吳路遙，張建國*，常聞謙，張少磊，常青

（1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011）

植物葉片中光系統(tǒng)II光化學反應特性是衡量逆境脅迫對光合器官影響的有效指標，當植物處于逆境脅迫時，其光系統(tǒng)II反應中心非常敏感。葉綠素熒光技術可為研究植物光系統(tǒng)II及其光合電子傳遞提供豐富的信息，是研究植物光合生理與植物響應逆境脅迫的理想方法，在植物生理研究領域應用廣泛［1］。Yao等［2］研究表明，動態(tài)葉綠素熒光和彩色熒光成像技術的結合能夠提供干旱脅迫對光合作用和次生代謝的綜合信息，可及早地發(fā)現(xiàn)植物響應干旱脅迫的特征。Ghorbani等［3］研究發(fā)現(xiàn)，番茄（Solanum lycopersicum）上接種豌豆孢子會緩解NaCl脅迫對其葉綠素熒光的不利影響。常溫常壓下葉綠素熒光主要來源于光系統(tǒng)II的葉綠素a，幾乎所有的光合作用變化都可以通過葉綠素熒光反映出來［4］。因此，逆境脅迫對植物光合作用過程產(chǎn)生的影響都可以通過其葉片葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)的變化來反映［5］。

塔克拉瑪干沙漠公路是世界上最長的連續(xù)穿越流動沙漠的公路。自建成以來，頻繁強烈的風沙作用對其造成了巨大的危害［6］。為保障沙漠公路的長久暢通和改善沿線的生態(tài)環(huán)境，2003年建立了全長436 km，總體寬度72～78 m，總面積3128 hm2的防護林生態(tài)工程，防護林樹種以抗逆性極強的沙拐棗（Calligonum mongolicum）、梭梭（Haloxylon ammodendron）和檉柳（Tamarix chinensis）等防風固沙灌木為主［7］，它們具有抗風蝕、耐沙埋、抗干旱、耐貧瘠，萌蘗力強，根系發(fā)達等特性，能在極端嚴酷的干旱荒漠區(qū)生長，在防風固沙、保持水土、穩(wěn)定沙區(qū)生態(tài)和環(huán)境等方面具有重要的意義［8－9］。目前，對沙漠植物的研究主要集中在干旱及鹽分脅迫條件下植物苗木的生長狀態(tài)［10］、蒸騰耗水［11］、凈光合速率［12－13］及枯落物分解［14－15］等方面，而對沙漠植物葉綠素熒光特性等的研究報道較少。本研究利用葉綠素熒光技術對防護林主要樹種頭狀沙拐棗（C.caput-medusae）、梭梭和多枝檉柳（T.ramosissima）熒光參數(shù)的日變化進行系統(tǒng)測定和分析，從熒光參數(shù)的角度探究3種植物對逆境條件的適應策略，以期為沙漠公路防護林的維護管理和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于中國科學院塔克拉瑪干沙漠研究站（38°58′N，83°39′E，海拔約1100 m），該區(qū)域地處塔克拉瑪干沙漠腹地，自然環(huán)境條件極為嚴酷，氣候極端干旱，地表水資源極端匱乏，地下水礦化度高，風沙活動劇烈，土壤極為貧瘠。該區(qū)年均氣溫12.4℃，其中7月均溫28.2℃，極端高溫＞40℃，沙面最高溫度超過70℃，1月極端低溫＜－20℃，年最大溫差達到60℃以上。降水主要集中在5－9月，多年平均降水量23.7 mm，而年蒸發(fā)量高達3639 mm［16］。研究區(qū)防護林樹種以檉柳屬（Tamarix）、梭梭和沙拐棗屬（Calligonum）等抗逆性極強的優(yōu)良防風固沙灌木為主，采用株行距為1 m×2 m行間混交，通過抽取區(qū)域高礦化度地下咸水進行滴灌，每個滴頭對應一棵植株，灌溉水礦化度為4.8 g·L－1，3－5月與9－10月灌溉周期為每15 d一次，6－8月每10 d一次，11月至次年2月免灌［17］。

