土壤逐漸干旱及復(fù)水對(duì)黑果腺肋花楸光合特性的影響

胡 艷，艾力江·麥麥提，安尼瓦爾·艾木都，古麗買然木·吐尼亞孜，阿不都外力·吐?tīng)柡?，買爾開那·賽買提江

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

【研究意義】干旱脅迫是限制植物光合作用、產(chǎn)量和影響植物分布的重要非生物因子［1］。干旱脅迫過(guò)程中，植物的生長(zhǎng)和發(fā)育會(huì)受到抑制，植物能通過(guò)調(diào)節(jié)自身的生命活動(dòng)來(lái)適應(yīng)環(huán)境的改變［2］。沈媛媛［3］認(rèn)為在不同程度的干旱脅迫下，植物葉綠素含量降低、光合速率下降以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化也不同程度地發(fā)生。通過(guò)檢測(cè)和分析植物的光合生理指標(biāo)，了解植物對(duì)干旱脅迫環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制，能夠充分了解干旱脅迫對(duì)植物光合作用的影響程度以及作用機(jī)理［4］?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】黑果腺肋花楸（Aronia melanocarpa）是薔薇科腺肋花楸屬多年生落葉灌木，別名野櫻莓、不老莓，世界通用名Aronia（阿龍尼亞），樹高1.5～2.5 m，叢狀樹形［5-6］；原產(chǎn)地在美國(guó)東北部，在波羅的海沿岸至太平洋沿岸均有分布，在歐洲國(guó)家已有100多年的引種栽培歷史［7-8］。黑果腺肋花楸果實(shí)中的花青素、黃酮、多糖和多酚是目前為止已知植物中含量最高的，超過(guò)長(zhǎng)白山漿果類植物藍(lán)靛果和藍(lán)莓等的含量。黑果腺肋花楸是集食用、藥用和園林觀賞于一身的經(jīng)濟(jì)林與生態(tài)林樹種，被稱為自然界的“抗癌劑”［9］。我國(guó)于1990年從朝鮮引進(jìn)黑果腺肋花楸［10］，2013年引進(jìn)新疆烏魯木齊等地開始栽植試驗(yàn)［11］。2018年9月12日，國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)認(rèn)為黑果腺肋花楸可以作為新食品原料［12］，這必將推動(dòng)黑果腺肋花楸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)黑果腺肋花楸的繁殖技術(shù)、栽培技術(shù)、生物活性成分以及相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)上的研究報(bào)道較多，而有關(guān)黑果腺肋花楸生理特性方面的研究較少。研究表明，黑果腺肋花楸的適應(yīng)能力較強(qiáng)，具有很強(qiáng)的抗旱和抗寒能力［13-14］。黑果腺肋花楸的根系為淺根性，水平根較發(fā)達(dá)，主根主要分布在30～40 cm的土壤中，當(dāng)這個(gè)范圍內(nèi)的土壤水分不足時(shí)，黑果腺肋花楸的根系就很難從較深土壤中充分利用其水分，很容易使黑果腺肋花楸的水分利用不平衡，導(dǎo)致土壤干旱，影響生長(zhǎng)發(fā)育。然而目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于黑果腺肋花楸的抗逆性研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本試驗(yàn)以2年生黑果腺肋花楸為材料，研究其光合特性對(duì)干旱脅迫及復(fù)水的響應(yīng)，為黑果腺肋花楸集約化大規(guī)模種植提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為2年生黑果腺肋花楸苗，由新疆維吾爾自治區(qū)五一農(nóng)場(chǎng)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院大棚網(wǎng)室進(jìn)行。2018年5月，選取生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的2年生黑果腺肋花楸苗木為材料進(jìn)行盆栽培育（花盆內(nèi)徑38 cm、深45 cm），栽培基質(zhì)為園土∶沙子＝2∶1的混合基質(zhì)，每盆1株。處理前進(jìn)行常規(guī)管理，保證其生長(zhǎng)良好，至8月份進(jìn)行土壤逐漸干旱處理和光合參數(shù)觀測(cè)。選取生長(zhǎng)健壯的盆栽苗20株，分別作為對(duì)照組和處理組，進(jìn)行土壤逐漸干旱脅迫和旱后復(fù)水處理。2018年8月4日開始進(jìn)行處理，干旱脅迫處理前1 d澆透水使土壤水分飽和（以花盆底部有水流出為準(zhǔn)，下同），之后不再澆水使其自然干旱下形成土壤逐漸干旱脅迫梯度，每隔3 d測(cè)定1次花盆總質(zhì)量，在干旱脅迫15、30 d時(shí)，每隔10 cm為一層采集土壤樣品，測(cè)定土壤含水量。對(duì)照組每隔2 d 19：00采用稱重法進(jìn)行補(bǔ)水，旱后復(fù)水處理組在干旱脅迫30 d時(shí)澆透水。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中每隔3 d對(duì)光合作用參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。在干旱脅迫15、30 d和復(fù)水后5 d采集中上部葉片，沖洗干凈，測(cè)定光合色素含量，每個(gè)處理5株。逐漸干旱試驗(yàn)過(guò)程（8月4日至9月3日）中，共下2次大雨和2次微雨，為減少降雨對(duì)土壤水分消耗的干擾，雨天時(shí)于頂部覆蓋塑料薄膜簡(jiǎn)易遮雨棚。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤含水量測(cè)定 參照王燕凌等［16］的土壤烘干稱重法。

