3種荒漠植物光合及葉綠素?zé)晒鈱Ω珊得{迫的響應(yīng)及抗旱性評價

王方琳，柴成武，趙 鵬，唐衛(wèi)東，付貴全，孫 濤，胥寶一

(1 甘肅省治沙研究所，蘭州 730070；2 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點實驗室，甘肅武威 733000)

全球氣候與環(huán)境變化，加上降水季節(jié)、地域分布不均勻，土壤有效含水量逐年減少，干旱已成為全球范圍內(nèi)影響植物個體生長、發(fā)育和繁殖的主要環(huán)境因素之一[1]。光合作用是干旱影響植物生長和代謝的第一環(huán)節(jié)[2]?；哪畢^(qū)常年干旱使土壤水分嚴(yán)重虧缺，直接(光合原料減少) 或間接(氣孔關(guān)閉、酶失活等) 地導(dǎo)致荒漠植物光合作用效率下降，成為植物生長的最大限制因素[3]。在長期的自然選擇和協(xié)同進(jìn)化過程中，荒漠植物在葉片光合結(jié)構(gòu)方面形成了許多對水分虧缺的響應(yīng)機(jī)制和適應(yīng)策略。因此，在全球氣候變暖及干旱脅迫逐漸加劇的形勢下，開展荒漠植物抗旱模擬試驗，分析其葉片光合作用及葉綠素?zé)晒鈪?shù)對干旱脅迫的響應(yīng)特征，研究其抗旱機(jī)理，對生態(tài)環(huán)境建設(shè)及荒漠化防治過程中耐旱植物的選育具有重要意義。

梭梭(Haloxylonammodendron)、白刺(Nitrariatangutorum)、沙蒿(Artemisiadesertorum)是石羊河下游荒漠區(qū)主要固沙先鋒植物，由于長期生長在長年干旱缺水、夏季炎熱高溫的惡劣環(huán)境中，3種植物在外部形態(tài)結(jié)構(gòu)方面發(fā)生了一系列變化。梭梭葉片退化為同化枝進(jìn)行光合作用，以減小受光面積降低蒸騰[4]；白刺、沙蒿葉片形成濃密的表皮毛和較厚的角質(zhì)層，對強(qiáng)烈的太陽輻射具有反射作用，以減少葉片吸收的光能，使葉肉組織免受高溫灼傷；以上特征都是植物通過減少水分散失來抵御炎熱，從而應(yīng)對干旱環(huán)境的策略；同時這些植物在內(nèi)部光合生理功能方面也發(fā)生了變化，深入了解其光合作用對土壤水分變化的響應(yīng)具有重要意義[5-6]。

目前關(guān)于這3種植物光合生理方面的報道以對梭梭、白刺在不同逆境脅迫下光合作用及葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化的研究較多。蘇培璽等[7]測定了3種水分條件下梭梭的光合作用特征，并提出避免植物出現(xiàn)光抑制、提高光能利用率的有效方法；吉小敏等[8]采用小區(qū)梯度控水處理，比較4種灌水量對梭梭光合生理的影響；鞠強(qiáng)等[9]通過對干旱脅迫過程中梭梭光合日變化研究，提出其對干旱環(huán)境的適應(yīng)主要是通過氣孔的部分關(guān)閉實現(xiàn)的；趙長明等[10]通過對梭梭、白刺氣體交換特征和葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化研究，得出白刺對荒漠生境的適應(yīng)性比梭梭更強(qiáng)這一重要結(jié)論。以上研究對解釋干旱脅迫條件下梭梭、白刺光合生理變化奠定了良好的基礎(chǔ)，但這些研究多采用幾項指標(biāo)來反映基于少數(shù)幾個土壤干旱脅迫梯度下兩種植物的光合日變化特征，缺乏對土壤自然干旱過程中3種植物葉片光合色素、氣體交換參數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)響應(yīng)特征方面的綜合探究。而干旱環(huán)境抑制植物光合作用的機(jī)理比較復(fù)雜，涉及到諸多生理生化及生態(tài)因子。因此，必須在具體的試驗條件下同時進(jìn)行氣體交換及葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定，才可能對土壤干旱逆境下植物光合作用的抑制機(jī)理有更加深入系統(tǒng)、客觀準(zhǔn)確的認(rèn)識[11]。此外，關(guān)于3種植物在干旱脅迫下光合作用參數(shù)的變化過程、機(jī)制及其與土壤水分的定量關(guān)系等諸多生理學(xué)問題還不清楚。

