土壤干旱和強(qiáng)光交互作用對(duì)青藏高原高山嵩草光合功能的影響

師生波， 李天才， 王 偉, 德科加， 徐先英， 王 祺， 馬劍平， 李愛(ài)德， 康才周

(1.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所/高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/青海省作物分子育種重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810001; 2.青海大學(xué)/畜牧獸醫(yī)科學(xué)院, 青海 西寧 810016; 3. 甘肅省治沙研究所/甘肅省沙生植物 工程技術(shù)研究中心, 甘肅 蘭州730070)

高山嵩草(KobresiapygmaeaClarke)是生長(zhǎng)在青藏高原的典型地帶性植物，屬莎草科(Cyperaceae)嵩草屬(Kobresia)，在海拔3 800～4 500 m的高原地帶形成以其為優(yōu)勢(shì)種的高寒嵩草草甸植物群落[1]。嵩草草甸為我國(guó)獨(dú)特的植被類型，在青藏高原分布最廣、面積最大[2]。草甸植被中高山嵩草的蓋度可達(dá)40%～60%，有時(shí)高達(dá)80%。高山嵩草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，粗蛋白含量超過(guò)野生豆科牧草花首蓿(Medicagoruthenica(L.) Trautv.)[3]，為夏秋季家畜的主要牧草[4],盡管產(chǎn)草量較低，但在草地畜牧業(yè)生產(chǎn)中仍占有較高的地位。青藏高原為世界最高高原，平均海拔在4 000 m以上。整個(gè)高原面上空氣稀薄、大氣塵埃少、水蒸氣和二氧化碳等氣體含量很低，大氣透明度高，近地表太陽(yáng)光輻射強(qiáng)且日照時(shí)間長(zhǎng)；同時(shí)，受高原大陸性氣候影響，早春和晚秋季節(jié)高原地區(qū)寒冷且少雨，土壤干旱現(xiàn)象十分明顯[1]，植物常處于非生物脅迫引起的生理性干旱狀態(tài)。研究表明，在年平均氣溫-0.1～-1.6℃，≥5℃的積溫僅543.1～886.9℃的高寒地帶，高山嵩草仍能正常生長(zhǎng)發(fā)育，呈現(xiàn)出極強(qiáng)的耐寒能力[5]和對(duì)高原環(huán)境的適應(yīng)。高山嵩草對(duì)高原極端環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)，然而迄今為止，絕大多數(shù)對(duì)高山嵩草的研究工作主要集中在分布格局[6-7]、繁殖特性[8-9]、物候特征[3]等方面，鑒于其植株構(gòu)型的特殊性和生存環(huán)境的惡劣，有關(guān)生理生態(tài)適應(yīng)性方面的研究一直鮮有開(kāi)展。

光合作用是植物體重要的生理過(guò)程，其功能的有效運(yùn)行取決于生長(zhǎng)環(huán)境的適宜程度和植物對(duì)逆境的適應(yīng)能力。太陽(yáng)光能為驅(qū)動(dòng)植物光合作用中一系列原初反應(yīng)過(guò)程和合成富含有機(jī)物質(zhì)的各種生化反應(yīng)最終能量來(lái)源，然而強(qiáng)太陽(yáng)光也可引起植物體光合活性的下調(diào)，誘發(fā)光合作用的光抑制。在沒(méi)有嚴(yán)重的環(huán)境脅迫時(shí)，光抑制的形式主要表現(xiàn)為非輻射能量耗散(non-radiative dissipation, NRD)的增加[14]；存在其他脅迫因素時(shí)，高光強(qiáng)則可引起光合機(jī)構(gòu)電子傳遞活性的功能下調(diào)和光系統(tǒng)II (PSII)反應(yīng)中心復(fù)合體結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致光失活，甚至光傷害[11]。強(qiáng)光引起的高山嵩草葉片光化學(xué)量子效率的降低是否會(huì)因土壤干旱的脅迫而進(jìn)一步加劇，土壤干旱是否會(huì)加重強(qiáng)光對(duì)植物葉片PSII光化學(xué)和非光化學(xué)猝滅能力，目前尚缺乏對(duì)此類問(wèn)題的深入探討。葉綠素?zé)晒馀c植物光合機(jī)構(gòu)的光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程緊密相關(guān), 能夠提供光合生理的諸多信息, 特別適宜于探測(cè)脅迫環(huán)境中植物光合功能的響應(yīng)及適應(yīng)性變化, 是研究光合作用的快速、無(wú)損傷探針[10]。近幾十年來(lái), 這一測(cè)量手段已在不同植物的多種環(huán)境脅迫研究方面得到了廣泛應(yīng)用[11-13]。葉綠素?zé)晒鈭D像分析作為高度創(chuàng)新的一類動(dòng)力學(xué)熒光成像測(cè)定方法，在研究微小植物體的光合生理方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性[14-15]。本文采用英國(guó)埃塞克斯大學(xué)研發(fā)的葉綠素?zé)晒鈭D像分析系統(tǒng)(CF imager)，從光合機(jī)構(gòu)的光能利用和耗散兩方面研究了高山嵩草對(duì)強(qiáng)光和土壤干旱脅迫的生理適應(yīng)性，并借助一般線性模型單變量方差分析法探索了強(qiáng)光與土壤干旱脅迫的交互作用及相對(duì)貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地及植物材料