1.2 試驗方法

1.2.1 植物樣品的采集與測定 2019年8月在塔克拉瑪干沙漠研究站選取生長正常且長勢基本一致的10年生頭狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳各5株，對每株植物長勢一致的新生葉或同化枝（多枝檉柳為葉，頭狀沙拐棗和梭梭為同化枝）進行標記，以方便進行植物光合生理指標的測定，每株植物測定5次。用Photosynq MultiseQ多功能植物測量儀（美國）直接測定出大氣濕度、大氣溫度、葉片溫度、光合有效輻射（photosynthetic active radiation，PAR）、線性電子傳遞（linear electron flux，LEF）和非光化學淬滅系數(shù)（non-photochemical quenching，NPQ）、實際光化學效率［actual photochemical efficiency，Y（II）］、調(diào)節(jié)性能量耗散［adjusting energy dissipation quantum yield，Y（NPQ）］和非調(diào)節(jié)性能量耗散［non-adjusting energy dissipation quantum yield，Y（NO）］等指標。從早上10：00開始至晚上20：00結束，每隔2 h測定1次。測定時植物都是在光適應條件下進行，直接用儀器夾住標記好的葉片/同化枝進行直接測定，不需要進行暗適應。測定時間為8月11、15、19日3 d。

1.2.2 土壤樣品的采集與測定 在測定植物生理指標的當天下午，在對應植物下進行土壤樣品的采集。每次采集深度為1 m（主要由于3種植物的根系主要集中分布在1 m［18］），共采集10層，分別為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、50～60 cm、60～70 cm、70～80 cm、80～90 cm和90～100 cm。所有土壤樣品一式兩份，一份用烘干法測定土壤含水量，求平均值；另一份自然風干，用EC500便攜式pH/電導率儀（深華生物有限技術公司，廣州）進行測定其pH（水土比為2.5∶1）和電導率（electrical conductivity，EC）（水土比5∶1）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 20.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行相關性分析，采用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤水分/pH/EC垂直分布特征

圖1 所示，3種植物對應土壤的含水量整體上均隨土層深度的增加而升高。頭狀沙拐棗林下的土壤含水量低于梭梭和多枝檉柳，其表層土壤（0～40 cm）的含水量均值為1.58%，梭梭和多枝檉柳林地表層土壤含水量分別為4.35%、4.01%。3種植物深層土壤（40～100 cm）的含水量基本維持在4%～7%。相比較而言，梭梭林下的土壤含水量是最高的，在80～100 cm土層含水量在8%左右。在100 cm土層內(nèi)含水量表現(xiàn)為：梭梭＞多枝檉柳＞頭狀沙拐棗。

圖1 3種植物土壤含水量、pH、EC的垂直分布狀況Fig.1 Vertical distribution of soil moisture，pH and EC under three plant species

3種植物土壤均呈堿性，pH整體表現(xiàn)為隨土層深度的增加先降低后增加，其中頭狀沙拐棗林下土壤pH低于梭梭和多枝檉柳，其0～40 cm土層pH變化幅度較大，40～100 cm比較穩(wěn)定，pH整體均值為9.26。梭梭和多枝檉柳林下，除10～20 cm土層外，土壤pH總體上穩(wěn)定在9.2～9.6，整體均值分別為9.47和9.48。

土壤EC總體上隨著土層深度的增加而降低，頭狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳林地分別在50、20和30 cm以下土層趨于穩(wěn)定。頭狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳對應在0～30 cm土層EC的平均值分別為2530、1058和2846 μS·cm－1，30 cm以下土層EC的均值分別為587、230和341 μS·cm－1。0～30 cm土層中的EC遠高于30 cm以下的土層，3種植物中多枝檉柳林地表層土壤EC最高，高達4471 μS·cm－1，深層最低，僅為181 μS·cm－1。表層土壤EC梭梭林地最低，而頭狀沙拐棗的林地土壤EC隨深度變化下降速率較慢。

