土壤干旱胁迫对银杏幼苗光合特性的影响

刘晓静,刘佩迎,张谦,张义群,孙立民,门晓妍,邢世岩*



土壤干旱胁迫对银杏幼苗光合特性的影响

刘晓静1,刘佩迎1,张谦1,张义群2,孙立民1,门晓妍1,邢世岩1*

1. 山东农业大学林学院, 山东 泰安 271018 2. 山东省药乡林场, 山东 济南 250100

为了探索银杏的需水特性，探讨银杏叶片光合作用在不同土壤水分条件下的变化过程及各生理指标与土壤水分含量的关系。选择2年生银杏幼苗作为试验材料，采用人工供水后自然耗水的方法获取一系列土壤水分梯度，利用便携式CIRAS-2型光合作用系统测定7种不同土壤水分含量下的光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、胞间CO2浓度及气孔导度等生理参数的光响应过程，同时对银杏叶片的光合色素含量和渗透调节物质进行检测。结果表明轻度水分胁迫，即土壤相对含水量为60%左右时，最适宜银杏的生长。银杏生长所允许的最大水分亏缺在RWC为46.81%左右，银杏同时维持较高的净光合效率和水分利用效率的土壤相对水分含量范围为59.61%~84.72%。试验结果为加强银杏水分管理、确保银杏生长良好提供了理论基础和技术支持。

银杏; 干旱胁迫; 光合作用; 生理特性

随着全球气候的变化，干旱问题变得越来越突出，而土壤水是植物进行光合作用最必要的环境因素之一，也是植物生长发育的基础和生产力高低的决定因素。因此，研究土壤水分对植物生长的影响、探索植物的抗旱机制及响应特征极为重要。研究表明，水分胁迫对植物的生长和代谢是多方面的，尤其对植物的光合作用影响较为突出[1]，受气孔因素或非气孔因素的限制[2,3]，水分亏缺时光合作用降低，叶绿素合成受阻并促进其分解[1,4,5]，植物体内的可溶性糖和脯氨酸等渗透调节物质会大量积累[6-8]。

银杏（）是第四纪冰川运动后遗留的裸子植物中最古老的孑遗植物[9,10]，具有重要的经济、生态和社会价值。目前，关于水分胁迫下银杏光合作用的研究多见于在自然光或特定光强下的光合生理参数特征[11,12]的相关报道，对银杏在干旱胁迫下的光合作用光响应特征等相关研究较少，而且，已有的报道多是基于几个水分亏缺程度下[11,12]的研究，但是银杏在土壤水分持续干旱过程中的光合作用和生理作用的研究还未见报道。

本试验研究对象为2年生银杏幼苗，研究方法选用盆栽控水，对银杏叶片在土壤干旱加剧过程中7个不同水分含量下的光合速率、蒸腾速率、水分利用效率等光合指标以及生理指标等进行测定，探索银杏的需水规律，以期为银杏的栽植和管理提供理论和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山东农业大学林学试验站，位于山东省泰安市（东经116°20ˊ~117°59ˊ，北纬35°38ˊ~36°28ˊ），属温带半湿润性大陆性季风气候区，四季分明，年平均气温12.9 ℃，7月份气温最高，平均26.4 ℃，年平均降水量697 mm。全年平均≥0 ℃的积温4731 ℃，≥10 ℃的积温4213 ℃，无霜期平均195 d，最长可达241 d，最短为161 d。土壤类型以棕壤、褐土为主，pH值7.0。

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料与水分控制供试材料选择生长健壮、长势基本一致的2年生银杏苗（平均苗高55 cm、平均地径1.2 cm），2016年3月下旬将苗木移栽入盆，盆直径22 cm，深30 cm，每盆栽植1株苗木，共栽植6盆，土壤均来自林学站。在7月份进行土壤水分处理和光合生理生化指标的测定（试验盆栽长期埋于土壤中，使盆内土壤与田间土壤同温）。用环刀法测定土壤容重在1.32±0.09 g/cm3，田间持水量为31.62%。对试验银杏采用人工供水后自然耗水的方法获取土壤水分梯度，测定前2 d对试验银杏盆栽充分浇水使其饱和，然后进行自然耗水，使土壤含水量逐渐降低。土壤重量含水量（GWC）利用烘干法测定，土壤相对含水量（RWC）是由土壤重量含水量与田间持水量（FC）的比值获得。水分处理2 d后获得第一次的土壤含水量，GWC为26.79%（RWC为84.72%），进行第一次光合作用测定，以后每隔1~2 d获得一个土壤水分含量， GWC分别为19.73%，18.85%，14.80%，9.38%，8.20%，6.85%，RWC分别为62.40%，59.61%，46.81%，29.67%，25.94%，21.66%。试验期间搭建遮雨棚，防止降雨对试验产生影响。

