梁麗壯 李曉燕 胡雪
(北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計院有限公司 北京海淀100083)
干旱半干旱區(qū)約占地球陸地面積的40%,同時提供了40%的陸地凈初級生產(chǎn)力[1-2]。在全球氣候不斷惡化的背景下[3],諸如水分虧缺、極端溫度、高太陽輻射等極端天氣在該區(qū)出現(xiàn)的頻率和程度持續(xù)增加[4-6]。在多種環(huán)境脅迫下,該地區(qū)荒漠植被經(jīng)常表現(xiàn)出明顯的受脅特征[7-9],并且脆弱的生態(tài)系統(tǒng)也面臨著急劇退化的風(fēng)險[10]。因此,研究自然條件下荒漠植物對環(huán)境脅迫的適應(yīng)規(guī)律和調(diào)控機(jī)理至關(guān)重要[11],探尋各種途徑和方法去捕捉并衡量荒漠植物對環(huán)境脅迫的響應(yīng)也是必要的,進(jìn)而可精確地捕捉并預(yù)測荒漠植物對目前和未來可能的極端氣候變化的響應(yīng)[12]。
光合作用是植物細(xì)胞中最重要的吸能反應(yīng),不同強(qiáng)度和不同持續(xù)時間的多重脅迫會抑制整個光合過程[13],光系統(tǒng)II(PSII)光化學(xué)被認(rèn)為是光合作用中對脅迫最敏感的部分[14],光合過程中PSII 所吸收的光能會有約5%以葉綠素?zé)晒獾男问奖恢匦箩尫懦鰜韀15]。葉綠素?zé)晒馀c光合有緊密的聯(lián)系,因此葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)也被視為是研究植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針[16]。通過監(jiān)測植物葉片葉綠素?zé)晒獾淖兓?,我們可以快速、無損的測定光合過程中光能的吸收、傳遞、耗散、分配等,以此了解受PSII 脅迫程度大小以及光合器官是否被破壞等信息,如通過暗適應(yīng)后的葉片由光照引起的熒光變化來評估植物的光合生理狀態(tài)[17-18]。近年來,葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)監(jiān)測植被對環(huán)境因素的響應(yīng)已逐漸在環(huán)境脅迫對光合的影響方面得到應(yīng)用[19-20],有關(guān)該技術(shù)的研究也越來越受到人們的關(guān)注。脈沖振幅調(diào)制熒光測量,是指通過飽和脈沖使葉綠素?zé)晒饪焖俚靥幱谀承┨囟顟B(tài),并瞬時進(jìn)行測量的技術(shù)[21],其已成為研究植物光合作用最有力工具之一,并逐漸地應(yīng)用于野外現(xiàn)場原位監(jiān)測[8,22-23]。實際光化學(xué)效率(ФPSII)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)都是通過脈沖振幅調(diào)制熒光測量計算得到的參數(shù)[21],ФPSII反映了光合作用中PSII的電子捕獲能力,F(xiàn)v/Fm表示植物的潛在最大光合能力,兩者都是反映植物光合性能和健康狀況的重要參數(shù)[16-17]。計算Fv/Fm需要最小熒光(Fo)和最大熒光(Fm),通過暗適應(yīng)后PSII 反應(yīng)中心完全開放測得Fo,后作用于飽和脈沖光下,此時所有電子通道關(guān)閉,光合作用被暫時抑制,葉綠素?zé)晒庵颠_(dá)到最大,測得Fm[18]。然而,這種對黑暗的苛刻要求是在白天實地測量很難實現(xiàn)的,有關(guān)研究提出ФPSII對光合有效輻射(PAR)(ФPSII-PAR)的日變化關(guān)系可以很好地捕捉植物對環(huán)境變化的響應(yīng),ФPSII-PAR回歸斜率和截距(ФPSII在PAR= 0 時的擬合值)可以作為評估植物的光合生理狀態(tài)的有效指標(biāo)[24]。