2.2 試驗期間環(huán)境因子的日變化

光合有效輻射是在太陽輻射中能被綠色植物利用進行光合作用的那部分能量，PAR值越高說明植物體內(nèi)接收到的光能越多［19］。由圖2A可以看出，3種植物的PAR日變化均呈先升后降的趨勢。10：00到12：00三者的PAR急劇上升，在14：00達到最大值，頭狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳PAR分別為1423.22、1624.57和1619.95 μmol·m－2·s－1，16：00到18：00又迅速下降，下降后三者的PAR幾乎相等。梭梭和多枝檉柳的PAR日均值分別為978.18和919.43 μmol·m－2·s－1，高于頭狀沙拐棗812.85 μmol·m－2·s－1。

圖2 3種植物環(huán)境因子及葉片溫度日變化Fig.2 Daily change of environmental factors and leaf temperature around three plant species

3種植物周圍的大氣濕度隨著時間的推移表現(xiàn)出先降后升的趨勢，在16：00時都達到最低值，其中頭狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳周圍的大氣濕度分別是25.01%、23.73%和24.57%。3種植物的大氣溫度也隨著時間的推移表現(xiàn)出先升后降的趨勢，呈單峰型曲線變化，且均在14：00達到峰值，頭狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳的大氣溫度分別為31.95、32.07和30.71℃。大氣溫度和葉片溫度在10：00－12：00和16：00－18：00分別為快速上升和快速下降兩個階段，且葉片溫度隨著大氣溫度的上升而上升（圖2B，C，D）。

2.3 葉綠素熒光參數(shù)的日變化

2.3.1 線性電子傳遞和非光化學淬滅系數(shù)日變化 在線性電子傳遞（LEF）的日變化中，3種植物的LEF都是呈先上升后下降的趨勢，均在14：00達到最大值，頭狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳的最大LEF分別為251.22、238.79、220.10。3種植物中，頭狀沙拐棗和梭梭的LEF相對較高，多枝檉柳最低。3種植物的線性電流是隨著PAR的升高而增大（圖3A）。

圖3 線性電子傳遞（LEF）和非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）日變化Fig.3 Daily change of LEF and NPQ

在非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）的日變化中，頭狀沙拐棗和多枝檉柳的變化幅度比較平穩(wěn)，頭狀沙拐棗的NPQ最高為1.43，多枝檉柳為1.62。梭梭的NPQ日變化幅度很大，在10：00到12：00迅速上升，在12：00達到峰值，NPQ為3.62；從12：00以后就開始下降。在20：00時，三者的NPQ均在0.50左右，總的來看梭梭高于頭狀沙拐棗和多枝檉柳（圖3B）。

2.3.2 光能消耗中熒光參數(shù)的日變化 在光系統(tǒng)II的實際光化學效率［Y（II）］日變化中，3種植物均呈先降后升的趨勢，在12：00－16：00時的Y（II）比較穩(wěn)定，在16：00以后迅速上升，在20：00時達到最大，此時3種植物的Y（II）均在0.68左右。在Y（II）的日變化中，頭狀沙拐棗的光合效率最高，梭梭略高于多枝檉柳，且梭梭和多枝檉柳的Y（II）變化比較相近（圖4A）。

在光系統(tǒng)II調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量［Y（NPQ）］和光系統(tǒng)II非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量［Y（NO）］的日變化中，頭狀沙拐棗的Y（NPQ）從10：00－14：00先緩慢上升，并在14：00時達到最大，14：00后又開始緩慢下降；頭狀沙拐棗的Y（NO）從10：00－14：00先緩慢下降，14：00后開始上升，在16：00達到最大，又迅速下降。梭梭的Y（NPQ）從10：00開始上升，12：00達到第一個峰值，然后開始下降，到16：00又有所回升，構成雙峰型曲線，且第一個峰值高于第二個峰值，梭梭的Y（NPQ）最大值為0.59；梭梭的Y（NO）從10：00開始下降，12：00以后又開始上升，在16：00時達到峰值，然后又開始下降。多枝檉柳的Y（NPQ）從10：00開始緩慢下降，12：00后開始緩慢上升，在14：00達到峰值后又開始下降。多枝檉柳的Y（NO）從10：00開始上升，12：00達到第一個峰值，到16：00又有所回升，構成雙峰型曲線，且第二個峰值高于第一個峰值，檉柳的Y（NO）最大值為0.45（圖4B和C）。