試驗(yàn)樣地鄰近青海大學(xué)-清華大學(xué)三江源高寒草地生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)站，草地類型為高山嵩草雜類草草甸。試驗(yàn)站位于青海省玉樹(shù)州稱多縣珍秦鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為33°24' N，97°18' E，海拔4 270 m。站區(qū)年平均氣溫為-5.6～3.8℃，年均降水量為562.2 mm，降水主要分布在植物生長(zhǎng)季的6—9月份，約占全年降水總量的75%；屬典型高原大陸性氣候。

高山嵩草為該草甸的主要優(yōu)勢(shì)種，次優(yōu)勢(shì)種有矮嵩草(Kobresia.humilisClarke)、異針茅(StipaalienaKeng.)、珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)、雪白萎陵菜(Potentilla.nivea L.)等。伴生植物包括羊茅(FestucaovinaL.)、垂穗披堿草(ElymusnutansKeng)、滇藏紫菀(Astertsarungensis(Griers.)Ling)、美麗風(fēng)毛菊(SaussureasuperbaAnth)等。站區(qū)草場(chǎng)暖季試驗(yàn)期間無(wú)家畜放牧利用。

土壤類型為高山草甸土，土層薄，一般僅40～50 cm厚；腐殖質(zhì)含量豐富，土壤pH值為6.92。受高寒低溫氣候的影響，腐殖層分解緩慢，土壤有效肥力不高，有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為2.36%。土壤中速效氮14.0 mg·L-1，其中氨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別為5.1和8.9 mg·L-1，土壤速效磷l7.0 mg·L-1，速效鉀76.5 mg·L-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

草皮層切割移位處理：在高山嵩草雜類草草甸選擇地勢(shì)平坦的樣地3塊，每個(gè)樣地挖取15 cm×15 cm的毗鄰草皮2塊，厚度約20 cm。仔細(xì)剪除上面的其他種類植物，且注意維持高山嵩草處于自然生長(zhǎng)狀態(tài)；用塑料膠帶纏住草氈層的4個(gè)邊后，其中一塊放回原位，設(shè)為對(duì)照組；另一塊集中安置在相鄰的草地樣方扣籠上，距離地面約40 cm，設(shè)為干旱組。原位對(duì)照組草皮塊每日噴灑少量水，維持草氈表層處于濕潤(rùn)狀態(tài)；干旱組草皮塊每晚移入遮雨棚內(nèi)，以隔絕夜間降雨。

試驗(yàn)開(kāi)始于2014年8月28日。干旱處理持續(xù)7 d，期間多為晴天間有夜雨。9月1日起每天10:00左右依次取干旱組和對(duì)照組草皮塊在室內(nèi)進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈭D像測(cè)定；9月4日試驗(yàn)結(jié)束后，剝?nèi)〔萜K中部土壤測(cè)定水分含量，干旱組和對(duì)照組的相對(duì)含水量分別為(5.20±1.44)%和(25.75±1.25)%，呈極顯著差異(P<0.001)。

1.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

在暗室內(nèi)，開(kāi)啟CF-imager葉綠素?zé)晒鈭D像分析儀(Chlorophyll fluorescence Imager, Technologica Ltd, UK )，運(yùn)行預(yù)先編制的程序，獲取暗適應(yīng)及穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)下的各葉綠素?zé)晒鈭D像。測(cè)定期間室內(nèi)溫度維持在20 ± 1.5℃，相對(duì)濕度恒定。