本試驗參考吳芹等[12]的方法，采用盆栽控水試驗結(jié)合土壤自然干旱處理獲得多級脅迫梯度，研究梭梭、白刺和沙蒿3種荒漠植物光合色素、氣體交換參數(shù)及葉綠素?zé)晒夤忭憫?yīng)曲線對土壤自然干旱脅迫的響應(yīng)特征；探討3種植物光合作用對土壤干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制及其與土壤水分的定量關(guān)系。為指導(dǎo)石羊河下游干旱荒漠區(qū)的物種選育提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

參試材料為2年生的梭梭、白刺、沙蒿盆栽實生苗。于2020年5月初選擇大小一致的每種植物30株移栽至底徑15 cm、口徑21 cm、高33 cm的塑料花盆，每盆1株，栽培基質(zhì)為取自民勤治沙綜合試驗站的純沙土(模仿植物自然條件下的生長基質(zhì))，栽植后常規(guī)管理。沙土的全鉀、全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)和全鹽含量分別為2.18%、0.028%、0.009%、0.314%和1.003%，pH為7.881，其黏粒(0.01～2 μm)、粉粒(2～20 μm)、細(xì)砂粒(20～200 μm)、粗砂粒(200～2 000 μm)分別占1.639%、4.239%、45.849%和48.271%。

1.2 試驗設(shè)計

7月31日將花盆移入高2.5 m、上部采用透明聚乙烯材料遮蓋的簡易擋雨棚中，澆足一次透水后斷水進(jìn)行自然干旱脅迫試驗。選取長勢相近的每種植物5盆并掛牌標(biāo)記，每隔6 d取樣測定相關(guān)指標(biāo)1次，試驗共進(jìn)行30 d，期間每天使用EM50水分探頭每間隔1 h測量土壤含水率(測定結(jié)果為體積含水率)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 葉片水分和光合色素含量于上午8: 00～9: 00進(jìn)行葉片取樣，之后將材料立即帶回實驗室采用烘干法測定葉片相對含水量(RWC)及最大水分虧缺(RWD)。光合色素(葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素)含量采用分光光度法測定，剪取3種植物的當(dāng)年生向陽枝數(shù)個，蒸餾水清洗后用濾紙吸干表面水分，稱取0.4～0.5 g鮮葉，剪碎后立即浸入20 mL內(nèi)含丙酮、乙醇、水按45∶45∶10配成的混合液中，蓋緊瓶蓋并置于低溫避光處浸提至葉片無色[13]，每種植物設(shè)5次重復(fù)。

1.3.2 光合氣體交換參數(shù)取每種植物當(dāng)年生葉片，于上午9∶00～10∶00使用Li-6400光合儀(LI-COR，USA) 活體原位測定植物的光合氣體交換參數(shù)，并將每種植物凈光合速率(Pn)開始降為負(fù)值時的土壤含水率確定為該植物的最大水分閾值。采用Li-6400-02B 紅藍(lán)光源提供光合有效輻射強(qiáng)度(PAR，μmol·m-2·s-1)，開放式氣路，在PAR為1 200 μmol·m-2·s-1的光強(qiáng)下活體測定3種植物的葉片Pn(μmol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs，mmol·m-2·s-1) 和蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1)，期間設(shè)定葉溫為25 ℃，CO2濃度為380 μmol·mol-1，空氣流速為400 μmol·s-1，每種植物隨機(jī)選取5張葉片進(jìn)行測定。最后依據(jù)測定參數(shù)分別計算3種植物的瞬時水分利用效率(WUE)、氣孔限制值(Ls)。其中，WUE=Pn/Tr，Ls= 1-Ci/Ca，Ca為大氣CO2濃度(400 μmol·mol-1)[14]。

1.3.3 葉綠素?zé)晒夤忭憫?yīng)曲線葉綠素?zé)晒夤忭憫?yīng)曲線采用CF-imager葉綠素?zé)晒鈭D像分析儀(Chlorophyll Fluorescence Imager，Technologica Ltd，UK)進(jìn)行離體測定。剪取每種植物當(dāng)年生向陽枝條2～3枝，放入保鮮箱后立即帶回實驗室，將葉片從基部剪切后依次擺放在濕潤墊片上并固定，每種植物均選取5～6張葉片。依據(jù)實驗?zāi)康倪\行預(yù)置程序，測定暗適應(yīng)及不同穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)時的葉綠素?zé)晒鈭D像，并進(jìn)行解析。具體測定程序如下：參照 Baker和Rosenqvist 的方法[15]，3種植物的葉片經(jīng)準(zhǔn)確成像并聚焦后暗適應(yīng)30 min，測定PSⅡ反應(yīng)中心關(guān)閉時的最小熒光(Fo)和開放狀態(tài)的最大熒光(Fm)；開啟光響應(yīng)曲線測定程序，設(shè)光強(qiáng)梯度為0、25、50、100、150、200、300、500、800、1 200、1 500、1 800 μmol·m-2·s-1；根據(jù)基礎(chǔ)熒光產(chǎn)率Fs的變化趨勢，0～150 μmol·m-2·s-1低光強(qiáng)下平衡時間設(shè)3 min，光強(qiáng)大于200 μmol·m-2·s-1平衡時間設(shè)2 min；測定Fm和Fm′的飽和脈沖光為6 840 μmol·m-2·s-1。

