庫布齊沙地6種植物葉綠素熒光參數比較

于 鳳,高 麗,閆志堅,王明玖,聶素梅

(1.中國農業科學院草原研究所，內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古農業大學生態環境學院，內蒙古 呼和浩特 010019)

植物葉綠素熒光動力學是以葉綠素熒光作為植物體內的天然探針，快速靈敏地反映植物光合生理狀況及各種外界因素對植物影響的新型、靈敏、無損傷的植物活體測定和診斷技術，被廣泛應用于植物光合作用機理、環境保護、作物增產潛力預測、植物逆境生理等研究領域[1-6]。葉綠素熒光動力學技術在測定葉片光合作用過程中光系統對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用,與“表觀性”的氣體交換指標相比,葉綠素熒光參數更具有反映“內在性”特點[7]。近年來，在庫布齊沙地普遍采用沙柳(Salixcheilophila)和優良豆科植物大面積飛播和人工栽種來防風固沙，有效改善了生態環境，增加了碳匯，所以對庫布齊沙地植物生理生態適應性方面的研究也成為熱點。在光合生理方面，學者們主要利用便攜式光合作用系統LI-6000[8]和LI-6400[9]對生長于庫布齊沙地的植物光合作用進行了研究，而利用葉綠素熒光動力學技術研究庫布齊沙地植物光合作用的“內在性”還未見報道。因此，本研究以庫布齊沙地東緣野生優勢種油蒿(Artemisiaordosica)和大面積種植的中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、羊柴(Hedysarumlaev)、沙柳、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)為試驗材料，通過對其葉片葉綠素熒光參數的測定，來分析6種生長于庫布齊沙地的植物葉綠素熒光特性，進而探討6種植物對沙地環境的內在適應機理，旨在為沙地植被生態恢復提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1研究區自然概況 研究區設在農業部鄂爾多斯沙地草原生態環境重點野外科學觀測試驗站中國農業科學院草原研究所十二連城試驗基地，該區隸屬于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗十二連城鄉，位于庫布齊沙地東緣地段，地處40°12′ N，111°05′ E。該區屬于中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫6～7 ℃，≥10 ℃積溫3 000～3 200 ℃·d，年平均降水量350～380 mm，年蒸發量2 093 mm，年日照時數為3 117 h，最高氣溫39.1 ℃，最低氣溫-32.8 ℃，無霜期145 d。植被以沙地植物為主，固定及半固定沙地以油蒿為建群種，流動沙地有白沙蒿(A.sphaerocephala)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、蓼子樸(Inulasalsoloides)等分布。土壤類型為沙壤土和風沙土。

1.2試驗材料 人工種植的中間錦雞兒、紫花苜蓿、羊柴、達烏里胡枝子、沙柳和野生優勢種油蒿6種植物。

1.3研究方法 在地勢平坦的固定沙地上，每種植物選擇3株發育正常、長勢健壯的植株，選取植株中上部且伸展方向一致的枝條，并選擇枝條上第4位成熟葉片掛牌標記。所選6種植物的植株生境相同，間距均在25 m以內。2009年8月中旬選擇晴朗無風天氣，利用便攜式葉綠素熒光分析儀(PAM-2100 Walz Germany)對標記的葉片進行活體測定。不同植物種輪回測定，測量時用黑濕布遮蔽環境光。獲取熒光參數：F0(固定熒光)、Fm(最大熒光)、Fv/F0(PSⅡ的潛在活性)、Fv/Fm(PSⅡ最大光學效率或原初光能轉換效率)、qP(光化淬滅系數)、NPQ(非光化學淬滅系數)、Yield(PSⅡ實際光化學效率)。

1.4試驗數據統計 采用Microsoft Excel 2003軟件進行試驗數據的計算與圖形的繪制，采用SAS 9.0統計分析軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗。

2 結果

對植物葉綠素熒光特性變化的分析表明，6種沙地植物葉綠素熒光參數有很大差異(圖1-7)。

F0值最高是油蒿，為0.297，且與其余5種植物間存在顯著差異(P<0.05)，而其余5種植物之間差異不顯著(P>0.05)，在0.278～0.283波動(圖1)。

圖1 6種沙地植物F0比較

Fm值排序為中間錦雞兒>油蒿>羊柴>沙柳>紫花苜蓿>達烏里胡枝子。中間錦雞兒具有最大Fm值，為1.751，但與油蒿、羊柴、沙柳的Fm值差異不顯著(P>0.05)，而顯著高于紫花苜蓿和達烏里胡枝子(P<0.05)，達烏里胡枝子的Fm值最小，只有1.354(圖2)。

