水質(zhì)惡化影響下香蒲·水蔥葉片的光合響應(yīng)

趙湘江　楊蘭

摘要[目的]從葉片光合生理角度，探討水蔥和香蒲對水質(zhì)惡化的響應(yīng)。[方法]以香蒲和水蔥為研究對象，設(shè)置試驗組（污水生長環(huán)境培養(yǎng)）和對照組（中水生長環(huán)境培養(yǎng)），處理90 d后，用Li-6400便攜式光合測定儀測定植物葉片的光合作用光響應(yīng)曲線和葉綠素?zé)晒鈪?shù)。[結(jié)果]香蒲葉片最大凈光合速率（Pnmax）、光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）、有效熒光產(chǎn)量（Yield）、電子傳遞速率（ETR）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）在2種處理間差異不顯著（P>0.05），但試驗組葉片的暗呼吸速率（Rd）顯著低于對照組（P<0.05），表觀量子效率（AQY）顯著高于對照組（P<0.05）；試驗組水蔥葉片的Pnmax、AQY、Rd、LSP、Yield、ETR、qP顯著高于對照（P<0.05），LCP顯著低于對照組（P<0.05），而NPQ差異不顯著（P>0.05）。[結(jié)論]試驗用污水超過V類，香蒲和水蔥均具有較強的耐污能力，水蔥對水質(zhì)惡化的反映較香蒲敏感。

關(guān)鍵詞水質(zhì)惡化；香蒲；水蔥；光合作用光響應(yīng)曲線；葉綠素?zé)晒鈪?shù)

中圖分類號X52文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）20-0077-04

Abstract[Objective]From the angle of leaf photosynthetic physiology，discuss the response and adaptation of Typha orientalis and Scirpus tabernaemontani on water quality deterioration.[Method]Taking Typha orientalis and Scirpus tabernaemontani as the research object，set the test group（sewage growth environment training）and control group（water environment training），after 3 months，the photosynthesis，light response curve and chlorophyll fluorescence parameters of plant leaves were measured by Li6400 portable photosynthetic apparatus.[Result]Typha orientalis leaves Pnmax，LCP，LSP，Yield，ETR，qP and NPQ were no significant differences under two different treatments（P>0.05），but the Rd of experimental group was significantly smaller than that of control group（P<0.05），AQY was significantly bigger than that of control group（P<0.05）.Scirpus tabernaemontani leaves Pnmax，AQY，Rd，LSP，Yield，ETR，qP were significantly bigger than that of control group（P<0.05），LCP was significantly smaller than that of control group（P<0.05），but NPQ was no significant differences each other（P>0.05）.[Conclusion]The sewage that used in experiment exceeded V class，showing that Typha orientalis and Scirpus tabernaemontani all have strong tolerance abilities to sewage，Scirpus tabernaemontanis responses are more sensitive than Typha orientalis to certain range of water quality deterioration.

Key wordsWater quality deterioration；Typha orientalis；Scirpus tabernaemontani；Light response curves of photosynthesis；Chlorophyll fluorescence parameters

水污染是我國濕地面臨的最嚴(yán)重威脅之一[1]。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，高強度的人類活動中工業(yè)廢水和生活污水大量不合理排放，以及農(nóng)業(yè)面源污染等使許多河湖濕地及沿海水域水質(zhì)惡化[2]。近年來，我國東部平原和云貴高原湖區(qū)湖泊富營養(yǎng)化的數(shù)量和面積逐年增加的趨勢較為嚴(yán)重[3]。濕地植物在治理濕地水污染中具有舉足輕重的作用，濕地植物對水質(zhì)惡化的響應(yīng)是濕地生態(tài)學(xué)的研究熱點之一。

植物葉片光合作用特性研究中，凈光合速率對光的響應(yīng)曲線是一項重要內(nèi)容[4-5]。通過光合作用光響應(yīng)曲線的測定及模擬，可獲得光合作用表觀量子效率（AQY）、暗呼吸速率（Rd）、光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）和最大凈光合速率（Pnmax）等重要生理參數(shù)[6-8]。葉片光合作用過程中葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)技術(shù)對反映光系統(tǒng)在光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換、耗散、分配等方面具有獨特的作用，葉綠素?zé)晒鈪?shù)與“表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比，更具有反映“內(nèi)在性”的特點，被稱為測定葉片光合功能的快速、無損傷探針，環(huán)境因子對光合作用的影響可通過葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)反映出來[9-11]，因此葉片光合作用光響應(yīng)曲線和葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)研究可反映環(huán)境要素（干旱脅迫等）對植物產(chǎn)生的影響。

