岷江上游干旱河谷岷江柏的光合與水分生理特征干濕季對(duì)比研究

李登峰,魏仕軍,陳 靜,馮秋紅,2,*,徐崢靜茹,李旭華,劉千里,蔡 蕾

1 四川省林業(yè)科學(xué)研究院,森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610081 2 四川臥龍森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,阿壩 623006 3 四川省阿壩州理縣林業(yè)局,理縣 623100 4 阿壩州林業(yè)和草原局,阿壩 624000 5 阿壩藏族羌族自治州林業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所,汶川 611130

岷江上游干旱河谷主要分布于松潘縣鎮(zhèn)江關(guān)至汶川縣綿虒間的岷江干流,以及支流雜谷腦河、黑水河沿河狹長(zhǎng)河谷地帶,類(lèi)型主要為干溫河谷,全年降水量少但蒸發(fā)量大,干濕季分明,干季水分虧缺明顯,熱量條件也不及同位于橫斷山區(qū)的干暖、干熱河谷[1—2]。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,植被恢復(fù)困難,近年來(lái)更呈現(xiàn)出生態(tài)退化加劇及干旱河谷范圍擴(kuò)大等問(wèn)題,是國(guó)家長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障建設(shè)的重點(diǎn)及難點(diǎn)區(qū)域[3]。

岷江柏(Cupressuschengiana)是柏科柏屬長(zhǎng)壽慢生喬木,為中國(guó)珍稀瀕危種,分布于岷江、大渡河和白龍江等流域的干旱河谷地帶,具有耐旱、耐寒、耐瘠等特性,是干旱河谷地區(qū)水土保持、荒山造林的重要樹(shù)種[4]。針對(duì)干旱河谷地區(qū)的岷江柏,目前已開(kāi)展人工林碳氮儲(chǔ)量林齡變化[5],造林效果評(píng)價(jià)[4],天然種群種實(shí)表型變異特征[6],保墑處理、模擬干旱、干旱復(fù)水及施氮對(duì)幼苗生理特征影響[7—10]等研究。有關(guān)岷江柏生理特征的研究以單一的水分控制試驗(yàn)為主,研究材料多為幼苗,但岷江上游干旱河谷野外環(huán)境復(fù)雜,現(xiàn)有研究對(duì)揭示岷江柏對(duì)干季野外環(huán)境的適應(yīng)策略具有一定的局限性。水分、氣溫等變化會(huì)對(duì)植物葉片的生理特征產(chǎn)生不同程度的影響,嚴(yán)重的環(huán)境脅迫會(huì)打破葉片水分平衡、破壞光合器官,但適應(yīng)能力強(qiáng)的植物能通過(guò)氣孔調(diào)節(jié)、滲透物質(zhì)調(diào)節(jié)、加強(qiáng)熱耗散等途徑,在脅迫期間維持葉片正常生理功能[11—12]。

岷江柏是如何響應(yīng)和適應(yīng)干旱河谷干季的干旱低溫環(huán)境？岷江柏較強(qiáng)的抗旱性是否以降低光合生產(chǎn)為代價(jià)？本文對(duì)干旱河谷地區(qū)野外生境岷江柏葉片在干濕季的水分生理及光合生理特征進(jìn)行原位測(cè)定,分析岷江柏在不同季節(jié)的變化特征,初步探討岷江柏對(duì)干旱河谷的適應(yīng)策略,為岷江柏樹(shù)種的資源有效利用、適宜分布區(qū)篩選以及在干旱河谷地區(qū)的推廣奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于阿壩州理縣通化鄉(xiāng)西山村(31°34′47.72″N,103°25′45.36″E),海拔2250m,坡度35°,坡向西南。在研究區(qū)域2 km范圍內(nèi)布設(shè)三臺(tái)小型“氣象-土壤”監(jiān)測(cè)儀,監(jiān)測(cè)離地1.2 m高度的氣象環(huán)境指標(biāo)以及地下50 cm深度的土壤環(huán)境指標(biāo)。如表1所示,試驗(yàn)區(qū)濕季(2017年7月)和干季(2017年11月)環(huán)境差異明顯,相較于濕季,干季各項(xiàng)氣溫指標(biāo)、土壤體積含水量指標(biāo)下降幅度較大,各項(xiàng)氣濕指標(biāo)、土壤溫度指標(biāo)變化幅度較小。