其中，PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)以準(zhǔn)確暗適應(yīng)30 min時的Fo和Fm計算，F(xiàn)v=Fm-Fo；穩(wěn)態(tài)作用光下PSⅡ有效光量子產(chǎn)量(Fv′/Fm′)依照Genty等[16]的公式計算，即Fv′/Fm′=Fm′-Fo′ /Fm′。PSⅡ非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ) 參照Baker和Rosenqvist 的公式計算：NPQ=Fm/Fm′-1[15]。以上參數(shù)中的Fo′以O(shè)xborough和Baker 經(jīng)驗公式估算：Fo′ =Fo/(Fv/Fm)-Fo/Fm′，以上各項參數(shù)測定均進(jìn)行5次重復(fù)[17]。測定期間室內(nèi)氣溫(22.0±2.0)℃，空氣濕度相對恒定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過WPS及SPSS19.0進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理及作圖，試驗結(jié)果采用 ANOVA 進(jìn)行單因素(one-way ANOVA) 方差分析，利用Duncan法進(jìn)行多重比較(α=0.05)，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法[18]對測定的16項指標(biāo)進(jìn)行計算，最后根據(jù)平均隸屬函數(shù)值的大小綜合評價3種植物的抗旱性。

計算公式為:R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

若某一指標(biāo)與耐旱能力呈負(fù)相關(guān)，則用反隸屬函數(shù)公式計算：R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中:Xi為試驗測定值；Xmin、Xmax分別為所有參試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫期間3種荒漠植物土壤含水率和葉片水分含量的變化特征

首先，在自然干旱脅迫處理期間，梭梭、白刺、沙蒿3種荒漠植物的土壤含水率均隨脅迫天數(shù)增加而逐漸降低，并且在脅迫0～18 d期間降低幅度較大，24～30 d間降幅較小，逐漸趨于穩(wěn)定(圖1,A)。其中，梭梭、白刺、沙蒿3種荒漠植物土壤含水率在干旱脅迫30 d時分別達(dá)到3.18%、3.04%和2.66%，分別比干旱脅迫前(0 d)降低了83.54%、84.08%和84.81%，即此時土壤含水率降幅以梭梭較小，沙蒿相對較大。

同時，3種荒漠植物葉片相對含水量(RWC)也均隨干旱脅迫天數(shù)增加而逐漸降低(圖1,B)。其中，在脅迫0～6 d期間，RWC以梭梭、沙蒿降幅較大并均達(dá)到顯著水平，而白刺降低幅度較小，且白刺的RWC明顯較高，而沙蒿明顯較低；在干旱脅迫12～18 d期間，梭梭、沙蒿RWC趨于穩(wěn)定，而白刺則顯著降低，且降幅較大，但白刺的RWC仍明顯高于梭梭、沙蒿；脅迫18～24 d期間，梭梭、白刺RWC均保持穩(wěn)定，沙蒿RWC則顯著降低并接近至最低水平；在脅迫30 d，梭梭、白刺RWC再次顯著降低，且白刺的降幅更大，沙蒿RWC保持穩(wěn)定，此時梭梭、白刺、沙蒿RWC均降至最小值，分別達(dá)到40.37%、25.49%和13.05%，它們比處理開始時(0 d)分別降低39.00%、63.73%和73.24%。干旱脅迫期間，白刺和梭梭葉片的RWC始終高于同期沙蒿；干旱脅迫結(jié)束時，3種植物葉片相對含水量及其降幅具有明顯差異，梭梭RWC最高、變化幅度最小，沙蒿RWC最低、變化幅度最大。

