陶漢成 馬長(zhǎng)樂(lè) 徐 勝

(1.西南林業(yè)大學(xué)國(guó)家林業(yè)局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.中國(guó)科學(xué)院森林生態(tài)與管理重點(diǎn)試驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

近地面臭氧是一種具有強(qiáng)氧化性的污染物，過(guò)高的濃度會(huì)對(duì)植物造成毒害作用[1]。近年來(lái)，隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，大量臭氧前體物如氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物排放到大氣，地表臭氧濃度不斷上升，世界各國(guó)的城市臭氧污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重[2]。據(jù)報(bào)告，2015—2050年全球平均臭氧濃度將增加 20%～25%，至2100年北半球平均臭氧濃度將超過(guò)75 nmol/mol[3]，已經(jīng)超過(guò)了臭氧對(duì)植物造成傷害的臨界濃度。同時(shí)，由于我國(guó)大部分地區(qū)處于季風(fēng)氣候影響區(qū)，干旱情況頻繁發(fā)生[4]，干旱化趨勢(shì)是我國(guó)大部分地區(qū)正在面臨的問(wèn)題。夏季是植物生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)候，高溫下地表水分流失加快、增加了短期干旱發(fā)生的頻率，而高溫、強(qiáng)光也使得臭氧前體物轉(zhuǎn)化為臭氧的速率加快，地表臭氧濃度急劇上升，臭氧濃度升高和干旱經(jīng)常同時(shí)發(fā)生，共同對(duì)植物生長(zhǎng)造成威脅。另外，由于城市氣候具有氣溫高、風(fēng)速小和濕度低等特點(diǎn)，這使得臭氧和干旱對(duì)城市樹木的傷害作用更加明顯[5]。

當(dāng)植物受到臭氧或干旱脅迫時(shí)，會(huì)對(duì)植物光合作用產(chǎn)生顯著影響。臭氧通過(guò)開放的氣孔進(jìn)入葉片內(nèi)部，破壞植物光合系統(tǒng)，抑制光合系統(tǒng)II (PSII) 反應(yīng)中心活性，降低光能利用效率，阻礙光合電子傳遞[6]；對(duì)細(xì)胞膜脂造成氧化損傷，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，阻礙光合色素合成[7]。干旱則會(huì)降低植物細(xì)胞含水量，誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，減少CO2吸收，抑制植物對(duì)光能的吸收和轉(zhuǎn)換能力[8]；使得細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧自由基，對(duì)細(xì)胞膜脂以及生物大分子造成傷害，降低葉綠素含量[9]。而臭氧和干旱復(fù)合脅迫對(duì)植物有加劇傷害的協(xié)同作用和減輕傷害的拮抗作用，國(guó)外內(nèi)研究結(jié)果并不統(tǒng)一，這主要取決于植物對(duì)臭氧和干旱的敏感性、臭氧和干旱的發(fā)生順序和強(qiáng)度以及植物生育階段差異等[10]。

梓樹 (Catalpaovata) 是紫葳科梓屬喬木，因其樹姿優(yōu)美、適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)快速、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)在我國(guó)東北、華北及西部地區(qū)廣泛種植，是集優(yōu)質(zhì)用材、園林觀賞、生態(tài)防護(hù)和藥用等多功能于一體的綠化樹種[11]。前人已研究了臭氧和干旱單因子脅迫對(duì)梓樹光合特征的影響[12-13]，但是尚未研究二者復(fù)合脅迫下其光合色素和熒光特征的變化。本研究選擇1年生梓樹幼苗為研究對(duì)象，利用開頂式氣室 (OTCs) 進(jìn)行臭氧熏蒸和干旱試驗(yàn)，研究臭氧和干旱以及復(fù)合處理對(duì)梓樹葉片的光合色素含量和葉綠素?zé)晒獾挠绊?，探討臭氧和干旱?fù)合脅迫下梓樹光合作用的響應(yīng)機(jī)制，以期為篩選適應(yīng)臭氧污染和干旱的城市綠化樹種提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所樹木園 (41°46′ N，123°26′ E)。本試驗(yàn)采用開頂箱 (OTCs) 熏蒸法，試驗(yàn)主要設(shè)施為開頂箱，及與其配套的通氣、通風(fēng)設(shè)備。OTCs為鋼架結(jié)構(gòu)搭建的底面正八邊形的直徑400 cm，高為300 cm的玻璃氣室，氣室上部為向內(nèi)傾斜45°斜面，氣室之間的距離為400 cm，避免氣室之間相互遮光，其相關(guān)的配套設(shè)備主要包括：臭氧發(fā)生器XH-2000 (廣州鑫弘智能環(huán)保設(shè)備有限公司，中國(guó))、固定式氣體檢測(cè)儀Series-900 (Aeroqual Inc.，新西蘭)、臭氧濃度自動(dòng)控制器 (Campbell Scientific Inc.，美國(guó))、電信數(shù)據(jù)信息傳輸監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng) (北京華益瑞科技有限公司，中國(guó))。