1.3.1測(cè)定程序 準(zhǔn)確暗適應(yīng)15 min后測(cè)定PSII反應(yīng)中心關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的最小葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)率(Fo)，和開(kāi)放狀態(tài)的最大葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量(Fm)。設(shè)200，800，1 500 μmol·m-2·s-1低、中、高3個(gè)穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)，并依次開(kāi)啟；每個(gè)光強(qiáng)輻照15 min，每5 min測(cè)定一次最大熒光產(chǎn)率(Fm′)和穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)率(Fs)。測(cè)定Fm和Fm′的飽和脈沖光為6 840 μmol·m-2·s-1，脈沖頻率設(shè)為60 ms。

1.3.2葉片定位及圖像解析 程序圖形編輯框中，定位并分割無(wú)重疊的高山嵩草葉片圖像，解析為葉綠素?zé)晒鈪?shù)的數(shù)據(jù)值。共解析24枚葉片，視做多株個(gè)體的重復(fù)測(cè)定。具體處理過(guò)程見(jiàn)CF imager操作手冊(cè)。

1.3.3PSII光化學(xué)效率和過(guò)剩激發(fā)能的非光化學(xué)猝滅分析 分別計(jì)算200，800，1 500 μmol·m-2·s-1低、中、高3個(gè)穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)下，和第5、10、15 min時(shí)的各葉綠素?zé)晒鈪?shù)。Fo′以O(shè)xborough和Baker[16]經(jīng)驗(yàn)公式估算:Fo′ =Fo/(Fv/Fm-Fo/Fm′)，式中Fo和Fm為準(zhǔn)確暗適應(yīng)15 min后的葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)率。

PSII最大效率(Fv'/Fm')和PSII運(yùn)行效率(Fq'/Fm')分別由下式[17]計(jì)算:Fv'/Fm' = (Fm′ -Fo′)/Fm′;Fq'/Fm' = (Fm′ -Fs)/Fm′。PSII效率因子(Fq'/Fv')和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)依照Bilger 和 Bj?rkman[18]的公式計(jì)算:Fq'/Fv' = (Fm′ -Fs)/(Fm′ -Fo′)；NPQ=Fm/Fm′ - 1。PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放比率qL用Baker[14]提出的方法估算,qL= [(Fm′ -Fs)/(Fm′ -Fo′)]×(Fo′/Fs)。PSII反應(yīng)中心光化學(xué)效率的相對(duì)限制(L(PFD))依照下式[19]估計(jì)：L(PFD)= 1 - [(Fm′ -Fs)/Fm′]/0.83，0.83為穩(wěn)態(tài)作用光下的平均最適量子效率。

1.4 葉綠素含量測(cè)定

葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定試驗(yàn)結(jié)束后，分別剪取對(duì)照和干旱組的高山嵩草葉片，精確稱取0.100 g鮮葉，浸入內(nèi)含10 mL丙酮和乙醇的混合提取液(丙酮∶乙醇∶水=4.5∶4.5∶1)的玻璃瓶,蓋緊樣品瓶蓋，置低溫處避光浸提約10 d至葉片無(wú)色[20]。每處理組設(shè)3次重復(fù)，葉綠素含量的測(cè)定與計(jì)算見(jiàn)朱廣廉等[21]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本文選用9月3日，即干旱處理第6天的成組測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。此時(shí)干旱組草氈表層已較為干燥，但高山嵩草仍未顯受損跡象，僅個(gè)別植株葉片略有泛黃跡象。

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2010整理后，用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)法比較土壤干旱和對(duì)照組葉片間的差異顯著性；不同處理光強(qiáng)和不同照光時(shí)間之間的差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，最小顯著差異法(LSD) 進(jìn)行多重比較, 顯著性水平設(shè)定為0.05；光強(qiáng)和土壤干旱脅迫間交互效應(yīng)分析采用一般線性模型單變量方差分析法(GLM univariation)。圖中數(shù)據(jù)為平均數(shù), 垂直條表示標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，樣本數(shù)為24。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤干旱脅迫對(duì)高山嵩草葉綠素含量的影響