1.2.2 叶片光合作用测定选取生长健壮的3株盆栽苗，在每一试验植株中部选定3片生长健壮的成熟叶片，对选定的3片标记叶片进行测定，每片重复测定3次，取平均值。光合作用测定选在天气晴朗的上午，8:30~11:00之间，利用便携式CIRAS-2型光合仪来测定不同土壤水分条件下银杏叶片的光合作用。光合仪测定时利用LED光源控制光合有效辐射强度（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。每个光照强度下设置测定时间为60 s。每个土壤水分条件下各指标测定的外界环境条件基本相似，如太阳光强、大气温度、湿度和外界CO2浓度等条件基本一致。设定CIRAS-2型光合仪在大气CO2浓度在350 μmol·mol-1左右，大气温度24~26 ℃之间，相对湿度(50±4.0)%左右。光合仪自动记录净光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、蒸腾速率（Tr，mmol·m-2·s-1）、气孔导度（Gs，mmol·m-2·s-1）、胞间CO2浓度（Ci，μmol·mol-1）等光合作用参数，叶片水分利用效率（WUE，μmol·mmol-1）和气孔限制值（Ls）分别用公式计算：WUE=Pn/Tr，Ls=1-Ci/Ca，（其中Ca为空气中CO2浓度）。

1.2.3 叶片光合色素及渗透调节物质的测定测定光合作用的同时从银杏植株中部剪取生长健康的成熟叶片若干，标记好用冰盒中带回实验室对脯氨酸（Pro）含量、可溶性糖含量、叶绿素(Chl)含量、叶绿素a（Chla）含量、叶绿素b（Chlb）含量、类胡萝卜素（Caro）含量进行测定，重复测定三次。脯氨酸含量测定采用磺基水杨酸提取法[13]，用μg/g表示；叶绿素等光合色素含量采用分光光度计法测定[14]，以mg/g表示；可溶性糖含量采用蒽酮法测定[15]，以μg/g表示。

1.2.4 数据处理采用Excel 2007计算处理试验数据并作图，应用SPSS17.0软件对不同处理间的实验数据进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同土壤水分条件下银杏叶片光合作用的光响应

由不同土壤水分含量下的光响应曲线图可以看出，银杏叶片净光合速率（Pn）为先快速上升再曲线式缓慢升高。在土壤相对含水量（RWC）在59.61%~84.72%时，Pn在低光强下（0~800 μmol·m-2·s-1）随着光合有效辐射（PAR）的增大，Pn呈明显上升趋势，超过此光强范围，Pn基本稳定在较高水平且随PAR的增大变化不大。当RWC<29.67%时，Pn随PAR变化不大，且Pn均小于1，说明土壤含水量过低会使银杏叶片的光合作用变得很微弱，对光照强度变化响应不敏感。超过此水分范围（RWC>29.67%），Pn的光响应过程与PAR和RWC同时有关。当RWC在59.61%~62.40%时，曲线总体变化幅度显著增大，最大净光合速率大于其他土壤水分含量下的净光合速率，而土壤含水量过高则会降低银杏叶片的净光合速率，维持净光合速率处于较高水平的土壤相对含水量范围为59.61%~84.72%。

蒸腾速率（Tr）随PAR的增大表现出和Pn类似的规律，在RWC为29.67%~84.72%时，表现为先快速上升再曲线式缓慢升高，当RWC在59.61%~62.40%时，Tr最大，说明RWC过高或过低都会影响银杏叶片的蒸腾速率。