試驗(yàn)材料為1年生梓樹幼苗，于2017年5月移栽于下口徑20 cm、高25 cm塑料花盆中，每盆1株，培養(yǎng)基質(zhì)為V(園土)∶V(草炭)=2∶1的混合基質(zhì)，所有試驗(yàn)苗栽培管理方法一致。于熏蒸前30 d挑選健康狀況良好、長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移入OTCs內(nèi)，在OTCs內(nèi)苗木位置隨機(jī)分布。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)參考文獻(xiàn) [10]，本試驗(yàn)設(shè)置了自然濃度臭氧 (E40，約40 nmol/mol) 和高濃度臭氧 (E120，約120 nmol/mol) 2個(gè)臭氧處理，正常灌溉 (NI，約75% ± 5%飽和田間持水量)、輕度干旱脅迫 (MD，約60% ± 5%飽和田間持水量)、重度干旱脅迫 (SD，約45% ± 5%飽和田間持水量) 3個(gè)水分處理。具體試驗(yàn)處理組見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)置Table 1 Setting of treatment groups

試驗(yàn)于2017年月8月20日—10月5日通氣，每日10 h (8:00—18:00) 通入120 nmol/mol臭氧，陰雨天氣停止通氣 (在通氣前1周控制水量達(dá)到處理設(shè)置要求)。用土壤水分測(cè)定儀定時(shí)測(cè)定土壤水分含量，通過(guò)澆水來(lái)控制水分含量 (已測(cè)得實(shí)際土壤飽和含水量約為32%)。雨天在開頂箱用高2 m的鋼管為支架，聚乙烯薄膜覆蓋，搭建簡(jiǎn)易遮雨棚，晴天不遮擋。在第15天和第30天測(cè)定葉片熒光參數(shù)，并采集葉片樣本測(cè)定生理指標(biāo)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

采用FMS2脈沖調(diào)制式熒光儀 (Handstech,英國(guó)) 測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。具體測(cè)定方法：在晴朗天氣的上午9:00—11:30，選擇位于植株冠層中部的成熟葉片，先將葉片暗反應(yīng)20 min，照射檢測(cè)光獲取初始熒光(F0)，隨后照射飽和脈沖光(白光)得到最大熒光(Fm)、PSII電子傳遞量子產(chǎn)率 (ΦPSII) 和PSII最大光化學(xué)效率 (Fv/Fm)。熒光測(cè)定結(jié)束后，將該植物葉片剪下并低溫保存，迅速轉(zhuǎn)移到試驗(yàn)室用于其他指標(biāo)的測(cè)定分析。

1.3.2光合色素含量測(cè)定

采用95%乙醇提取，用分光光度比色法測(cè)定并計(jì)算出葉片總?cè)~綠素 (Chl(a + b)) 含量、葉綠素a/b (Chl a/b) 以及類胡蘿卜素 (Car) 含量[14]。

1.3.3含水量和相對(duì)含水量測(cè)定

采用稱重法測(cè)定葉片水分含量。選擇在晴朗天氣的上午，采集植物中部健康成熟的葉片，用電子天平 (精確至0.001 g) 快速稱得葉片鮮質(zhì)量；將樣品浸入水中2小時(shí)取出，用吸水紙擦干樣品表面水分，稱得葉片飽和鮮質(zhì)量；放入烘箱于105 ℃殺青，然后于80 ℃烘干至恒溫，稱得葉片干質(zhì)量。按公式 (1)～(2) 計(jì)算葉片含水量和葉片相對(duì)含水量[15]。

葉片含水量=(葉片鮮質(zhì)量-葉片干質(zhì)量)/葉片鮮質(zhì)量

(1)

葉片相對(duì)含水量=(葉片飽和鮮質(zhì)量-葉片鮮質(zhì)量)/(葉片飽和鮮質(zhì)量-葉片干質(zhì)量)

(2)

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2017和SPSS 16.0軟件統(tǒng)計(jì)分析，以臭氧和干旱分別作為影響因子對(duì)各指標(biāo)的作用以及交互作用進(jìn)行方差分析。所有數(shù)據(jù)在處理前均進(jìn)行了方差齊性和正態(tài)分布檢驗(yàn)。處理組間采用Duncan多重比較法檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧和干旱對(duì)梓樹葉片含水量和相對(duì)含水量的影響

臭氧、干旱、處理時(shí)間及共同作用對(duì)各因素方差分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 臭氧、干旱、處理時(shí)間及共同作用對(duì)各因素方差分析結(jié)果Table 2 ANOVA analysis of ozone,drought,treatment time and their interaction on the all variables

