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)科學研究院,森林和濕地生態(tài)恢復與保育四川重點實驗室 成都 610081 2 四川臥龍森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,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)科學技術研究所,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、黑水河沿河狹長河谷地帶,類型主要為干溫河谷,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,植被恢復困難,近年來更呈現(xiàn)出生態(tài)退化加劇及干旱河谷范圍擴大等問題,是國家長江上游生態(tài)屏障建設的重點及難點區(qū)域[3]。

岷江柏(Cupressuschengiana)是柏科柏屬長壽慢生喬木,為中國珍稀瀕危種,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、荒山造林的重要樹種[4]。針對干旱河谷地區(qū)的岷江柏,目前已開展人工林碳氮儲量林齡變化[5],造林效果評價[4],天然種群種實表型變異特征[6],保墑處理、模擬干旱、干旱復水及施氮對幼苗生理特征影響[7—10]等研究。有關岷江柏生理特征的研究以單一的水分控制試驗為主,研究材料多為幼苗,但岷江上游干旱河谷野外環(huán)境復雜,現(xiàn)有研究對揭示岷江柏對干季野外環(huán)境的適應策略具有一定的局限性。水分、氣溫等變化會對植物葉片的生理特征產(chǎn)生不同程度的影響,嚴重的環(huán)境脅迫會打破葉片水分平衡、破壞光合器官,但適應能力強的植物能通過氣孔調節(jié)、滲透物質調節(jié)、加強熱耗散等途徑,在脅迫期間維持葉片正常生理功能[11—12]。

岷江柏是如何響應和適應干旱河谷干季的干旱低溫環(huán)境？岷江柏較強的抗旱性是否以降低光合生產(chǎn)為代價？本文對干旱河谷地區(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行原位測定,分析岷江柏在不同季節(jié)的變化特征,初步探討岷江柏對干旱河谷的適應策略,為岷江柏樹種的資源有效利用、適宜分布區(qū)篩選以及在干旱河谷地區(qū)的推廣奠定科學基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區(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范圍內布設三臺小型“氣象-土壤”監(jiān)測儀,監(jiān)測離地1.2 m高度的氣象環(huán)境指標以及地下50 cm深度的土壤環(huán)境指標。如表1所示,試驗區(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,干季各項氣溫指標、土壤體積含水量指標下降幅度較大,各項氣濕指標、土壤溫度指標變化幅度較小。

表1 濕季和干季的氣象和土壤環(huán)境特征

1.2 試驗材料與試驗設計

在研究區(qū)域劃定一個1 km×1 km采樣測定區(qū)域,采取五點取樣法,在該區(qū)域的左上、左下、右上、右下、中間的位置設置5個10 m×10 m的小樣方,每個樣方選取5株岷江柏作為備測植株,測定葉片需健康且位于向陽面,在2017年7月(濕季)和11月(干季)的天氣晴朗的時間段,進行樣品采集與相關指標的測定。對光合生理指標的測定所用葉片進行標記,干濕季對應測定,每株設5個重復。采取一次性混合取樣方式采集葉片,用于水分生理、酶活及滲透物質等指標的測定,每株取混合樣5份。

1.3 測定指標及方法

1.3.1氣體交換參數(shù)

采用Li- 6400便攜式光合作用測定儀(Licor,USA)對飽和光下瞬時凈光合速率(Light-saturated net photosynthetic rate,Pnmax)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等葉片的氣體交換參數(shù)進行測定,并計算氣孔限制值(Ls)、瞬時水分利用效率(WUE),計算公式分別為Ls=(1-Ci/Ca)×100%、WUE=Pnmax/Tr。葉室環(huán)境條件設置為：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)設定為2000 μmol m-2s-1(岷江柏的飽和光強,前期實驗測得)。暗呼吸速率(Rd)在22:00—24:00測定,PAR設定為0 μmol m-2s-1,其他環(huán)境控制條件與光下一致[13]。

1.3.2Pn-Ci響應曲線的測定

在PAR為2000 μmol m-2s-1飽和光強下,設置50、100、150、200、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000共13個Ca(μmol/mol)梯度,并測定相應的凈光合速率(Pn)。Pn-Ci響應曲線利用直角雙曲線的修正模型進行擬合[14],同時計算光合能力(Amax)、初始羧化效率(CE)、CO2補償點(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光合生化模型進行計算[15]。

1.3.3葉綠素熒光參數(shù)的測定

將暗適應處理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設定與1.3.1一致,PAR設定為0 μmol m-2s-1,得到PSII反應中心的最大光化學效率(Fv/Fm)；接著將PAR設定為2000 μmol m-2s-1,得到開放的PSII反應中心的激發(fā)能捕獲效率(Fv′/Fm′)、光化學猝滅系數(shù)(qP)、非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)、PSII實際光化學效率(ФPSII)和電子傳遞效率(ETR)等葉綠素熒光參數(shù)[13]。

1.3.4水分生理指標的測定

葉片相對含水量(RWC)采用飽和稱重法,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(Ψpl)和正午葉片水勢(Ψml)分別于黎明前和正午采集樣品,利用WP4露點水勢儀(Decagon,USA)測定[16]。