另外，梭梭葉片相對水分虧缺(RWD)隨脅迫天數(shù)增加而逐漸顯著升高，并在脅迫12～18 d、24～30 d保持相對穩(wěn)定，而白刺、沙蒿均呈“N”形波動式升高趨勢，兩者分別在6～12 d、6～18 d保持相對穩(wěn)定；與處理0 d相比，3種植物RWD在脅迫30 d時分別顯著升高46.31%、66.10%、42.81%(圖1，C)。在土壤干旱脅迫期間，梭梭和白刺的RWD始終明顯高于同期的沙蒿，兩者最終升幅也高于沙蒿。

2.2 干旱脅迫對3種植物光合色素含量的影響

圖2顯示，整個干旱脅迫處理期間，梭梭葉綠素a(Chla)含量均無顯著變化，各處理天數(shù)間無顯著差異(P>0.05)；白刺、沙蒿的Chla含量均隨脅迫天數(shù)增加而降低，白刺的Chla含量在脅迫6 d時就顯著降低(P<0.05)，此后再無顯著變化，沙蒿Chla含量在脅迫12 d時開始顯著降低，直至脅迫24 d均一直無顯著變化，隨后在脅迫30 d時再次顯著降低。與Chla含量不同，3種植物葉綠素b(Chlb)含量的變化不盡相同；梭梭Chlb含量隨處理天數(shù)增加而顯著降低，但在脅迫6～30 d間無顯著降低；白刺、沙蒿Chlb含量呈“M”形波動式降低趨勢，但白刺Chlb含量在脅迫6～24 d均顯著上升，在脅迫30 d時又稍低于脅迫前水平，而沙蒿Chlb含量除脅迫12 d外均比脅迫前顯著降低，在脅迫30 d時降至最低。梭梭、白刺、沙蒿總?cè)~綠素(Chl)含量均隨脅迫天數(shù)增加而降低，均在脅迫30 d時降低至最小值；梭梭和沙蒿Chl 含量在脅迫期間始終顯著低于脅迫前，白刺Chl 含量僅在12和30 d比脅迫前顯著降低，其余時間無顯著變化。梭梭的類胡蘿卜素含量隨著脅迫時間先升后降，并在6 d時達(dá)到最大值，其在6～12 d時顯著高于脅迫前，在24～30 d時顯著低于脅迫前；白刺的類胡蘿卜素含量隨脅迫天數(shù)增加而逐漸降低，表現(xiàn)為0 d>6～12 d >18～24 d>30 d，沙蒿的類胡蘿卜素含量的變化趨勢與白刺相反，表現(xiàn)為0 d<6～12 d<18～24 d<30 d，且各時間段之間均有顯著差異。

SS.梭梭；BC.白刺；SH.沙蒿；同一物種內(nèi)不同小寫字母表示處理時期之間差異顯著(P<0.05); 下同圖1 自然干旱脅迫過程中3種植物土壤含水率及葉片相對含水量和相對水分虧缺變化特征SS. Haloxylon ammodendron; BC. Nitraria tangutorum; SH. Artemisia desertorum; Different normal letters in the same species meant significant difference at 0.05 level. The same as belowFig.1 Changes of soil moisture content, leaf relative water content and leaf relative water deficit of three species during drought stress

2.3 干旱脅迫對3種植物氣體交換參數(shù)及水分利用效率的影響

表1顯示，梭梭葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、水分利用效率(WUE) 均隨干旱脅迫天數(shù)增加呈先升高后降低的變化趨勢；梭梭葉片Pn、Tr均在干旱脅迫12 d(土壤含水率為8.04%)時達(dá)到最大值，WUE則在干旱脅迫6 d(土壤含水率為15.25%)時達(dá)到最大值，且均與其他處理時間存在顯著差異(P<0.05)。說明過高或過低的土壤水分均會引起梭梭葉片光合作用水平的降低，維持葉片較高水平Pn、Tr的土壤含水率范圍為8.04%～19.33%，維持較高水平WUE的土壤含水率范圍為15.25%～19.33%。同時，梭梭氣孔導(dǎo)度(Gs)和氣孔限制值(Ls)均隨脅迫天數(shù)增加而降低，胞間二氧化碳濃度(Ci)則呈逐漸升高趨勢，干旱脅迫6 d時就均與處理前差異顯著；在干旱脅迫24 d(土壤含水率為3.49%) 時，梭梭Ls降至0.0169，同時也伴隨著Pn劇烈降低(0.7624)，說明此時植物氣孔基本上失去了調(diào)節(jié)作用，Pn下降的主要原因是發(fā)生了由氣孔因素向非氣孔因素的轉(zhuǎn)變。

