降塵對阿克蘇地區(qū)主栽果樹葉片光合特性及葉綠素熒光特性的影響

孫守霞，陳 虹，呂 威，樸涵琪，周光輝，王賀松，張述斌，郝金蓮

(新疆農(nóng)業(yè)大學 林學與風景園林學院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術重點試驗室，新疆 烏魯木齊830052)

浮塵天氣是全球干旱、半干旱地區(qū)極其普遍的一種風沙災害性天氣現(xiàn)象并對植物有很大的危害[1-2]。新疆地處歐亞大陸腹地塔里木盆地邊緣，氣候干燥、多風少雨，復雜的地理環(huán)境導致沙塵天氣頻發(fā)[3]。新疆南疆特色林果資源豐富，林果種植已成為當?shù)刂еa(chǎn)業(yè)及農(nóng)民增收的主要來源之一，由于南疆盆地沙塵天氣高發(fā)時段集中在3—9月[4]，伴隨果樹的整個生長期并對果樹生長造成不良影響。前人研究表明，沙塵覆蓋在葉片表面會阻礙葉片對光能的吸收，堵塞植物葉片表面的氣孔，使蛋白質(zhì)變性[5]，抗氧化酶含量增加[6]，造成葉片角質(zhì)層損壞，影響植物營養(yǎng)元素的吸收和代謝[7]、開花授粉、坐果等過程[8]，最終影響果樹果實的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前關于降塵的研究主要集中在短時間內(nèi)對果樹葉片的危害[9-12]，為了更好地了解降塵對果樹生長發(fā)育的危害，必須深入了解長時間降塵對果樹葉片生理生態(tài)機理的影響。本實驗以新疆阿克蘇地區(qū)的蘋果(Maluspumila)、核桃(Juglansregia)、棗(Ziziphusjujube)3種主栽果樹為材料，進行葉片滯塵量及葉片響應自然降塵的光合特性及葉綠素熒光特性的研究，以期探索果樹對降塵的生理代謝響應機制，并為阿克蘇地區(qū)主栽果樹的栽培管理提供一定的科學理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗園位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣新疆農(nóng)業(yè)大學林果試驗基地(40°52′～42°15′N，79°28′～81°30′E)。實驗樣地2 hm2，實驗材料為新紅1號蘋果、溫185核桃、灰棗3個果樹品種。新紅1號蘋果樹高4 m，溫185核桃樹高4.5 m，灰棗樹高3 m，樹齡均為10 a，行間距為4 m×6 m，南北行向栽植。自然狀態(tài)下接受降塵影響的樣樹5株為降塵組，以每7 d用清水沖洗一次葉片的樣樹5株為對照組，于2020年6—8月進行滯塵量、光合參數(shù)、熒光參數(shù)和葉綠素含量測定。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 滯塵量的測定

參考路艷等[13]的方法，6—8月每個月每7 d(即7、14、21、28 d)采集一次葉片，在樹體四周同一高度處均勻采樣，根據(jù)葉片大小，采20～30片，將采集的葉片放入信封袋中帶回實驗室。首先用萬分之一的電子天平稱質(zhì)量(W1)，W1即為葉片及葉片上的降塵顆粒物的質(zhì)量，然后將葉片表面灰塵用流水沖洗干凈，待陰干后再稱重(W2)，2次質(zhì)量之差即為葉片滯塵量。用萬深葉面積測量儀LA-S測定葉表面積(S)，則單位葉面積滯塵量Q=(W1-W2)/S，結果取均值作為單月平均滯塵量。