圖2 6種沙地植物Fm比較

6種植物之間Fv/F0、Fv/Fm值差異性表現一致，兩個參數值排序為中間錦雞兒>沙柳>羊柴>油蒿>紫花苜蓿>達烏里胡枝子。中間錦雞兒的Fv/F0、Fv/Fm值分別達到5.303、0.841，但與沙柳、羊柴、油蒿的Fv/F0、Fv/Fm值不存在顯著性差異(P>0.05)，而與紫花苜蓿和達烏里胡枝子差異顯著(P<0.05)。達烏里胡枝子的Fv/F0和Fv/Fm最小，分別為3.846和0.799(圖3、圖4)。

圖3 6種沙地植物Fv/F0比較

6種植物的qP值的排序為羊柴>中間錦雞兒>沙柳>油蒿>達烏里胡枝子>紫花苜蓿。羊柴的qP值最高，為0.823，但與中間錦雞兒、沙柳、油蒿的qP值差異不顯著(P>0.05)，而顯著高于達烏里胡枝子和紫花苜蓿(P<0.05)，紫花苜蓿的qP值最低，只有0.684(圖5)。

6種沙地植物的NPQ值的排序為達烏里胡枝子>紫花苜蓿>油蒿>羊柴>中間錦雞兒>沙柳。達烏里胡枝子的NPQ值最大，達到了0.471，且顯著高于油蒿、羊柴、中間錦雞兒、沙柳(P<0.05)，而與紫花苜蓿差異不顯著(P>0.05)(圖6)。

6種植物中，Yield值的排序為羊柴>中間錦雞兒>沙柳>油蒿>達烏里胡枝子>紫花苜蓿。羊柴的Yield值最高，為0.619，且與油蒿、達烏里胡枝子和紫花苜蓿差異顯著(P<0.05)，但與中間錦雞兒和沙柳的Yield值差異不顯著(P>0.05) (圖7) 。

圖4 6種沙地植物Fv/Fm比較

圖5 6種沙地植物qP比較

圖6 6種沙地植物NPQ比較

圖7 6種沙地植物Yield比較

3 討論與結論

據研究，植物的葉綠素熒光特性因種類和生態環境的不同有很大的差異，如不同闊葉樹種葉綠素熒光參數差異顯著[10]；在遮陰與全光照下，瀕危藥用植物川貝母(Fritillariacirrhosa)葉綠素熒光特性有明顯不同[11]。本研究得出，生長于庫布齊沙地的中間錦雞兒、紫花苜蓿、羊柴、油蒿、沙柳、達烏里胡枝子之間的F0、Fm、Fv/F0、Fv/Fm、qP、NPQ、Yield 7項葉綠素熒光參數表現出不同程度的差異。

正常情況下，葉綠素吸收的光能主要通過光合電子傳遞、葉綠素熒光和熱耗散3種途徑消化掉，這3種途徑間存在著此消彼長的關系，光合作用和熱耗散的變化會引起熒光發射的相應變化，因此，熒光變化可以反映光合作用和熱耗散的情況[12]。Fm表示PSⅡ反應中心處于完全關閉時的熒光產量，可以反映通過PSⅡ的電子傳遞情況[7]，Fm= F0+Fv[13]，F0是固定熒光或初始熒光，也稱基礎熒光和0水平熒光，是光系統II(PSⅡ)反應中心處于完全開放時的熒光產量，它與葉片葉綠素濃度有關[7]。Fv代表可參與PSⅡ光化學反應的光能輻射部分，反映PSⅡ且原初電子受體QA的還原情況[13]。Fv/F0表示PSⅡ的潛在活性[7]。Fv/Fm是PSⅡ原初光能轉化效率，反映植物的潛在最大光合能力[14]。本研究發現，在6種沙地植物中，中間錦雞兒、羊柴、沙柳、油蒿4種灌木植物的Fm、Fv/F0、Fv/Fm值均顯著高于草本狀半灌木達烏里胡枝子和草本植物紫花苜蓿(P<0.05)，說明中間錦雞兒、羊柴、沙柳、油蒿的PSⅡ潛在活性和潛在最大光合能力均大于達烏里胡枝子和紫花苜蓿。光化學淬滅系數qP是由光合作用引起的熒光淬滅，反映植物光合活性的高低[13]。本研究結果表明，羊柴、中間錦雞兒、沙柳、油蒿的qP值較高，且顯著高于紫花苜蓿和達烏里胡枝子(P<0.05)，說明羊柴、中間錦雞兒、沙柳、油蒿的光合活性高于紫花苜蓿和達烏里胡枝子。Yeild反映PSⅡ反應中心在部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率，能準確地反映實際的PSⅡ中心進行光化學反應的效率情況[12]，體現植物的實際光合能力(實際光合效率)[14]。在所測的6種植物中，Yield值由大到小排序，羊柴>中間錦雞兒>沙柳>油蒿>達烏里胡枝子>紫花苜蓿，說明羊柴、中間錦雞兒、沙柳、油蒿的實際光合能力也大于達烏里胡枝子和紫花苜蓿。非光化學淬滅NPQ反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分，非光化學淬滅是一種自我保護機制，對光合機構起一定的保護作用[7]。供試植物中，達烏里胡枝子和紫花苜蓿的NPQ值較高，分別為0.442和為0.471，顯著高于中間錦雞兒、羊柴、油蒿(P<0.05)，說明紫花苜蓿和達烏里胡枝子的葉片通過熱耗散消耗掉過剩光能，從而避免了沙地強光環境對光合機構的破壞，具有較強的光保護能力，這也可能是這兩種植物能夠適應沙地惡劣環境的重要原因之一。