香蒲（Typha orientalis）、水蔥（Scirpus tabernaemontani）是高原濕地常見的優(yōu)勢挺水植物，在高原濕地植物研究中具有典型性和代表性。目前，有關(guān)濕地挺水植物對水質(zhì)惡化響應(yīng)的研究多集中于植物對污水中TN、TP、COD等的去除效果、重金屬降解能力等方面[12-13]，而從植物光合生理特性方面探討植物對污水的適應(yīng)研究不多，且這些研究局限于光合作用的表觀氣體交換指標(biāo)，并未對環(huán)境適應(yīng)機理進(jìn)行深入研究。筆者模擬了香蒲、水蔥葉片的光合作用光響應(yīng)曲線，測定葉片的葉綠素?zé)晒馓卣鲄?shù)，闡明香蒲、水蔥在污水環(huán)境下的光合響應(yīng)和適應(yīng)機制，旨在為高原濕地生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理及生態(tài)修復(fù)提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

滇池流域位于云貴高原中部，地處長江、紅河、珠江三大水系分水嶺地帶，面積2 920 km2，滇池水域占10.35%，北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候具有低緯山原季風(fēng)氣候特征，冬干夏潤、干濕分明。試驗地（102°45′ E，25°04′ N）位于昆明，海拔1 946 m，春季干燥少雨，日溫差大；夏季雨量集中（占全年雨量的60%以上），平均氣溫22 ℃；秋冬季天睛少雨，月晴天約20 d，日照時數(shù)約230 h，雨日約4 d；年平均氣溫15 ℃，年均日照時數(shù)2 200 h，年降水量1 035 mm。

1.2試驗材料

通過對高原濕地生態(tài)系統(tǒng)中挺水植物群落分布情況進(jìn)行調(diào)查研究，選取典型高原濕地滇池湖濱帶分布廣泛、有代表性的優(yōu)勢挺水植物——香蒲和水蔥為研究對象。

1.3試驗設(shè)計

2013年4月上旬，在滇池湖濱帶選取長勢優(yōu)良一致、無病蟲害的香蒲、水蔥移栽到試驗池（2.0 m×1.2 m×0.8 m），基質(zhì)為砂土（田間持水量為19%，速效氮、磷、鉀含量分別為28.14、2.25、25.76 mg/kg，pH 7.2），厚度15 cm，株行距15 cm，常規(guī)栽培管理（12月刈割），于2014年8月中旬（此時已適應(yīng)中水環(huán)境，且生長旺季基本結(jié)束）開始試驗。設(shè)置對照組和試驗組，對照組繼續(xù)常規(guī)管理（中水生長環(huán)境培養(yǎng)），試驗組用校園生活污水處理，保持植物其他生長環(huán)境因子一致。試驗期間每隔10 d分別用中水和污水更換對照池和試驗池水體，保持水深一致（約20 cm），試驗處理90 d（試驗組植物已適應(yīng)所添加的污水環(huán)境）。2014年11月下旬用Li-6400光合儀分別測定試驗組和對照組香蒲、水蔥葉片的光合作用、光響應(yīng)曲線和葉綠素?zé)晒馓卣鲄?shù)。試驗所添加污水和中水水質(zhì)基本指標(biāo)情況見表1。

1.4測定方法

1.4.1水質(zhì)基本指標(biāo)含量測定。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，TN含量用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP含量用鉬酸銨分光光度法測定；NH+4-N含量用納氏試劑比色法測定；NO-3-N含量用酚二磺酸分光光度法測定；COD含量用重鉻酸鉀氧化法測定。

1.4.2葉片光響應(yīng)曲線測定。

2014年11月下旬，用Li-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)的紅藍(lán)光源葉室控制光合有效輻射[2 000、1 800、1 500、1 200、1 000、800、500、300、200、100、80、50、30、20、10、0 μmol/（m2·s）]，測定不同光強所對應(yīng)的試驗組和對照組香蒲、水蔥葉片凈光合速率，測定部位為距離葉片頂端約20 cm。繪制光合速率對光合有效輻射的光響應(yīng)曲線，采用非直角雙曲線模型進(jìn)行模擬，通過光合助手Photosyn Assistant和Photosynthesis Work Bench程序[14-17]，計算一定CO2濃度下Pnmax、Rd、AQY、LCP、LSP。