表1 濕季和干季的氣象和土壤環(huán)境特征

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在研究區(qū)域劃定一個(gè)1 km×1 km采樣測(cè)定區(qū)域,采取五點(diǎn)取樣法,在該區(qū)域的左上、左下、右上、右下、中間的位置設(shè)置5個(gè)10 m×10 m的小樣方,每個(gè)樣方選取5株岷江柏作為備測(cè)植株,測(cè)定葉片需健康且位于向陽(yáng)面,在2017年7月(濕季)和11月(干季)的天氣晴朗的時(shí)間段,進(jìn)行樣品采集與相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。對(duì)光合生理指標(biāo)的測(cè)定所用葉片進(jìn)行標(biāo)記,干濕季對(duì)應(yīng)測(cè)定,每株設(shè)5個(gè)重復(fù)。采取一次性混合取樣方式采集葉片,用于水分生理、酶活及滲透物質(zhì)等指標(biāo)的測(cè)定,每株取混合樣5份。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1氣體交換參數(shù)

采用Li- 6400便攜式光合作用測(cè)定儀(Licor,USA)對(duì)飽和光下瞬時(shí)凈光合速率(Light-saturated net photosynthetic rate,Pnmax)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等葉片的氣體交換參數(shù)進(jìn)行測(cè)定,并計(jì)算氣孔限制值(Ls)、瞬時(shí)水分利用效率(WUE),計(jì)算公式分別為L(zhǎng)s=(1-Ci/Ca)×100%、WUE=Pnmax/Tr。葉室環(huán)境條件設(shè)置為：環(huán)境CO2濃度(Ca)400 μmol/mol、溫度(25±1)℃、濕度(75±5)%,光合有效輻射(PAR)設(shè)定為2000 μmol m-2s-1(岷江柏的飽和光強(qiáng),前期實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。暗呼吸速率(Rd)在22:00—24:00測(cè)定,PAR設(shè)定為0 μmol m-2s-1,其他環(huán)境控制條件與光下一致[13]。

1.3.2Pn-Ci響應(yīng)曲線(xiàn)的測(cè)定

在PAR為2000 μmol m-2s-1飽和光強(qiáng)下,設(shè)置50、100、150、200、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000共13個(gè)Ca(μmol/mol)梯度,并測(cè)定相應(yīng)的凈光合速率(Pn)。Pn-Ci響應(yīng)曲線(xiàn)利用直角雙曲線(xiàn)的修正模型進(jìn)行擬合[14],同時(shí)計(jì)算光合能力(Amax)、初始羧化效率(CE)、CO2補(bǔ)償點(diǎn)(Γ)、飽和胞間CO2濃度(Cisat)、光呼吸速率(Rp)；最大羧化速率(Vcmax)、最大電子傳遞速率(Jmax)、磷酸丙糖利用率(TPU)、Jmax/Vcmax則利用Farquhar光合生化模型進(jìn)行計(jì)算[15]。

1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

將暗適應(yīng)處理24 h以上的葉片迅速放入Li- 6400熒光葉室(Licor,USA)中,溫度、濕度、Ca設(shè)定與1.3.1一致,PAR設(shè)定為0 μmol m-2s-1,得到PSII反應(yīng)中心的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)；接著將PAR設(shè)定為2000 μmol m-2s-1,得到開(kāi)放的PSII反應(yīng)中心的激發(fā)能捕獲效率(Fv′/Fm′)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)、PSII實(shí)際光化學(xué)效率(ФPSII)和電子傳遞效率(ETR)等葉綠素?zé)晒鈪?shù)[13]。

1.3.4水分生理指標(biāo)的測(cè)定

葉片相對(duì)含水量(RWC)采用飽和稱(chēng)重法,即RWC=(葉片鮮重-葉片烘干重)/(葉片飽和重-葉片烘干重)；比葉重(LMA)=葉片烘干重/葉面積；黎明葉片水勢(shì)(Ψpl)和正午葉片水勢(shì)(Ψml)分別于黎明前和正午采集樣品,利用WP4露點(diǎn)水勢(shì)儀(Decagon,USA)測(cè)定[16]。

1.3.5抗性酶活性及滲透物質(zhì)含量測(cè)定

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法測(cè)定,過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定,過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測(cè)定,脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮法測(cè)定,可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法測(cè)定[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理與繪圖,用SPSS 25.0進(jìn)行相關(guān)性分析及差異顯著性分析。