在這種基于日變化的關(guān)系中,ФPSII-PAR回歸斜率反映了光合吸收光能的變化,過剩光能以熱的形式消散[15],斜率絕對值的增大表明植物對光能的耗散能力增加,因此,斜率可以用來反映植物PSII 在脅迫條件下的熱耗散敏感性。另外,ФPSII-PAR回歸截距可以很好的代替Fv/Fm(作為當(dāng)天Fv/Fm的估值)[25-26]。由于ФPSII-PAR日變化關(guān)系所包含的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單次測量的熒光參數(shù),所以其數(shù)值方面波動也更敏感,反映結(jié)果也更趨近于真實[24]。目前關(guān)于ФPSII-PAR日變化關(guān)系的研究較少,并且這種日變化關(guān)系能否有效地揭示干旱地區(qū)環(huán)境脅迫對荒漠植物光合的影響我們并不明確,因此還需要進(jìn)一步探究了解。
以荒漠灌木沙柳為對象,采用葉綠素?zé)晒庠贿B續(xù)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了整個生長季的觀測,并同步觀測了環(huán)境因子,分析比較了ФPSII、Fv/Fm和ФPSII-PAR日變化關(guān)系的動態(tài)及其和環(huán)境因子的關(guān)系,驗證了ФPSII-PAR日變化關(guān)系的回歸斜率和截距可作為反映荒漠植物PSII 對環(huán)境波動響應(yīng)的適合指標(biāo),進(jìn)而為區(qū)域尺度研究和荒漠生態(tài)系統(tǒng)過程建模提供重要的光合生理生態(tài)參數(shù),為環(huán)境脅迫如何影響荒漠灌木PSII 并對其造成損傷提供理論依據(jù)。
研究選在寧夏鹽池荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站點(37°53′83″N,107°25′46″E,海拔1550 m)進(jìn)行,鹽池縣地處寧夏東部,北接毛烏素沙地,東臨黃土高原,是半干旱區(qū)向干旱區(qū)過渡的典型生態(tài)交錯帶。該區(qū)抗干擾能力差,易受外界條件影響,是沙漠化敏感地帶,屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫8.1℃,年內(nèi)降雨不均,蒸發(fā)強(qiáng)烈,以風(fēng)沙土為主,植被主要包括沙柳、楊柴(Hedysarum mongolicum)、油蒿(Artemisia ordosica)和花棒(Hedysarum scoparium)等荒漠灌木。
于2013 年5-10 月使用多通道連續(xù)葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測儀(MONI-PAM,Walz,Germany)對試驗站樣地內(nèi)多年生天然沙柳群落進(jìn)行自然狀態(tài)下的長期原位連續(xù)監(jiān)測。在長勢良好的植株上選擇粗細(xì)適中枝條的健康成熟葉片,用固定熒光探頭(MONI-head)葉夾夾取2 至3 片固定,調(diào)整探頭位置使葉片保持充分受光,定期檢查并適時更換。監(jiān)測參數(shù)包括實時熒光值(Ft)和光下最大熒光值(Fm′),測定間隔為30min。