1.4.3葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)用Li-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)的熒光葉室進(jìn)行測定，分熒光光反應(yīng)和熒光暗反應(yīng)2步進(jìn)行。熒光光反應(yīng)測定于晴天11∶00（葉片處于光適應(yīng)狀態(tài)）左右進(jìn)行，即打開活化光[與外界光強基本一致，約1 000 μmol CO2/（m2·s）]，將事先標(biāo)記過的葉片置于熒光葉室內(nèi)，測定光下最小熒光（Fo′）、最大熒光（Fm′）、穩(wěn)態(tài)熒光（Ft）；熒光暗反應(yīng)測定于光反應(yīng)測定當(dāng)天23∶00（葉片已進(jìn)行充分的暗適應(yīng)）左右進(jìn)行，測定已標(biāo)記葉片最小初始熒光（Fo）和最大熒光（Fm）。根據(jù)Bilger等[18]和Rohcˇek等[19]的研究，葉綠素?zé)晒馓卣鲄?shù)按以下公式計算：

光化學(xué)最大量子效率（Fv/Fm）：Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm

有效熒光產(chǎn)量（Yield）：Yield（△Fv/Fm）=（Fm′-Ft）/Fm′

電子傳遞速率（ETR）：ETR=Yield×PAR×0.84×0.50

光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）：qP =（Fm′-Ft）/（Fm′-Fo′）

非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）：NPQ=（Fm - Fm′）/Fm′= Fm/Fm′ -1

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003及SPSS 11.5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制圖，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1不同水環(huán)境下香蒲、水蔥的光響應(yīng)特征參數(shù)

一定環(huán)境條件下，葉片Pnmax可反映出植物葉片的最大光合能力[20]。由表2可知，試驗組香蒲和水蔥葉片的Pnmax均較對照組高，香蒲葉片Pnmax在2種水質(zhì)下差異不顯著（P>0.05），而水蔥葉片Pnmax在2種水質(zhì)下差異顯著（P<0.05）。AQY是反映植物在弱光下吸收、轉(zhuǎn)換和利用光能能力的指標(biāo)，是光合作用中光能轉(zhuǎn)化效率的重要指標(biāo)之一，值越大說明葉片光能轉(zhuǎn)化效率越高[21]。由表2可知，試驗組香蒲和水蔥葉片的AQY分別顯著高于對照組（P<0.05）（表2）。Rd反映的是植物在沒有光照條件下的呼吸速率，該特征值主要與葉片的生理活性有關(guān)[22]。表2顯示，試驗組香蒲葉片的Rd明顯低于對照組（P<0.05），而試驗組水蔥葉片的Rd卻顯著高于對

照組（P<0.05）。LCP是植物利用弱光能力大小的重要指標(biāo)，該值越小，表明利用弱光的能力越強。LSP是植物利用強光能力大小的指標(biāo)[23]。試驗中，香蒲葉片的LCP和LSP在2種不同處理下差異不顯著（P>0.05），而試驗組水蔥葉片的LCP顯著低于對照組（P<0.05），試驗組水蔥葉片LSP顯著大于對照組（P<0.05）。

2.2不同水環(huán)境下香蒲、水蔥的葉綠素?zé)晒馓卣鲄?shù)

葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要指標(biāo)有Fv/Fm、Yield、ETR、qP和NPQ。由表3可知，試驗組香蒲葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)中僅Fv/Fm顯著大于對照組（P<0.05），其他參數(shù)在試驗組和對照組中均無明顯差異（P>0.05）；水蔥葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)中僅NPQ在試驗組和對照組中差異不顯著（P>0.05），其他參數(shù)之間差異顯著（P<0.05）。