表1表明，與對(duì)照相比，土壤干旱處理后高山嵩草葉片的葉綠素a(Chla)含量和葉綠素a、b比值(Chla/b)均有所降低，且Chla呈極顯著降低(P< 0.01)；但葉綠素b(Chlb)和總?cè)~綠素含量幾無(wú)差異。

表1 土壤干旱脅迫對(duì)高山嵩草葉片葉綠素含量的影響Table 1 Effects of soil drought stress on chlorophyll contents in leaves of K. pygmaea

2.2 穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)對(duì)高山嵩草PSII光化學(xué)效率的影響及土壤干旱脅迫的加劇

圖1表明, 隨穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)的升高，PSII最大效率(Fv'/Fm')、運(yùn)行效率(Fq'/Fm')和效率因子(Fq'/Fv')均呈顯著降低趨勢(shì)；與對(duì)照組植物相比，干旱脅迫引起了Fv'/Fm'和Fq'/Fm'的極顯著降低(P<0.01)，而Fq'/Fv'在中等光強(qiáng)時(shí)有升高趨勢(shì)。說(shuō)明，F(xiàn)v'/Fm'和Fq'/Fm'的變化易受強(qiáng)光脅迫的影響，且被土壤干旱所加強(qiáng)。

圖2為800 μmol·m-2·s-1中等光強(qiáng)的測(cè)定結(jié)果，200 μmol·m-2·s-1低光強(qiáng)和1 500 μmol·m-2·s-1高光強(qiáng)時(shí)各熒光參數(shù)也呈現(xiàn)類似變化趨勢(shì)。15 min的穩(wěn)態(tài)作用光輻照期間,Fv'/Fm'和Fq'/Fm'較為穩(wěn)定，但土壤干旱引起了其極顯著降低(圖2a和圖2c)(P<0.01)；Fq'/Fv'呈增高趨勢(shì)，且略為干旱脅迫所促進(jìn)(圖2b)。顯然，高山嵩草PSII光化學(xué)效率對(duì)光強(qiáng)有較快的響應(yīng)和適應(yīng)能力。

圖1 不同穩(wěn)態(tài)作用光下PSII最大效率(Fv'/Fm')、PSII效率因子(Fq'/Fv')和PSII運(yùn)行效率(Fq'/Fm')的變化及對(duì)土壤干旱脅迫的響應(yīng)Fig.1 Responses of PSII maximum efficiency(Fv'/Fm'), PSII efficiency factor(Fq'/Fv') and PSII operating efficiency(Fq'/Fm') to actinic light intensity and soil drought stress in leaves of K. pygmaea

圖2 穩(wěn)定作用光照期間PSII最大效率(Fv'/Fm')、PSII效率因子(Fq'/Fv')及PSII運(yùn)行效率(Fq'/Fm')的變化及對(duì)土壤干旱脅迫的響應(yīng)(800 μmol·m-2·s-1)Fig.2 PSII maximum efficiency (Fv'/Fm'),PSII efficiency factor (Fq'/Fv') and PSII operating efficiency (Fq'/Fm') during the illumination by actinic light of 800 μmol·m-2·s-1 and their responses to soil drought stress in leaves of K. pygmaea

2.3 PSII非光化學(xué)猝滅和開(kāi)放比率對(duì)作用光強(qiáng)和干旱脅迫的響應(yīng)

圖3a表明，隨穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)的增加，PSII非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)顯著增大；且土壤干旱脅迫下高山嵩草葉片的NPQ均顯著和極顯著高于對(duì)照(P< 0.05和P< 0.01)。15 min 800 μmol·m-2·s-1穩(wěn)態(tài)作用光輻照期間，對(duì)照和土壤干旱組的NPQ均相對(duì)恒定(P< 0.01) (圖3b)。說(shuō)明，高山嵩草的PSII非光化學(xué)猝滅過(guò)程對(duì)光強(qiáng)波動(dòng)和土壤干旱脅迫的敏感性都較高。

圖3 穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)和土壤干旱脅迫對(duì)高山嵩草葉片PSII非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)的影響Fig.3 Effects of actinic light and soil drought on PSII non-photochemical quenching coefficient (NPQ) in leaves of K. pygmaea

PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放比率(qL)隨穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)的增高而顯著降低(圖4a)；除200 μmol·m-2·s-1低光強(qiáng)外，土壤干旱引起了qL的極顯著和顯著增高(P<0.01和P<0.05)。盡管差異并不都顯著，隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)，qL呈增加趨勢(shì)，土壤干旱組的qL在5 min和15 min間具顯著性差異(P< 0.05)，而10 和15 min時(shí)對(duì)照組qL也顯著高于5 min的(P<0.05) (圖4b)。盡管qL在高光強(qiáng)趨于降低，但土壤干旱脅迫和持續(xù)光照后qL都有升高趨勢(shì)，反映了高山嵩草對(duì)逆境脅迫的馴化適應(yīng)過(guò)程。

2.4 PSII反應(yīng)中心光化學(xué)效率的相對(duì)限制和交互效應(yīng)分析

不同光強(qiáng)和輻照期間的分析表明，隨穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)的增高，PSII反應(yīng)中心光化學(xué)效率的相對(duì)限制(L(PFD))呈顯著升高的趨勢(shì)，且土壤干旱脅迫下的L(PFD)極顯著高于對(duì)照組植物的(P< 0.01)(圖5a)；800 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)下隨輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)照組L(PFD)在第10和15 min時(shí)顯著低于5 min，而干旱組L(PFD)的降低無(wú)顯著差異(圖5b)。顯然土壤干旱可加劇光合作用的光抑制程度，但L(PFD)隨輻照時(shí)間的延長(zhǎng)略有減輕趨勢(shì)，可能緣于光合機(jī)構(gòu)的馴化適應(yīng)。

圖4 穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)和土壤干旱脅迫對(duì)高山嵩草葉片PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放比率(qL)的影響Fig.4 Effects of actinic light and soil drought on fraction of PSII centers that are “opened” (qL) in leaves of K. pygmaea

采用一般線性模型單變量方差分析法(general linear model univariate)，開(kāi)展了土壤干旱與強(qiáng)光間的交互作用的研究。結(jié)果表明：穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)下各熒光參數(shù)的η2值都較高，說(shuō)明光強(qiáng)對(duì)總變異的貢獻(xiàn)較大。強(qiáng)光和土壤干旱共存時(shí)，qL、NPQ和Fv'/Fm'的Sig.均較小(P< 0.01)，表明兩脅迫因子間存在著較強(qiáng)的交互作用(表2)；而Fq'/Fm'和L(PFD)的Sig.較大(P> 0.05)，意味著兩因子間的交互作用不顯著，且η2值都很低，對(duì)總變異的影響很小。除Fq'/Fv'外，各因素對(duì)總變異的貢獻(xiàn)依次為：光強(qiáng)>土壤干旱>光強(qiáng)×土壤干旱。

圖5 高山嵩草葉片PSII反應(yīng)中心光化學(xué)效率的相對(duì)限制(L(PFD))分析Fig.5 Relative limitation of PSII photochemical efficiency (L(PFD)) in leaves of K. pygmaea

表2 土壤干旱和光強(qiáng)處理對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的交互效應(yīng)分析Table 2 Analysis of inter-effectiveness of light and soil drought on chlorophyll fluorescence parameters

3 討論與結(jié)論

光合作用是綠色植物和光合細(xì)菌在光的參與下積蓄能量和形成有機(jī)物的過(guò)程，植物光合機(jī)構(gòu)就是推動(dòng)光合作用過(guò)程的“生命發(fā)動(dòng)機(jī)”[19]，其反應(yīng)中心的光化學(xué)效率易受諸多因素的影響，對(duì)外界環(huán)境因子的變化極為敏感[22-23]。葉綠素?zé)晒鈭D像分析有助于探測(cè)葉片光合功能的空間異質(zhì)性(photosynthetic heterogeneity)問(wèn)題[24]，也適用于矮小植株和細(xì)小葉片的光合生理研究。本研究發(fā)現(xiàn)，高山嵩草在強(qiáng)光和土壤干旱脅迫下，PSII最大效率Fv'/Fm' 和PSII運(yùn)行效率Fq'/Fm'都呈降低趨勢(shì)；與此同時(shí)，PSII非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ和光化學(xué)效率的相對(duì)限制L(PFD)則呈增加趨勢(shì)。顯然強(qiáng)光和土壤干旱的交互作用在導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心光化學(xué)效率限制加劇同時(shí)，引起了PSII反應(yīng)中心非光化學(xué)能量耗散的加強(qiáng)，可降低激發(fā)能過(guò)剩對(duì)光合機(jī)構(gòu)的潛在傷害，顯示了高山嵩草光合機(jī)構(gòu)的一種積極調(diào)解方式。