環(huán)境因子PAR由熒光監(jiān)測儀實時同步測量,空氣溫度(Ta)和相對濕度(RH)由距熒光監(jiān)測儀200 m、高度為6 m 通量塔裝配有的溫濕度傳感器(HMP155A, Vaisala, Vantaa,Finland)測量,飽和水汽壓差(VPD)由Ta和RH計算求得(VPD= 0.611e17.27Ta/(Ta+237.3)(1-RH/100))。土壤含水量(SWC)通過在熒光監(jiān)測儀旁深度為30 cm 的ECH2O-5TE 土壤溫濕度傳感器測定(Decagon Devices, Pullman,WA,USA)。降雨量(PPT)由距熒光監(jiān)測儀400m 處空地內(nèi)高1.8 m 的TE525W 翻斗式雨量筒(Campbell Scientific Inc.,Logan,UT,USA)測定,環(huán)境因子觀測間隔為30min。
使用數(shù)據(jù)采集器的WinControl-3 軟件對原始熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理,獲得熒光參數(shù)的時間序列。用極限檢查篩選法,將低于100 的Ft和Fm′的異常值從數(shù)據(jù)集中刪除。ΦPSII通過公式計算求得(ΦPSII=(Fm′-Ft)/Fm′),將夜晚Ft和Fm′分別看作Fo和Fm,計算最大光化學(xué)效率(Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm)。將整個生長季白天ΦPSII和PAR數(shù)據(jù)按PAR間隔100μmol·m-2·s-1分段平均,將每天白天的ΦPSII和PAR用直線擬合求得當(dāng)天ΦPSII-PAR日變化回歸斜率和截距,用直線擬合ФPSII與PAR和回歸截距與Fv/Fm。通過皮爾遜相關(guān)性分析檢驗環(huán)境因子對Fv/Fm和ФPSII-PAR日變化回歸斜率和截距的影響,同時運(yùn)用直線、指數(shù)或多項式擬合分析了上述參數(shù)對環(huán)境波動的響應(yīng)。
圖1 實際光化學(xué)效率對光合有效輻射(ФPSII-PAR)的響應(yīng)
由于夜晚沒有光照,因此只對白天的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,觀測期白天ΦPSII與實時PAR關(guān)系呈極顯著線性負(fù)相關(guān),ΦPSII隨PAR增加而降低,ΦPSII-PAR直線擬合的方程為:Y=0.722-2.48×10-4X(p<0.01,R2=0.87)(圖1a)。觀測期ΦPSII-PAR日變化回歸截距與Fv/Fm呈顯著正相關(guān),截距隨Fv/Fm增加而增加,線性擬合的方程為:y=-0.08+0.92x(p<0.01,R2=0.51)(圖1b)。
觀測期內(nèi),PAR天平均值最高為708.5μ mol·m-2·s-1(DOY162),最低72.4μmol·m-2·s-1(DOY170);PAR天最大值(PARmax)最高1262 μmol·m-2·s-1(DOY173),最低345μmol·m-2·s-1(DOY171),PAR和PARmax在生長季內(nèi)呈逐漸下降趨勢(圖2a)。Ta最高為32.1°C(DOY217),最低為0.6°C(DOY268),一天內(nèi)最大溫差17.9°C(DOY183),Ta在春季(DOY106-152)和秋季(DOY245-287)波動較大,在夏季(DOY153-244)較穩(wěn)定,呈緩慢增加后降低趨勢(圖2b)。VPD最高為3.67 kPa(DOY179),一天內(nèi)最大差值為3.41kPa(DOY217)(圖2c)。觀測期SWC平均為0.083 m-3·m-3,最高為0.166m-3·m-3(DOY191),最低為0.062 m-3·m-3(DOY169),降雨量總計242mm,SWC只在降雨量超過20mm 的兩次降雨(DOY184,DOY190)后有相對明顯的增加,存在時間滯后(圖2d)。
圖2 環(huán)境因子的動態(tài)變化