3討論與結(jié)論

采用非直角雙曲線模型對香蒲和水蔥光合作用光響應(yīng)曲線進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，各方程的決定系數(shù)均在0.95以上，說明該模型適合于不同水質(zhì)環(huán)境下香蒲和水蔥，能夠較好地反映葉片光合作用對光的響應(yīng)過程。該研究中，香蒲葉片的Pnmax在2種不同水環(huán)境處理中無明顯差異，均具有較大的最大光合能力；污水生長環(huán)境培養(yǎng)下香蒲葉片的AQY顯著大于對照組（中水生長環(huán)境培養(yǎng)），而Rd明顯小于對照組，說明污水生長環(huán)境培養(yǎng)可提高香蒲葉片的光能轉(zhuǎn)化效率，但是會降低葉片的生理活性（葉肉細(xì)胞活性下降，導(dǎo)致葉片光合作用能力降低），這是造成試驗組（污水生長環(huán)境培養(yǎng)）香蒲葉片的Pnmax低于韓剛等[24]研究中對照組的原因。研究表明，植物對光環(huán)境的適應(yīng)性較強時，其光補償點較低，而光飽和點較高；相反，植物對光照的適應(yīng)性較弱時，其光補償點較高，而光飽和點較低。該研究發(fā)現(xiàn)，試驗組和對照組香蒲葉片的LCP均較小，而LSP均較大，且2個指標(biāo)在不同處理下差異不顯著（P>0.05），說明香蒲葉片在2種不同水質(zhì)環(huán)境處理中均具有較強的光環(huán)境適應(yīng)性，且適應(yīng)性相當(dāng)，這也可能是香蒲葉片的Pnmax在2種不同水環(huán)境處理中無明顯差異的原因之一。試驗組水蔥葉片的Pnmax、AQY、Rd、LSP均顯著大于對照組，而LCP顯著小于對照組，說明水質(zhì)惡化（污水生長環(huán)境培養(yǎng)）處理對水蔥光合光響應(yīng)特性產(chǎn)生顯著影響，可增大水蔥葉片的最大光合能力，增強水蔥葉片的光環(huán)境適應(yīng)性，提高水蔥葉片光能轉(zhuǎn)化效率，同時葉片生理活性也大大提高。根據(jù)國家水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，試驗組處理中所用污水5項指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而污水的長期培養(yǎng)處理未對香蒲葉片的光合作用光響應(yīng)特性產(chǎn)生較大影響，但是明顯提高了水蔥葉片的光合作用光響應(yīng)特性，表明水蔥對一定范圍內(nèi)水質(zhì)惡化的反映較香蒲敏感，香蒲和水蔥均具有較強的耐污能力。張小勤[25]研究表明，云南高原濕地常見優(yōu)勢挺水植物（如香蒲、水蔥等）是喜營養(yǎng)植物，具有較強的耐污性，一定范圍內(nèi)的水質(zhì)惡化（N、P等含量增加）并不會對其產(chǎn)生較大的負(fù)面影響；成水平等[26]研究指出，通常水平的城鎮(zhèn)污水達(dá)不到香蒲的耐受負(fù)荷，不會對香蒲產(chǎn)生嚴(yán)重傷害；Clarke等[27]研究表明，污水中氨濃度不超過100 mg/L時不會抑制香蒲和水蔥的生長。這些研究均與該研究結(jié)果一致。

試驗中污水生長環(huán)境培養(yǎng)下香蒲和水蔥葉片的Fv/Fm明顯高于對照組，但是香蒲葉片F(xiàn)v/Fm為0.79～0.82，水蔥為0.81～0.83，最小值均不低于0.75，說明在污水環(huán)境中香蒲和水蔥不受逆境脅迫；香蒲葉片其他葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)（Yield、ETR、qP、NPQ）在試驗組和對照組之間無明顯差異，說明水質(zhì)惡化未損傷到香蒲葉片光合系統(tǒng)PSII，可知一定范圍內(nèi)的水質(zhì)惡化對香蒲葉片葉綠素?zé)晒馓匦杂绊懖淮螅闫褜σ欢ǚ秶鷥?nèi)的水質(zhì)惡化反映不敏感，這支持了上述香蒲具有較強耐污能力的結(jié)論。水蔥葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)中NPQ在試驗組和對照組中差異不顯著，表明熱耗散光能量并無較大變化，而試驗組水蔥葉片qP、Yield和ETR值顯著大于對照組，說明污水生長環(huán)境培養(yǎng)提高了水蔥葉片光電子固定能力和光能的吸收轉(zhuǎn)化效率，可知一定濃度范圍內(nèi)水質(zhì)惡化有利于水蔥生長，可顯著提高水蔥葉片的光合作用效率，有利于水蔥生物量的積累。

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