2 研究結(jié)果

2.1 干濕季岷江柏葉片水分生理特征

由表2可知,岷江柏的RWC在干濕季變化不顯著,但干季的LMA較濕季顯著下降了18.26%(P<0.05)；干季葉水勢(shì)下降幅度較大,Ψpl、Ψml分別顯著下降了32.39%、37.96%(P<0.05)。

表2 濕季和干季岷江柏葉片水分生理特征

2.2 干濕季岷江柏抗氧化酶及滲透物質(zhì)特征

由表3可知,僅POD活性在干季顯著提高了30.60%(P<0.05),其他抗氧化酶活性變化并不顯著。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Pro、SS含量均在干季顯著提高,幅度分別為19.22%、47.06%(P<0.05)。

表3 濕季和干季岷江柏的抗氧化酶活性及滲透物質(zhì)含量

2.3 干濕季的岷江柏氣體交換參數(shù)特征

由表4可知,相較于濕季,岷江柏的干季Pnmax、Gs、Tr出現(xiàn)顯著下降,分別下降了35.22%、44.44%、45.05%(P<0.05),而WUE顯著上升了19.20%(P<0.05)。

表4 濕季和干季岷江柏的氣體交換參數(shù)

2.4 干濕季岷江柏的光合生理特征

圖1 濕季和干季岷江柏的Pn-Ci響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.1 Pn-Ci response curves of Cupressus chengiana in wet season and dry season

由圖1可知,干濕季的岷江柏Pn對(duì)Ci響應(yīng)趨勢(shì)基本一致,Pn隨著Ci的增加先是迅速上升,后增速逐漸放緩,直至在較高Ci階段趨于平緩。當(dāng)Ci<350 μmol/mol,岷江柏干季Pn高于濕季；而Ci>350 μmol/mol,干季Pn則低于濕季。

通過(guò)分析光合生理生化參數(shù)發(fā)現(xiàn)(表5、表6)：岷江柏的干季CE、Amax、Γ、Vcmax、Jmax、TPU、Jmax/Vcmax較濕季均顯著降低,下降幅度分別為27.27%、23.46%、38.96%、31.61%、38.92%、22.39%、10.42%(P<0.05)。呼吸速率方面,在干季,岷江柏的Rp顯著下降了41.61%(P<0.05),但Rd大幅度上升了117.30%(P<0.05)。

2.5 干濕季岷江柏葉綠素?zé)晒鈪?shù)特征

由表7可知,相較于濕季,岷江柏干季的Fv′/Fm′、ФPSII、qP、ETR均顯著下降,下降幅度分別為28.26%、40.00%、20.00%、32.40%(P<0.05)；NPQ則顯著上升了37.79%(P<0.05)。

2.6 岷江柏光合生理指標(biāo)與水分生理指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析

由表8可知：光合能力指標(biāo)Amax、光合速率指標(biāo)Pnmax和呼吸指標(biāo)(Rp、Rd)、光合生化指標(biāo)(Vcmax、Jmax、TPU)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)(Fv′/Fm′、ФPSII、qP、ETR)、氣孔參數(shù)指標(biāo)(Gs、Tr)相互呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與NPQ呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；WUE與Jmax、Fv′/Fm′、Gs和Tr呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),而與NPQ呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；但各指標(biāo)與水分生理指標(biāo)(RWC、LMA、Ψpl、Ψml)相關(guān)性較弱。

表5 濕季和干季岷江柏的光合生理參數(shù)及呼吸速率

表6 濕季和干季岷江柏的光合生化參數(shù)

表7 濕季和干季岷江柏的葉綠素?zé)晒鈪?shù)

表8 光合生理指標(biāo)和水分生理指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析

3 討論

試驗(yàn)區(qū)干季氣溫迅速下降,土壤水分虧缺程度加深,岷江柏面臨干旱、低溫等環(huán)境脅迫影響。干季的平均氣溫和土壤體積含水量較濕季下降幅度較大,氣濕和土溫變化幅度較小,這可能與土壤的保溫作用、低溫限制地表空氣濕度散失有關(guān)(表1)。

3.1 岷江柏干濕季水分生理響應(yīng)