觀測期ΦPSII日均值平均為0.62,最大日均值為0.78(DOY265),最小為0.41(DOY147),ΦPSII在整個生長季波動較大(圖3a)。Fv/Fm平均值為0.79,最高為0.84(DOY259),最低為0.63(DOY282),F(xiàn)v/Fm變化趨勢與ΦPSII日均值相似,在生長季前期和末期各有一次較為明顯的下降(圖3b)。ФPSII-PAR日變化回歸斜率均值(絕對值)為2.04×10-4,最高為4.37×10-4(DOY263),最低為0.91×10-4(DOY227),在生長季末期波動明顯增加(圖3c)。ФPSII-PAR日變化回歸截距均值為0.66,最高為0.87(DOY192),最低為0.49(DOY282),變化趨勢與Fv/Fm相似(圖3d)。
圖3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)和ФPSII-PAR 日變化關(guān)系的動態(tài)
為探究沙柳PSII 對環(huán)境因子波動的響應(yīng),用皮爾遜相關(guān)性分析法檢驗了環(huán)境因子PARmax、Ta、VPD和SWC與Fv/Fm、ФPSII-PAR日變化斜率和截距的關(guān)系,同時進(jìn)行了指數(shù)或線性擬合(比較R2選取最優(yōu)模型)。其中,參數(shù)Fv/Fm只與PARmax和Ta顯著相關(guān)(p<0.05),且無具有統(tǒng)計學(xué)意義的擬合模型適用。ФPSII-PAR日變化斜率和截距均與所有環(huán)境因子呈極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)(表1)。ФPSII-PAR日變化斜率擬合方程為:Y=6.31-3.9×10-1Ta+7.72×10-3Ta2(p<0.01,R2=0.48),Y=2.49-2.8×10-1VPD+1.6×10-1VPD2(p<0.01,R2=0.38)。ФPSII-PAR日變化截距擬合方程為:Y=0.79-8.85×10-5PARmax(p<0.01,R2=0.31),Y=0.65×VPD-0.07(8p<0.01,R2=0.29),Y=0.59+1.18×SWC(p<0.01,R2=0.37)(圖4)。
表1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性
光被植物葉片吸收后并不能全部用于光化學(xué)反應(yīng),一部分會以熱能和葉綠素?zé)晒獾男问胶纳⒌?,保護(hù)光合器官免受灼傷[27],因此通過葉綠素?zé)晒饪梢苑从彻夂献饔玫幕钚院托袨?。葉綠素?zé)晒鈪?shù)ФPSII表示了光化學(xué)反應(yīng)的實際轉(zhuǎn)化效率,能夠確定環(huán)境變化條件下PSII反應(yīng)中心的作用效率[16],研究地沙柳ФPSII波動于整個時期,在生長季初期和末期處于相對較低水平,同時在SWC低(SWC<0.08 m-3·m-3)時期也有不同程度的下降(圖2d;圖3a)。這與沙柳物候期和生理特性基本相符,5 月末和10 月初沙柳處于展葉期和葉片枯萎期,此時葉片未完全展開或開始枯萎,葉綠素含量與活性較低[28],光能捕獲能力下降,影響了光合作用過程中電子傳輸速率和能量的供應(yīng)[29],最終導(dǎo)致了ФPSII的低值。另外,高等植物葉綠體內(nèi)除葉綠素外還有大量的類胡蘿卜素[30],如葉黃素。其可以直接充當(dāng)補(bǔ)光色素以保證光合作用的正常進(jìn)行,同時也在防御光合器官損傷中發(fā)揮重要作用[31]。ФPSII的降低,也可能是由于該物候時期葉黃素等類胡蘿卜素的缺少,影響了葉綠體類囊體膜上脫氧化和環(huán)氧化相互轉(zhuǎn)化的葉黃素循環(huán)等胡蘿卜素調(diào)控機(jī)制[23]。SWC低時,沙柳促使其氣孔關(guān)閉抑制蒸騰作用避免水分的過度流失[32-33],但氣孔導(dǎo)度的下降也限制了光合氣體交換過程,細(xì)胞間的二氧化碳濃度無法滿足光合機(jī)構(gòu)的大量需求,二氧化碳代謝無法與吸收的光能同步[33]。過剩光能同時也影響了Rubisco 酶的羧化活性,電子傳遞受阻最終導(dǎo)致光抑制現(xiàn)象產(chǎn)生[34],光合效率降低達(dá)到飽和,表現(xiàn)為ФPSII的降低。