1.3.5抗性酶活性及滲透物質含量測定

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑光化還原法測定,過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定,過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定,脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮法測定,可溶性糖(SS)含量采用蒽酮比色法測定[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016進行數(shù)據(jù)預處理與繪圖,用SPSS 25.0進行相關性分析及差異顯著性分析。

2 研究結果

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。滲透調節(jié)物質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響應曲線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Ci響應趨勢基本一致,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熒光參數(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與水分生理指標的Pearson相關性分析

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

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熒光參數(shù)

表8 光合生理指標和水分生理指標的Pearson相關性分析

3 討論

試驗區(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(表1)。

3.1 岷江柏干濕季水分生理響應

已有研究發(fā)現(xiàn),在脅迫環(huán)境下,植物能通過積累滲透調節(jié)物質、降低葉水勢、減少蒸騰等策略維持植物體內的水分平衡[18—20]。本研究發(fā)現(xiàn),在干季,岷江柏通過增加葉片的Pro、SS等有機溶質的積累(表3),不僅能以此進行滲透調節(jié),降低葉片細胞水勢和滲透勢,提高細胞的保水和持水能力；還能作為抗冷劑,降低冰點,提高原生質保護能力,保護蛋白質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)生的過量活性氧,防止膜脂過氧化,維持葉片細胞正常的生理活動[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),增強了葉片對土壤水分的獲取能力[24]；另一方面作為植物與外界環(huán)境進行水分交換的重要通道,岷江柏通過降低氣孔開放程度(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]；此外也有研究認為,在土壤水分虧缺時,植物還能加大葉片對凝結水、雨水等的吸收能力,研究區(qū)域干季空氣濕潤(表1),早晚較大溫差產(chǎn)生的較多凝結水,可能也是岷江柏重要的補水途徑[26]。通過以上策略,岷江柏在干季仍能維持正常的水分平衡,RWC變化較小(表2),相關性也表明,水分生理指標對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

本研究發(fā)現(xiàn),在Pn-Ci響應曲線中的較低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,主要原因為CO2和O2作為Rubisco不同底物,會產(chǎn)生競爭性的羧化反應和氧化反應,濕季的高溫環(huán)境,會降低CO2/O2比值,提高氧化反應速率,從而引起Rp和Γ的上升(表5),最終導致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,在從葉綠體向線粒體運送還原物質的過程中對過剩的熱量進行快速耗散,并加快活性氧的清除,以保護光合器官[28—30]。而隨著Ci的升高,羧化反應逐漸替代氧化反應成為主導反應,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等多個光合生理指標均顯著下降(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,最終導致Amax下降；干季,即使在岷江柏為減少蒸騰,降低氣孔開放程度,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),這也從另一個角度說明,岷江柏能夠通過提升呼吸速率增加消耗以應對夜間低溫,進而維持植物機體正常的新陳代謝。

葉綠素熒光是揭示光合進程內在性的“探針”,能夠反映光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等特點[34]。相較于濕季,岷江柏干季的Fv′/Fm′、ФPSII、qP、ETR顯著下降(表7)。相關研究認為,Fv′/Fm′的降低表明岷江柏在干季的脅迫環(huán)境下減少了對光能的吸收,qP的降低表示PSII反應中心通過將天線色素捕獲的光能作用于光化學反應的比例下降,說明其PSⅡ反應中心開放程度下降,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,阻礙了整個光合電子傳遞過程,從而導致光化學效率下降,光合器官受到抑制[35—36],但過剩的光能如不能及時耗散,將對光合系統(tǒng)造成破壞[37]。NPQ反映了PSⅡ天線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是啟動光保護機制中熱耗散功能的體現(xiàn)[38]。岷江柏在干季通過自身調節(jié)機制平衡葉片對光能的捕獲、利用與耗散之間的關系,最大限度地保持葉片PSⅡ反應中心活性[39],這與張玉玉等[40]和Azhar等[41]的研究結果一致。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程加強運轉的共同結果,是一種自我消耗性的、被動的適應方式[42—43]。在相關性分析中(表8),Amax、Pnmax和呼吸指標、光合生理指標、葉綠素熒光參數(shù)指標等呈顯著相關,而Ci、Ls在干季并未出現(xiàn)顯著下降,根據(jù)Farquhar和Sharkey的分類標準[44],說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,導致WUE的增加(表4),對干季的適應能力增強[45—46],這與前人研究結果類似[47—48]。

4 結論與展望

綜上所述,岷江柏之所以對干旱河谷具有很強的適應能力,是因為其能通過采取多方面的、合理的、系統(tǒng)的適應策略應對干季干旱、低溫等環(huán)境脅迫。一是通過積累滲透物質、降低葉水勢、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,維持水分生理平衡；二是通過增加光合產(chǎn)物在抵御干季干旱和夜間低溫等方面的消耗,以適應脅迫環(huán)境,維持葉片較為正常的生理活動；三是在光合器官活性下降的情況下,岷江柏還能通過增加熱耗散以保護光合器官,表現(xiàn)出較強的環(huán)境適應性。但由于干旱河谷野外環(huán)境的復雜性,需要進一步對不同生境條件下的岷江柏適應策略進行研究,并進行長期動態(tài)監(jiān)測,為岷江柏在干旱河谷地區(qū)的適生區(qū)域評價、適生環(huán)境的關鍵因子確定奠定科學基礎。