土壤干旱脅迫對銀杏幼苗光合特性的影響

劉曉靜,劉佩迎,張謙,張義群,孫立民,門曉妍,邢世巖*

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土壤干旱脅迫對銀杏幼苗光合特性的影響

劉曉靜1,劉佩迎1,張謙1,張義群2,孫立民1,門曉妍1,邢世巖1*

1. 山東農業大學林學院, 山東 泰安 271018 2. 山東省藥鄉林場, 山東 濟南 250100

為了探索銀杏的需水特性，探討銀杏葉片光合作用在不同土壤水分條件下的變化過程及各生理指標與土壤水分含量的關系。選擇2年生銀杏幼苗作為試驗材料，采用人工供水后自然耗水的方法獲取一系列土壤水分梯度，利用便攜式CIRAS-2型光合作用系統測定7種不同土壤水分含量下的光合速率、蒸騰速率、水分利用效率、胞間CO2濃度及氣孔導度等生理參數的光響應過程，同時對銀杏葉片的光合色素含量和滲透調節物質進行檢測。結果表明輕度水分脅迫，即土壤相對含水量為60%左右時，最適宜銀杏的生長。銀杏生長所允許的最大水分虧缺在RWC為46.81%左右，銀杏同時維持較高的凈光合效率和水分利用效率的土壤相對水分含量范圍為59.61%~84.72%。試驗結果為加強銀杏水分管理、確保銀杏生長良好提供了理論基礎和技術支持。

銀杏; 干旱脅迫; 光合作用; 生理特性

隨著全球氣候的變化，干旱問題變得越來越突出，而土壤水是植物進行光合作用最必要的環境因素之一，也是植物生長發育的基礎和生產力高低的決定因素。因此，研究土壤水分對植物生長的影響、探索植物的抗旱機制及響應特征極為重要。研究表明，水分脅迫對植物的生長和代謝是多方面的，尤其對植物的光合作用影響較為突出[1]，受氣孔因素或非氣孔因素的限制[2,3]，水分虧缺時光合作用降低，葉綠素合成受阻并促進其分解[1,4,5]，植物體內的可溶性糖和脯氨酸等滲透調節物質會大量積累[6-8]。

銀杏（）是第四紀冰川運動后遺留的裸子植物中最古老的孑遺植物[9,10]，具有重要的經濟、生態和社會價值。目前，關于水分脅迫下銀杏光合作用的研究多見于在自然光或特定光強下的光合生理參數特征[11,12]的相關報道，對銀杏在干旱脅迫下的光合作用光響應特征等相關研究較少，而且，已有的報道多是基于幾個水分虧缺程度下[11,12]的研究，但是銀杏在土壤水分持續干旱過程中的光合作用和生理作用的研究還未見報道。