水分利用效率（WUE）随PAR的增强呈现先快速增加再缓慢增加最后达到稳定后下降的趋势，当RWC在21.66%时，曲线开始波动较大。当RWC>21.66%时，在弱光下（PAR≤200 μmol·m-2·s-1），WUE随PAR增强而快速升高，然后缓慢升高到最大WUE，最后趋于平稳或略有下降。WUE达到最大时对应的RWC为62.40%，维持WUE处于较高水平的RWC范围为46.81%~84.72%。

气孔导度（Gs）的变化趋势也是随土壤含水量的下降表现为先升高后下降，随PAR的响应变化趋势和Pn类似，但当RWC＜29.67%时，Gs变化不大，说明土壤含水量的下降使气孔的调节能力下降并且基本上失去了调节能力，对光强变化的响应不敏感。胞间CO2浓度（Ci）与气孔限制值Ls的变化趋势相反，随PAR的增强表现出先下降而后达到稳定，RWC在29.67%~62.40%时，Ci随RWC的下降而下降，Ls则明显上升，而RWC＜29.67%时，Ci较高而Ls较低。

2.2 水分胁迫对银杏叶片光合色素的影响

由不同土壤水分含量下银杏叶片叶绿素、叶绿素a、叶绿素b含量变化图可以看出，银杏叶片的叶绿素、叶绿素a、叶绿素b含量均随着土壤水分含量的下降呈现出先升高后下降的趋势，在R59.61%条件下，叶绿素含量最高，当RWC＜59.61%时，叶绿素含量急剧下降，与RWC为59.61%时的叶绿素含量差异显著。RWC在59.61%时分别与RWC在25.94%和29.67%间的叶绿素a含量差异显著，在RWC为59.61%时，叶绿素a的含量增加到最大，在RWC为25.94%时，叶绿素a的含量下降到最低，且最大时的叶绿素a的含量是最低时叶绿素a的含量的1.44倍。在RWC为59.61%时，叶绿素b的含量增加到最大，在土壤相对含水量为29.67%时，叶绿素b的含量下降到最低，且最大时的叶绿素b的含量是最低时叶绿素b的含量的2.09倍。银杏叶片叶绿素a/b含量的比值随着土壤水分含量的下降呈现出先下降后升高的趋势，在土壤相对含水量为59.61%时，叶绿素a/b的比值下降到最低，随着水分胁迫的加剧，叶绿素a/b的比值呈现升高的趋势。银杏叶片的类胡萝卜素含量随着土壤水分含量的下降先下降后升高，在RWC为59.61%时下降到最低，在RWC为21.66%时升高到最大，且最大时的类胡萝卜素含量是最低时类胡萝卜素含量的1.53倍。

银杏叶片类胡萝卜素/叶绿素含量的比值随着土壤水分含量的下降表现出先下降后升高的趋势，在RWC为59.61%时，类胡萝卜素/叶绿素含量的比值降到最低，当RWC<59.61%时，类胡萝卜素/叶绿素含量的比值呈现升高的趋势，在RWC为21.66%时增加到最大，且最大时的类胡萝卜素/叶绿素含量的比值是最低时的2.30倍。

图 2 不同土壤水分条件下的银杏叶片光合色素含量变化

*字母相同表示差异不显著(>0.05)，字母不同表示差异显著(<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 水分胁迫对银杏叶片渗透调节物质的影响

由不同土壤水分含量下银杏叶片可溶性糖含量变化图能够观察到：银杏叶片的可溶性糖含量的变化是随着土壤水分含量的下降而先升高，然后缓慢下降，RWC为84.72%时含量最低，从RWC 62.40%~21.66%与之相比较依次增加38.7%、54.1%、70.4%、71.5%、66.9%、66.9%，其中RWC为29.66%时出现峰值。脯氨酸是植物在逆境中表现较为敏感的物质之一，银杏叶片的脯氨酸含量随着土壤水分含量的下降呈现出升高的趋势，当RWC在46.81%时，脯氨酸含量急剧增加，且RWC在46.81%~21.66%与84.72%相比较依次增加103.48%、103.35%、84.22%、90.41%，在RWC为21.66%时达到最大值。

