玉溪大河5種沉水植物的葉綠素熒光特征比較研究

盧國理，周元清，李淑英，王 蓓，張翠萍

(1. 玉溪師范學院污染控制與生態修復研究中心，云南 玉溪 653100；2. 云南大學生態學與地植物學研究所，云南 昆明 650091)

玉溪大河5種沉水植物的葉綠素熒光特征比較研究

盧國理1，周元清1，李淑英1，王 蓓2，張翠萍1

(1. 玉溪師范學院污染控制與生態修復研究中心，云南 玉溪 653100；2. 云南大學生態學與地植物學研究所，云南 昆明 650091)

利用基礎型調制葉綠素熒光儀(Junior-PAM)研究了玉溪大河富營養化水體中5種優勢沉水植物：苦草(Vallisnerianatans)、篦齒眼子菜(PotamogetonpectinatusL.)、輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)、菹草(PotamogetoncrispusL.)和金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)的量子產量及快速光曲線的變化。結果表明：5種沉水植物苦草、篦齒眼子菜、輪葉黑藻、菹草和金魚藻最大光化學量子產量(Fv/Fm)明顯下降，變化范圍為0.519～0.698，低于0.84；各物種的開放PSⅡ反應中心原初光能捕獲效率(Fv′/Fm′)的大小依次為篦齒眼子菜>輪葉黑藻>菹草>苦草>金魚藻，除篦齒眼子菜、輪葉黑藻、菹草與金魚藻差異顯著外，其它物種間差異不顯著；各物種無光抑制的最大潛在相對電子傳遞速率(rETRm)間差異顯著，其大小依次為菹草>金魚藻>輪葉黑藻>篦齒眼子菜>苦草；快速光曲線的初始斜率(α)的變化范圍為0.216～0.483，除篦齒眼子菜與菹草間差異不顯著外，其他物種間差異均顯著；半飽和光強(Ek)的大小依次為菹草>金魚藻>輪葉黑藻>苦草>篦齒眼子菜，且除苦草與輪葉黑藻差異不顯著外，其他物種間差異均顯著。研究表明：玉溪大河5種優勢沉水植物在營養鹽脅迫下光合作用受到明顯抑制，其中，菹草和金魚藻較耐強光，光合速率較高，而苦草則有較強的耐弱光能力。

玉溪大河；沉水植物；葉綠素熒光；快速光曲線；量子產量

隨著經濟的飛速發展和人口的逐年增長，大量城市生活污水、工業和礦業廢水排放所導致的水環境污染日益突出，城市河道污染已成為國際社會關注的熱點問題[1,2]，尤其是河道富營養化加劇問題。我國流經城區的城市河道已普遍受到污染，河段水質主要為Ⅳ類～劣Ⅴ類[3]。城市河道是一個受多種環境因子脅迫的復雜水生生態系統，目前，對于河道水體中的水生植物，研究主要集中于水生植物特性[4,5]以及對水體富營養化和重金屬污染治理等方面[6-8]，沉水植物與城市河道營養鹽生理響應間的研究還相對薄弱。

沉水植物作為許多淡水生態系統的基本結構框架，是城市河道整治與生態恢復的一個重要組成部分，良好的水生植被是河道治理的重要前提和關鍵步驟。另一方面，沉水植物因其完全水生的特點，使得其在水生植物各生活型中對環境脅迫的反應最為敏感，其生長和分布受多種環境因子的調控[9]，其中光強、水溫、營養鹽是最重要的因子[10]。國內外大量的湖泊調查研究表明：水體N、P濃度與水生植被尤其是沉水植被衰退和消亡密切相關[11]。Sagrario等[12]對歐洲22個溫帶湖泊的調查數據表明，當水體N濃度超過1.2～2.0 mg/L，P濃度高于0.1～0.2 mg/L時，沉水植被就會衰退。Jeppesen等[13]的研究也表明當湖泊無機N∶P<7，TN濃度在0.5～2.0 mg/L時，沉水植物就會徹底消失。此外，徐思等[14]還報道了沉水植物恢復對湖泊沉積物產甲烷菌有重要影響。因此，沉水植物對水域生態系統結構和功能的穩定性起著支撐作用，開展沉水植物生理生長特性及其與水環境因子間的關系研究至關重要。葉綠素熒光分析技術(chlorophyll fluorescence measurements)具有測量快速、簡便、準確和無損傷等特點，已被視為植物光合作用與環境關系的內在探針[15,16]。