已有研究發(fā)現(xiàn),在脅迫環(huán)境下,植物能通過(guò)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、降低葉水勢(shì)、減少蒸騰等策略維持植物體內(nèi)的水分平衡[18—20]。本研究發(fā)現(xiàn),在干季,岷江柏通過(guò)增加葉片的Pro、SS等有機(jī)溶質(zhì)的積累(表3),不僅能以此進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),降低葉片細(xì)胞水勢(shì)和滲透勢(shì),提高細(xì)胞的保水和持水能力；還能作為抗冷劑,降低冰點(diǎn),提高原生質(zhì)保護(hù)能力,保護(hù)蛋白質(zhì)膠體不致遇冷變性凝聚,幫助岷江柏抵御干季夜間的低溫脅迫；同時(shí)與活性提高的POD等抗氧化酶(表3)協(xié)同清理因脅迫環(huán)境而產(chǎn)生的過(guò)量活性氧,防止膜脂過(guò)氧化,維持葉片細(xì)胞正常的生理活動(dòng)[21—23]。在土壤水分缺乏的干季,植物根系供水與葉片蒸騰失水間平衡難以維持,一方面岷江柏的Ψpl、Ψml顯著下降(表2),增強(qiáng)了葉片對(duì)土壤水分的獲取能力[24]；另一方面作為植物與外界環(huán)境進(jìn)行水分交換的重要通道,岷江柏通過(guò)降低氣孔開(kāi)放程度(Gs),減少葉片蒸騰作用(Tr)(表4),減緩水分散失,保證水分平衡[25]；此外也有研究認(rèn)為,在土壤水分虧缺時(shí),植物還能加大葉片對(duì)凝結(jié)水、雨水等的吸收能力,研究區(qū)域干季空氣濕潤(rùn)(表1),早晚較大溫差產(chǎn)生的較多凝結(jié)水,可能也是岷江柏重要的補(bǔ)水途徑[26]。通過(guò)以上策略,岷江柏在干季仍能維持正常的水分平衡,RWC變化較小(表2),相關(guān)性也表明,水分生理指標(biāo)對(duì)岷江柏的光合生理影響較小(表8)。

3.2 岷江柏干濕季光合生理響應(yīng)

本研究發(fā)現(xiàn),在Pn-Ci響應(yīng)曲線(xiàn)中的較低Ci水平階段(Ci<350 μmol/mol)(圖1),岷江柏在濕季CE高于干季的情況下,濕季Pn仍低于干季Pn,主要原因?yàn)镃O2和O2作為Rubisco不同底物,會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性的羧化反應(yīng)和氧化反應(yīng),濕季的高溫環(huán)境,會(huì)降低CO2/O2比值,提高氧化反應(yīng)速率,從而引起Rp和Γ的上升(表5),最終導(dǎo)致Pn的下降[13,27]。在逆境環(huán)境下,特別是在岷江上游干旱河谷濕季高溫、強(qiáng)光的環(huán)境脅迫下,光呼吸能夠發(fā)揮“電子阱”功能,重新固定NH3,在從葉綠體向線(xiàn)粒體運(yùn)送還原物質(zhì)的過(guò)程中對(duì)過(guò)剩的熱量進(jìn)行快速耗散,并加快活性氧的清除,以保護(hù)光合器官[28—30]。而隨著Ci的升高,羧化反應(yīng)逐漸替代氧化反應(yīng)成為主導(dǎo)反應(yīng),此階段Pn主要受光合器官活性的影響[31]。而干季岷江柏的CE、Vcmax等多個(gè)光合生理指標(biāo)均顯著下降(表5、表6),表明葉片的Rubisco酶活性和數(shù)量降低,羧化效率、光合電子的傳遞以及RuBP再生都受到一定程度的影響,光合器官活性降低,最終導(dǎo)致Amax下降；干季,即使在岷江柏為減少蒸騰,降低氣孔開(kāi)放程度,獲取外界CO2能力下降的情況下,Ci和Ls變化也不明顯(表4),這也從另一方面說(shuō)明其光合碳同化能力出現(xiàn)下降[32—33]。在環(huán)境相似的干熱河谷地區(qū),也發(fā)現(xiàn)新銀合歡(Leucaenaleucocephala)等多種植物表現(xiàn)出濕季Rp較高,干季Amax、Vcmax、Jmax等光合參數(shù)顯著下降的類(lèi)似現(xiàn)象[16]。此外,干季夜間氣溫急劇下降,岷江柏葉片Rd顯著增加(表5)、LMA顯著降低(表2),這也從另一個(gè)角度說(shuō)明,岷江柏能夠通過(guò)提升呼吸速率增加消耗以應(yīng)對(duì)夜間低溫,進(jìn)而維持植物機(jī)體正常的新陳代謝。