白刺氣體交換參數(shù)變化特征與梭梭略有差異。隨著干旱脅迫天數(shù)增加，白刺葉片Pn、Gs、Tr均呈逐漸降低的變化趨勢，Pn、Gs在干旱6 d以及Tr在干旱12 d時降幅就達(dá)到顯著水平，Pn在干旱30 d時降低為負(fù)值。同時，WUE和Ls均隨脅迫天數(shù)增加呈先緩慢升高然后劇烈降低的趨勢，其Ci則呈先緩慢降低然后劇烈升高的趨勢，干旱處理12 d(土壤含水率為8.37%)時，前兩者均達(dá)到最大值，而后者降至最低值，說明維持白刺WUE處于較高水平的土壤含水率范圍為4.17%～19.10%。在干旱30 d時(土壤含水率為3.04%)，WUE和Ls均降至最低值，而Ci則達(dá)到最大值，Pn也降低為負(fù)值，說明此時白刺葉片氣孔已失去調(diào)節(jié)作用。

圖2 干旱脅迫過程中3種植物光合色素含量變化特征Fig.2 Changes of photosynthetic pigment contents of three species during drought stress

沙蒿氣體交換參數(shù)變化特征與白刺相似，除Ci隨脅迫天數(shù)增加呈現(xiàn)穩(wěn)定升高外，其他各參數(shù)均隨脅迫天數(shù)增加而逐漸降低，并均在干旱6 d或者12 d時升降幅度就達(dá)到顯著水平，說明土壤含水率變化容易直接引起沙蒿光合作用水平的降低。在干旱脅迫18 d時，沙蒿葉片Pn降至0.056 2，同時Gs、Tr,、WUE也相應(yīng)降至較低的拐點，Ls已為負(fù)值。以上結(jié)果說明，干旱脅迫0 d～12 d(土壤含水率為6.48%～17.51%)時，沙蒿可正常生長；當(dāng)脅迫18 d時，土壤含水率(4.14%)已達(dá)到影響其正常生長的水分閾值；脅迫24 d～30 d(土壤含水率為2.66%～3.07%) 時，Pn、WUE等參數(shù)均為負(fù)值，此時沙蒿葉片光合作用能力完全喪失，植物發(fā)生生理性死亡。

2.4 干旱脅迫對3種植物葉綠素?zé)晒夤忭憫?yīng)曲線的影響

從圖3可知，3種荒漠植物葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)均隨光合有效輻射的增強(qiáng)而逐漸降低；干旱脅迫30 d(土壤含水率為3.04%)時，梭梭和白刺的Fv/Fm均降至較低值，此時相同光強(qiáng)下各處理天數(shù)間差異不顯著(P>0.05)；沙蒿Fv/Fm在干旱脅迫0 d～18 d各脅迫天數(shù)間無顯著差異(P>0.05)，在干旱脅迫24 d～30 d(土壤含水率為2.66%～3.07%)時降至最低。

同時，3種植物PSⅡ有效光量子產(chǎn)量(Fv′/Fm′)均在光強(qiáng)小于300 μmol·m-2·s-1時降低幅度均較大，在光強(qiáng)大于300 μmol·m-2·s-1時基本維持穩(wěn)定；在中、高光強(qiáng)時，白刺Fv′/Fm′ 均保持在0.4～0.6之間，脅迫24～30 d時略有降低；梭梭與沙蒿Fv′/Fm′變化趨勢相似，在脅迫30 d時均降為0.2左右，并與其他處理天數(shù)間差異顯著(P<0.05)。

此外，3種植物qP在各脅迫天數(shù)處理時均隨光強(qiáng)增大而逐漸降低。其中，梭梭qP值隨光強(qiáng)增加呈明顯的“啞鈴”形變化，即在低光強(qiáng)和高光強(qiáng)時各脅迫天數(shù)間變化無顯著差異(P>0.05)，在光強(qiáng)為500～1 200 μmol·m-2·s-1時差異較大；梭梭qP在脅迫18 d時達(dá)到最大值，而在脅迫0 d和30 d時最小。沙蒿qP值隨光強(qiáng)變化也接近“啞鈴”形，在脅迫6 d～18 d時具有較大值，在脅迫0 d、24 d、30 d時具有較小值。白刺qP值在各光強(qiáng)下表現(xiàn)出相似的趨勢，脅迫30 d時始終最高，脅迫0 d和6 d時始終最低，其余脅迫時間居中。

表1 干旱脅迫過程中3種植物氣體交換參數(shù)的變化特征

圖3 干旱脅迫過程中3種植物葉綠素?zé)晒夤忭憫?yīng)曲線變化特征Fig.3 Characteristics of chlorophyll fluorescence response curves of three species under drought stress