葉綠素熒光動力學特性包含著光合作用過程的豐富信息，可以對光合器官進行“無損傷探查”，獲得“原位”(in situ)信息。國內外植物體內葉綠素熒光動力學的研究已經成為一大生理生態學熱點[17]。利用葉綠素熒光技術得到的相對電子傳遞速率(relative Electron Transport Rate,rETR)隨光合有效輻射(Photosynthe Active Radiation)的變化曲線[18]，是研究植物光合作用的有力工具[19]。沉水植物的光合作用，尤其是葉綠素熒光動力學特性是解釋各種沉水植物在水體中的分布格局和群落演替的基礎[10]。目前，已有較多淡水水體中高等水生植物熒光特性的報道，主要是在試驗控制條件下進行生態因子對水生植物脅迫的對比分析[16]，但對城市河道富營養化水體中沉水植物光合熒光參數的研究還相對較少。

玉溪大河是穿越玉溪市紅塔區中心城區的唯一河道，由于長期接納工礦業廢水和生活污水，河道水環境污染加劇，水體富營養化嚴重[20]，城市河道的生態修復研究亟待開展。因此，解析河道沉水植物的生理生態學特性，尤其是對河道富營養水體中優勢沉水植物的葉綠素熒光動力學特征進行研究是構建河道水生生態系統的主要環節之一。本研究對玉溪大河(曲江-紅塔區段)河道中的優勢沉水植物進行抽樣調查，并結合玉溪大河的水體污染現狀，分析了5種優勢沉水植物的葉綠素熒光動力學特征，旨在解析沉水植物在河道水體富營養化環境下的光合特性，了解沉水植物的生理生態學特性，以期為玉溪大河河道沉水植物恢復重建時物種選擇與配置提供重要的決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

玉溪大河屬珠江流域，西江水系，南盤江一級支流曲江的一段，為云南省玉溪市紅塔區的唯一城市河道。玉溪大河由東風水庫起，流經玉溪市境內。據2014年枯水期(2月份)與豐水期(1月份)采樣檢測結果，玉溪大河河道水體總氮(TN)平均值為6.90 mg/L，總磷(TP)平均值為0.63 mg/L，綜合水質為V類水，富營養化程度嚴重[20]。

1.2 采樣與指標測定方法

根據玉溪大河城市河道的特點，在綜合考慮工業分布、污水排放和河道利用現狀等基礎上，于2015年10月初沿河道水流方向，采集5種優勢沉水植物苦草、篦齒眼子菜、輪葉黑藻、菹草和金魚藻作為研究對象，利用基礎型調制葉綠素熒光儀(Junior-PAM)對其葉綠素熒光參數進行測定，隨機選取5個植物樣株上的健壯葉片，每次測定之前先將剪下的葉片放于濕紗布上并置于暗處20min。

在暗適應階段，利用Fo′-Mode測得光系統Ⅱ(PSⅡ)最小熒光(Fo)，再由飽和脈沖光測得暗適應的最大熒光(Fm)。儀器自動生成最大光化學量子產量(Fv/Fm)值以反應系統Ⅱ中心光能轉化效率，然后打開光化光照一定時間后關閉，然后打開遠紅光，經檢測光、飽和脈沖光測得光適應下最小熒光(Fo′)和最大熒光(Fm′)，(Fm′-Fo′)/Fm′=Fv′/Fm′。

1.3 快速光曲線擬合

采用origin 8.0軟件進行快速光曲線擬合，曲線擬合采用最小二乘法，運用Ralph和Gademann(2005)提出的方程擬合快速光曲線，其方程為：

rETR=rETRm(1-e- α·PAR/ rETRm)e-β·PAR/ rETRm

式中:rETRm為無光抑制時的最大潛在相對電子傳遞速率，α為rETR-PAR曲線的初始斜率，反應了植物對光能的利用能力，β為光抑制參數，計算得出半飽和光強：Ek(Ek=rETRm/α)。

1.4 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件對所有數據進行統計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較不同數據組間的差異。采用Origin 8.0軟件進行光合曲線擬合和數據作圖。

