金沙江干熱河谷新銀合歡(Leucaena leucocephala)的光合與熒光特征干濕季對比研究

李登峰,馮秋紅,胡宗達,徐崢靜茹

1 四川省林業科學研究院,四川臥龍森林生態系統定位站, 成都 610081 2 四川農業大學, 成都 611130

因深受亞熱帶季風及“焚風”效應影響,我國西南橫斷山區干熱河谷的氣候全年干旱炎熱、干濕季分明,旱生的稀樹草原及散生的肉質灌叢為該地區主要的植被類型[1]。由于干熱河谷地區惡劣的自然環境,自然更新緩慢的植被特點,加之日益顯著的人為干擾等因素的影響,導致該地區植被破壞嚴重,生態環境脆弱,生態恢復困難,干熱河谷的生態屏障功效降低。因此,提升該地區生態環境的穩定性有利于保障中國西南地區乃至長江中下游地區的生態安全。目前,篩選出對干熱河谷適應性強的樹種是實現該地區生態恢復的主要措施之一[2- 3]。

新銀合歡(Leucaenaleucocephala)是干熱河谷地區的外來引進樹種,其根系發達且具根瘤,固氮作用良好,生長迅速且耐旱耐瘠能力強,對干熱河谷的環境具有較強的生態適應性,目前已成為該地區重要的植被恢復先鋒樹種[4]。葉片作為植物最主要的光合器官,其光合生理對環境變化十分敏感。在干旱脅迫下,葉片氣孔開放程度降低、葉綠素含量減少、光合酶活性下降以及光合器官受損等原因都可能導致植物光合速率的下降[5],引起光合速率下降的原因可分為氣孔限制及非氣孔限制[6]。干熱河谷的干濕季環境差異明顯,植物光合生理特征的季節變化能夠反映植物對該地區的適應性和抗逆性[7]。目前,對該地區新銀合歡的光合生理方面研究包括氣孔參數的坡位效應[8]、離體葉片的葉綠素熒光特征[9]等方面,但相關研究仍存在涉及的光合指標較為單一、研究對象多為盆栽幼苗、季相間變化的研究較少等問題。因此本文對干熱河谷地區野生新銀合歡在不同季節的光合生理特征及葉綠素熒光特征進行原位測定,分析和探討干濕季間新銀合歡光合機理變化的規律與原因,為其在干熱河谷地區的推廣奠定科學基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區域位于雅礱江和安寧河交匯處的攀枝花市米易縣得石鎮黑古田林場(21°44′04″N,101°51′08″E),海拔高度1048 m,土壤多為燥紅土。該地屬于典型的亞熱帶干熱氣候,全年氣溫較高,光照充足,年平均氣溫19.9℃,最冷月平均氣溫11.7℃,最熱月平均氣溫25.2℃,極端最高氣溫41.2℃,極端最低氣溫-2.4℃,年平均日照總時數2397.4 h。但該地區氣候干旱,干濕季分明,年平均降水量1101.2 mm,年平均蒸發量2178.5 mm,濕季為每年的5—9月,濕季降水量占全年的94%,干季為每年的10月至翌年4月。

1.2 試驗材料與試驗設計

在試驗區域內,選擇坡位(下坡)、坡向(南坡)、坡度(25°)等立地條件基本相同,長勢基本一致,健康、無病蟲害的新銀合歡10株作為備測植株,并進行掛牌編號。選取枝條中上部的當年生、成熟、健康、向陽面葉片,分別于2017年7月上旬(濕季)和11月中旬(干季)進行相關指標的測定,每株設3—5個重復。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 環境條件測量

在研究區域2 km范圍內布設三臺型號為NH121-NHSF48的小型“氣象-土壤”監測儀(ZhongkeNenghui Tech.,China),監測離地1.2 m高度的氣溫(Air temperature,Tair)、氣濕(Relative air humidity,RH)等氣象環境指標,以及地下50 cm深度的土壤溫度(Soil temperature,Tsoil)、土壤體積含水量(Soil volumetric water content,VWC)等土壤環境指標,該監測儀每30 min自動記錄一次數據。

