李 強(qiáng)，王 非，何 淼，路雪梅，王紅慶，石 林

(東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

光合作用是植物的重要代謝過程。光合能力直接影響植物的生長、生物量和抗逆性，因此，光合作用是衡量植物生長和抗逆性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[1]。植物的光合作用受光照[2]、溫度[3]、水分[3-4]等環(huán)境因子的影響。植物光合作用對水分脅迫非常敏感[5-6]，水分脅迫會抑制植物葉綠素的合成，氣孔的開張和光合作用中光反應(yīng)的光能轉(zhuǎn)換、電子傳遞、光合磷酸化和光合作用暗反應(yīng)等一系列過程，導(dǎo)致光合速率下降[3]。

荻(Miscanthussacchariflorus)是多年生禾本科植物[7]，具有較高的光合能力[8]和生物量[9]，是一種重要的可再生能源植物[10]。然而，我國西北、東北以及華北地區(qū)屬于干旱、半干旱或半濕潤偏旱地區(qū)，水分不足是限制荻在當(dāng)?shù)厣L和推廣的一個重要的因素。我國對荻的研究起步較晚，對荻光合特性的研究相對較少，且多集中于對荻的光合日進(jìn)程和光合速率的季度變化方面[11]，而有關(guān)土壤水分脅迫對荻光合特性的影響則尚未見報(bào)導(dǎo)。本研究采用盆栽土壤控水的方法，通過測量不同土壤水分脅迫下荻光合作用的動態(tài)變化，揭示水分脅迫對荻光合特性的影響，以期為荻在我國干旱及半干旱地區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn) 盆栽試驗(yàn)在黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院苗圃(125°42′～130°10′ E，44°04′～46°40′ N)進(jìn)行。該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.5～5.5 ℃，>10 ℃年積溫2 700 ℃·d，年降水量247～1 081 mm，無霜期150 d左右，極端最高氣溫37.8 ℃，最低氣溫-42.6 ℃。

1.2試驗(yàn)材料 荻的種子于2011年10月在哈爾濱市太陽島風(fēng)景區(qū)采收。盆缽規(guī)格為35 cm×20 cm×27 cm(上徑×下徑×高)。試驗(yàn)所用土壤為黑色泥炭土，經(jīng)自然風(fēng)干，研磨，過2 mm篩，按照1∶1∶1質(zhì)量比將泥炭土、蛭石、珍珠巖混合均勻制成培養(yǎng)基質(zhì)，按照每盆6.5 kg的標(biāo)準(zhǔn)裝入帶托盤的花盆中備用。培養(yǎng)基質(zhì)pH值為8.1，土壤有機(jī)質(zhì)含量為124 g·kg-1，全氮為4.5 g·kg-1，全磷為13.1 g·kg-1，全鉀為27.3 g·kg-1。試驗(yàn)前測得基質(zhì)的最大田間持水量為 33.4%(參照國標(biāo)GB7835-37測定)。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法 于2012年1月，在東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院苗圃溫室內(nèi)進(jìn)行荻的播種繁殖。2012年5月15日，將溫室中生長狀況良好、發(fā)育基本一致的荻幼苗，按照每盆兩株的標(biāo)準(zhǔn)移栽入盆缽內(nèi)進(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)，每處理移植20盆，3次重復(fù)。待移植的荻恢復(fù)正常生長后，于2012年7月5日開始控水。共設(shè)4個土壤水分處理，分別為對照(保持土壤水分含量為該土壤最大持水量的80%，下同)、輕度水分脅迫(65%)、中度水分脅迫(45%)以及重度水分脅迫(30%)，4種處理的土壤含水量分別是26.7%、21.7%、15%和10%，分別用CK、W1、W2和W2表示。

用稱重法控制土壤含水量，在各處理期間于每日17：00時用電子天平稱重補(bǔ)水，并架設(shè)防雨棚，防止自然降水影響土壤水分含量。當(dāng)各處理的土壤含水量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)20 d后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.4葉片氣體交換參數(shù)的測定 于09：00-11：30期間，分別選取各處理完全展開的功能葉，采用LI-6400XT光合-熒光測定系統(tǒng)(IRGA，LI-COR，Lincoln，USA)測定荻的葉片氣體交換參數(shù)。測定參數(shù)為：葉室環(huán)境溫度為25 ℃，CO2濃度為400 μmol·mol-1，光量子通量密度(PPFD)為1 500 μmol·m-2·s-1。輸出包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等，各處理測量5～6枚葉片。光響應(yīng)曲線測定時的CO2濃度為400 μmol·mol-1，PPFD梯度分別為1 500、1 000、650、400、200、150、100、50和0 μmol·m-2·s-1，各處理測量3～6枚葉片。