Fv/Fm可作為植物是否受到環(huán)境脅迫的重要指標(biāo)[24],其大小基本不受物種和環(huán)境條件的影響,植物在非脅迫狀態(tài)下的Fv/Fm約為0.75-0.85[24],研究認(rèn)為Fv/Fm=0.44 可以作為PSII 是否受損的臨界值[17,34]。沙柳Fv/Fm在觀測期內(nèi)波動范圍在0.60-0.85 之間,遠(yuǎn)高于0.44。Fv/Fm在生長季初期和末期處于較低水平,伴隨連續(xù)陰天(DOY195)以及兩次氣溫驟降(DOY257,DOY267),F(xiàn)v/Fm也出現(xiàn)了短期低值的情況(圖2a,b;圖3b)。結(jié)果表明沙柳在展葉期和葉片枯萎期,由于葉片發(fā)育不成熟或葉片老化PSII容易受到脅迫[28,35-36],環(huán)境因子PARmax的增加和SWC的降低均對沙柳PSII 造成抑制并表現(xiàn)出不同程度的受脅迫程度,從Fv/Fm的波動來看,沙柳基本處于相對適宜狀態(tài)(Fv/Fm達(dá)到0.8 以上),可以認(rèn)為高輻射低溫等環(huán)境脅迫對沙柳PSII 造成的損傷具有可恢復(fù)性[24],沙柳能通過自身調(diào)節(jié)恢復(fù)到適宜狀態(tài)。
測定Fv/Fm需要黑暗環(huán)境以保證PSII 反應(yīng)中心的完全開放或關(guān)閉,這在野外實地監(jiān)測中存在很大難度[18,24]。目前有研究學(xué)者在清晨黎明前測定Fv/Fm[23],因為此時PAR較低,滿足測定的條件,但植物經(jīng)過了一晚上的恢復(fù),測定的Fv/Fm對植物實際脅迫的表達(dá)不可避免的存在不足之處[24]。將夜晚中連續(xù)測定的Ft和Fm′分別作為Fo和Fm,計算求得單次Fv/Fm,再將夜晚所有Fv/Fm平均后再作為當(dāng)日Fv/Fm,同樣存在表達(dá)不足的問題,因此導(dǎo)致Fv/Fm與環(huán)境因子的關(guān)系并不理想(表1;圖4)。Howarth等發(fā)現(xiàn)一種海草泰萊草(Thalassia testudinum)白天ФPSII與PAR的線性回歸截距與Fv/Fm對光照強(qiáng)度、鹽分脅迫的響應(yīng)一致[25],因此認(rèn)為白天ФPSII-PAR日變化回歸截距能夠作為植物是否受到脅迫的指標(biāo)。同時,沙柳ФPSII與PAR有很好的線性關(guān)系(R2=0.87)也證明了該研究方法可行(圖1a)。另外,ФPSII-PAR日變化回歸斜率表示植物耗散過剩光能的能力,反映了在脅迫下PSII 的光化學(xué)敏感性[24-26]。
從季節(jié)動態(tài)來看,沙柳ФPSII-PAR日變化回歸斜率在生長季前中期(DOY146-210)趨勢和Fv/Fm相似,同時處于較低水平,在生長季末期(DOY255-282)其趨勢和Fv/Fm大致相反,ФPSII-PAR日變化回歸斜率高值與Fv/Fm低值交替出現(xiàn)(圖3b,c),ФPSII-PAR日變化回歸截距比Fv/Fm偏低,但其波動趨勢與Fv/Fm相近(圖3b,d)。造成這種明顯的季節(jié)差異的原因可能是沙柳在生長季前中期葉片發(fā)育不完全,葉片無法利用較多光能[28,37],使得一天內(nèi)ФPSII都處于較低水平,因此斜率降低。由于新生葉片的抵抗能力較弱,PSII 易損傷且不能及時恢復(fù)[15,38],導(dǎo)致Fv/Fm也處于較低水平。而在生長季末期,成熟的沙柳葉片能夠在短期內(nèi)高效的利用光能,在高PAR或其他環(huán)境脅迫下通過提高熱耗散來消耗過剩光能[39],ФPSII在一天之中大幅度變化導(dǎo)致回歸斜率增加。