1.3.2 葉片相對(duì)含水量測(cè)定 參照王燕凌等［16］的飽合稱重法。

1.3.3 光合色素含量測(cè)定 參照王文杰等［17］的二甲基亞砜法。

1.3.4 葉片氣體交換參數(shù)測(cè)定 從2018年8月4日開始，選擇典型的晴朗天氣，于每天9：00－11：00利用Licor-6400型的便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)，全面測(cè)定黑果腺肋花楸葉片的氣體交換參數(shù)。

每個(gè)處理選擇3株幼苗，每株測(cè)兩個(gè)葉片重復(fù)測(cè)2次，選擇中上部生長(zhǎng)良好的葉片，測(cè)定黑果腺肋花楸的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）以及蒸騰速率（Tr）。測(cè)定時(shí)采用開放式氣路，CO2濃度約為390 mol/L，采用光合儀內(nèi)置模擬光照強(qiáng)度，光合有效輻射（PAR）為1 300 μmol/m2·s。計(jì)算水分利用效率（WUE），WUE＝Pn/Tr，式中Pn為凈光合速率，Tr為蒸騰速率。

光合CO2（Pn-Ci）響應(yīng)曲線的測(cè)定參照艾力江·麥麥提等［15］的方法并加以改善：光強(qiáng)采用設(shè)定光合有效輻射強(qiáng)度（PAR）為1 300 μmol/m2·s作為測(cè)定時(shí)的光強(qiáng)，用Li-6400-01的液態(tài)CO2小鋼瓶為氣源，通過(guò)CO2注入系統(tǒng)控制葉室中CO2濃度分別為50、100、150、200、300、400、600、800、1 000、1 200 μmol/mol的條件下測(cè)定黑果腺肋花楸葉片法人光合速率（Pn）。測(cè)定Pn前首先使用1 300 μmol/m2·s光源誘導(dǎo)10 min左右。當(dāng)空氣環(huán)境中的CO2濃度達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，可以再次測(cè)定Pn。在這樣的條件下，當(dāng)測(cè)量過(guò)程中的變異率小于0.05時(shí)，便可以通過(guò)紅外氣體分析儀進(jìn)行全面記錄。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Execl 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。利用SPSS 18.0軟件采用Dancan新復(fù)極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理花盆土壤質(zhì)量和含水量的變化

2.1.1 土壤質(zhì)量 由圖1可知，隨著停灌時(shí)間的延長(zhǎng)，干旱處理的花盆質(zhì)量不斷降低，下降幅度逐漸減小。干旱處理3 d時(shí)，干旱處理花盆質(zhì)量下降7.31%，干旱處理30 d時(shí)干旱處理花盆質(zhì)量下降28.95%。

圖1 干旱處理土壤不同時(shí)間花盆質(zhì)量的變化Fig. 1 Changes of flower pot weight of different time during drought stress

2.1.2 土壤含水量 由圖2可知，隨著停灌時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤含水量不斷降低。停灌后，表層和深層的土壤含水量變化趨勢(shì)一致，但深層土壤含水量比表層土壤含水量高。停灌30 d時(shí)，表層和深層的土壤含水量分別下降20.06%、17.41%。

圖2 干旱處理土壤不同層次土壤含水量的變化Fig. 2 Changes of soil water content of different soil layers during drought stress

