乌兰布和沙漠油蒿叶片PSⅡ叶绿素荧光动力学参数及其光响应曲线动态

张景波，张金鑫，卢 琦，辛智鸣，李新乐，刘庆新，李宏亮

（1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091；2. 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古 磴口 015200；3. 中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091；4. 中国林业科学研究院，北京 100091；

5. 通辽市水务建设投资集团有限公司，内蒙古 通辽 028000）

油蒿(Artemisia ordosica)为菊科蒿属龙蒿亚属低矮半灌木植物，株高50～100 cm，无明显主茎，多分枝，具有抗风力侵蚀、耐干旱、贫瘠等特性[1]。油蒿生态适应能力强，在我国西北地区半荒漠、荒漠草原和典型草原等植被类型地带都有分布[2-3]，是我国西北沙地分布最广的建群种，在沙漠及沙地的植被恢复中起着重要的作用[4-5]。干旱贫瘠是荒漠区最主要的特征，直接影响着植物物种的多样性及分布[6-7]。油蒿的深根、低矮及结实多等表型特征是长期对荒漠逆境适应的结果[8]。光合作用是植物获取能量的唯一生物途径，也是植物生理代谢过程能量需求的主要来源，是植物能够生存并完成生活史的基础。油蒿适生的荒漠生境具有降水少、光照强、蒸发量大、昼夜温差大等特点，油蒿在长期进化过程中也形成了独特的光合生理生态适应机制。

叶绿素荧光参数主要反映植物对光能的吸收、转化、利用与分配，可以实时反映植物叶片中光化学反应活性及其自我保护能力[9-10]。利用叶绿素荧光参数，可探测植物叶片光合器官的功能以及探明光合机构受影响的部位等[11-12]，是研究植物与环境适应性的重要手段[13-16]，已被广泛应用于植物引种驯化与栽培管理[17-18]、植物响应逆境的表型可塑性反应[19]等方面的基础研究。基于此，本研究利用叶绿素荧光分析技术，对乌兰布和沙漠地区不同生长季油蒿的生长特征、生态适应性以及叶绿素荧光动力学参数等变化进行原位测定，并分析植株生长特征、环境因子与叶绿素荧光参数的相关性，以期为草原植被生态恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验地位于内蒙古磴口荒漠生态系统定位站(40°24′ N，106°43′ E)，地处河套平原和蒙古高原的乌兰布和沙漠之间交界处。该区多年平均气温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)。多年平均蒸发量为2 381 mm。土壤类型为风沙土和灰棕漠土。植物群落主要由油蒿组成，还有其他耐旱物种，如半灌木唐古特白刺(Nitraria tangutorum)，多年生草本沙鞭(Psammochloa villosa)，一年生物种沙蓬(Agriophyllum arenarium)和蒙古虫实(Corispermum mongolicum)等。

1.2 样地选择

在油蒿群落研究地设置 3 个 10 m × 10 m 的样方，每个样区随机选择1个灌丛沙堆作为研究对象。

1.3 叶绿素荧光动力学参数测定

利用Li-6400便携式光合测定系统(LiCor Environmental Sciences, Lincoln, NE, USA)、 荧 光 叶室(Li-6400-40)以及多相脉冲(multiphase falsh)技术对油蒿叶片叶绿素荧光参数和快速光响应曲线进行了测定。测定叶绿素荧光动力学参数时，于04:00-06:00在弱光下测定初始荧光(Fo)，然后利用 2 800 μmol·(m2·s)-1光强进行饱和脉冲光处理，得到黑暗中的最大荧光(Fm)。经充分暗适应后，由选定模式下系统自动计算PSⅡ的最大光化学效率(Fv/Fm)、表观电子传递速率(ETR)、有效量子产量(ΦPSⅡ)、光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数qN、NPQ等参数。