1.5葉片各項(xiàng)生理指標(biāo)的測定 葉片相對含水量(RWC)采用烘干法測定[12]，葉綠素含量采用分光光度法測定[13]，比葉重(SLW)采用烘干法測定葉片干質(zhì)量[13]，葉面積采用Photoshop圖像法測定[14]。

1.6數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 19.0 軟件，根據(jù)Farquhar非直角雙曲線模型[15]擬合光合特性回歸曲線，求得最大光合速率(Pmax)、表觀量子效率(AQE)和暗呼吸速率(Rd)。低光強(qiáng)時，凈光合速率(Pn)隨光強(qiáng)的增加呈線性增加，本研究中根據(jù)PPFD為0～200 μmol·m-2·s-1時光合特性的線性擬合方程求得光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)，按凈光合速率(Pn)為最大凈光合速率的90%時的PPFD求得光飽和點(diǎn)(LSP)[16]。

水分利用效率(WUE)[17]：

WUE=Pn/Tr；

氣孔限制值(LS)[17]:

LS=1-Ci/Ca.

對采集的數(shù)據(jù)用 Excel 2003和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)檢驗(yàn)不同土壤水分處理間的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1土壤水分脅迫對荻葉片生理指標(biāo)的影響 隨著土壤水分脅迫程度的增加，荻葉片的相對含水量和比葉重均呈下降趨勢，且各處理間葉片相對含水量和比葉重均差異顯著(P<0.05)(圖1)。與對照相比，輕度、中度和重度水分脅迫處理的葉片相對含水率分別下降了8%、26%和51%，比葉重分別下降了10%、27%和49%。

圖1 水分脅迫對荻葉片相對含水量(A)和比葉重(B)的影響Fig.1 Effect of soil water stress on RWC(A)and SLW(B) in leaves of M. sacchariflorus

與對照相比較，輕度水分脅迫處理時荻葉片的葉綠素a、葉綠素 b和葉綠素總量下降，葉綠素a含量與對照間差異不顯著(P>0.05)，葉綠素b含量和葉綠素總量與對照間差異顯著(P<0.05)。中度和重度水分脅迫下，荻葉片的葉綠素a、葉綠素 b和葉綠素總量均顯著低于對照與輕度水分脅迫(P<0.05)處理，中度和重度水分脅迫處理葉綠素總量與對照相比分別下降了21%和39%(圖2)。

2.2水分脅迫對荻葉片氣體交換參數(shù)的影響 隨著土壤水分脅迫程度的加深，荻的Pmax、AQE、Rd、Ci、Gs、Tr和LSP氣體交換參數(shù)也隨之下降，且各處理間差異顯著(P<0.05)。Ls隨著土壤水分脅迫程度的加深而升高，各處理間差異顯著(P<0.05)。荻的WUE隨著土壤水分脅迫程度的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，中度水分脅迫處理的WUE最高達(dá)到了2.91, 是對照的1.52倍，顯著高于其它各組處理(P<0.05)，重度水分脅迫處理的水分利用效率雖然低于中度處理，但仍顯著高于對照和輕度水分脅迫處理(P<0.05)。荻的LCP隨著土壤水分脅迫程度的加深而下降，輕度和中度水分脅迫處理間差異不顯著，其余各處理間差異顯著(P<0.05)(表1)。

圖2 水分脅迫對荻葉片葉綠素含量的影響Fig.2 Effect of water stress on chlorophyll content in leaves of M. sacchariflorus

表1 土壤水分脅迫對荻葉片氣體交換參數(shù)的影響Table 1 Effects of soil water stress on gas exchange parameters of leaves of M.sacchariflorus

3 討論與結(jié)論

3.1土壤水分脅迫對荻葉片相對含水量、葉綠素含量及比葉重的影響 葉片相對含水量是反映植物水分狀況的重要指標(biāo)[18]。本研究表明，水分脅迫造成荻葉片相對含水量下降。這與蔣龍等[19]報(bào)道的4種畫眉草(Eragrostispilosa)抗旱性比較研究中，葉片相對含水量隨著水分脅迫的加劇而下降的結(jié)果一致。另外，中度和重度水分脅迫下荻葉片的相對含水量低于70%，這會對荻的光合作用造成破壞性的傷害[20]。