本試驗研究對象為2年生銀杏幼苗，研究方法選用盆栽控水，對銀杏葉片在土壤干旱加劇過程中7個不同水分含量下的光合速率、蒸騰速率、水分利用效率等光合指標以及生理指標等進行測定，探索銀杏的需水規律，以期為銀杏的栽植和管理提供理論和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山東農業大學林學試驗站，位于山東省泰安市（東經116°20ˊ~117°59ˊ，北緯35°38ˊ~36°28ˊ），屬溫帶半濕潤性大陸性季風氣候區，四季分明，年平均氣溫12.9 ℃，7月份氣溫最高，平均26.4 ℃，年平均降水量697 mm。全年平均≥0 ℃的積溫4731 ℃，≥10 ℃的積溫4213 ℃，無霜期平均195 d，最長可達241 d，最短為161 d。土壤類型以棕壤、褐土為主，pH值7.0。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料與水分控制供試材料選擇生長健壯、長勢基本一致的2年生銀杏苗（平均苗高55 cm、平均地徑1.2 cm），2016年3月下旬將苗木移栽入盆，盆直徑22 cm，深30 cm，每盆栽植1株苗木，共栽植6盆，土壤均來自林學站。在7月份進行土壤水分處理和光合生理生化指標的測定（試驗盆栽長期埋于土壤中，使盆內土壤與田間土壤同溫）。用環刀法測定土壤容重在1.32±0.09 g/cm3，田間持水量為31.62%。對試驗銀杏采用人工供水后自然耗水的方法獲取土壤水分梯度，測定前2 d對試驗銀杏盆栽充分澆水使其飽和，然后進行自然耗水，使土壤含水量逐漸降低。土壤重量含水量（GWC）利用烘干法測定，土壤相對含水量（RWC）是由土壤重量含水量與田間持水量（FC）的比值獲得。水分處理2 d后獲得第一次的土壤含水量，GWC為26.79%（RWC為84.72%），進行第一次光合作用測定，以后每隔1~2 d獲得一個土壤水分含量， GWC分別為19.73%，18.85%，14.80%，9.38%，8.20%，6.85%，RWC分別為62.40%，59.61%，46.81%，29.67%，25.94%，21.66%。試驗期間搭建遮雨棚，防止降雨對試驗產生影響。

1.2.2 葉片光合作用測定選取生長健壯的3株盆栽苗，在每一試驗植株中部選定3片生長健壯的成熟葉片，對選定的3片標記葉片進行測定，每片重復測定3次，取平均值。光合作用測定選在天氣晴朗的上午，8:30~11:00之間，利用便攜式CIRAS-2型光合儀來測定不同土壤水分條件下銀杏葉片的光合作用。光合儀測定時利用LED光源控制光合有效輻射強度（PAR，μmol·m-2·s-1）在2000、1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、250、200、150、100、50和0 μmol·m-2·s-1。每個光照強度下設置測定時間為60 s。每個土壤水分條件下各指標測定的外界環境條件基本相似，如太陽光強、大氣溫度、濕度和外界CO2濃度等條件基本一致。設定CIRAS-2型光合儀在大氣CO2濃度在350 μmol·mol-1左右，大氣溫度24~26 ℃之間，相對濕度(50±4.0)%左右。光合儀自動記錄凈光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、蒸騰速率（Tr，mmol·m-2·s-1）、氣孔導度（Gs，mmol·m-2·s-1）、胞間CO2濃度（Ci，μmol·mol-1）等光合作用參數，葉片水分利用效率（WUE，μmol·mmol-1）和氣孔限制值（Ls）分別用公式計算：WUE=Pn/Tr，Ls=1-Ci/Ca，（其中Ca為空氣中CO2濃度）。

1.2.3 葉片光合色素及滲透調節物質的測定測定光合作用的同時從銀杏植株中部剪取生長健康的成熟葉片若干，標記好用冰盒中帶回實驗室對脯氨酸（Pro）含量、可溶性糖含量、葉綠素(Chl)含量、葉綠素a（Chla）含量、葉綠素b（Chlb）含量、類胡蘿卜素（Caro）含量進行測定，重復測定三次。脯氨酸含量測定采用磺基水楊酸提取法[13]，用μg/g表示；葉綠素等光合色素含量采用分光光度計法測定[14]，以mg/g表示；可溶性糖含量采用蒽酮法測定[15]，以μg/g表示。

1.2.4 數據處理采用Excel 2007計算處理試驗數據并作圖，應用SPSS17.0軟件對不同處理間的實驗數據進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同土壤水分條件下銀杏葉片光合作用的光響應