利用多相脉冲技术测定沙蒿叶片的荧光光合响应曲线，选择油蒿完全展开叶，将叶室内叶片暴露在不同光强梯度 (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 (蓝光占 10%)。CO2浓度为 400 μmol·mol-1，温度控制在 27 ℃，最大光合有效光量子流密度 (Flow)为 300 μmol·s-1，缓变率为30%，调制频率为20 kHz，平均滤波频率为 50 Hz。

1.4 比叶面积测定

将测量完光合的叶片摘下并带回实验室，用方正U300扫描仪扫描叶片，利用Ipp 6.0图像分析软件计算叶片的叶面积 (leaf area, LA)；将该叶片放入恒温箱，在105 ℃处理30 min后，60 ℃条件下处理48 h，保证叶片完全干燥，称量叶片干重(leaf dry weight, W)。 然 后 计 算 比 叶 面 积 (specific leaf area,SLA)。

SLA = LA/W。

1.5 叶氮含量测定

采集每株植物叶片3～5片，于105 ℃下杀青10 min，70 ℃下烘干至恒重。将叶片粉碎后过0.2 mm 的筛子。采用 vario MACRO cube 元素分析仪 (Elementar Company,Germany)测 量 叶 氮(Nmass)含量。

1.6 数据分析

采用SPSS统计分析软件包(SPSS22.0 for windows, Chicago, USA)对油蒿生长季不同生长阶段的叶绿素荧光动力学参数进行方差方析，多重比较采用LSD法，显著性水平为P＜0.05。所有结果为3次重复数据的均值。

2 结果与分析

2.1 生长期油蒿比叶面积与叶氮含量动态

7-9月为油蒿关键生长期。试验结果显示，油蒿SLA在8月最大，显著大于9月(P＜0.05)，为9月的 1.23倍 (图 1A)，而 8月油蒿的 Nmass则最低，显著低于7和9月(P＜0.05)，为9月的77.4%，7月与9月植株叶片Nmass相当(图1B)。

图 1 油蒿生长期比叶面积与叶氮含量动态变化Figure 1 Dynamic changes of specific leaf area and leaf nitrogen content in Artemisia ordosica

2.2 油蒿生长期叶绿素荧光动力学参数动态

油蒿叶绿素初始荧光Fo在整个生长期无明显变化，即光系统Ⅱ反应中心处于完全开放时的荧光产量保持稳定(图2A)。但油蒿光下最小荧光Fo′在8月达到峰值；到9月，随着气温下降，Fo′降至最低值，为 8 月的 43.13%(P＜0.05)(图 2B)。

油蒿最大荧光产量Fm′在生长期内无明显变化(图2C)。但光下实际最大荧光产量Fm′的生长期不同阶段存在显著变化，出现先升后降的趋势，7-8月丰雨期，叶绿素最大荧光产量短期内快速增加，由7月的160.0达到8月的294.1，进入9月后Fm′骤 降 至 136.7， 仅 为 8 月 峰 值 的 46.5%(P＜0.05)(图 2D)。

油蒿叶片PSⅡ最大光化学量子效率(Fv/Fm)在生长期内不随气象因素变化而改变(图2E)。Fv/Fo反映PSⅡ潜在活性，Fv/Fo在生长期持续升高(P＜0.05)(图2F)，这说明油蒿叶片PSⅡ潜在活性随着植物生长进入末期开始有限释放。

图 2 生长期油蒿叶绿素荧光参数动态变化Figure 2 Dynamic change of chlorophyll fluorescence parameters in Artemisia ordosica

2.3 油蒿叶绿素荧光参数快速光响应曲线动态

叶片PSⅡ实际光化学量子产量ΦPSⅡ反映的是实际光能转换效率，随着光强的增加而降低，其中以7月下降幅度最大。相同光强条件下，7月份叶片Fv′/Fm′显著低于其他月份，但当光强增至2 000 μmol·(m2·s)-1后，各月份油蒿叶片 ΦPSⅡ稳定在同一水平(图3A)。