1.2.2 光合參數(shù)和熒光參數(shù)的測定

分別于6—8月的每月下旬，選擇晴朗靜風天氣，選取對照組與降塵組樹體中上部外圍光照充足、生長健康的葉片進行測定。采用美國產(chǎn)LI-6800便攜式光合儀測定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等光合參數(shù)；采用英國 Hansatech便攜式調(diào)制熒光儀(FMS-2)測定熒光參數(shù)，用葉夾將要測定的葉片夾住暗適應15 min，在低強度的測量紅光照射下，得到最小熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)。然后打開暗適應夾，葉片在自然光條件下適應30 min后，在內(nèi)源 300 μmol·m-2·s-1光化光照射下測得穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)，在1 300 μmol·m-2·s-1的飽和脈沖白光下照射30 s后獲得光下最大熒光(Fm)，最大光化學效率(Fv/Fm)可從FMS-2脈沖調(diào)制式熒光分析儀上直接讀取。每處理5個重復，結果取平均值。計算非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)、光化學淬滅系數(shù)(qP)。

1.2.3 葉綠素含量的測定

參考董斌等[14]的方法，采用80%丙酮法測定葉綠素含量。將測量完光合及熒光參數(shù)的蘋果、核桃、棗葉片采集后帶回實驗室，避開葉脈分別稱取0.02、0.04、0.03 g，用5 mL 80%丙酮研成勻漿，放置在試管中暗處理20 min后進行過濾，然后用80%丙酮定容至10 mL，搖勻。以80%丙酮為空白對照，在波長663、646 nm下測定吸光度，計算葉綠素總量。每處理5個重復，結果取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)以“平均數(shù)±標準誤”表示。采用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)整理和繪圖，采用SPSS 20.0 軟件用LSD法對所測數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗和多重比較。采用Pearson相關性分析法分析3種果樹滯塵能力與葉片光合特征及葉綠素熒光參數(shù)之間的關系，相關系數(shù)矩陣圖采用Origin軟件制作。

2 結果與分析

2.1 三種果樹單位葉面積滯塵量

3種果樹單位葉面積滯塵量見表1，6—8月3種果樹單位葉面積滯塵量呈一定的累積效應。隨著時間的推移，3種果樹單位葉面積滯塵量之間存在顯著(P<0.05)差異。蘋果、核桃、棗單位葉面積平均滯塵量分別為 8.78、7.42、8.01 mg·cm-2，滯塵能力為蘋果>棗>核桃。

表1 三種果樹單位葉面積滯塵量

2.2 降塵對3種果樹葉片葉綠素含量的影響

降塵對3種果樹葉片葉綠素含量(Chl)的影響見圖1。受降塵影響，3種果樹葉片葉綠素含量在不同時間段均顯著(P<0.05)低于對照植株。葉片葉綠素含量為蘋果>核桃>棗，3種果樹葉片葉綠素含量存在顯著(P<0.05)差異。6—8月蘋果降塵處理的植株葉片葉綠素含量分別比對照植株顯著(P<0.05)降低14.30%、15.55%、17.56%；核桃降塵處理的植株葉片葉綠素含量分別比對照植株顯著(P<0.05)降低9.54%、22.47%、29.70%；棗降塵處理的植株葉片葉綠素含量分別比對照植株顯著(P<0.05)降低10.16%、13.40%、17.19%。由此可以看出，果樹葉片受降塵影響時間越長，葉片葉綠素含量下降的程度越大。

不同大寫字母表示同一處理的不同樹種間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一時間段兩種處理間差異顯著(P<0.05)；圖中ck(A)為蘋果對照處理、da(A)為蘋果降塵處理、ck(W)為核桃對照處理、da(W)為核桃降塵處理、ck(J)為棗對照處理、da(J)為棗降塵處理。下同。

2.3 降塵對3種果樹葉片光合特性的影響

2.3.1 降塵對3種果樹葉片凈光合速率及胞間CO2濃度的影響

如圖2-A所示，受降塵影響，3種果樹葉片Pn均顯著(P<0.05)低于對照植株，并且隨著處理時間的推移，3種果樹之間Pn在7月出現(xiàn)顯著(P<0.05)差異。6—8月蘋果降塵處理的植株葉片Pn分別比對照植株顯著(P<0.05)降低13.83%、26.11%、25.08%；核桃降塵處理的植株葉片Pn分別比對照植株顯著(P<0.05)降低8.70%、19.77%、26.71%；棗降塵處理的植株葉片Pn分別比對照植株顯著(P<0.05)降低25.30%、31.16%、27.42%。