2.2 土壤逐漸干旱及復(fù)水過(guò)程中黑果腺肋花楸葉片相對(duì)含水量的變化

植物體內(nèi)水分虧缼的程度可以通過(guò)植物葉片相對(duì)含水量反映出來(lái)。由圖3可知，隨著土壤干旱脅迫的逐漸加劇，黑果腺肋花楸葉片相對(duì)含水量逐漸降低。干旱處理15 d時(shí)，黑果腺肋花楸葉片相對(duì)含水量下降6.81%；干旱處理30 d時(shí)，黑果腺肋花楸葉片相對(duì)含水量下降10.85%，與對(duì)照相比呈現(xiàn)顯著差異。復(fù)水后，黑果腺肋花楸葉片相對(duì)含水量迅速升高，比干旱處理30 d時(shí)增加5.17%，但尚未恢復(fù)至干旱處理前的水平。

圖3 干旱脅迫及復(fù)水過(guò)程中黑果腺肋花楸葉片相對(duì)含水量的變化Fig. 3 Changes of leaf relative water content of A. melanocarpa during drought stress and rehydration

2.3 土壤逐漸干旱及復(fù)水過(guò)程中黑果腺肋花楸葉片光合色素含量的變化

土壤逐漸干旱及復(fù)水過(guò)程中黑果腺肋花楸葉片光合色素的變化如圖4所示，隨著土壤干旱脅迫的逐漸加劇，黑果腺肋花楸葉片總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b含量均逐漸減少，葉綠素a/b值逐漸增加，干旱脅迫30 d時(shí)，均與對(duì)照差異顯著，類胡蘿卜素含量的變化不明顯。復(fù)水后，總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b含量均迅速增加，葉綠素a/b值減小。

圖4 干旱脅迫及復(fù)水過(guò)程中黑果腺肋花楸光合色素含量的變化Fig. 4 Changes of photosynthetic pigment content of A. melanocarpa during drought stress and rehydration

2.4 土壤逐漸干旱及復(fù)水過(guò)程中黑果腺肋花楸葉片光合參數(shù)的變化

土壤逐漸干旱及復(fù)水過(guò)程中黑果腺肋花楸葉片光合參數(shù)的變化如圖5所示。隨著干旱脅迫的逐漸加劇，Pn、Gs、Ci、Tr均逐漸降低，WUE呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象。干旱處理30 d時(shí)，Pn、Gs、Ci、Tr均降到最低值，顯著低于干旱處理前的水平，分別比干旱脅迫處理前下降85.4%、79.86%、31.98%、91.55%，說(shuō)明黑果腺肋花楸的光合作用因水分脅迫而受到抑制。WUE在8月24日達(dá)到最大值、為6.74 mmol/mol，比干旱脅迫處理前上升56.49%，8月27日開始逐漸降低。復(fù)水后，Gs、Ci、Tr均未恢復(fù)到干旱處理3 d時(shí)的水平，分別比干旱處理3 d時(shí)降低27.99%、14.15%、16.58%，Pn比干旱處理3 d時(shí)升高0.54%，但未恢復(fù)到對(duì)照水平，WUE超出干旱處理3 d時(shí)的水平甚至超過(guò)對(duì)照水平，比干旱處理3 d和對(duì)照分別升高15.44%、7.6%。從Pn、Gs、Ci、Tr的變化可以看出，在黑果腺肋花楸干旱脅迫處理期間，4個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)基本一致。Gs、Ci隨著Pn的變化而變化，這可能因?yàn)楦珊得{迫致使光合作用受到阻礙，葉片氣孔關(guān)閉致使CO2供應(yīng)不足，導(dǎo)致Ci值降低。4個(gè)指標(biāo)均在干旱脅迫嚴(yán)重時(shí)降到最小值，由此可見(jiàn)，干旱脅迫嚴(yán)重時(shí)抑制黑果腺肋花楸的光合作用，但復(fù)水后能迅速恢復(fù)。

2.5 CO2濃度升高對(duì)干旱脅迫黑果腺肋花楸葉片光合參數(shù)的影響

圖5 干旱脅迫及復(fù)水過(guò)程中黑果腺肋花楸光合參數(shù)的變化Fig. 5 Changes of photosynthetic parameters of A. melanocarpa during drought stress and rehydration

2.5.1 Pn 由圖6A可知，隨著CO2濃度的增加，對(duì)照黑果腺肋花楸葉片的Pn逐漸增加，干旱處理植株的Pn先增加后降低，當(dāng)CO2濃度為50 μmol/mol時(shí)，干旱處理Pn比對(duì)照高出1.16 μmol/m2·s；當(dāng)CO2濃度增加到100 μmol/mol時(shí)，對(duì)照Pn比干旱處理高0.81 μmol/m2·s；當(dāng) CO2濃度為 600 μmol/mol時(shí)，干旱處理Pn達(dá)到最大值（為5.08 μmol/m2·s）；當(dāng) CO2濃度在 200～600 μmol/mol范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)照 Pn隨著CO2濃度增加而增加的幅度最大。

