±9 cm的盆栽苗，進行水分控制。共設(shè)置4個處理：對照(CK，土壤相對含水量80%～85%)；輕度干旱(T1， 60%～65%)；中度干旱(T2， 40%～45%)；重度干旱(T3，30%～35%)。每處理6盆，3次重復(fù)?？厮陂g，對照保持設(shè)定的水分含量，其他處理自然干旱達到預(yù)設(shè)梯度后維持其含水量。2015年7月19日，T3處理達到預(yù)設(shè)梯度，以此為實驗0天。在干旱處理12天后，將T1、T2和T3復(fù)水至CK水平。干旱和復(fù)水期間每天稱重補水，保持各處理的土壤含水量為預(yù)設(shè)梯度。分別于實驗0天和干旱處理后12天、復(fù)水后12天測定枝徑、葉片數(shù)量；于干旱處理后12天和復(fù)水后12天測定葉片相對含水量和根系生物量；于干旱處理后4天、8天、12天和復(fù)水后4天、8天、12天測定葉片氣體交換參數(shù)、實際光化學(xué)效率。

1.3 實驗方法

1.3.1 枝徑相對增長量、葉片數(shù)相對變化量的測定。從每處理固定1株旱柳盆栽苗，記錄展開葉片數(shù)量；用游標卡尺測定盆土面上方10 cm處的枝條直徑；按照下面公式計算干旱期間和復(fù)水期間枝徑相對增長量、葉片數(shù)相對變化量。

干旱期間：

枝徑相對增長量=(S1-S0)/S0

葉片數(shù)相對變化量=(L1-L0)/L0

復(fù)水期間：

枝徑相對增長量=(S2-S1)/S1

葉片數(shù)相對變化量=(L2-L1)/L1

式中：S0-實驗0天的枝徑(mm)；S1-干旱處理12天后的枝徑(mm)；S2-復(fù)水后12天的枝徑(mm)。L0-實驗0天的葉片數(shù)；L1-干旱處理12天后的葉片數(shù)；L2-復(fù)水后12天的葉片數(shù)。

1.3.2 根系生物量和葉片相對含水量和的測定。從每處理隨機選2株旱柳盆栽苗，取植株根系，去離子水洗凈，105 ℃殺青20 min，80 ℃烘干至恒重，測定根系生物量；取3片完全展開葉片，參考高俊鳳(2006)的方法測定各處理的葉片相對含水量。

1.3.3 氣體交換參數(shù)和實際光化學(xué)效率的測定。從每處理隨機取2株，每株選2片完全展開葉片，用Li-6400光合儀(Licor，美國)在上午9:00至下午15:00期間測定葉片氣體交換參數(shù)，包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。紅藍光源光強1500 μmol/m2·s，相對濕度60%～70%，溫度25 ℃，CO2濃度400 μmol/m2·s。

從每處理隨機取2株，每株選2片完全展開葉片，用Imagine-PAM調(diào)制葉綠素熒光儀(Walz，德國)于上午9:00至下午15:00期間測定葉片實際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)，活化光光強1176 μmol/m2·s。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS19.0對所得數(shù)據(jù)進行方差分析和DUNCAN多重比較，在0.05水平上檢驗同一天數(shù)不同處理間的差異顯著性；采用Excel2007進行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制。由于干旱處理后4天， Li-6400的水分控制失效，導(dǎo)致胞間二氧化碳濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)的讀數(shù)異常，而凈光合速率(Pn)的計算與濕度無關(guān)，故干旱處理4天后的氣體交換參數(shù)只保留了凈光合速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱與旱后復(fù)水對旱柳生長的影響

由表1可知，干旱階段，中度和重度干旱處理的枝徑相對增長率、葉片數(shù)相對變化量均較對照顯著降低，特別是在重度干旱條件下，枝徑增長較對照下降68%，葉片脫落70%，地上部生長受到嚴重抑制。復(fù)水后，各處理的枝徑相對增長量均恢復(fù)至對照水平，重度干旱處理的葉片數(shù)呈爆發(fā)式增加。

表1 干旱-復(fù)水條件下旱柳枝徑生長和葉片數(shù)量的變化

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示在0.05水平上差異顯著。

圖1 干旱-復(fù)水條件下旱柳葉片相對含水量的變化

注：圖中相同時間不同處理間小寫字母不同表示在0.05水平上差異顯著，以下圖與此相同。

圖2 干旱-復(fù)水條件下旱柳根系生物量的變化

圖1的結(jié)果表明，干旱處理12天后，葉片相對含水量隨干旱程度的增加顯著降低，中度和重度干旱分別較對照顯著下降了4.56%和8.60%，復(fù)水12天后，二者均恢復(fù)至對照水平。根系生物量受重度干旱脅迫顯著抑制，處理12天后較對照顯著下降44.44%，復(fù)水12天后仍顯著低于對照49.86%(圖2)。