植物葉片葉綠素含量既可以衡量植物抗逆性，又可以直接反映植物光合能力[21]。一般情況下，葉綠素的含量會在水分脅迫過程中下降[19-21]，然而也有一些研究證明某些植物在水分脅迫下，其葉綠素會顯著增加[22]。本研究中，水分脅迫下荻葉綠素含量下降，這與劉麗平等[23]報(bào)道的階段性干旱使小麥(Triticumaestivum)葉綠素含量下降的結(jié)果一致。

比葉重表示的是植物在葉片中積累有機(jī)物的量，是衡量植物合成同化物能力的一個重要參數(shù)，且與植物的生物量存在一定相關(guān)性[24]。陳金平等[25]研究了共生期土壤含水量對冬小麥旗葉比葉重的影響，結(jié)果表明，在土壤含水量高的生境下，冬小麥的旗葉具有較高的比葉重。本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致，土壤水分脅迫下荻的比葉重下降，表明水分脅迫降低了荻的同化能力，減少了葉片中有機(jī)質(zhì)的積累。

3.2土壤水分脅迫對荻氣體交換參數(shù)的影響 本研究表明，水分脅迫對荻的光合作用產(chǎn)生了嚴(yán)重的抑制作用，各項(xiàng)光合參數(shù)顯著降低。這與張淑勇等[26]報(bào)道的，隨著土壤含水量的降低，小葉扶芳藤(Euonymusfortunei)葉片的Pmax、AQE、Tr和Rd均顯著下降的結(jié)果一致。水分脅迫對植物光合作用的抑制主要包括氣孔關(guān)閉導(dǎo)致的氣孔限制和葉肉細(xì)胞光合活性下降導(dǎo)致的非氣孔限制兩個方面[22]。Farquhar和Sharker[27]研究認(rèn)為，只有Ci和Gs同時下降時，才能證明凈光合速率的下降是由氣孔限制造成的。本研究中，隨著水分脅迫程度的增加,Pmax、Ci和Gs均顯著下降，Ls顯著上升，說明水分脅迫對荻光合作用的抑制是由氣孔限制引起的。

光合作用的AQE是反映植物光能利用效率的重要指標(biāo)[28]，水分是影響植物表觀量子效率的重要因素。本研究中，土壤水分脅迫下荻的表現(xiàn)量子效率下降，這與郎瑩等[28]報(bào)道的在一定范圍內(nèi)，隨著土壤含水量的下降，山杏(Prunusarmeniaca)的表觀量子效率顯著下降的結(jié)果一致。

LSP和LCP是植物光合作用的重要生理指標(biāo)，光飽和點(diǎn)高的植物利用強(qiáng)光的能力較強(qiáng)，而光補(bǔ)償點(diǎn)低的植物，則可以更有效地利用弱光[29]。許多研究表明[28-29]，植物的光飽和點(diǎn)會隨著水分脅迫程度的增強(qiáng)而下降，這與本研究的結(jié)果一致，在水分脅迫下荻對強(qiáng)光的利用能力下降。本研究中，水分脅迫下荻的LCP下降，荻對弱光的利用能力增強(qiáng)。這與朱艷艷等[30]對不同土壤水分條件下白榆(Ulmuspumila)的光響應(yīng)研究結(jié)果相悖，究其原因，可能是不同植物在水分脅迫中對光的適應(yīng)能力的差異所造成的。

植物水分利用效率是反映植物環(huán)境適應(yīng)能力的重要指標(biāo)，也是確定植物體生長發(fā)育所需水分供應(yīng)情況的重要指標(biāo)之一[31]。本研究表明，不同土壤水分脅迫處理中荻的水分利用效率均高于對照處理，這與嚴(yán)昌榮等[32]報(bào)道的在干旱生境中生長的植物具有較高的水分利用效率相一致。這說明荻在受水分脅迫時，能夠通過減少蒸騰耗水等生理調(diào)節(jié)措施來適應(yīng)土壤水分條件的變化，保持一定的光合作用，從而獲得較高的水分利用效率。

綜上所述，荻的光合生理特性對水分脅迫十分敏感，荻葉片的氣體交換參數(shù)與生理指標(biāo)對水分脅迫的適應(yīng)能力較差，可塑性較低。因此，在荻的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和園藝栽培過程中應(yīng)重點(diǎn)注意其水分管理，保證其光合作用的正常進(jìn)行。

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