1.3.2氣體交換參數和Pn-Ci響應曲線的測定

選擇枝條上部、當年生、飽滿、健康并位于向陽面的葉片,在晴朗天氣的上午9:00—12:00和下午3:00—5:00兩個時間段內,采用Licor- 6400便攜式光合作用測定儀(Licor,USA)進行相關光合生理指標的測定。首先對葉室內的待測葉片進行活化和適應,將葉室內溫度設定為25℃±1℃,濕度控制在75%±5%,利用CO2小鋼瓶注入系統將環境CO2濃度(Ambient CO2concentration,Ca)設定為400 μmol/mol(模擬外界大氣的CO2濃度),光合有效輻射(Photosynthetic active radiation,PAR)設定為1000 μmol m-2s-1,適應30 min。然后將PAR升至新銀合歡的飽和光強1800 μmol m-2s-1(前期實驗測得),適應10 min,測定此時的飽和光下凈光合速率(Light-saturated net photosynthetic rate,Pnmax),以及氣孔導度(Stomatal conductance,Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate,Tr)、胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration,Ci)和葉片飽和水汽壓差(Vapor pressure deficit,VPD)等相關氣孔參數；并計算氣孔限制值(Stomatal limitation,Ls),計算公式為Ls=(1-Ci/Ca)×100%,以及瞬時水分利用效率(Water use efficiency,WUE),計算公式為WUE=Pnmax/Tr。接著利用CO2小鋼瓶注入系統將葉室內的Ca濃度梯度分別設置為：400、200、150、100、50、200、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000 μmol/mol,其他條件不變,每個梯度濃度均在樣本室與參比室達到平衡后適應3 min,待讀數穩定后記錄此時的凈光合速率(Net photosynthetic rate,Pn)。最后利用直角雙曲線的修正模型[10]對葉片的Pn-Ci響應曲線進行擬合,同時利用該模型計算出初始羧化效率(Initial carboxylation efficiency,CE)、光合能力(Photosynthetic capacity,Amax)、飽和胞間CO2濃度(Saturated intercellular CO2concentration,Cisat)、CO2補償點(CO2compensation point,Γ)、光呼吸速率(Photorespiration Rate,Rp) 等光合生理參數；并利用基于Farquhar光合生化模型的光合助手[11- 12],求得最大羧化速率(Maximum carboxylation rate,Vcmax)、最大電子傳遞速率(Maximum electron transport rate,Jmax)、磷酸丙糖利用率(Triose phosphates utilization rate,TPU)、Jmax/Vcmax等光合生化參數。暗呼吸速率(Dark respiration rate,Rd)在夜間22:00—24:00用Licor- 6400測定,關閉葉室光源,Ca設定為400 μmol/mol,其他環境控制條件與白天一致。

1.3.3 葉綠素熒光參數的測定

選擇與Pn-Ci響應曲線測定的相同葉片,先用錫箔紙完全包裹待測葉片24 h進行暗適應處理,然后將待測葉片迅速放入Licor- 6400熒光葉室(Licor,USA)中進行相關指標的測定,設置環境參數如下：溫度設定為25℃±1℃,濕度控制在75%±5%,利用CO2小鋼瓶注入系統將Ca設定為400 μmol/mol,PAR設定為0 μmol m-2s-1。葉片適應15 min后,待讀數穩定,測定其PSII反應中心的最大光化學效率(Maximum photochemical efficiency of PSII,Fv/Fm)。接著打開光源,將PAR設定為1800 μmol m-2s-1,即飽和光強,活化30—45 min后,待讀數穩定后計數,得到開放的PSII反應中心的激發能捕獲效率(Excitation capture efficiency,Fv′/Fm′)、光化學猝滅系數(Photochemical fluorescence quenching,qP)、非光化學猝滅系數(Non-photochemical fluorescence quenching,NPQ)、PSII實際光化學效率(Actual photochemical efficiency of PSII,ФPSII)和電子傳遞效率(Electron transport rate,ETR)等葉綠素熒光參數。

1.3.4 葉綠素SPAD值測定

選擇靠近主葉柄部、遠離主葉柄部以及中間部位的葉片,利用SPAD- 502葉綠素含量測定儀(Konica Minolta,Japan)對待測葉片進行葉綠素SPAD值(Chlorophyll SPAD value,Chl-SPAD)測定,每個部位重復測定3次。