油蒿的qP在低光强条件下快速下降，随着光强的增加，qP下降速度减缓(图3B)。相同光强条件下，以9月油蒿叶片qP最高，而7月叶片qP最低 (图 3B)。

非光化学猝灭系数(NPQ)随着光强的增加而迅速升高，不同月份间差异显著(P＜0.05)。7月份，当光强大于 500 μmol·(m2·s)-1时，NPQ 升高速率显著减 缓 (图 3C)， 光 强 超 过 1 500 μmol·(m2·s)-1时 ，NPQ开始下降；相同光强条件下，以9月份油蒿叶片的NPQ最高，而8月份油蒿叶片的NPQ最低。

油蒿叶片表观电子传递速率(ETR)在各个月均随光照强度的增加呈上升趋势(图3D)。其中相同光照强度条件下，7月油蒿叶片ETR显著低于8、9月叶片ETR(P＜0.05)，而进入9月后，油蒿植物叶片ETR在不同光强条件下均高于其他月份。

图 3 油蒿叶绿素主要荧光参数快速光响应曲线动态变化Figure 3 Dynamic change of fast light response curve of main fluorescence parameters of Artemisia ordosica

3 讨论与结论

3.1 油蒿叶片特征对不同生长时期环境的适应性

叶部形态、厚度和内部结构受到水分、温度、光照等生态因子的影响[1]。SLA作为植物重要的叶片性状，与植物的生长状况及生存策略密切相关，在植物的不同生长时期存在显著差异[7]。低SLA表明植物有较强的抗干旱耐贫瘠能力，而高SLA则表明植物生理代谢旺盛，对矿物质营养的吸收利用率高[20]。降雨相对集中的7-8月，油蒿SLA较高，进入干旱期的9月份，油蒿SLA显著降低，说明油蒿可通过改变叶片表型调控对植物对养分的吸收与利用速率，从而表现出较强的环境适应能力。

3.2 油蒿叶绿素荧光动力学参数对荒漠环境的适应性调节

叶绿素荧光动力学参数与光合作用过程紧密相关，可直接反映植物对逆境的响应[21-23]。Fo和Fv/Fm分别表示PSⅡ处于完全开放时的荧光产量和PSⅡ受伤害的程度。本研究中，Fo和Fv/Fm在整个生长期保持相对稳定，说明油蒿叶片PSⅡ未受到不可逆损伤[24]且保持较好反应活性，通过适应性调节，实现对环境的适应。

叶绿素PSⅡ吸收的光能主要通过光化学转化(φPSⅡ)、调节性能量耗散(NPQ)和非调节性的能量耗散(NO)共3个途径进行转化与耗散[25]。本研究表明，油蒿可通过自身调节机制平衡叶片光能捕获、利用与耗散关系，保持叶片PSⅡ反应中心活性。本研究还发现，强光可诱导油蒿叶片qP快速下降，这说明油蒿叶片在不同光强下可调节PSⅡ反应中心的开放比例，从而控制光合电子传递速率。

逆境不仅引发叶片PSⅡ反应中心关键组织损伤，同时也影响光合电子传递速率(ETR)。本研究中，在高温高蒸腾量的7月，油蒿叶片PSⅡ反应中心活性下降或部分受损，通过捕获的光化学能量主要以非光化学猝灭形式耗散，而9月天气转凉与干旱逆境叠加，PSⅡ反应中心开放，光能利用效率提高，从而减少了非光化学猝灭能量耗散。说明油蒿在长期进化过程，通过PSⅡ反应中心活性可逆转化，表现极强的多重逆境适应能力，成为荒漠半荒漠草原优势建群种之一。

综上所述，油蒿可通过改变比叶面积、调节植物体内光合器官氮素含量及其利用效率，调控叶片PSⅡ光能捕获及热能耗散等生理过程，实现对荒漠环境高温、干旱、高光强与高蒸腾等多种逆境的生态适应。