烏蘭布和沙漠油蒿葉片PSⅡ葉綠素熒光動力學參數及其光響應曲線動態

張景波，張金鑫，盧 琦，辛智鳴，李新樂，劉慶新，李宏亮

（1. 中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；2. 中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心，內蒙古 磴口 015200；3. 中國林業科學研究院林業研究所，北京 100091；4. 中國林業科學研究院，北京 100091；

5. 通遼市水務建設投資集團有限公司，內蒙古 通遼 028000）

油蒿(Artemisia ordosica)為菊科蒿屬龍蒿亞屬低矮半灌木植物，株高50～100 cm，無明顯主莖，多分枝，具有抗風力侵蝕、耐干旱、貧瘠等特性[1]。油蒿生態適應能力強，在我國西北地區半荒漠、荒漠草原和典型草原等植被類型地帶都有分布[2-3]，是我國西北沙地分布最廣的建群種，在沙漠及沙地的植被恢復中起著重要的作用[4-5]。干旱貧瘠是荒漠區最主要的特征，直接影響著植物物種的多樣性及分布[6-7]。油蒿的深根、低矮及結實多等表型特征是長期對荒漠逆境適應的結果[8]。光合作用是植物獲取能量的唯一生物途徑，也是植物生理代謝過程能量需求的主要來源，是植物能夠生存并完成生活史的基礎。油蒿適生的荒漠生境具有降水少、光照強、蒸發量大、晝夜溫差大等特點，油蒿在長期進化過程中也形成了獨特的光合生理生態適應機制。

葉綠素熒光參數主要反映植物對光能的吸收、轉化、利用與分配，可以實時反映植物葉片中光化學反應活性及其自我保護能力[9-10]。利用葉綠素熒光參數，可探測植物葉片光合器官的功能以及探明光合機構受影響的部位等[11-12]，是研究植物與環境適應性的重要手段[13-16]，已被廣泛應用于植物引種馴化與栽培管理[17-18]、植物響應逆境的表型可塑性反應[19]等方面的基礎研究。基于此，本研究利用葉綠素熒光分析技術，對烏蘭布和沙漠地區不同生長季油蒿的生長特征、生態適應性以及葉綠素熒光動力學參數等變化進行原位測定，并分析植株生長特征、環境因子與葉綠素熒光參數的相關性，以期為草原植被生態恢復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗地位于內蒙古磴口荒漠生態系統定位站(40°24′ N，106°43′ E)，地處河套平原和蒙古高原的烏蘭布和沙漠之間交界處。該區多年平均氣溫8.84 ℃，多年平均降水量147 mm，6-9月降水量占多年平均的77.5%(1983-2012年)。多年平均蒸發量為2 381 mm。土壤類型為風沙土和灰棕漠土。植物群落主要由油蒿組成，還有其他耐旱物種，如半灌木唐古特白刺(Nitraria tangutorum)，多年生草本沙鞭(Psammochloa villosa)，一年生物種沙蓬(Agriophyllum arenarium)和蒙古蟲實(Corispermum mongolicum)等。

1.2 樣地選擇

在油蒿群落研究地設置 3 個 10 m × 10 m 的樣方，每個樣區隨機選擇1個灌叢沙堆作為研究對象。

1.3 葉綠素熒光動力學參數測定

利用Li-6400便攜式光合測定系統(LiCor Environmental Sciences, Lincoln, NE, USA)、 熒 光 葉室(Li-6400-40)以及多相脈沖(multiphase falsh)技術對油蒿葉片葉綠素熒光參數和快速光響應曲線進行了測定。測定葉綠素熒光動力學參數時，于04:00-06:00在弱光下測定初始熒光(Fo)，然后利用 2 800 μmol·(m2·s)-1光強進行飽和脈沖光處理，得到黑暗中的最大熒光(Fm)。經充分暗適應后，由選定模式下系統自動計算PSⅡ的最大光化學效率(Fv/Fm)、表觀電子傳遞速率(ETR)、有效量子產量(ΦPSⅡ)、光化學淬滅系數(qP)、非光化學淬滅系數qN、NPQ等參數。