注：*表示差異顯著 (P< 0.05)，**和***表示差異極顯著 (P< 0.01)。

由圖1可知，梓樹葉片含水量在臭氧、干旱和復(fù)合處理下均有所下降。干旱處理降低了梓樹葉片相對(duì)含水量，在30 d時(shí)MD和SD較CK降低10%和10.97% (P< 0.05)。臭氧處理下葉片相對(duì)含水量隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐步下降，并且在30 d時(shí)較CK顯著降低了4.04% (P< 0.05)。復(fù)合處理下，EO + MD和EO + SD在30 d較CK顯著降低了8.37%和12.49% (P< 0.05)，但是較同等單因子處理組無(wú)顯著差異。

不同小寫字母表示差異顯著 (P< 0.05)。

圖1臭氧濃度升高和干旱對(duì)梓樹葉片含水量和相對(duì)含水量的影響
Fig.1 Effects of elevated ozone and drought on water content and relative water content ofC.ovataleaves

2.2 臭氧和干旱對(duì)梓樹葉片光合色素含量的影響

如圖2所示，在臭氧和干旱單因子處理下，梓樹葉片Chl (a + b) 和Car含量均表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，在15 d時(shí)較CK顯著上升 (P< 0.05)，在30 d時(shí)較CK有所下降，臭氧和干旱單因子處理對(duì)Chl a/b沒(méi)有影響。復(fù)合處理下，梓樹葉片Chl (a + b) 和Car含量隨著時(shí)間延長(zhǎng)和干旱強(qiáng)度增加逐步下降，EO + MD介于同等單因子處理組之間，EO + SD顯著低于同等單因子處理組 (P< 0.05)；Chl a/b隨著時(shí)間逐步下降，30 d時(shí)EO + SD較CK顯著降低了13.6% (P< 0.05)。

2.3 臭氧和干旱對(duì)梓樹葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖3可知，在臭氧處理下，梓樹葉片ΦPSII先升后降。干旱處理下，MD使得梓樹葉片ΦPSII有所增加，SD使得梓樹葉片ΦPSII有所下降，并在30 d時(shí)MD顯著高于SD處理 (P< 0.05)。復(fù)合處理下梓樹葉片ΦPSII低于CK，但不顯著。同時(shí)，梓樹Fv/Fm先升后降，在15 d時(shí)較CK顯著增加了14.54% (P< 0.05)，在30 d較CK降低了7.1%。在干旱處理下，MD使得Fv/Fm有所增加，SD使得Fv/Fm先升后降。在復(fù)合處理下，EO + MD較CK有所上升；而EO + SD較CK先升后降，在15 d時(shí)較CK增加了16.92%，在30 d時(shí)顯著降低了13.62% (P< 0.05)。

不同小寫字母表示差異顯著 (P< 0.05)。

圖2臭氧濃度升高和干旱對(duì)梓樹葉片Chl(a+b)、Chla/b和Car含量的影響
Fig.2 Effects of elevated ozone and drought on chlorophyll content,Chl a/b and carotenoid content ofC.ovataleaves

不同小寫字母表示差異顯著 (P< 0.05)。

圖3臭氧濃度升高和干旱對(duì)梓樹葉片F(xiàn)v/Fm和ΦPSII的影響
Fig.3 Effects of elevated ozone and drought onFv/Fmand ΦPSII ofC.ovataleaves

3 結(jié)論與討論

葉片含水量能夠衡量葉片內(nèi)水分含量的高低，并不能用來(lái)判斷植物的抗旱能力，但是可以用作參考土壤含水量的變化[16]。而葉片相對(duì)含水量是指植物組織實(shí)際含水量占水分飽和時(shí)的含水量，它能夠反映植物體代謝活動(dòng)的程度，一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)含水量越高，植物的抗旱性就越好[17]。本試驗(yàn)中，干旱顯著降低了梓樹的葉片含水量，但是臭氧對(duì)葉片含水量沒(méi)有影響，這說(shuō)明梓樹對(duì)于水分脅迫較為敏感，能夠調(diào)整水分代謝來(lái)適應(yīng)干旱環(huán)境。而梓樹的葉片相對(duì)含水量在臭氧和干旱脅迫下降低，但是在復(fù)合脅迫下，梓樹的相對(duì)含水量變化趨勢(shì)與干旱單因子相似，干旱是影響梓樹葉片含水量的主要因素，臭氧對(duì)于梓樹葉片相對(duì)含水量的影響遠(yuǎn)小于干旱。