1.4 數據分析

利用Excel 2016進行數據整理與繪圖,用SPSS 25.0對相關數據進行干濕季間的差異顯著性分析及指標間的相關性分析。

2 研究結果

2.1 干濕季的環境條件比較

由表1可知,干濕兩季間的氣象和土壤環境條件均差異明顯。干季的Tair、Tair(max)、Tair(min)、RH等氣象環境指標較濕季均出現了不同程度的下降,其中Tair和Tair(min)降幅較大,分別為31.04%和60.84%。干季的Tsoil、Tsoil(max)、Tsoil(min)較濕季也分別下降了15.38%、14.66%、17.86%,干季土壤的VWC較濕季下降明顯,降幅達到40.54%。

表1 干濕季的氣象和土壤環境特征

2.2 干濕季新銀合歡的氣體交換參數特征比較

由表2可知,相較于濕季,新銀合歡的干季Pnmax、Gs、Ci、Tr、WUE出現了顯著上升,分別上升了26.50%、100.00%、20.35%、10.34%、15.63%(P<0.05),而Ls、VPD則分別顯著下降了29.24%、65.91%(P<0.05)。

表2 干濕季新銀合歡的氣體交換參數

2.3 干濕季新銀合歡的Pn-Ci響應曲線

由圖1可知,濕季和干季新銀合歡的Pn對Ci響應趨勢基本一致。當Ci<300 μmol/mol,Pn隨著Ci的上升迅速增加；隨著Ci的繼續上升,Pn的增速逐漸放緩；最后在較高Ci時,Pn的增速趨于平緩,但在本次試驗梯度內未出現下降趨勢。當Ci<150 μmol/mol,新銀合歡干季Pn高于濕季；而Ci>150 μmol/mol,干季Pn則低于濕季。在相同Ca水平下,干季新銀合歡的Ci高于濕季。直角雙曲線修正模型對干濕季新銀合歡Pn-Ci響應曲線有較高的擬合度,濕季和干季擬合模型的決定系數R2分別為0.9979和0.9991。

圖1 干濕季新銀合歡的Pn-Ci響應曲線 Fig.1 Pn-Ci response curves of Leucaena leucocephala in wet and dry season

2.4 干濕季新銀合歡的光合生理生化特征及呼吸速率特征比較

通過對由直角雙曲線修正模型和Farquhar光合生化模型計算出的相關光合生理生化參數的分析發現(表3、表4)：新銀合歡的干季CE、Amax、Γ、Vcmax、Jmax、TPU、Jmax/Vcmax較濕季均顯著降低(P<0.05),下降幅度分別為28.57%、18.91%、22.89%、53.05%、62.36%、13.90%、19.51%；Cisat略有增加,但差異并不顯著。呼吸速率方面,在干季,新銀合歡的Rp較濕季顯著下降了41.85%(P<0.05),但其Rd較濕季顯著上升了96.55%(P<0.05)。

表4 干濕季新銀合歡的光合生化參數

表3 干濕季新銀合歡的光合生理參數及呼吸速率

2.5 干濕季新銀合歡的葉綠素熒光參數及葉綠素含量特征比較

由表5可知,相較于濕季,新銀合歡干季的ФPSII、qP、ETR均出現顯著下降(P<0.05),下降幅度分別為33.33%、26.83%、30.89%；NPQ則出現顯著上升(P<0.05),上升幅度為21.24%；Fv′/Fm′、Fv/Fm和Chl-SPAD變化并不顯著,表明這三個指標對季節的變化并不敏感。

表5 干濕季新銀合歡的葉綠素SPAD值及葉綠素熒光參數

2.6 新銀合歡光合生理生化參數和葉綠素熒光參數的Pearson相關性分析

由表6可知,新銀合歡的光合生理參數和光合生化參數有較好的相關性。Amax與CE、Γ、Rp、Vcmax、Jmax呈極顯著正相關(P<0.01),與TPU、Jmax/Vcmax呈顯著正相關(P<0.05)；CE與Amax、Γ、Rp、Vcmax、Jmax、TPU、Jmax/Vcmax呈極顯著正相關(P<0.01)。

表6 光合生理生化參數和葉綠素熒光參數的Pearson相關性分析

Rp、Rd分別與光合生理生化參數呈相反的相關性。Rp與Amax、CE、Γ、Vcmax、Jmax呈極顯著正相關(P<0.01),與TPU、Jmax/Vcmax呈顯著正相關(P<0.05)。而Rd與Γ、Vcmax、Jmax為顯著負相關(P<0.05),且與Jmax/Vcmax呈極顯著負相關(P<0.01)。