由不同土壤水分含量下的光響應曲線圖可以看出，銀杏葉片凈光合速率（Pn）為先快速上升再曲線式緩慢升高。在土壤相對含水量（RWC）在59.61%~84.72%時，Pn在低光強下（0~800 μmol·m-2·s-1）隨著光合有效輻射（PAR）的增大，Pn呈明顯上升趨勢，超過此光強范圍，Pn基本穩定在較高水平且隨PAR的增大變化不大。當RWC<29.67%時，Pn隨PAR變化不大，且Pn均小于1，說明土壤含水量過低會使銀杏葉片的光合作用變得很微弱，對光照強度變化響應不敏感。超過此水分范圍（RWC>29.67%），Pn的光響應過程與PAR和RWC同時有關。當RWC在59.61%~62.40%時，曲線總體變化幅度顯著增大，最大凈光合速率大于其他土壤水分含量下的凈光合速率，而土壤含水量過高則會降低銀杏葉片的凈光合速率，維持凈光合速率處于較高水平的土壤相對含水量范圍為59.61%~84.72%。

蒸騰速率（Tr）隨PAR的增大表現出和Pn類似的規律，在RWC為29.67%~84.72%時，表現為先快速上升再曲線式緩慢升高，當RWC在59.61%~62.40%時，Tr最大，說明RWC過高或過低都會影響銀杏葉片的蒸騰速率。

水分利用效率（WUE）隨PAR的增強呈現先快速增加再緩慢增加最后達到穩定后下降的趨勢，當RWC在21.66%時，曲線開始波動較大。當RWC>21.66%時，在弱光下（PAR≤200 μmol·m-2·s-1），WUE隨PAR增強而快速升高，然后緩慢升高到最大WUE，最后趨于平穩或略有下降。WUE達到最大時對應的RWC為62.40%，維持WUE處于較高水平的RWC范圍為46.81%~84.72%。

氣孔導度（Gs）的變化趨勢也是隨土壤含水量的下降表現為先升高后下降，隨PAR的響應變化趨勢和Pn類似，但當RWC＜29.67%時，Gs變化不大，說明土壤含水量的下降使氣孔的調節能力下降并且基本上失去了調節能力，對光強變化的響應不敏感。胞間CO2濃度（Ci）與氣孔限制值Ls的變化趨勢相反，隨PAR的增強表現出先下降而后達到穩定，RWC在29.67%~62.40%時，Ci隨RWC的下降而下降，Ls則明顯上升，而RWC＜29.67%時，Ci較高而Ls較低。

2.2 水分脅迫對銀杏葉片光合色素的影響

由不同土壤水分含量下銀杏葉片葉綠素、葉綠素a、葉綠素b含量變化圖可以看出，銀杏葉片的葉綠素、葉綠素a、葉綠素b含量均隨著土壤水分含量的下降呈現出先升高后下降的趨勢，在R59.61%條件下，葉綠素含量最高，當RWC＜59.61%時，葉綠素含量急劇下降，與RWC為59.61%時的葉綠素含量差異顯著。RWC在59.61%時分別與RWC在25.94%和29.67%間的葉綠素a含量差異顯著，在RWC為59.61%時，葉綠素a的含量增加到最大，在RWC為25.94%時，葉綠素a的含量下降到最低，且最大時的葉綠素a的含量是最低時葉綠素a的含量的1.44倍。在RWC為59.61%時，葉綠素b的含量增加到最大，在土壤相對含水量為29.67%時，葉綠素b的含量下降到最低，且最大時的葉綠素b的含量是最低時葉綠素b的含量的2.09倍。銀杏葉片葉綠素a/b含量的比值隨著土壤水分含量的下降呈現出先下降后升高的趨勢，在土壤相對含水量為59.61%時，葉綠素a/b的比值下降到最低，隨著水分脅迫的加劇，葉綠素a/b的比值呈現升高的趨勢。銀杏葉片的類胡蘿卜素含量隨著土壤水分含量的下降先下降后升高，在RWC為59.61%時下降到最低，在RWC為21.66%時升高到最大，且最大時的類胡蘿卜素含量是最低時類胡蘿卜素含量的1.53倍。