利用多相脈沖技術測定沙蒿葉片的熒光光合響應曲線，選擇油蒿完全展開葉，將葉室內葉片暴露在不同光強梯度 (photosynthetic photon flux density,PPFD)[0、5、10、20、30、40、50、100、200、500、1 000、1 500、2 000 μmol·(m2·s)-1]下 (藍光占 10%)。CO2濃度為 400 μmol·mol-1，溫度控制在 27 ℃，最大光合有效光量子流密度 (Flow)為 300 μmol·s-1，緩變率為30%，調制頻率為20 kHz，平均濾波頻率為 50 Hz。

1.4 比葉面積測定

將測量完光合的葉片摘下并帶回實驗室，用方正U300掃描儀掃描葉片，利用Ipp 6.0圖像分析軟件計算葉片的葉面積 (leaf area, LA)；將該葉片放入恒溫箱，在105 ℃處理30 min后，60 ℃條件下處理48 h，保證葉片完全干燥，稱量葉片干重(leaf dry weight, W)。 然 后 計 算 比 葉 面 積 (specific leaf area,SLA)。

SLA = LA/W。

1.5 葉氮含量測定

采集每株植物葉片3～5片，于105 ℃下殺青10 min，70 ℃下烘干至恒重。將葉片粉碎后過0.2 mm 的篩子。采用 vario MACRO cube 元素分析儀 (Elementar Company,Germany)測 量 葉 氮(Nmass)含量。

1.6 數據分析

采用SPSS統計分析軟件包(SPSS22.0 for windows, Chicago, USA)對油蒿生長季不同生長階段的葉綠素熒光動力學參數進行方差方析，多重比較采用LSD法，顯著性水平為P＜0.05。所有結果為3次重復數據的均值。

2 結果與分析

2.1 生長期油蒿比葉面積與葉氮含量動態

7-9月為油蒿關鍵生長期。試驗結果顯示，油蒿SLA在8月最大，顯著大于9月(P＜0.05)，為9月的 1.23倍 (圖 1A)，而 8月油蒿的 Nmass則最低，顯著低于7和9月(P＜0.05)，為9月的77.4%，7月與9月植株葉片Nmass相當(圖1B)。

圖 1 油蒿生長期比葉面積與葉氮含量動態變化Figure 1 Dynamic changes of specific leaf area and leaf nitrogen content in Artemisia ordosica

2.2 油蒿生長期葉綠素熒光動力學參數動態

油蒿葉綠素初始熒光Fo在整個生長期無明顯變化，即光系統Ⅱ反應中心處于完全開放時的熒光產量保持穩定(圖2A)。但油蒿光下最小熒光Fo′在8月達到峰值；到9月，隨著氣溫下降，Fo′降至最低值，為 8 月的 43.13%(P＜0.05)(圖 2B)。

油蒿最大熒光產量Fm′在生長期內無明顯變化(圖2C)。但光下實際最大熒光產量Fm′的生長期不同階段存在顯著變化，出現先升后降的趨勢，7-8月豐雨期，葉綠素最大熒光產量短期內快速增加，由7月的160.0達到8月的294.1，進入9月后Fm′驟 降 至 136.7， 僅 為 8 月 峰 值 的 46.5%(P＜0.05)(圖 2D)。

油蒿葉片PSⅡ最大光化學量子效率(Fv/Fm)在生長期內不隨氣象因素變化而改變(圖2E)。Fv/Fo反映PSⅡ潛在活性，Fv/Fo在生長期持續升高(P＜0.05)(圖2F)，這說明油蒿葉片PSⅡ潛在活性隨著植物生長進入末期開始有限釋放。

圖 2 生長期油蒿葉綠素熒光參數動態變化Figure 2 Dynamic change of chlorophyll fluorescence parameters in Artemisia ordosica

2.3 油蒿葉綠素熒光參數快速光響應曲線動態

葉片PSⅡ實際光化學量子產量ΦPSⅡ反映的是實際光能轉換效率，隨著光強的增加而降低，其中以7月下降幅度最大。相同光強條件下，7月份葉片Fv′/Fm′顯著低于其他月份，但當光強增至2 000 μmol·(m2·s)-1后，各月份油蒿葉片 ΦPSⅡ穩定在同一水平(圖3A)。