图 3 不同土壤水分条件下银杏叶片的可溶性糖和脯氨酸含量

3 结论与讨论

光合作用在植物的生长及抗逆性方面有着巨大的作用，也是植物体内重要的代谢过程，所以用光合作用作为植物生长和抗逆性的判断指标是十分可行的[1]。相关研究表明，气孔因素或非气孔因素或两者的共同作用是光合作用的下降的原因[16]。本研究发现（图1），当RWC在29.67%~62.40%时，随RWC的下降，Pn下降，Ci下降而Ls明显上升，说明此时净光合速率下降的主要原因是气孔因素，这与景茂的研究结果相一致[11]，而RWC＜29.67%时，随RWC的下降，此时净光合速率极低，Ci升高而Ls显著下降，说明随着土壤干旱程度的加剧，净光合速率下降的主要原因由气孔因素转变为非气孔因素[17]，此时，银杏叶片光合结构受到伤害。土壤相对含水量为29.67%时是银杏气孔限制和非气孔限制的转折点，因此，银杏生长所允许的最大水分亏缺为29.67%，而景茂认为是银杏光合速率下降一直是气孔限制的影响，这可能的原因是所用银杏年龄不一致、试验处理方式不一致，因为干旱胁迫下植物光合速率下降的原因是气孔限制还是非气孔限制或是两者共同作用，与试验植株的种类、年龄、生长状况等关系非常密切[18-20]，所以此种差异需要进一步研究。

植物的水分利用效率（WUE）也是植物抗旱能力的重要表现[21]，植物可以通过协调碳同化速率（Pn）和蒸腾速率（Tr）的关系，调节WUE的变化，保持植物生长和水分消耗的平衡[22]。本研究中，RWC在59.61%~84.72%时，银杏叶片可以通过气孔调节，获得较多的CO2，维持较高的光合速率和水分利用效率，所以，银杏同时维持较高的光合效率和水分利用效率的土壤相对水分含量范围为59.61%~84.72%。当RWC在62.40%时，土壤水分对叶片的水分利用效率的有效性最高，可以看出，在轻度胁迫下，银杏的水分利用效率最高。

干旱胁迫时，叶绿体中的光合色素蛋白复合体的变化影响着叶绿体对光能吸收、传递、分配和转化，光系统Ⅱ的光合放氧过程使叶绿体处于局部高氧状态，叶绿体极易受到伤害[1]。干旱胁迫程度较轻时，植物通过增强光合色素的含量来缓解外界干旱环境的胁迫。且在一定范围内，植物叶片的光合作用强度随叶绿素a+b含量的增加而加强，叶绿素a/b的值较低则有利于植物利用不饱和散射光进行光合作用[20]。类胡萝卜素既能吸收和传递光能，又能起到保护作用[23]，它是内源抗氧化剂[24]，在土壤水分含量较低时类胡萝卜素含量较高，说明此时类胡萝卜素的保护作用增强，类胡萝卜素/叶绿素含量的值的高低与植物忍受逆境的能力有关，值越大其抗逆性越强[1]，本研究中银杏叶片的叶绿素含量、叶绿素a含量、叶绿素b含量在土壤干旱较轻（59.61%

渗透调节是植物的抵御逆境的重要途径，植物体内的可溶性糖和脯氨酸都属于渗透调节物质，可溶性糖是干旱胁迫诱导的小分子溶质之一，在维持植物蛋白质稳定方面可能起到重要的作用[6]，水分胁迫下脯氨酸含量的积累既能增强植物的渗透调节能力，使组织的抗脱水力加大，同时又增强膜的柔韧性，并可作为自由基清除剂，调节细胞质pH值，防止酶变性，防止细胞质酸化，它的含量与植物的抗旱能力成正比[25]。本研究中银杏叶片的脯氨酸含量和可溶性糖含量随着土壤水分含量的下降呈现出升高的趋势，由此可看出脯氨酸和可溶性糖均为银杏体内有效的渗透调节物质，在渗透调节中起着重要的作用。在中、重度干旱胁迫下，脯氨酸的含量增幅大于可溶性糖，说明银杏在抵御干旱胁迫时，脯氨酸比可溶性糖发挥更大的渗透调节作用。

综上所述，银杏对土壤干旱胁迫具有很强的耐受性，轻度胁迫（即RWC60%左右时）能提高银杏叶片的水分利用效率，中、重度胁迫下通过增强光合色素的含量以及积累大量的渗透调节物质适应干旱胁迫。

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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

国家重点研发计划课题(2017YFD0600701)

刘晓静(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