圖4 光合熒光參數(shù)中光能的日變化Fig.4 Daily change of light energy in photosynthetic fluorescence parameters

2.3.3 3種植物葉綠素熒光參數(shù)日變化均值 梭梭和多枝檉柳的PAR日均值相差較小，均顯著高于頭狀沙拐棗。3種植物的LEF、NPQ值隨著PAR的上升而增加，表明3種植物在高光強下均能通過自我保護機制來適應光強的變化。3種植物的熒光參數(shù)日變化均值中，頭狀沙拐棗的實際光化學效率最大，多枝檉柳的光系統(tǒng)II非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量最大；表明頭狀沙拐棗對光能的利用最高，多枝檉柳受到的光損傷最大，梭梭的光保護指標最高。3種植物的LEF、Y（II）、Y（NPQ）日均值差異都不顯著，但梭梭與多枝檉柳的NPQ和Y（NO）日均值有顯著差異（表1）。

表1 3種植物的葉綠素熒光參數(shù)日均值Table 1 Daily averages of chlorophyll fluorescence parameters of three plants

2.4 熒光參數(shù)與外界環(huán)境的相關性分析

3種植物的大氣濕度與大氣溫度、葉片溫度均表現(xiàn)出極顯著負相關，大氣溫度與葉片溫度呈極顯著正相關。頭狀沙拐棗的PAR與LEF、NPQ、Y（NPQ）、Y（NO）呈現(xiàn)出顯著正相關，與Y（II）呈極顯著負相關；LEF與NPQ、Y（NPQ）、Y（NO）呈顯著正相關，與Y（II）呈極顯著負相關；NPQ與Y（NPQ）呈顯著正相關，與Y（II）呈顯著負相關；Y（II）與Y（NPQ）、Y（NO）均呈極顯著負相關；Y（NPQ）與Y（NO）呈極顯著正相關（表2）。

表2 3種植物的葉綠素熒光參數(shù)與外界環(huán)境的相關性Table 2 Correlation between chlorophyll fluorescence parameters of three plant species and external environmental factors

梭梭的PAR與LEF、Y（NPQ）呈極顯著正相關，與Y（II）呈極顯著負相關；LEF與NPQ、Y（NPQ）呈顯著正相關，與Y（II）呈極顯著負相關；NPQ與Y（II）呈顯著負相關，與Y（NPQ）呈極顯著正相關；Y（II）與Y（NPQ）呈極顯著負相關。

多枝檉柳的PAR與LEF、Y（NPQ）、Y（NO）呈顯著正相關，與Y（II）呈極顯著負相關；LEF與Y（NPQ）、Y（NO）呈顯著正相關，與Y（II）呈極顯著負相關；而Y（II）與Y（NPQ）、Y（NO）均呈極顯著負相關。

2.5 植物抗逆性綜合評價

根據(jù)9項指標大氣濕度、大氣溫度、葉片溫度、PAR、LEF、NPQ、Y（II）、Y（NPQ）和Y（NO）進行主成分分析表明，3種植物的抗逆性強弱順序分別為梭梭（1.763）＞沙拐棗（－0.508）＞檉柳（－1.252）（表3）。

表3 3種植物的抗逆性綜合評價Table 3 Comprehensive evaluation of stress resistance of three plants