葉綠素熒光指標中Fv′/Fm′、Fv/Fm兩個指標與各光合生理生化指標相關性較弱,但NPQ與Amax、CE、Γ、Rp、Vcmax、Jmax、TPU、Jmax/Vcmax呈顯著負相關(P<0.05)。ФPSII和ETR均與光合生理生化參數中的Γ、Rp、Vcmax、Jmax顯著正相關(P<0.05),與Jmax/Vcmax極顯著正相關(P<0.01),與Rd呈顯著負相關(P<0.05)。

3 討論

研究地區干季的氣溫較濕季下降迅速,極端高溫環境有所緩解,日溫差增加,氣候環境由濕季的相對濕熱轉為相對干涼,土壤水分虧缺程度加深(表1)。

氣孔是植物葉片與外界環境進行水氣交換的重要通道,對環境變化極為敏感,在干旱脅迫下,通過降低氣孔開放程度以減少水分散失是植物的一種常見干旱適應策略,但這種氣孔調節策略將限制植物獲取大氣中CO2的能力,將可能導致光合速率下降[13]。但葉片的Gs不僅受土壤水分的影響,還與VPD等因素相關[14- 15]。VPD是反映大氣水分條件的重要指標,也是驅動植物葉片蒸騰的主要動力[16]。韓路等[17]與王海珍等[18]的研究均發現,較高的VPD會引起灰胡楊(Populuspruinosa)的Gs降低。在濕季,新銀合歡的VPD較高,其光合速率的氣孔限制作用明顯,原因可能為在干熱河谷的干旱環境下,生長季植物需水旺盛,過高的VPD引起了葉片氣孔阻力增加,以限制過度蒸騰,防止木質部栓塞和空穴化現象的產生[19],保證葉片內的水分平衡。而在干季,新銀合歡的VPD大幅下降,Gs顯著增加,Ci隨之上升,Ls降低,植物可利用的CO2增加,葉片的Pnmax增加且增幅高于Tr的增幅,導致其WUE顯著增加,表現出對干熱河谷較強的適應性。相較于土壤水分的影響,新銀合歡的氣孔調節策略對VPD的變化更加敏感。

植物葉片的光合作用受外界環境和自身特性的影響,其Pn-Ci響應曲線及相關光合生理生化參數能較好地反映逆境條件下植物葉片的光合潛能、碳同化能力、光合電子傳遞效率、光合磷酸酶活性及光抑制水平高低等特性。本研究中,新銀合歡的濕季和干季Pn-Ci響應曲線都比較符合經典形式(圖1)[20],當Ci<150 μmol/mol,新銀合歡的濕季Pn低于干季,但濕季的CE顯著高于干季,表明濕季較高的Rp和Γ是導致該階段Pn值較低的主要原因。CO2和O2作為Rubisco不同底物,在同一活性點位與其發生競爭性結合,產生競爭性的羧化反應和氧化反應。在飽和光強下,光下暗呼吸速率一般較低,此時的呼吸作用以光呼吸(Rp)為主；Γ是植物葉片光合作用和呼吸作用兩個過程彼此平衡時的Ci濃度,代表Pn-Ci曲線與坐標系橫軸的交點[21]。由于濕季新銀合歡的氣孔限制作用明顯,在同等Ca水平下,其Ci低于干季,可用于羧化反應的CO2底物較少,同時濕季的高溫(表1)也會調節Rubisco的動力學常數,提高氧合速率[22]。最終導致濕季Rp增加,Γ升高,Pn-Ci曲線與坐標系橫軸的交點右移,使得在低Ci水平時(Ci<150 μmol/mol),濕季的Pn相對較低。但光呼吸并不是一個無意義的消耗過程,它能在脅迫環境下保護光合器官[23]。相關性分析表明,新銀合歡的Rp與多個代表光合器官活性的光合生理指標呈顯著正相關(表6),說明濕季較高的光呼吸對光合器官的保護作用顯著,這與李環和吳沿友[24]的研究結果一致。在葉片氣孔限制程度較高的濕季,新銀合歡可能通過較高的光呼吸以甘油酸的形式回收部分由于RuBP氧化造成的碳損失[25],同時對過剩的光能進行快速耗散,減輕濕季高溫環境對光合器官的損害[26]。因為光呼吸占新銀合歡總光合速率的比例較高,在干季新銀合歡的Rp顯著降低可能是引起其Pnmax增加的另一個重要原因。而隨著Ci的升高,Pn逐漸增加,羧化反應逐漸替代氧化反應成為主導反應[27]。Jmax/Vcmax值代表了Rubisco活性和電子傳遞速率的功能平衡,以及N素在光合系統內部間的分配[28- 29]。在本研究中新銀合歡干季的CE、Amax、Vcmax、Jmax、TPU以及Jmax/Vcmax較濕季均出現顯著下降(P<0.05)；在Ci>150 μmol/mol階段,干季的Pn值也明顯低于濕季(圖1)。表明在干季,葉片的光合酶活性和數量降低,羧化效率、光合電子的傳遞及RuBP再生都受到了極大的影響,分配給羧化反應的N素也出現下降,葉片的光合器官活性降低,CO2利用率下降,光合速率受此影響顯著,最終導致Amax降低,這與王海珍等[30]的研究結果一致。同時,新銀合歡葉片的干季Rd較濕季顯著增加,也從另一個角度說明,新銀合歡在干季通過增加消耗來促進其抗逆性,進而維持生息。