PSII反應(yīng)中心的激發(fā)能利用取決于電子傳遞原初醌受體QA的氧化還原狀態(tài)。基于Stern-Volmer途徑的Lake模型引入了一個(gè)新熒光參數(shù)qL，定義為PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放比率(fraction of PSII centers that are opened)， 可反映QA的氧化還原狀態(tài)，與PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放呈線性關(guān)系[25]。隨穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)的增高，qL呈顯著降低趨勢(shì)，但土壤干旱組的qL似呈現(xiàn)較小的降低程度，很可能干旱過(guò)程誘導(dǎo)了PSII反應(yīng)中心構(gòu)型的馴化適應(yīng)，有利于QA氧化狀態(tài)的維持[26]。強(qiáng)光和土壤干旱交互作用下NPQ呈升高趨勢(shì)，此時(shí)植物體內(nèi)基質(zhì)類囊體膜上PSII反應(yīng)中心多呈失活狀態(tài), 失活的反應(yīng)中心與光捕獲天線色素一起共同參與過(guò)剩激發(fā)能的耗散過(guò)程, 可保護(hù)功能反應(yīng)中心免遭多余光能的進(jìn)一步傷害[26-27]。

PSII光化學(xué)和非光化學(xué)能量耗散的調(diào)節(jié)能力取決于植物種的特性和環(huán)境的變化幅度[24]。15 min穩(wěn)態(tài)作用光照期間Fv'/Fm' 和Fq'/Fm'，以及NPQ都幾乎無(wú)波動(dòng)，說(shuō)明高山嵩草的光合機(jī)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境變遷的適應(yīng)能力較強(qiáng)且迅速。Demmig-Adams等[23]認(rèn)為，PSII光化學(xué)效率的可逆性變化范圍較廣，從桉樹(shù)冠層下藤本植物的數(shù)秒，到亞高山松樹(shù)似乎貫穿整個(gè)冬季的持久可逆都有表現(xiàn)。PSII光化學(xué)效率的明顯差異有賴于葉黃素循環(huán)的存在，也包含其他特性，如跨膜pH質(zhì)子梯度、內(nèi)囊體蛋白組成和磷酸化等[24]。本文研究發(fā)現(xiàn)，800 μmol·m-2·s-1穩(wěn)態(tài)作用光輻照期間，PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放比率qL略有增高趨勢(shì)，L(PFD)也呈現(xiàn)非常弱的降低趨勢(shì)，是強(qiáng)光塑造下光合機(jī)構(gòu)光脅迫馴化(light-stress acclimation) 的反映。PSII反應(yīng)中心的非輻射能量耗散是過(guò)剩激發(fā)能耗散的主要途徑[18, 28]，強(qiáng)光和干旱的交互作用下L(PFD)增大，NPQ也隨之而升高，可祛除激發(fā)能的過(guò)量堆積，維持光合機(jī)構(gòu)光化學(xué)反應(yīng)的正常運(yùn)行[14]，是植物對(duì)逆境脅迫的一種積極響應(yīng)途徑。

逆境脅迫通常會(huì)引起葉綠素分子的降解[19, 29]。土壤干旱脅迫下高山嵩草Chla降低可能緣于活性氧分子積累對(duì)光合色素的破壞。由Chla/b比值的降低可知，Chla較集中的PSII反應(yīng)中心蛋白復(fù)合體是土壤干旱脅迫的敏感部位，也可能是引起Fv'/Fm' 和Fq'/Fm'降低的原因；而失活反應(yīng)中心的形成促進(jìn)了非光化學(xué)能量耗散的升高[19]。