葉綠素?zé)晒馐墙沂竟夂线M(jìn)程內(nèi)在性的“探針”,能夠反映光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散、分配等特點(diǎn)[34]。相較于濕季,岷江柏干季的Fv′/Fm′、ФPSII、qP、ETR顯著下降(表7)。相關(guān)研究認(rèn)為,Fv′/Fm′的降低表明岷江柏在干季的脅迫環(huán)境下減少了對(duì)光能的吸收,qP的降低表示PSII反應(yīng)中心通過(guò)將天線(xiàn)色素捕獲的光能作用于光化學(xué)反應(yīng)的比例下降,說(shuō)明其PSⅡ反應(yīng)中心開(kāi)放程度下降,PSⅡ的原初電子受體QA重新氧化的能力降低,PSⅡ的電子傳遞活性減弱,致使還原態(tài)QA攜帶的電子不能快速向后傳遞,阻礙了整個(gè)光合電子傳遞過(guò)程,從而導(dǎo)致光化學(xué)效率下降,光合器官受到抑制[35—36],但過(guò)剩的光能如不能及時(shí)耗散,將對(duì)光合系統(tǒng)造成破壞[37]。NPQ反映了PSⅡ天線(xiàn)色素吸收的光能中不再用于光合電子傳遞而以熱能形式耗散掉的部分,岷江柏在干季增加NPQ是啟動(dòng)光保護(hù)機(jī)制中熱耗散功能的體現(xiàn)[38]。岷江柏在干季通過(guò)自身調(diào)節(jié)機(jī)制平衡葉片對(duì)光能的捕獲、利用與耗散之間的關(guān)系,最大限度地保持葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性[39],這與張玉玉等[40]和Azhar等[41]的研究結(jié)果一致。但植物葉片在脅迫條件下qP的下降和NPQ的上升是光合器官被破壞和能量耗散過(guò)程加強(qiáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的共同結(jié)果,是一種自我消耗性的、被動(dòng)的適應(yīng)方式[42—43]。在相關(guān)性分析中(表8),Amax、Pnmax和呼吸指標(biāo)、光合生理指標(biāo)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)等呈顯著相關(guān),而Ci、Ls在干季并未出現(xiàn)顯著下降,根據(jù)Farquhar和Sharkey的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[44],說(shuō)明光合器官活性降低等非氣孔因素是引起岷江柏干季光合速率和光合能力下降的主要原因。但岷江柏干季光合速率的下降滯后于蒸騰速率的下降,導(dǎo)致WUE的增加(表4),對(duì)干季的適應(yīng)能力增強(qiáng)[45—46],這與前人研究結(jié)果類(lèi)似[47—48]。

4 結(jié)論與展望

綜上所述,岷江柏之所以對(duì)干旱河谷具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力,是因?yàn)槠淠芡ㄟ^(guò)采取多方面的、合理的、系統(tǒng)的適應(yīng)策略應(yīng)對(duì)干季干旱、低溫等環(huán)境脅迫。一是通過(guò)積累滲透物質(zhì)、降低葉水勢(shì)、減少葉蒸騰等途徑,增加水分獲取能力并降低水分散失,降低冰點(diǎn),維持水分生理平衡；二是通過(guò)增加光合產(chǎn)物在抵御干季干旱和夜間低溫等方面的消耗,以適應(yīng)脅迫環(huán)境,維持葉片較為正常的生理活動(dòng)；三是在光合器官活性下降的情況下,岷江柏還能通過(guò)增加熱耗散以保護(hù)光合器官,表現(xiàn)出較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。但由于干旱河谷野外環(huán)境的復(fù)雜性,需要進(jìn)一步對(duì)不同生境條件下的岷江柏適應(yīng)策略進(jìn)行研究,并進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),為岷江柏在干旱河谷地區(qū)的適生區(qū)域評(píng)價(jià)、適生環(huán)境的關(guān)鍵因子確定奠定科學(xué)基礎(chǔ)。