銀杏葉片類胡蘿卜素/葉綠素含量的比值隨著土壤水分含量的下降表現出先下降后升高的趨勢，在RWC為59.61%時，類胡蘿卜素/葉綠素含量的比值降到最低，當RWC<59.61%時，類胡蘿卜素/葉綠素含量的比值呈現升高的趨勢，在RWC為21.66%時增加到最大，且最大時的類胡蘿卜素/葉綠素含量的比值是最低時的2.30倍。

圖 2 不同土壤水分條件下的銀杏葉片光合色素含量變化

*字母相同表示差異不顯著(>0.05)，字母不同表示差異顯著(<0.05)，下同。The same alphabets show no significance (>0.05), while the different alphabets show significance (<0.05), the same as follows.

2.3 水分脅迫對銀杏葉片滲透調節物質的影響

由不同土壤水分含量下銀杏葉片可溶性糖含量變化圖能夠觀察到：銀杏葉片的可溶性糖含量的變化是隨著土壤水分含量的下降而先升高，然后緩慢下降，RWC為84.72%時含量最低，從RWC 62.40%~21.66%與之相比較依次增加38.7%、54.1%、70.4%、71.5%、66.9%、66.9%，其中RWC為29.66%時出現峰值。脯氨酸是植物在逆境中表現較為敏感的物質之一，銀杏葉片的脯氨酸含量隨著土壤水分含量的下降呈現出升高的趨勢，當RWC在46.81%時，脯氨酸含量急劇增加，且RWC在46.81%~21.66%與84.72%相比較依次增加103.48%、103.35%、84.22%、90.41%，在RWC為21.66%時達到最大值。

圖 3 不同土壤水分條件下銀杏葉片的可溶性糖和脯氨酸含量

3 結論與討論

光合作用在植物的生長及抗逆性方面有著巨大的作用，也是植物體內重要的代謝過程，所以用光合作用作為植物生長和抗逆性的判斷指標是十分可行的[1]。相關研究表明，氣孔因素或非氣孔因素或兩者的共同作用是光合作用的下降的原因[16]。本研究發現（圖1），當RWC在29.67%~62.40%時，隨RWC的下降，Pn下降，Ci下降而Ls明顯上升，說明此時凈光合速率下降的主要原因是氣孔因素，這與景茂的研究結果相一致[11]，而RWC＜29.67%時，隨RWC的下降，此時凈光合速率極低，Ci升高而Ls顯著下降，說明隨著土壤干旱程度的加劇，凈光合速率下降的主要原因由氣孔因素轉變為非氣孔因素[17]，此時，銀杏葉片光合結構受到傷害。土壤相對含水量為29.67%時是銀杏氣孔限制和非氣孔限制的轉折點，因此，銀杏生長所允許的最大水分虧缺為29.67%，而景茂認為是銀杏光合速率下降一直是氣孔限制的影響，這可能的原因是所用銀杏年齡不一致、試驗處理方式不一致，因為干旱脅迫下植物光合速率下降的原因是氣孔限制還是非氣孔限制或是兩者共同作用，與試驗植株的種類、年齡、生長狀況等關系非常密切[18-20]，所以此種差異需要進一步研究。

植物的水分利用效率（WUE）也是植物抗旱能力的重要表現[21]，植物可以通過協調碳同化速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）的關系，調節WUE的變化，保持植物生長和水分消耗的平衡[22]。本研究中，RWC在59.61%~84.72%時，銀杏葉片可以通過氣孔調節，獲得較多的CO2，維持較高的光合速率和水分利用效率，所以，銀杏同時維持較高的光合效率和水分利用效率的土壤相對水分含量范圍為59.61%~84.72%。當RWC在62.40%時，土壤水分對葉片的水分利用效率的有效性最高，可以看出，在輕度脅迫下，銀杏的水分利用效率最高。