2 結果分析

2.1 5種沉水植物的熒光參數比較

圖1表明，在富營養化水體中，5種沉水植物PSⅡ的Fv/Fm分別為苦草0.519、篦齒眼子菜0.698、輪葉黑藻0.670、菹草0.666、金魚藻0.595。其中，篦齒眼子菜PSⅡFv/Fm值最大，表明篦齒眼子菜PSⅡ原初光能轉化效率最高。苦草Fv/Fm值最小。除苦草與金魚藻差異不顯著外，與其它三種沉水植物差異均顯著(P<0.05)。

Fv′/Fm′是PSⅡ有效光化學量子產量，它反映了有熱耗散存在時開放的PSⅡ反映中心原初光能捕獲效率，即光適應下PSⅡ最大光化學效率，也稱為最大天線轉換效率。在富營養化水體中，5種沉水植物PSⅡFv′/Fm′分別為苦草0.548、篦齒眼子菜0.700、輪葉黑藻0.670、菹草0.666、金魚藻0.476。其中篦齒眼子菜Fv′/Fm′最大，意味篦齒眼子菜PSⅡ反映中心原初光能捕獲效率最高，金魚藻Fv′/Fm′最小。篦齒眼子菜、輪葉黑藻、菹草與苦草之間差異不顯著，與金魚藻差異顯著(P<0.05)，苦草與金魚藻差異不顯著。

2.2 5種沉水植物快速光曲線的差異

通過玉溪大河富營養化水體中5種優勢沉水植物快速光曲線(RLCs)的參數變化(圖2)，分析快速光曲線能夠獲得反應光合能力的參數。

α表示為快速光曲線的初始斜率，反映了光能利用效率和對光的利用能力。由表1可知，5種沉水植物的α分別為苦草0.216、篦齒眼子菜0.359、輪葉黑藻0.483、菹草0.346、金魚藻0.320，且除篦齒眼子菜與菹草間差異不顯著外，其他物種間差異均顯著(P<0.05)。

rETRm為植物潛在最大電子傳遞速率。5種沉水植物的rETRm值分別為苦草13.4、篦齒眼子菜19.0、輪葉黑藻32.6、菹草55.6、金魚藻42.0 μmol·m-2·s-1(表1)。5種優勢沉水植物的rETRm值間差異顯著(P<0.05)。

Ek為最小飽和光強(半飽和光強)，反映了植物對強光的耐性能力。本研究中，5種沉水植物的值分別為苦草62.35、篦齒眼子菜52.99、輪葉黑藻67.46、菹草160.62、金魚藻131.35 μmol·m-2·s-1，且除苦草與輪葉黑藻差異不顯著外，其他物種間差異均顯著(P<0.05)(表1)。

表1 5種沉水植物快速光曲線光合參數的變化(mean±SD,n=5)

3 討論

3.1 富營養化脅迫對沉水植物PSⅡ內稟光能轉化效率的影響

葉綠素熒光動力學與光合作用密切相關，環境因子的變化可快速通過熒光動力學反映出來。Fv/Fm作為PSⅡ最大光化學量子產量，能夠揭示PSⅡ反應中心內稟光能轉化效率或最大PSⅡ的光能轉化效率。本研究中，玉溪大河城市河道水體為V類水，5種植物的PSⅡFv/Fm均低于0.70，表明沉水植物已受到河道水體中營養鹽的脅迫，導致PSⅡ反應中心造成影響和損傷，5種優勢沉水植物在重度富營養化下已處于衰退狀態。此結果與經博翰和袁龍義[21]對洪湖5種優勢沉水植物光合熒光特性的報道相一致：非脅迫條件下多數高等植物Fv/Fm為0.84，但當植物處于脅迫環境時，Fv/Fm值會顯著降低。Marwood 等[22]報道了UV-B輻射和多環芳烴污染對水生植物Fv/Fm的影響。眾多研究開始關注沉水植物作為富集植物去除水體重金屬污染[6]。但是，多種脅迫因素對沉水植物葉綠素熒光動力學過程影響的研究還相對薄弱。城市河道由于受納污染物種類多，是一個受重金屬、營養鹽、水位季節變化等影響的復雜水生生態系統，因此，城市河道營養鹽脅迫與其他脅迫因子間協同作用對沉水植物光合作用的影響亟待開展深入研究。