另外，3種植物NPQ在各干旱脅迫時間下均隨光強(qiáng)增大而逐漸升高，且在光強(qiáng)0～500 μmol·m-2·s-1時變化劇烈，而在500～1 800 μmol·m-2·s-1時較為穩(wěn)定。其中，白刺N(yùn)PQ分別在脅迫18 d和0 d時分別具有最大值和最小值，其他各處理天數(shù)間差異不顯著(P>0.05)。梭梭、沙蒿NPQ均在處理0 d、光強(qiáng)500～1 800 μmol·m-2·s-1時具有最大值；脅迫6 d～24 d時，梭梭和沙蒿NPQ均顯著降低，但梭梭NPQ在各處理間差異不顯著(P>0.05)，沙蒿NPQ各處理天數(shù)間差異明顯，表現(xiàn)為6 d>12 d>18 d、24 d；脅迫30 d時，兩植物NPQ在各光強(qiáng)下均明顯低于其余處理天數(shù)。兩植物NPQ在脅迫30 d時各光強(qiáng)下均接近0，其他處理天數(shù)在光強(qiáng)500～1 800 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)處于0.5～1.5之間。沙蒿、梭梭NPQ變化趨勢與處理天數(shù)間明顯相關(guān)，即存在明顯的水分效應(yīng)；在脅迫18 d～30 d時NPQ降至0～0.5之間，并與其他脅迫天數(shù)間存在顯著差異(P<0.05)。

表2 干旱脅迫下3種荒漠植物各測定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

2.5 3種植物抗旱性綜合評價

模糊隸屬函數(shù)法是一種通過多種指標(biāo)計算進(jìn)行植物抗旱性綜合評價的有效方法，其平均值越大抗旱性越強(qiáng)，這種方法克服了采用單一指標(biāo)評價植物耐旱能力的片面性[19]。本研究應(yīng)用葉片水分、光合及熒光參數(shù)共16種指標(biāo)對3種植物抗旱性進(jìn)行綜合評價(表2)，結(jié)果表明，3種植物各項指標(biāo)隸屬函數(shù)的平均值分別為0.501 2、0.548 9、0.492 9，說明其耐旱能力由高到低依次為白刺、梭梭、沙蒿。

3 討 論

干旱脅迫引起植物水分虧缺，并通過抑制葉片伸展、影響葉綠體光化學(xué)及生物化學(xué)活性等途徑，延緩或破壞植物正常生長，加快植物個體組織、器官衰老、脫落或?qū)е缕渌劳鯷20]。葉片形態(tài)的變化是植物受到脅迫時的最初體現(xiàn)，植物葉片相對含水量(RWC)和相對水分虧缺(RWD)是植物體內(nèi)生理功能旺盛的標(biāo)志，其值越大說明植物對干旱的適應(yīng)能力越強(qiáng)[21]。本研究中白刺、沙蒿RWC隨干旱脅迫天數(shù)增加持續(xù)降低，而梭梭RWC在脅迫0 d～18 d時仍較為穩(wěn)定，植物體仍然能夠調(diào)節(jié)自身體內(nèi)的水分平衡，說明土壤含水率為5.05%時未達(dá)到引起梭梭葉片水分降低的閾值；脅迫24 d～30 d(土壤含水率為3.18%～3.49%)時梭梭葉片RWC顯著降低。植物葉片RWD的變化特征也能證明以上觀點，干旱脅迫后期，白刺和沙蒿RWD迅速升高，說明這兩種植物葉片水分狀況對外界環(huán)境條件變化較為敏感；可能是由于兩植物葉面積較大，干旱脅迫過程中強(qiáng)烈的蒸騰作用導(dǎo)致植物體水分嚴(yán)重缺失，同樣也加劇了土壤含水率的快速下降。