2.5.2 Gs 干旱處理和對(duì)照黑果腺肋花楸葉片的Gs隨著CO2濃度的升高，呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，但對(duì)照的Gs一直高于干旱處理（圖6B）。CO2濃度在 800～1 200 μmol/mol時(shí)，干旱處理的Gs隨CO2濃度增加而增加的幅度最大，并在CO2濃度為1 200 μmol/mol時(shí)達(dá)到最大值0.11 mol/m2·s，Gs較高有利于提高光合速率。

2.5.3 Ci 圖6C顯示，隨著CO2濃度的升高，干旱處理和對(duì)照黑果腺肋花楸葉片的Ci的濃度逐漸升高，CO2濃度為800～1 200 μmol/mol時(shí)，干旱處理組的Ci隨著CO2濃度增加而增加的幅度比對(duì)照大。當(dāng)CO2濃度為1 000、1 200 μmol/mol時(shí)，干旱處理的Ci都比對(duì)照高，分別高出102.52、249.08 μmol/mol，說(shuō)明提高CO2濃度可以促進(jìn)水分脅迫下黑果腺肋花楸胞間CO2濃度Ci值的升高。

2.5.4 Tr 隨著CO2濃度的增高，干旱處理黑果腺肋花楸葉片的Tr出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別是當(dāng)CO2濃度為100、1 200 μmol/mol時(shí)，Tr值分別為0.38、1.26 mmol/m2·s，對(duì)照的Tr值先減小后增加，且對(duì)照的Tr值一直高于干旱處理（圖6D），說(shuō)明水分脅迫下CO2濃度的增加不能提高黑果腺肋花楸葉片的Tr值，以致于不能對(duì)水分和礦物質(zhì)進(jìn)行很好的吸收，不能降低水分脅迫對(duì)黑果腺肋花楸的傷害。

2.6 干旱脅迫黑果腺肋花楸CO2響應(yīng)特征參數(shù)的模型模擬

圖6 CO2濃度對(duì)干旱脅迫下黑果腺肋花楸光合參數(shù)的變化Fig. 6 Variation of photosynthetic parameters of A. melanocarpa with different CO2 concentration during drought stress

對(duì)低CO2濃度下的Pn-Ci曲線作線性回歸，根據(jù)線性回歸方程可求出黑果腺肋花楸的羧化效率（CE）和CO2補(bǔ)償點(diǎn)等光合生理參數(shù)。結(jié)果表明，干旱處理和對(duì)照的CO2補(bǔ)償點(diǎn)分別為138.8、77.4 μmol/mol，干旱處理的CO2補(bǔ)償點(diǎn)升高，說(shuō)明干旱處理的呼吸速率增加，而Pn降低。干旱處理和對(duì)照CE分別為0.01 mol/m2·s和0.029 mol/m2·s，說(shuō)明黑果腺肋花楸受到干旱脅迫，使得CE降低，上述結(jié)果表明土壤水分過(guò)低對(duì)黑果腺肋花楸葉片的CO2同化能力造成影響。