3 討論

葉綠素熒光與光合作用中各個反應過程緊密相關，逆境條件下對植物光合作用各過程產(chǎn)生的影響都可以通過體內(nèi)葉綠素熒光誘導動力學變化反映出來［20］，同時葉綠素熒光參數(shù)更能反映植物“內(nèi)在性”的特點［21］。與其他測量方法相比，葉綠素熒光技術還具有不需破碎細胞、簡便、快捷、可靠等特性，因此在國際上得到了廣泛的應用。本研究中，3種植物土壤中的含水量在100 cm內(nèi)隨著土層深度的增加而升高。頭狀沙拐棗土壤中的含水量相對最低，可能是由于頭狀沙拐棗的根系較淺，對水分的利用效率較高而導致。梭梭的土壤含水量相對較高，可能是由于梭梭的根系較深，且梭梭表層的枯落物較多，減少了土壤蒸發(fā)所導致，這與郭京衡等［22］對荒漠植物根系分布量與土壤水分的研究結果相一致。3種植物土壤pH的變化中頭狀沙拐棗的值也低于多枝檉柳和梭梭，這可能與土壤中的含水量相關。

PAR反映的是植物吸收光能的強弱。本研究中3種植物的PAR與LEF、NPQ、Y（NPQ）、Y（NO）基本都呈現(xiàn)出顯著正相關；與Y（II）呈極顯著負相關。表明3種植物在高光強下會通過自我調(diào)節(jié)來消耗過剩的光能來保護光合結構免遭破壞。在早晨和下午時段的PAR較低，植物就可以利用更多的光能來進行光合。而張華等［23］和夏國威等［24］的研究發(fā)現(xiàn)PAR和植物的凈光合速率顯著正相關，本研究與其結果不一致，主要是由于沙漠中午時段的PAR遠高于早晨和下午，對植物的光合效應影響強烈。從表2可以看出3種植物的大氣濕度、大氣溫度和葉片溫度與葉綠素熒光參數(shù)的相關性較弱，說明這3種指標對植物的葉綠素熒光參數(shù)影響較小，這與喬梅梅等［25］和鄧培雁等［26］對葉綠素參數(shù)與環(huán)境因子的研究結果一致。

LEF表示在一定程度上改善葉片光能吸收及激發(fā)能的分配，并且維持類囊體膜較高的完整性和ATP酶活性，從而維持光系統(tǒng)活性并減少光抑制和光破壞程度［27］，反映的是植物轉(zhuǎn)移電子能力的強弱。3種植物的LEF與PAR呈顯著的正相關，LEF越高表明植物接收到的光能越多，在體內(nèi)進行電子的傳遞速率也就越快。中午時段頭狀沙拐棗的LEF要高于梭梭，梭梭高于多枝檉柳；表明頭狀沙拐棗在強光下的電子傳遞效率比梭梭和檉柳高。從3種植物LEF日變化曲線和日均值來看，多枝檉柳的LEF比頭狀沙拐棗和梭梭的低，說明多枝檉柳在一天中的電子傳遞上較弱，對光能的吸收和分配不足，這與周玉霞等［28］研究的3種旱生植物表觀電子傳遞速率的結果基本一致。NPQ表示光系統(tǒng)II天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而被用于非光化學反應如熱耗散等過程［29］，反映的是光系統(tǒng)II反應中心通過熱耗散消耗過剩光能的比例，有利于植物光合過程免遭破壞，是一種植物的自我保護機制。本研究中在午間梭梭的NPQ值遠高于頭狀沙拐棗和多枝檉柳，表明梭梭在強光條件下將過剩的光能以熱的形式耗散掉，減輕對光合過程的損害。頭狀沙拐棗午間的NPQ值也略高于其余時間，但是沒有梭梭的強烈。多枝檉柳的NPQ值日變化是一個逐漸降低的趨勢，表明多枝檉柳在午間時段未產(chǎn)生通過增加熱耗散以消除過剩的激發(fā)能保護光合過程。因此，在高溫高光強下，梭梭和頭狀沙拐棗表現(xiàn)出不同程度的通過增加熱耗散以消耗過剩的激發(fā)能，減小高溫高光強脅迫條件下對光合結構的損害。