油蒿的qP在低光強條件下快速下降，隨著光強的增加，qP下降速度減緩(圖3B)。相同光強條件下，以9月油蒿葉片qP最高，而7月葉片qP最低 (圖 3B)。

非光化學猝滅系數(NPQ)隨著光強的增加而迅速升高，不同月份間差異顯著(P＜0.05)。7月份，當光強大于 500 μmol·(m2·s)-1時，NPQ 升高速率顯著減 緩 (圖 3C)， 光 強 超 過 1 500 μmol·(m2·s)-1時 ，NPQ開始下降；相同光強條件下，以9月份油蒿葉片的NPQ最高，而8月份油蒿葉片的NPQ最低。

油蒿葉片表觀電子傳遞速率(ETR)在各個月均隨光照強度的增加呈上升趨勢(圖3D)。其中相同光照強度條件下，7月油蒿葉片ETR顯著低于8、9月葉片ETR(P＜0.05)，而進入9月后，油蒿植物葉片ETR在不同光強條件下均高于其他月份。

圖 3 油蒿葉綠素主要熒光參數快速光響應曲線動態變化Figure 3 Dynamic change of fast light response curve of main fluorescence parameters of Artemisia ordosica

3 討論與結論

3.1 油蒿葉片特征對不同生長時期環境的適應性

葉部形態、厚度和內部結構受到水分、溫度、光照等生態因子的影響[1]。SLA作為植物重要的葉片性狀，與植物的生長狀況及生存策略密切相關，在植物的不同生長時期存在顯著差異[7]。低SLA表明植物有較強的抗干旱耐貧瘠能力，而高SLA則表明植物生理代謝旺盛，對礦物質營養的吸收利用率高[20]。降雨相對集中的7-8月，油蒿SLA較高，進入干旱期的9月份，油蒿SLA顯著降低，說明油蒿可通過改變葉片表型調控對植物對養分的吸收與利用速率，從而表現出較強的環境適應能力。

3.2 油蒿葉綠素熒光動力學參數對荒漠環境的適應性調節

葉綠素熒光動力學參數與光合作用過程緊密相關，可直接反映植物對逆境的響應[21-23]。Fo和Fv/Fm分別表示PSⅡ處于完全開放時的熒光產量和PSⅡ受傷害的程度。本研究中，Fo和Fv/Fm在整個生長期保持相對穩定，說明油蒿葉片PSⅡ未受到不可逆損傷[24]且保持較好反應活性，通過適應性調節，實現對環境的適應。

葉綠素PSⅡ吸收的光能主要通過光化學轉化(φPSⅡ)、調節性能量耗散(NPQ)和非調節性的能量耗散(NO)共3個途徑進行轉化與耗散[25]。本研究表明，油蒿可通過自身調節機制平衡葉片光能捕獲、利用與耗散關系，保持葉片PSⅡ反應中心活性。本研究還發現，強光可誘導油蒿葉片qP快速下降，這說明油蒿葉片在不同光強下可調節PSⅡ反應中心的開放比例，從而控制光合電子傳遞速率。

逆境不僅引發葉片PSⅡ反應中心關鍵組織損傷，同時也影響光合電子傳遞速率(ETR)。本研究中，在高溫高蒸騰量的7月，油蒿葉片PSⅡ反應中心活性下降或部分受損，通過捕獲的光化學能量主要以非光化學猝滅形式耗散，而9月天氣轉涼與干旱逆境疊加，PSⅡ反應中心開放，光能利用效率提高，從而減少了非光化學猝滅能量耗散。說明油蒿在長期進化過程，通過PSⅡ反應中心活性可逆轉化，表現極強的多重逆境適應能力，成為荒漠半荒漠草原優勢建群種之一。

綜上所述，油蒿可通過改變比葉面積、調節植物體內光合器官氮素含量及其利用效率，調控葉片PSⅡ光能捕獲及熱能耗散等生理過程，實現對荒漠環境高溫、干旱、高光強與高蒸騰等多種逆境的生態適應。