中間錦雞兒、羊柴、沙柳、油蒿、紫花苜蓿和達烏里胡枝子的葉綠素熒光特性表現出它們對沙地環境較強的適應性。中間錦雞兒、羊柴、沙柳、油蒿的光合能力較強，在沙地干旱、強光環境下，它們通過光合作用充分利用光能，從而積累大量的有機物質來適應環境。紫花苜蓿和達烏里胡枝子雖然光合能力較弱，但它們能將過剩的光能用于熱耗散，從而避免葉片受到傷害，達到自我保護的目的。

[1]林世青,許春輝,張其德,等.葉綠素熒光動力學在植物抗性生理生態學和農業現代化中的應用[J].植物學通報,1992,9(1):1-6.

[2]徐德聰,呂芳德,潘曉杰.葉綠素熒光分析技術在果樹研究中的應用[J].經濟林研究,2003,21(3):88-91.

[3]郭春芳,孫云.葉綠素熒光動力學在植物抗性生理研究中的應用[J].福建教育學院學報,2006(7):120-123.

[4]陳小鳳，李楊瑞，葉燕萍，等.利用葉綠素熒光參數和凈光合速率評價引進禾本科牧草的抗旱性[J].草業科學，2007，24(5):53-57.

[5]郭玉朋,鄭霞,王新宇,等.葉綠素熒光技術在篩選光合突變體中的應用[J].草業學報,2009,18(6):226-234.

[6]姜英，彭彥，李志輝，等.植物生長延緩劑對金錢樹抗寒性指標的影響[J].草業科學，2010,27(9):51-56.

[7]張守仁.葉綠素熒光動力學參數的意義及討論[J].植物學通報，1999，16(4):444-448.

[8]高清竹，楊劼，烏力吉，等.庫布齊沙地油蒿光合作用特性與環境因子的關系[J].中國沙漠，1999，19(3):276-279.

[9]馬闊東，高麗，閆志堅，等.庫布齊沙地三種植物光合、蒸騰特性和水分利用效率研究[J].中國草地學報，2010，32(2)：116-120.

[10]鄭淑霞，上官周平.8種闊葉樹種葉片氣體交換特征和葉綠素熒光特性比較[J].生態學報,2006，26(4):1080-1087.

[11]李西文,陳士林.遮陰下高原瀕危藥用植物川貝母光合作用和葉綠素熒光特征[J].生態學報,2008,28(7):3438-3446.

[12]Rohacek K.Chlorophyll fluorescence parameters:the definitions,photosynthetic meaning and mutual relationships[J].Photosynthetica,2002,40(1):13-29.

[13]陳建明，俞曉平，程家安.葉綠素熒光動力學及其在植物抗逆生理研究中的應用[J].浙江農業學報，2006，18(1):51-55.

[14]Schreiber U,Bilger W,Neubauer C.Chlorophyll fluorescence as a non-intrusive indicator for rapid assessment of in vivo photosynthesis[A].In:Schulze E D,Caldwell M M.Ecophysiology of Photosynthesis[M].Berlin:Springer-Verlag,1994:49-70.