土壤干旱能加劇強(qiáng)光對(duì)PSII光化學(xué)量子效率和非光化學(xué)能量耗散的影響。有學(xué)者[30-31]曾綜合分析了田間增強(qiáng)紫外線-B輻射(UV-B; 280～315 nm)的多年試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在水分條件較充足的年份，人為增補(bǔ)UV-B輻射可引起作物產(chǎn)量的顯著降低，但在水分虧卻年份其影響就很不明顯；認(rèn)為干旱脅迫誘導(dǎo)的植物體紫外線吸收物質(zhì)和比葉重(specific leaf weight)的增加有助于增強(qiáng)對(duì)UV-B輻射的抗性，是兩脅迫因子UV-B輻射與水分虧卻間發(fā)生交互效應(yīng)(interaction effect)的結(jié)果。兩種環(huán)境因子間存在交互作用的研究已有較多報(bào)道，如光照與溫度[32]、光照與氮元素[33]、磷元素與土壤酸化[34]等。但很多研究?jī)H限于對(duì)表觀現(xiàn)象的分析，缺乏顯著性的判斷，也缺少因子相對(duì)貢獻(xiàn)的數(shù)學(xué)界定。本文采用一般線性模型單變量方差分析法(general liner model univariation)，探討了土壤干旱與強(qiáng)光間的交互作用。結(jié)果表明，高山嵩草的Fq'/Fm'和L(PFD)在兩因素間不存在交互效應(yīng)，即強(qiáng)光引起的PSII實(shí)際光能捕獲效率的降低和光化學(xué)效率的相對(duì)限制增加并沒(méi)有因?yàn)楦珊得{迫的存在而加劇；但NPQ和Fv'/Fm'則存在著兩脅迫因子的交互效應(yīng)。研究認(rèn)為，F(xiàn)v'/Fm'的波動(dòng)受葉黃素循環(huán)中玉米黃質(zhì)形成的影響[24]，被用來(lái)評(píng)價(jià)非光化學(xué)猝滅波動(dòng)對(duì)PSII運(yùn)行效率變化的貢獻(xiàn)[14]，其參數(shù)1 -Fv'/Fm'也曾被用作表征非光化學(xué)能量耗散的強(qiáng)弱[14-15]；可以確定，高山嵩草葉片的PSII非光化學(xué)能量耗散過(guò)程存在著兩脅迫因子交互效應(yīng)。顯然，僅憑表象推斷Fv'/Fm'和L(PFD)的變化被土壤干旱所加劇并不能確定兩因子間交互效應(yīng)的存在，必需經(jīng)一般線性模型單變量方差分析的顯著性檢驗(yàn)和相對(duì)貢獻(xiàn)分析才能界定。因子相對(duì)貢獻(xiàn)的分析可知，光強(qiáng)是影響高山嵩草PSII反應(yīng)中心光能利用和能量耗散的主要因素，且兩因子的交互效應(yīng)常小于單獨(dú)土壤干旱脅迫的貢獻(xiàn)。qL和Fq'/Fv'的η2值顯示，盡管存在交互作用，但其值和與干旱脅迫對(duì)總變異的貢獻(xiàn)很接近且η2值很小，變異主要緣于光強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

高山嵩草為典型寒冷中生植物[1]，植株低矮，株高僅1～3 cm；葉片呈線形，葉長(zhǎng)約3 cm，寬約1 mm。高山嵩草的根系非常發(fā)達(dá)，主要分布在10 cm土層內(nèi)，與土壤形成致密的草根盤(pán)結(jié)層[35-36]，其物候特征和生理過(guò)程主要受制于對(duì)淺層土壤水分的可利用性[37]。盡管采用草皮層切割移位測(cè)定的方法解決了高山嵩草植株低矮、葉片纖細(xì)的光合生理研究瓶頸，無(wú)疑是測(cè)定方法的一個(gè)突破；但如何做到野外自然條件下的精細(xì)控制測(cè)量，依然有很多問(wèn)題需要解決。

綜上可知，土壤干旱脅迫可引起高山嵩草葉片PSII反應(yīng)中心光化學(xué)效率相對(duì)限制L(PFD)的顯著增加，進(jìn)而導(dǎo)致PSII光化學(xué)效率的降低和非光化學(xué)能量耗散的加強(qiáng)。高山嵩草的光合機(jī)構(gòu)存在著光脅迫馴化適應(yīng)現(xiàn)象，土壤干旱脅迫下葉內(nèi)活性氧分子的積累可加重光合色素的破壞，引起Chla含量和Chla/b比值的降低，形成諸多失活反應(yīng)中心，并導(dǎo)致非光化學(xué)能量耗散的升高。PSII反應(yīng)中心的非光化學(xué)猝滅存在著兩脅迫因子的交互作用，可以緩解土壤干旱脅迫時(shí)PSII光化學(xué)效率降低后強(qiáng)光對(duì)光合機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步傷害，是高山嵩草抵御多因素脅迫的一種適應(yīng)策略。