2.2 干旱與旱后復(fù)水對旱柳葉片氣體交換參數(shù)的影響

圖3 干旱-復(fù)水條件下旱柳葉片氣體交換參數(shù)的變化

由圖3可知，在干旱階段，旱柳葉片氣體交換參數(shù)隨干旱脅迫程度的加劇而顯著降低，處理12天后，中度干旱處理的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)分別較對照顯著下降43.78%、66.08%、74.60%、19.34%，重度干旱分別較對照顯著下降了78.45%、85.04%、90.08%和 16.13%。復(fù)水4天后，各干旱處理的凈光合速率即可恢復(fù)至對照水平，而對于其他3項參數(shù)，復(fù)水后的恢復(fù)受干旱脅迫強度的影響，強度越大，恢復(fù)越慢。

2.3 干旱與旱后復(fù)水對旱柳葉片實際光化學(xué)效率的影響

圖4的結(jié)果表明，在干旱復(fù)水的整個過程中，輕度和中度干旱條件下旱柳葉片的實際光化學(xué)效率在均與對照無顯著性差異。重度干旱處理后4、8、12天，葉片實際光化學(xué)效率分別較對照顯著下降了58.95%、39.04%和22.90%，復(fù)水后4天恢復(fù)至對照水平。

圖4 干旱-復(fù)水條件下旱柳葉片實際光化學(xué)效率的變化

3 結(jié)論與討論

3.1 干旱脅迫導(dǎo)致旱柳生長受抑、碳水失衡

干旱脅迫下，根系吸水困難，枝條水力傳導(dǎo)受阻，葉片水分供給不足[8]。在中度和重度干旱脅迫下，旱柳通過降低葉片的含水量、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率以縮減水分耗散，是一種對干旱脅迫的避性選擇，表現(xiàn)出等水植物的特點[9]。但葉片對CO2的吸收依賴于水分的交換[10]，水分耗散的減少將導(dǎo)致CO2供給受限，葉片凈光合速率降低[11]，同時干旱導(dǎo)致葉片脫落，總光合面積減少[12]，最終導(dǎo)致了中度干旱脅迫下旱柳的生長受抑。除上述傷害表征外，在重度干旱脅迫下，旱柳葉片的實際光化學(xué)效率被顯著抑制，使葉片的光合速率進一步降低，增加了碳饑餓的風險[13]。

3.2 旱后復(fù)水，旱柳生長的恢復(fù)受干旱脅迫強度的影響

干旱復(fù)水后，重度干旱處理的旱柳葉片數(shù)相對變化量顯著高出對照水平，表現(xiàn)出超補償效應(yīng)，這與劉曉英等[14]的研究結(jié)果一致。復(fù)水對葉芽的發(fā)生發(fā)育有補償作用，且這種補償作用與干旱脅迫梯度正相關(guān)，重度干旱復(fù)水后葉片的爆發(fā)式增加是一種彌補碳虧缺的有效措施。干旱復(fù)水后，根系的響應(yīng)與葉片不同。在中度干旱脅迫下，復(fù)水12天后根系生物量可恢復(fù)至對照水平，而重度干旱脅迫復(fù)水后根系生長未能得到恢復(fù)，郝樹榮等[15]的研究也得到了相似的結(jié)果。重度干旱導(dǎo)致葉片嚴重脫落，根系主要依賴儲存的碳庫進行維持呼吸，復(fù)水12天后新生葉片的同化能力有限，暫時不能滿足根系生長對同化物和同化力的需求。

3.3 旱后復(fù)水，光合速率的恢復(fù)不決定于氣孔限制的解除

中度干旱處理的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度在復(fù)水8天后恢復(fù)；重度干旱處理下，3項氣體交換參數(shù)在復(fù)水12天后才得到恢復(fù)；氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度的恢復(fù)速度受干旱脅迫強度的負調(diào)控。而復(fù)水4天后，中度、重度干旱處理的凈光合速率即可恢復(fù)至對照水平。因此，葉片光合速率的恢復(fù)并不決定于氣孔限制的解除，這可能依賴于葉綠體光合活性的迅速提高。在復(fù)水4天后，各干旱處理的PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率即可恢復(fù)至對照水平。此外，推測光合色素光能吸收傳遞效率的提高[16]、類囊體垛疊結(jié)構(gòu)的增加[17]及基質(zhì)中Rubisco等暗反應(yīng)酶活性的提升[18]等生理上的補償可能均參與到葉片光合速率的快速恢復(fù)，需要在本研究的基礎(chǔ)上進一步的驗證和探索。

綜上，碳饑餓是旱柳旱害的主要誘因。復(fù)水后，為增加碳的回補，旱柳表現(xiàn)出葉片爆發(fā)式增加、光化學(xué)效率和凈光合速率快速恢復(fù)等表征。在復(fù)水后短期內(nèi)，氣孔限制因子并未解除，葉片光合活性的提高對光合速率的恢復(fù)起到?jīng)Q定性作用。