光合色素是植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)，干旱脅迫導(dǎo)致葉綠體膜系統(tǒng)的紊亂或葉綠體結(jié)構(gòu)整體性的破壞，從而影響光合色素的合成[22-23]。研究表明，光合色素含量的高低并不能完全反映葉片光合能力的強(qiáng)弱，但其含量減少直接導(dǎo)致葉片衰老和光合速率的不可逆降低[24]。本研究中，梭梭Chla、Chlb及Chl含量只在脅迫0 d～6 d時顯著降低，之后保持穩(wěn)定，可能是由于脅迫初期土壤含水率的迅速降低，促使其葉綠素降解酶大量合成，而之后持續(xù)干旱脅迫時，3種光合色素反應(yīng)較不敏感。白刺Chla、Chlb、Chl及胡蘿卜素含量均在脅迫24 d～30 d時顯著降低，說明3.04%～3.69%的土壤含水率已對其葉綠體細(xì)胞的整體性造成極大破壞，使葉肉細(xì)胞光合活性和吸光強(qiáng)度降低，從而影響葉片的光合作用；沙蒿光合色素含量在脅迫18 d～30 d、土壤含水率為2.66%～4.14%時急劇降低，但其Chla和Chl含量均顯著高于其他兩種植物，這與師生波等[25]對民勤沙生植物園4種云杉屬(Picea)植物的研究結(jié)果類似，可能是沙蒿在相同生長期間維系自身枝干較高生長所致。此外，梭梭、白刺類胡蘿卜素含量隨干旱脅迫天數(shù)增加而降低，而沙蒿則呈逐漸上升趨勢，這種現(xiàn)象可能與野外深秋時節(jié)觀測到的幼苗葉色由嫩綠變?yōu)樽霞t的現(xiàn)象有關(guān)。

光合氣體交換參數(shù)也受到干旱脅迫程度和時間的影響。土壤干旱脅迫下植物光合速率的下降通常可分為氣孔因素和非氣孔因素，前者是指干旱脅迫導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度下降，CO2的進(jìn)入受到阻礙從而使光合速率下降，后者是指植物葉肉細(xì)胞的光合活性下降；干旱脅迫過程中，大部分植物能通過合理協(xié)調(diào)碳同化和水分消耗之間的關(guān)系，調(diào)節(jié)葉片WUE的變化，這是植物抗旱策略的重要組成部分[10]。本研究中3種植物Pn、Tr、WUE對土壤水分都表現(xiàn)出明顯的閾值響應(yīng)，梭梭WUE達(dá)到最大值時的土壤含水率 (15.25%)明顯大于其Pn達(dá)到最大值時的土壤含水率(8.04%)，即梭梭葉片WUE在水分脅迫會降低，這與趙長明等[10]的研究結(jié)果一致；相反，白刺WUE達(dá)到最大值時的土壤含水率 (8.37%) 則明顯小于其Pn達(dá)到最大值時的土壤含水率(19.10%)，說明白刺的WUE在適宜的干旱脅迫則會顯著提高，這與裴斌等[26]對沙棘(Hippophaerhamnoides)的研究結(jié)果相一致；沙蒿WUE和Pn達(dá)到最大值的土壤含水率相同(17.51%)，其Pn和WUE 均隨土壤含水率降低而持續(xù)下降，甚至在土壤含水率低于4.17%時均降低為負(fù)值。可見，3種植物中沙蒿所受干旱脅迫的影響最大。干旱脅迫過程中梭梭、白刺、沙蒿3種植物維持正常光合生理活動適宜的土壤含水率閾值范圍分別為8.04%～19.33%、4.17%～19.10%、6.48%～17.51%，以上閾值能保證植物葉片同時獲得較大的Pn和WUE，這種協(xié)調(diào)作用符合荒漠植物生長的“高效水閾值”或“經(jīng)濟(jì)水閾值”，即以高效用水為核心的栽植管理原則[27-28]。

葉綠素?zé)晒馐茄芯抗夂献饔脵C(jī)制和探測光合生理狀況的一種新興技術(shù)，與反映“表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比，具有“內(nèi)在性”的特點，是研究植物光合生理與逆境脅迫的內(nèi)在探針[25]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)的光響應(yīng)曲線可快速反映植物光合功能對環(huán)境光強(qiáng)變化的應(yīng)答[29]。本研究中3種植物PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的光響應(yīng)曲線具有非常相似的變化趨勢，可能是植物光合機(jī)構(gòu)對民勤干旱荒漠氣候長期適應(yīng)的表現(xiàn)。植物Fv/Fm未受到脅迫時一般在0.80～0.85之間，遭受干旱、強(qiáng)光等逆境脅迫時變小[30-31]。本試驗中各脅迫天數(shù)處理時，3種植物Fv/Fm均隨光強(qiáng)增大而降低，說明干旱脅迫對3種植物PSⅡ反應(yīng)中心活性均有影響；光強(qiáng)低于500 μmol·m-2·s-1時，梭梭、白刺的Fv/Fm值均較大，但隨著光強(qiáng)增大而大幅度降低，以脅迫24 d和30 d時降低較為明顯。這說明較長時間的干旱脅迫對沙蒿產(chǎn)生光抑制，可降低或破壞其光合活性；梭梭、白刺Fv/Fm受干旱脅迫的影響較小，脅迫天數(shù)增加時均可得到一定程度的恢復(fù)。