干旱脅迫時，葉綠體中的光合色素蛋白復合體的變化影響著葉綠體對光能吸收、傳遞、分配和轉化，光系統Ⅱ的光合放氧過程使葉綠體處于局部高氧狀態，葉綠體極易受到傷害[1]。干旱脅迫程度較輕時，植物通過增強光合色素的含量來緩解外界干旱環境的脅迫。且在一定范圍內，植物葉片的光合作用強度隨葉綠素a+b含量的增加而加強，葉綠素a/b的值較低則有利于植物利用不飽和散射光進行光合作用[20]。類胡蘿卜素既能吸收和傳遞光能，又能起到保護作用[23]，它是內源抗氧化劑[24]，在土壤水分含量較低時類胡蘿卜素含量較高，說明此時類胡蘿卜素的保護作用增強，類胡蘿卜素/葉綠素含量的值的高低與植物忍受逆境的能力有關，值越大其抗逆性越強[1]，本研究中銀杏葉片的葉綠素含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量在土壤干旱較輕（59.61%

滲透調節是植物的抵御逆境的重要途徑，植物體內的可溶性糖和脯氨酸都屬于滲透調節物質，可溶性糖是干旱脅迫誘導的小分子溶質之一，在維持植物蛋白質穩定方面可能起到重要的作用[6]，水分脅迫下脯氨酸含量的積累既能增強植物的滲透調節能力，使組織的抗脫水力加大，同時又增強膜的柔韌性，并可作為自由基清除劑，調節細胞質pH值，防止酶變性，防止細胞質酸化，它的含量與植物的抗旱能力成正比[25]。本研究中銀杏葉片的脯氨酸含量和可溶性糖含量隨著土壤水分含量的下降呈現出升高的趨勢，由此可看出脯氨酸和可溶性糖均為銀杏體內有效的滲透調節物質，在滲透調節中起著重要的作用。在中、重度干旱脅迫下，脯氨酸的含量增幅大于可溶性糖，說明銀杏在抵御干旱脅迫時，脯氨酸比可溶性糖發揮更大的滲透調節作用。

綜上所述，銀杏對土壤干旱脅迫具有很強的耐受性，輕度脅迫（即RWC60%左右時）能提高銀杏葉片的水分利用效率，中、重度脅迫下通過增強光合色素的含量以及積累大量的滲透調節物質適應干旱脅迫。

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Effects of Soil Drought Stress on Photosynthetic Characteristics ofSeedlings

LIU Xiao-jing1, LIU Pei-ying1, ZHANG Qian1, ZHANG Yi-qun2, SUN Li-min1, MEN Xiao-yan1, XING Shi-yan1*

1.271018,2.250100,

In order to explore the water requirement characteristics of, the variation process of photosynthesis in different soil moisture conditions and the relationship between physiological indexes and soil moisture content were discussed. Two-year-old ginkgo seedlings were chosen as experimental materials, a series of soil water gradients were obtained by natural water consumption after artificial water supply. Light response process of physiological parameters of photosynthesis rate, transpiration rate, water use efficiency, intercellular CO2concentration and stomatal conductance of seven different soil moisture contents were determined using the portable CIRAS-2 photosynthesis system, the content of photosynthetic pigments and osmotic regulators in leaves ofwere also determined. The results showed the growth ofwas most suitable for mild water stress, that is, the relative water content of soil was about 60%. The maximum water deficit forgrowth is about 46.81% of RWC. The relative moisture content of the soil with high net photosynthetic efficiency and water utilization efficiency was 59.61%~84.72%. The experimental results provide theoretical basis and technical support for strengthening water management ofand ensuring good growth of

drought stress; photosynthesis; physiological property

S792.95; Q945.78;S152.7

A

1000-2324(2018)03-0467-06

2017-06-14

2017-07-18

國家重點研發計劃課題(2017YFD0600701)

劉曉靜(1990-),女,博士.研究方向:森林培育. E-mail:lxjlinxue@163.com

Author for correspondence. E-mail:xingsy@sdau.edu.cn