Chl和Car是重要的光合色素，在光合系統(tǒng)中起著能量傳遞的作用，其含量變化直接影響到植物光合作用強(qiáng)度。有研究表明，臭氧和干旱脅迫對(duì)Chl和Car具有破壞作用。山杜英 (Elaeocarpussylvestris) 幼苗葉在臭氧處理下Chl含量顯著下降，并且隨著臭氧濃度的升高，下降幅度加大[18]；干旱顯著降低了元寶楓 (Acerturncatum) 早生葉片的Chl含量[19]。在本試驗(yàn)中，梓樹Chl (a + b)含量在臭氧和干旱處理下先升后降，說(shuō)明梓樹對(duì)于短期臭氧熏蒸和干旱具有一定適應(yīng)性，但是長(zhǎng)時(shí)間的脅迫仍然有傷害作用。而復(fù)合處理下梓樹葉片Chl(a + b) 含量和Chl a/b介于臭氧和干旱處理之間，說(shuō)明干旱保護(hù)和減緩了臭氧對(duì)Chl和Car含量的下降。一個(gè)原因可能是干旱誘導(dǎo)氣孔閉合，降低了植物吸收的臭氧的劑量，起到了保護(hù)作用[19]；另一個(gè)原因可能是干旱使得葉片含水量降低，提高了葉片單位質(zhì)量下的色素含量。而臭氧和重度干旱交互作用下葉片Chl a/b顯著降低，說(shuō)明復(fù)合脅迫產(chǎn)生交互協(xié)同作用，雙重傷害導(dǎo)致葉片活性氧含量大量增加，使得分布在基質(zhì)類囊體膜上或者基粒類囊體的邊緣上的Chl a更優(yōu)先被氧化[20]。梓樹對(duì)于干旱有一定耐受性，能夠調(diào)節(jié)色素含量來(lái)應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境，緩解臭氧對(duì)于色素的分解作用，但是嚴(yán)重干旱脅迫會(huì)顯著降低其光合色素含量。

植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，葉綠體將吸收光能傳遞、轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程中，有一部分光能損耗是以較長(zhǎng)的熒光方式釋放[21]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)即是用來(lái)描述在這個(gè)過(guò)程中光能損失的數(shù)據(jù)，其變化趨勢(shì)可以在一定程度上反映逆境對(duì)植物光合作用系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。Fv/Fm是PSII反應(yīng)中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率，在非脅迫環(huán)境條件下變化極小，但在逆境脅迫條件下，該參數(shù)會(huì)明顯下降；ΦPSII是PSII反應(yīng)實(shí)際光量子效率，它代表了植物所能夠利用光能效率。有研究表明，紅砂幼苗在干旱條件的Fv/Fm和ΦPSII呈明顯降低趨勢(shì)[22]；小麥 (Triticumaestivum) 在臭氧熏蒸條件下2組參數(shù)也都顯著降低[23]，這說(shuō)明干旱和臭氧都能對(duì)植物光合PSII反應(yīng)階段造成損傷，降低光合作用能力。在本試驗(yàn)中，梓樹葉片ΦPSII和Fv/Fm和單獨(dú)臭氧處理下先升后降，但較CK無(wú)顯著差異，梓樹對(duì)于120 nmol/mol的臭氧濃度具有一定的適應(yīng)性，逆境環(huán)境沒(méi)有損害PSII光合器官。但熊冬蘭等[12]研究發(fā)現(xiàn)在濃度為160 nmol/mol的臭氧熏蒸20 d后梓樹葉片ΦPSII和Fv/Fm會(huì)顯著下降，說(shuō)明過(guò)高臭氧濃度會(huì)嚴(yán)重抑制梓樹的光合作用，破壞植物光合器官。另外，短期的干旱對(duì)于梓樹光合作用具有促進(jìn)作用，提高了其葉片ΦPSII和Fv/Fm，原因可能是干旱條件下梓樹幼苗會(huì)將更多的資源集中到根系生長(zhǎng)中，提高競(jìng)爭(zhēng)能力，促進(jìn)了光合作用[24]，但是長(zhǎng)時(shí)間的重度干旱抑制了植物生長(zhǎng)，降低了梓樹葉片ΦPSII和Fv/Fm[25]。高濃度臭氧和重度干旱復(fù)合處理使得梓樹葉片ΦPSII和Fv/Fm顯著低于CK，交互處理造成協(xié)同傷害，降低了植物的光合作用能力；高濃度臭氧和輕度干旱處理下葉片ΦPSII和Fv/Fm較CK無(wú)顯著降低，梓樹PSII活性中心沒(méi)有受損，梓樹發(fā)生的光抑制不明顯。梓樹對(duì)于干旱和臭氧都有一定的抗性，適度的干旱可以提高梓樹的光合作用，但是重度干旱和臭氧脅迫對(duì)于梓樹具有顯著的協(xié)同抑制作用。