3.2 快速光響應曲線特征分析

快速光曲線中熒光參數的變化普遍被指示為植物光合作用受損的詳細信息[23]，反映植物耐受環境脅迫的光合能力，評估環境脅迫損害植物光系統的程度[19]。5種沉水植物的光合過程在富營養脅迫下受到不同程度的光抑制，并且不同種類的光合作用在同等強度的高光強下，光合速率下降趨勢存在差異。苦草的最大光化學量子產量(Fv/Fm)要低于其它4種植物，表明苦草具有較高的耐低光能力。從快速光響應曲線(RLCs)初始斜率和最大相對電子傳遞速率(rETRm)以及半飽和光強(Ek)來看，苦草的初始斜率(α)和最大相對電子傳遞速率(rETRm)同樣低于其它4種植物(表1)。苦草適應低光的能力更強，生長在底層，本研究與經博翰和袁龍義[21]對洪湖5種優勢沉水植物以及肖月娥等[24]對太湖2種大型沉水被子植物的報道相一致。而菹草的最大相對電子傳遞速率(rETRm)和半飽和光強(Ek)顯著高于其他4個植物，說明菹草具有較高的耐強光能力，光合速率較高。本研究符合沉水植物在玉溪大河富營養化水體中的實際空間分布。

4 結論

玉溪大河水體富營養化條件下，5種沉水植物的最大光化學量子產量Fv/Fm值顯著降低，均低于0.70；快速光響應曲線(RLCs)的參數比較表明，最大相對電子傳遞速率(rETRm)和半飽和光強(Ek)變化趨勢基本一致；5種沉水植物的光合特征，決定了它們在水體中的垂直分布結構，不同植物具有不同的生態位，生長在不同的水位，對外界光照耐受程度不同。其中，苦草耐光能力較弱，適合在底層生長，而菹草有最大耐強光能力，適合在水位上層生長。

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Comparative of Chlorophyll Fluorescence Characteristics of Five Submerged Macrophytes in Yuxi River

LU Guo-Li1, ZHOU Yuan-Qing1, LI Shu-Ying1, WANG Bei2, ZHANG Cui-Ping1

(1. Research Center for Pollution Control and Ecological Restoration, Yuxi Normal University, Yuxi Yunnan 653100，China)

Five dominant submerged macrophytes in the eutrophication water of Yuxi River includingV.natans,P.pectinatusL.,H.verticillata,P.crispusL. andC.demersumL were monitored. The Changes of maximal quantum yields of photosystem Ⅱ (Fv/Fm) and rapid light curves (RLCs) were measured using Junior-pulse amplitude modulated fluorometer (Junior-PAM). The results showed that the measured maximal quantum yields (Fv/Fm) of five submerged macrophytes decreased within the range of 0.519～0.698 that was lower than 0.84. All the five species′sofFv′/Fm′sfrom high to low in the order asP.pectinatusL. >H.verticillata>P.crispusL. >V.Natans>C.demersumL.weremonitored.In addition, besidesP.pectinatusL.,H.verticillata,P.crispusL., andC.demersumL. displayed statistically significant differences, while all other displayed insignificant differences. All the five species’srETRms displayed statistically significant differences, and from high to low in the order asP.crispusL. >C.demersumL.>H.verticillata>P.pectinatusL.>V.natans. All the five species’sα were with the range of 0.216～0.483, while insignificant difference were determined betweenP.pectinatusL. andP.crispusL.. All other species displayed statistically significant differences. All the five species’sEks from high to low asP.crispusL. >C.demersumL. >H.Verticillata>V.Natans>P.pectinatusL. In addition, there was no significant difference betweenV.natansandH.verticillata. All other species displayed statistically significant differences. Studies have shown that photosynthesis of five dominant submerged macrophytes was seriously inhibited under nutrients stress.P.crispusL. andC.demersumL. had higher 1ight resistance capacity as well as faster photosynthetic rate.V.natanshad 1owest light resistance capacity among the five dominant submerged macrophytes commonly in Yuxi River.

Yuxi River; submerged macrophytes; chlorophyll fluorescence; rapid light curve; quantum yield

2016-08-25

國家自然科學基金項目(31460144)，云南省教育廳重點項目(2014Z148)。

盧國理(1980-)，男，碩士，助教，主要從事污染控制與生態修復方面的研究工作。

張翠萍。

X52

A

1673-9655(2017)02-0046-05