降塵對3種果樹葉片胞間CO2濃度的影響見圖2-B。隨著處理時間的推移，3種果樹Ci在8月出現(xiàn)顯著性差異，且降塵處理的植株Ci均顯著(P<0.05)高于對照植株。6—8月蘋果降塵處理的植株葉片Ci分別比對照植株顯著(P<0.05)升高9.87%、10.15%、11.01%；核桃降塵處理的植株葉片Ci分別比對照植株顯著(P<0.05)升高9.11%、5.29%、3.40%；棗降塵處理的植株葉片Ci分別比對照植株顯著(P<0.05)升高9.07%、7.67%、1.45%。

圖2 降塵對3種果樹葉片凈光合速率及胞間CO2濃度的影響

2.3.2 降塵對3種果樹葉片氣孔導度及蒸騰速率的影響

如圖 3-A所示，降塵處理的蘋果和核桃葉片Gs呈先升后降的變化趨勢，而棗則相反。6月未受降塵影響的3種果樹Gs無顯著差異，受降塵影響后出現(xiàn)顯著(P<0.05)差異。6—8月蘋果降塵處理的植株葉片Gs分別比對照植株顯著(P<0.05)降低13.13%、10.93%、29.11%；核桃降塵處理的植株葉片分別比對照植株顯著(P<0.05)降低5.67%、9.69%、21.80%；棗降塵處理的植株葉片分別比對照植株顯著(P<0.05)降低9.16%、28.93%、31.69%。

如圖3-B所示，3種果樹葉片Tr變化規(guī)律與Gs一致。7月兩種處理下3種果樹葉片Tr之間均出現(xiàn)顯著(P<0.05)差異，Tr值為核桃>蘋果>棗。6—8月蘋果降塵處理的植株葉片Tr分別比對照植株顯著(P<0.05)降低16.17%、12.80%、8.72%；核桃降塵處理的植株葉片Tr分別比對照植株顯著(P<0.05)降低19.53%、13.09%、10.83%；棗降塵處理的植株葉片Tr分別比對照植株顯著(P<0.05)降低1.06%、20.89%、22.55%。隨著處理時間的推移，棗Tr受降塵的影響增大，而蘋果和核桃Tr受降塵影響程度越來越小，但兩種處理之間仍存在顯著(P<0.05)差異。

圖3 降塵對3種果樹葉片氣孔導度及蒸騰速率的影響

2.4 降塵對葉片葉綠素熒光特性的影響

2.4.1 降塵對3種果樹葉片F(xiàn)v/Fm及Fo的影響

如圖4-A所示，未接受降塵影響的3種果樹葉片F(xiàn)v/Fm基本不變，而受降塵影響后3種果樹葉片F(xiàn)v/Fm均顯著(P<0.05)低于對照植株，3種果樹Fv/Fm之間無顯著差異。隨著處理時間的推移，蘋果和核桃Fv/Fm呈下降趨勢，而棗呈先降后升的變化趨勢。6—8月蘋果降塵處理的植株Fv/Fm分別比對照植株顯著(P<0.05)降低1.54%、1.91%、2.23%；核桃降塵處理的植株Fv/Fm分別比對照植株顯著(P<0.05)降低1.54%、2.42%、3.52%；棗降塵處理的植株Fv/Fm分別比對照植株顯著(P<0.05)降低1.89%、3.99%、2.98%。

如圖4-B所示，受降塵影響后，核桃Fo逐漸上升，蘋果和棗Fo呈先升后降的變化趨勢。3種果樹處理植株Fo均顯著(P<0.05)高于對照植株。6—8月蘋果降塵處理的植株Fo分別比對照植株顯著(P<0.05)升高11.53%、15.58%、8.24%；核桃降塵處理的植株Fo分別比對照植株顯著(P<0.05)升高6.01%、11.37%、13.51%；棗降塵處理的植株Fo分別比對照植株顯著(P<0.05)升高15.53%、26.59%、15.64%。