光系統(tǒng)II吸收后的能量耗散由實際光化學效率［Y（II）］、調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量［Y（NPQ）］和非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量［Y（NO）］所構成［30］。Y（II）表示光系統(tǒng)II反應中心在有部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率，反映植物葉片在光下用于電子傳遞的能量吸收光能的比例，光系統(tǒng)II反應中心的開放程度越大，說明電子傳遞活性與電子傳遞相對速率就越大［31］。Y（NPQ）是光系統(tǒng)II調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量，是光保護的重要指標［32］。Y（NO）是光系統(tǒng)II非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量，是光損傷的重要指標［32］。Y（II）反映的是光系統(tǒng)II吸收后用于光化學反應的那部分能量。3種植物的Y（II）與PAR呈顯著負相關，在午間Y（II）值都較小。表明隨著光強和溫度的升高植物遭到光抑制，限制了光系統(tǒng)II反應中心的電子傳遞，降低了光系統(tǒng)II電子傳遞量子產(chǎn)量，因而限制了光合作用的正常進行，導致光系統(tǒng)II光化學效率的降低。午后3種植物的Y（II）又迅速升高，說明3種植物在強光條件下發(fā)生的光抑制是暫時的，而非不可逆的光破壞。3種植物中頭狀沙拐棗的Y（II）日變化均值最大，表明沙拐棗在吸收光能后用于光化學反應的能量就高，與梭梭和多枝檉柳相比對光適應能力更強，更適合在強光及高溫條件下生長。因此，在防護林設計時將沙拐棗栽種在最外圍，很快就可以起到防護效益。這與張明艷等［33］研究的油蒿（Artemisia ordosica）在極端條件下Y（II）的結果基本一致。Y（NPQ）反映的是光系統(tǒng)II通過調(diào)節(jié)性的光保護機制耗散為熱的那部分能量。3種植物的Y（NPQ）與PAR呈顯著正相關，午間3種植物的Y（NPQ）值都很大，說明在高溫、高光強下植物接受的光能過剩，但仍然可以通過調(diào)節(jié)熱耗散來保護自身。梭梭的Y（NPQ）日變化均值高于頭狀沙拐棗和多枝檉柳，表明梭梭在高光強下可以利用熱耗散等途徑來適應外界條件的變化，從而能夠維持自身的正常生長。這與任子蓓等［34］和王海珍等［35］研究的植物在逆境脅迫條件下通過增強非輻射性熱耗散來調(diào)節(jié)自身能量代謝，來保護光合機構的正常運行的觀點相一致。Y（NO）反映的是光系統(tǒng)II被動耗散和發(fā)出熒光的能量。本研究中多枝檉柳的Y（NO）日變化均值與頭狀沙拐棗和梭梭的差異顯著，在中午前后都明顯高于頭狀沙拐棗和梭梭。表明多枝檉柳中的光化學能量轉(zhuǎn)換和保護性的調(diào)節(jié)機制不足以將植物吸收的光能全部消耗掉。在高光強條件下，頭狀沙拐棗和梭梭能夠有效地調(diào)節(jié)過剩的光能，受到的光損傷相對較低。

4 結論

高溫、高光強脅迫對3種植物的光合熒光參數(shù)均產(chǎn)生不同程度的影響，它們都會通過減少光能的吸收、增加對所吸收光能的利用和耗散等方式來避免過量光對光合結構的傷害。3種植物的抗逆性強弱為梭梭＞頭狀沙拐棗＞多枝檉柳，與3種植物的熒光參數(shù)表現(xiàn)一致。當梭梭受到外界脅迫時，會通過增加熱耗散來消耗過剩的激發(fā)能，保護體內(nèi)光合機構免受傷害；頭狀沙拐棗會更有效地利用光能來進行保護；而多枝檉柳在適應高溫及高光強時，可能通過其他途徑來適應環(huán)境的變化。