同時,低ФPSII不利于葉片維持光能轉(zhuǎn)化及暗反應(yīng)的碳同化物的積累[24,38],伴隨著低溫、干旱和高輻射等環(huán)境脅迫的出現(xiàn)(圖2a,b,d),加重了光抑制導(dǎo)致PSII 反應(yīng)中心損傷[7,14,39-40],導(dǎo)致Fv/Fm低值出現(xiàn)。從線性回歸來看,截距與Fv/Fm之間存在線性關(guān)系(R2=0.87),ФPSII-PAR日變化回歸截距隨Fv/Fm的增加而增加,擬合截距接近0 且斜率接近1(圖1b)。從與環(huán)境因子的相關(guān)性來看,ФPSII-PAR日變化回歸斜率和截距均比Fv/Fm對環(huán)境因子有著更強(qiáng)的關(guān)系(表1)。從對環(huán)境波動的響應(yīng)來看,ФPSII-PAR日變化回歸斜率隨Ta和VPD的升高而降低??烧J(rèn)為沙柳可在Ta和VPD較低的有利條件下提高光合速率,在高溫和高VPD的不利條件下,通過調(diào)節(jié)氣孔減少蒸騰[32-33],防止水的過度喪失,但不可避免地抑制了光合速率。研究發(fā)現(xiàn)沙柳能夠通過調(diào)節(jié)體內(nèi)滲透產(chǎn)物、抗氧化酶等來緩解因缺水導(dǎo)致的PSII 受損來適應(yīng)干旱脅迫[8,24],這一結(jié)果也是沙柳PSII 對水分虧缺長期適應(yīng)的體現(xiàn)。ФPSII-PAR日變化回歸截距隨PARmax和VPD的升高而降低,隨SWC升高而增加(圖4)。由此可知,PAR、VPD和SWC是影響沙柳PSII 光合生理狀態(tài)的主要因素[39-41],在高輻射、高VPD和干旱等不利環(huán)境條件下,沙柳通過由質(zhì)子動勢推動的類囊體酸化過程的誘導(dǎo)等一系列熱耗散調(diào)節(jié)機(jī)制耗散過剩的光能[18,34,39],保護(hù)自身PSII 反應(yīng)中心免受損傷。然而隨著時間和耗散能量不斷增加,一些產(chǎn)物如活性氧的積累破壞了光保護(hù)蛋白[27,30],造成PSII 反應(yīng)中心受損和失活。水作為光合作用的底物和場所,在干旱條件下沙柳對水分的獲取遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到需求,水分虧缺抑制了光合水裂解釋放電子數(shù)量[15,40-41],嚴(yán)重影響了光合磷酸化以及暗反應(yīng)相關(guān)酶的活性[34,41],因而進(jìn)一步導(dǎo)致PSII 光抑制甚至光損傷現(xiàn)象的加劇。通過季節(jié)動態(tài)、環(huán)境因子的相關(guān)性以及線性關(guān)系的多方面討論,可見沙柳ФPSII-PAR日變化回歸截距也能夠很好的代替Fv/Fm,ФPSII-PAR日變化回歸斜率和截距可作為反映PSII光合生理狀態(tài)的適合指標(biāo)。
荒漠灌木沙柳PSII 在日尺度和季節(jié)尺度上均受環(huán)境波動影響,但基本能通過自身調(diào)節(jié)恢復(fù)到相對適宜狀態(tài)(Fv/Fm約0.8,ФPSII-PAR日變化回歸截距約0.7)。在日尺度上,沙柳ФPSII隨PAR的升高而降低,過剩光能以熱的形式耗散。在季節(jié)尺度上,受物候期影響,沙柳PSII 光合生理狀態(tài)在其展葉期和葉片枯萎期均處于相對較低生理水平(Fv/Fm<0.75,回歸截距<0.65)。高輻射、高VPD和干旱是限制沙柳PSII 光合生理狀態(tài)的主要環(huán)境脅迫。ФPSII-PAR日變化回歸斜率和截距是反映PSII 光合生理狀態(tài)的適合指標(biāo),回歸截距能夠很好的代替Fv/Fm,在一定程度上解決了野外實地長期監(jiān)測過程中測定Fv/Fm的困難,為探究干旱半干旱區(qū)荒漠植物對環(huán)境變化響應(yīng)提供了重要手段。