圖4 降塵對三種果樹葉片F(xiàn)v/Fm及Fo的影響

2.4.2 降塵對3種果樹葉片qP及NPQ的影響

如圖5-A所示，受降塵影響的蘋果和核桃NPQ呈先降后升的變化趨勢，棗NPQ則呈下降趨勢。隨著處理時間的推移，降塵處理的植株葉片NPQ均顯著(P<0.05)高于對照植株。6—8月蘋果降塵處理的植株NPQ分別比對照植株顯著(P<0.05)升高42.33%、32.75%、26.35%；核桃降塵處理的植株NPQ分別比對照植株顯著(P<0.05)升高27.20%、52.95%、27.79%；棗降塵處理的植株NPQ分別比對照植株顯著(P<0.05)升高23.30%、3.19%、17.65%。

如圖5-B所示，兩種處理下3種果樹qP存在顯著(P<0.05)差異。受降塵影響后3種果樹降塵處理的植株葉片qP顯著(P<0.05)低于對照植株。6—8月蘋果降塵處理的植株qP分別比對照植株顯著(P<0.05)降低4.48%、5.26%、5.08%；核桃降塵處理的植株qP分別比對照植株顯著(P<0.05)降低3.32%、6.90%、13.74%；棗降塵處理的植株qP分別比對照植株顯著(P<0.05)降低19.31%、7.76%、24.11%。

圖5 降塵對三種果樹葉片qP及NPQ的影響

2.5 三種果樹滯塵量與光合參數(shù)及葉綠素熒光參數(shù)的相關性分析

如圖6所示，通過對6—8月3種果樹單位葉面積滯塵量與光合參數(shù)及葉綠素熒光參數(shù)的相關性分析顯示，3種果樹葉片滯塵量與Pn、Chl及Fv/Fm之間顯著(P<0.05)負相關或極顯著(P<0.01)負相關，與Ci顯著(P<0.05)正相關。此外蘋果滯塵量還與Gs之間極顯著正相關，棗滯塵量與Tr極顯著(P<0.01)負相關。核桃滯塵量與qP極顯著(P<0.01)負相關，與NPQ顯著(P<0.05)正相關。

*表示在0.05水平上顯著相關；**表示在0.01水平上顯著相關。

3 討論

大量研究表明，果樹滯塵能力與葉片表面粗糙程度[15]、有無絨毛[16]以及葉柄長短等[17]多種因素有關。本研究發(fā)現(xiàn)，3種果樹滯塵能力為蘋果>棗>核桃。滯塵能力最大的蘋果因其葉片表面粗糙且具有溝狀組織使其能夠接受較多的降塵。而核桃葉片表面較為光滑，兩面無毛，葉柄長，其滯塵能力最弱。表明果樹滯塵能力與葉面形態(tài)結構密切相關，葉面粗糙程度是決定果樹葉片滯塵能力強弱的重要因素，這在杏(Armeniacavulgaris)、櫻桃(Prunuspseudocerasus)、石榴(Punicagranatum)等[18-19]多種果樹的相關研究中，也得到了相似結論。