3 討論

干旱是抑制植物光合作用最主要的環(huán)境因子，因此，植物抗旱性的強(qiáng)弱可以根據(jù)其光合作用強(qiáng)弱來(lái)進(jìn)行評(píng)判［18］。水是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中重要的生態(tài)因子，是植物進(jìn)行光合作用的一種原料，當(dāng)出現(xiàn)土壤水分不足時(shí)，植物會(huì)通過(guò)關(guān)閉葉片氣孔，抑制植物從外界吸收CO2，進(jìn)而導(dǎo)致植物葉片蒸騰速率和光合速率都降低［19］。光合色素是綠色植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，光合色素含量及葉綠素a/b值對(duì)植物的光合速率有直接影響［20］。研究表明，干旱脅迫下植物光合速率的降低主要受氣孔限制因素和非氣孔限制因素的雙重作用影響［21-22］。本試驗(yàn)中，隨著干旱脅迫的逐漸加劇，凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導(dǎo)度（Gs）均逐漸降低。干旱處理15 d時(shí)，土壤含水量下降12.94%，黑果腺肋花楸的凈光合速率只比對(duì)照低30.07%，干旱持續(xù)30 d仍具有一定的生物活性、沒(méi)有死亡，表明黑果腺肋花楸的抗旱性較好。干旱處理30 d時(shí)，葉片相對(duì)含水量降低，且下降幅度與干旱程度呈正相關(guān)，但黑果腺肋花楸仍保持較高葉片相對(duì)含水量，表明能適應(yīng)一定的干旱脅迫。干旱復(fù)水后，黑果腺肋花楸的葉片相對(duì)含水量能恢復(fù)至對(duì)照水平，表明其自身具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。當(dāng)植物處于逆境環(huán)境時(shí)，光合色素含量能在一定程度上反映該植物的同化能力［23］，逆境對(duì)植物造成的傷害程度可以通過(guò)葉綠素a/b值來(lái)進(jìn)行判斷［24］。干旱脅迫處理30 d時(shí)，葉綠素a/b值最高，表明此時(shí)黑果腺肋花楸沒(méi)有受到極為嚴(yán)重的干旱傷害。干旱脅迫過(guò)程中，類胡蘿卜素的含量變化不明顯，說(shuō)明黑果腺肋花楸和蒲葦一樣，自身清除活性氧游離基的能力較強(qiáng)和能夠很好保護(hù)光合系統(tǒng)免受光動(dòng)力氧化作用的破壞［25］。干旱脅迫下，Gs降低的同時(shí)，Pn、Tr、Ci也降低，表明黑果腺肋花楸光合速率的降低是由氣孔限制因素造成的，這與在其他植物上的研究結(jié)果［3,21,23］相符合。復(fù)水后，Pn、Tr、WUE、Ci和Gs均迅速升高，其中Pn和Tr均恢復(fù)到干旱處理3 d前的水平，說(shuō)明干旱脅迫沒(méi)有對(duì)黑果腺肋花楸葉片造成很嚴(yán)重的損傷，當(dāng)土壤水分情況恢復(fù)正常后，干旱脅迫造成的損傷將得到修復(fù)，光合速率也得到很好的恢復(fù)。

目前，關(guān)于植物光合特性對(duì)CO2濃度和干旱脅迫雙重處理的響應(yīng)研究較多。有研究認(rèn)為干旱脅迫會(huì)抑制高CO2濃度對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的促進(jìn)作用，也有研究認(rèn)為干旱脅迫下高CO2濃度對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的促進(jìn)作用能發(fā)揮得更好［26］。本試驗(yàn)中，對(duì)照的Pn、Gs、Tr幾乎一直高于干旱處理，對(duì)照的Ci一直低于干旱處理，因此，黑果腺肋花楸受到干旱脅迫時(shí)光合速率的降低不是完全因?yàn)闅饪钻P(guān)閉所導(dǎo)致的，不能直接通過(guò)增加CO2濃度來(lái)恢復(fù)光合速率［21］。在一定的CO2濃度范圍內(nèi)，增加CO2濃度會(huì)促進(jìn)干旱脅迫中黑果腺肋花楸Pn的提高。在干旱脅迫中，黑果腺肋花楸的CO2補(bǔ)償點(diǎn)升高，羧化效率（CE）明顯減小，說(shuō)明在干旱脅迫過(guò)程中，黑果腺肋花楸對(duì)CO2的同化作用降低，對(duì)CO2的利用能力也減弱。

4 結(jié)論

土壤逐漸干旱過(guò)程中，黑果腺肋花楸各項(xiàng)光合生理指標(biāo)都有所降低，但干旱脅迫時(shí)間不同降低幅度也有所差別。干旱處理30 d時(shí)，黑果腺肋花楸凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）均降到最低值，均顯著低于干旱處理前的水平（P＜0.05），分別比干旱脅迫處理前下降85.4%、79.86%、31.98%和91.55%。在脅迫去除即干旱復(fù)水后，葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量有所增高；各項(xiàng)光合參數(shù)有所回升，Gs、Ci、Tr均未恢復(fù)到干旱處理3 d時(shí)的水平，但僅比干旱處理3 d時(shí)降低27.99%、14.15%、16.58%，Pn比干旱處理3 d時(shí)升高0.54%，反映出黑果腺肋花楸在復(fù)水后具有較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力。根據(jù)干旱脅迫和復(fù)水下葉片Gs和Ci的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，氣孔限制是影響黑果腺肋花楸光合特性的主要因素；土壤逐漸干旱脅迫下，黑果腺肋花楸促進(jìn)氣孔關(guān)閉，減輕葉片水分散失，仍維持較高的葉片相對(duì)含水量，這有利于提高抗旱能力。黑果腺肋花楸通過(guò)維持較高的Pn、較低的Tr來(lái)提高WUE，保持良好葉片水分狀況來(lái)抵御干旱脅迫的傷害，通過(guò)表現(xiàn)出較強(qiáng)的恢復(fù)能力適應(yīng)土壤干旱環(huán)境。