植物葉片的葉綠素熒光參數與光合作用密切相關,能很好地揭示光合進程的“內在性”[31]。Fv/Fm反映PSII反應中心利用光能的最大能力,在無脅迫條件下一般在0.8以上[32- 33],新銀合歡在干濕季的Fv/Fm均低于0.8,說明其光合器官活性在干濕兩季都受到一定程度的抑制。ФPSII反映在PSII反應中心部分關閉的情況下的實際光化學效率,與植物葉片碳同化能力和光呼吸相關[34],ETR則代表實際光強條件下的表觀電子傳遞效率,qP為光化學猝滅系數,表示PSII反應中心通過將天線色素捕獲的光能作用于光化學反應的比例[35- 36]。相較于濕季,新銀合歡干季的ФPSII、qP、ETR出現了顯著下降,相關研究認為,qP的降低說明其PSⅡ反應中心開放程度下降,PSⅡ的原初電子受體QA重新氧化的能力降低,PSⅡ的電子傳遞活性減弱,致使還原態QA攜帶的電子不能快速向后傳遞,阻礙了整個光合電子傳遞過程,從而導致ФPSII的下降,光合器官活性降低[37- 38],這與李澤等[39]和黃純倩等[40]的研究結果類似。在干季,新銀合歡在光化學效率降低、光合電子傳遞受阻的情況下,過剩的光能如不能及時耗散,將對光合系統造成破壞[41]。NPQ代表非光化學猝滅系數,反映PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱能形式耗散掉的光能部分,是光保護機制中熱耗散作用的體現[42]。新銀合歡在干季通過增加NPQ,加強熱耗散,以保護光合器官,這與魏清江等[43]的研究結果一致。但有學者認為植物葉片在脅迫條件下qP的下降和NPQ的上升是光合機構被破壞和能量耗散過程加強運轉的共同結果,這是一種自我消耗性的,被動的適應方式,并不利于植物的長期生長[44- 45]。通過對葉綠素熒光參數和光合生理生化參數間的相關性分析發現,新銀合歡的ФPSII、NPQ、ETR三個指標均與Vcmax、Jmax、Jmax/Vcmax等光合生理指標呈顯著性相關(P<0.05),說明這三個熒光參數對干熱河谷地區新銀合歡光合生理特征具有較好的指示作用。

4 結論

綜上所述,在干熱河谷相對濕熱的濕季,新銀合歡的氣孔開放程度較低,光呼吸對光合器官保護作用顯著,光合器官活性較高。而在相對干涼的干季,土壤水分虧缺程度增加,新銀合歡葉片的光合器官活性降低,光抑制程度加深,光合能力下降,熱耗散的光保護作用得到增強；氣孔導度的增加和光呼吸的下降對其光合進程具有一定的補償作用,表現出對干熱河谷較強的適應性。影響干季光合速率的主要限制因素由濕季的氣孔限制轉變為非氣孔限制。葉綠素熒光參數中的ФPSII、NPQ、ETR三個指標能夠較好地反映出干熱河谷地區新銀合歡葉片的光合能力的季節變化。