植物葉片葉綠素含量是光合能力及生理活性的重要指標，環(huán)境脅迫會引起植物體內(nèi)葉綠素酶活性升高，加快葉綠素的降解[20-22]。李海波等[23]研究表明，環(huán)境脅迫會加速水稻(Oryzasativa)葉綠素的降解，類囊體膜的穩(wěn)定性降低，導致光合速率下降。本研究發(fā)現(xiàn)，降塵導致3種果樹葉片葉綠素含量顯著降低，并且葉面滯塵時間越長，葉綠素含量下降程度越大。這在歐洲李(Prunusdomestica)[24]，阿月渾子(Pistaciavera)[25]的相關研究中，也得到了進一步證實，表明降塵引發(fā)植物體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧，葉綠體結構被破壞，從而抑制植物葉片葉綠素的形成。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎，外界環(huán)境改變后，植物的凈光合速率Pn隨之改變。Farquhar等[26]指出，因Ci值升高造成的植物Pn下降，主要與葉片葉肉細胞光合能力的下降有關；而Ci值降低造成的植物Pn下降，則由氣孔受限引發(fā)。本研究發(fā)現(xiàn)，受降塵影響的3種果樹葉片Pn顯著降低，而Ci顯著升高，非氣孔因素是導致其Pn下降的主要原因，這在西梅(Prunusdomestica)[27]、榅桲(Cydoniaoblonga)[28]和蘋果[29]等研究中也得出一致結論，表明降塵導致植物葉片光合機構受損，CO2的固定和溶解能力下降[30]。但李巧云等[31]則認為浮塵使冬小麥(Triticumaestivum)Pn下降系由氣孔受限引發(fā)，降塵阻礙了CO2進入葉片的能力，胞間CO2濃度隨之降低，進而影響到凈光合速率，使光合速率下降。表明降塵會通過氣孔或者非氣孔的因素造成植物葉片凈光合速率下降，但因植物類型、種類的不同存在差異。秦璐等[32]、楊茂生等[33]通過對梭梭(Haloxylonammodendron)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)的研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片降塵量越大，氣孔導度和蒸騰速率越小，表明葉面降塵引發(fā)氣孔堵塞，水汽擴散受阻，從而導致蒸騰速率降低。本研究發(fā)現(xiàn)，降塵導致果樹葉片氣孔導度和蒸騰速率均降低。這與莫治新等[34]研究結果一致，說明葉面長期滯塵導致氣孔堵塞嚴重，進而加劇蒸騰速率降低。

植物葉綠素熒光能夠直觀地反映出環(huán)境脅迫對植物葉片光合作用的傷害機理[35]。Fv/Fm是判斷植物是否受到光抑制的重要標準[36]，F(xiàn)o表示黑暗條件下PSⅡ反應中心全部開放的熒光水平，PSⅡ反應中心受到破壞Fo就會增加[37]。本研究發(fā)現(xiàn)，降塵使3種果樹葉片F(xiàn)v/Fm顯著降低，F(xiàn)o顯著升高，這在杏[38]的相關研究中，也得到了進一步證實，說明降塵使果樹葉片PSⅡ反應中心產(chǎn)生一定程度的傷害或可逆性失活，果樹葉片原初光能轉(zhuǎn)換效率降低，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。王兆等[39]認為低溫脅迫使彩葉草(Solenostemonscutellarioides)qP降低，NPQ上升，表明環(huán)境脅迫使植物葉片PSⅡ反應中心的開放程度降低，參與CO2固定的電子減少。本研究發(fā)現(xiàn)，降塵導致3種果樹qP顯著降低，NPQ顯著上升。這與付春霞等[40]對蘋果的研究結果一致，說明降塵脅迫使植物用于光化學反應的能量減少，植物通過加強非化學反應的能量耗散來避免過量的光傷害。

呂東蓬[41]研究發(fā)現(xiàn)，植物光合特征參數(shù)損失率與葉片滯塵量之間呈顯著的正相關關系，即滯塵量越大，植物光合特征參數(shù)損失率越大。本研究發(fā)現(xiàn)，3種果樹滯塵量與Pn、Fv/Fm以及Chl之間呈顯著負相關關系或極顯著負相關關系。這與吳天忠等[42]研究結果一致，說明植物葉片的光合作用與其所處的環(huán)境緊密相關，植物滯塵量增大會減少葉片的光合有效面積，嚴重阻礙植物的光合作用。

4 結論

三種果樹滯塵能力為蘋果>棗>核桃，葉面滯塵量越大，對果樹葉片光合作用的影響越大。降塵導致3種果樹葉片凈光合速率下降的主要因素是非氣孔因素。降塵使果樹葉片PSⅡ反應中心產(chǎn)生一定程度的傷害或可逆性失活，降低了果樹葉片的原初光能轉(zhuǎn)換效率，從而影響光合作用的正常進行。