PSⅡ有效量子產(chǎn)量(Fv′/Fm′)反映實際光能轉(zhuǎn)換效率，隨光強(qiáng)增大而減小[31]。本研究除梭梭、白刺脅迫30 d的時段外，其他脅迫天數(shù)時3種植物Fv′/Fm′均在光強(qiáng)0～300 μmol·m-2·s-1時較大幅度降低，之后隨光強(qiáng)增加趨于穩(wěn)定狀態(tài)；整個脅迫過程中白刺Fv′/Fm′值均大于等于0.4，而梭梭、沙蒿均在脅迫30 d時降至0.2左右。說明土壤水分條件較好時，3種植物均可通過自身調(diào)節(jié)機(jī)制平衡葉片對光能的捕獲、利用與耗散之間的關(guān)系，保持葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性，而土壤含水率的降低特別加劇了沙蒿Fv′/Fm′下降趨勢。相比較而言，白刺通過調(diào)節(jié)機(jī)制耗散掉過剩的光能使自身PSⅡ反應(yīng)中心免受傷害的能力較強(qiáng)。

光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP) 反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，其值越大說明電子傳遞活性越高[32]。干旱脅迫時, 植物體內(nèi)基質(zhì)類囊體膜上PSⅡ反應(yīng)中心多呈失活狀態(tài)，并與光捕獲天線色素一起參與對過剩激發(fā)能的耗散，從而保護(hù)有功能的反應(yīng)中心免受多余光能傷害[21]。本研究中，當(dāng)光強(qiáng)小于300 μmol·m-2·s-1時，3種植物qP變化幅度均較??；當(dāng)光強(qiáng)大于300 μmol·m-2·s-1時，3種植物qP均呈波動式降低趨勢，且均隨脅迫天數(shù)增加降低幅度逐漸增大，說明干旱脅迫可顯著抑制3種植物葉片PSⅡ反應(yīng)中心的開放比例和參與光化學(xué)反應(yīng)的能量。同時，3種植物非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)的光響應(yīng)曲線變化趨勢與Fv/Fm、Fv′/Fm′及qP相反；整個脅迫過程中白刺N(yùn)PQ處于較高水平，梭梭、沙蒿呈上升趨勢，說明白刺可通過增加熱耗散來避免強(qiáng)光對光合系統(tǒng)的傷害，從而減輕自身在干旱脅迫下的光抑制；而在干旱脅迫30 d和18～30 d時，梭梭、沙蒿這種熱耗散能力幾乎消失，長時間干旱脅迫會引起兩種植物光合電子傳遞受阻，并隨著光強(qiáng)的增加，過剩能量以qP形式耗散，導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心受損，表現(xiàn)出光抑制。

4 結(jié) 論

土壤自然干旱脅迫過程中，梭梭、白刺、沙蒿3種植物在光合生理特性方面均可通過合理協(xié)調(diào)碳同化和水分消耗之間的關(guān)系，調(diào)節(jié)葉片氣孔、水分利用效率及葉綠素?zé)晒鈪?shù)等的變化，增強(qiáng)對干旱脅迫的耐受性及適應(yīng)性，保證自身生理代謝活動的進(jìn)行與正常生長，但其抗旱途徑與機(jī)理方面存在差異，即不同植物對干旱脅迫的適應(yīng)性不同，原因可能與3種植物的生長習(xí)性及其抗旱生理特點有關(guān)。例如，梭梭、白刺具有肉質(zhì)葉片，干旱脅迫下不易失水，能最大限度地保持細(xì)胞的親水能力，具有保持較高水平的抗旱生理特點；而沙蒿葉片表面雖有較厚的角質(zhì)層，但其葉片面積較大，干旱脅迫條件下葉片蒸騰作用強(qiáng)烈，保水力相對較弱。據(jù)此，根據(jù)整個脅迫過程中植株的生長狀態(tài)，結(jié)合隸屬函數(shù)法對16項測定指標(biāo)的綜合評價，表明3種植物中梭梭的耐旱能力僅次于白刺，沙蒿耐旱能力稍弱。這一結(jié)果與3種植物的生長習(xí)性及光合生理特點相吻合。因此，在干旱荒漠區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中，對土壤干旱程度較重的造林地，應(yīng)盡量首選白刺、梭梭作為先鋒物種。