毛乌素沙地沙柳光系统Ⅱ光保护机制和能量分配动态及其影响因子*

靳 川 查天山 贾 昕 田 赟 周文君 卫腾宙

(北京林业大学水土保持学院/宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站 北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室 北京 100083)

全球气候变化导致极端天气事件不断频发，干旱半干旱区脆弱的荒漠生态系统面临急剧退化的威胁(黄建平等，2013;Bergetal.,2016;Huangetal.,2016)，沙生植物经常遭受干旱伴随高辐射和极端气温等的环境胁迫(康博文等，2010;Grantetal.,2015)。光合作用是植物赖以生存的基础，并且对环境变化非常敏感(Ensmingeretal.,2006;钟时伟，2018)。探究荒漠地区沙生植物光合生理状态在不同时期对各种环境波动的响应，可以充分认识和了解该区植被对环境胁迫的耐受性和适应性及其调节机制。

植物叶片在自然环境吸收的光能经常超过光合需要，特别是在荒漠地区(黄建平等，2013)。植物需通过光系统Ⅱ热耗散调节机制耗散过剩能量，来避免过剩光能产生活性氧引起的光抑制及光损伤(程明等，2008;Chenetal.,2016;Yamori,2016)。少量光能在光合过程中以叶绿素荧光形式进行辐射(Hortonetal.,2008;Ruban,2016)。叶绿素荧光与光合过程密切相关(许大全等，1992;Chenetal.,2016)，通过对叶绿素荧光的监测可以量化光系统Ⅱ的能量分配动态，了解植物的光合生理状态(张守仁，1999;Zunzuneguietal.,2011)。干旱半干旱区荒漠化已成为中国最严峻的生态环境问题，通过植被恢复重建防风固沙，是治理荒漠的有效途径(黄建平等，2013;Hanetal.,2018)。荒漠地区作为各种恶劣气候因素的聚集地，植被常会遭受土壤干旱、高辐射、极端温度和大气干燥等多种环境胁迫(吴雅娟等，2015;Renetal.,2018)。因此，探明荒漠地区植被对各种环境胁迫的光合生理响应以及适应能力至关重要。干旱下荒漠植物能通过调节气孔以减小水分流失，对植被最显著的影响是引起代谢活性氧等有害物质产生和增加(韩建秋等，2010;Yamori,2016)。高辐射也是荒漠地区的主要环境胁迫因子，能降低植物光合速率，抑制整个光合过程，甚至导致光合反应中心造成光损伤(李志真等，2014;Hanetal.,2018)。荒漠地区昼夜温差大，植物对高温的生理适应途径主要是通过增加细胞内的渗透压，提高原生质的抗凝结能力以减缓植物的代谢速率(李晓峰等，2009;Grantetal.,2015)。近年来，对荒漠地区植被叶绿素荧光的研究发现，植物可通过调节光系统Ⅱ的光化学活性来避免环境危害，有的植物也可通过对其生长节律的季节性调节来适应环境胁迫(白晓敏等，2013;Renetal.,2018;Wuetal.,2018)。目前，大多研究局限于短期控制试验，不足以体现自然条件下植物对环境胁迫的耐受与适应性以及长期调节机制。叶绿素荧光长期原位连续监测技术因其对环境信息波动具有长期连续的高捕获率，得到了越来越广泛的关注和应用(赵会杰等，2000;Porcar-Castelletal.,2008;Jankaetal.,2015)。

沙柳(Salixpsammophila)具有生长速度快、耐旱抗风沙等特点，自20世纪80年代以来，作为固沙造林常用树种，已广泛分布于西北沙地(朱媛君等，2016)。水分亏缺是沙地植物主要限制因子(白晓敏，2013;李媛等，2015)，然而，关于沙柳对复杂荒漠环境的各种胁迫的光合生理响应和适应过程机制目前尚不明确(Ashbacheretal.,2016;Weietal.,2016)。本研究采用叶绿素荧光连续原位监测技术，使用多通道连续监测荧光仪(Walz,Effeltrich,Germany)对宁夏盐池毛乌素沙地沙柳进行原位连续监测，分析沙柳在生长季光系统Ⅱ能量分配等光合生理动态的日变化和季节变化规律及对环境因子的响应，为阐明沙柳光系统Ⅱ能量分配和光合生理动态在日与季节尺度上对环境因子变化的响应机制提供依据。

1 研究区概况

研究区位于宁夏盐池荒漠生态系统国家定位观测研究站(37°53′45″—37°53′83″N，107°20′58″—107°25′46″E，海拔1 550 m)，处于毛乌素沙地南缘，是半干旱区向干旱区过渡的重要生态交错带，属于沙漠化敏感区域。典型的中温带大陆性季风气候，据盐池县气象站1954—2004年的51年观测平均值，这里年均气温8.1 ℃，年均降水量292 mm，年潜在蒸散量2 024 mm。土壤以风沙土为主，土壤密度为(1.54±0.08)g·cm-3。试验地以旱生灌木为主，主要包括油蒿(Artemisiaordosica)、沙柳、杨柴(Hedysarummongolicum)、花棒(Hedysarumscoparium)和柠条(Caraganakorshinskii)等。本文选取沙柳为研究对象。

2 研究方法

2.1 样地设置

2013年5月在研究区选取地势平坦、生长较好的天然沙柳林，布设一块10 m×10 m的样地。样地内沙柳高度约200 cm，平均冠幅为150 cm×180 cm，植被盖度为45%。每丛沙柳有20～30个分枝，沙柳地径在9～13 mm。选择长势良好(约25枝分枝)、大小适中(地径约10 mm)的代表性分枝作为标准枝，采用多通道连续荧光监测仪(MONI-PAM,Walz,Germany)对沙柳进行自然状态下的昼夜连续监测。因沙柳叶片为线状披针形，在植株朝南中部的分枝上，选择约3片健康成熟的叶子，使其将荧光探头监测区完全覆盖，并用探头(MONI-head)的铝制叶夹夹取固定，调整探头位置并让叶片保持充分受光，定期检查夹取叶片并适时更换。

2.2 环境因子与叶绿素荧光相关参数的测定

光合有效辐射(PAR)和空气温度(Ta)由荧光监测仪同步测定。相对湿度(RH)由在通量塔(距荧光监测仪200 m，高度为6 m)的温湿度传感器(HMP155A,Vaisala,Vantaa,Finland)测得，由CR3000数据采集器(Campbell Scientific Inc.,USA)存储数据。饱和水汽压差(VPD)由RH和Ta计算求得：VPD=E-E·RH/100,式中E为饱和空气压力，E=exp(17.27·Ta/237.3+Ta)。土壤体积含水量(SWC)通过布设在荧光监测仪旁的ECH2O-5TE土壤温湿度探头和Em50数据采集器(Decagon Devices,Pullman,WA,USA)测定，测量深度分别为10、30、70、120 cm。降雨量(PPT)由安装在样地附近空地内的TE525W翻斗式雨量筒和CR200X数据采集器(Campbell Scientific Inc.,Logan,UT,USA)测定，高1.8 m。上述所有环境因子测定间隔均为30 min。

2.3 数据处理

在日尺度分析中，以半小时为单位分别计算每月相同时刻沙柳光系统 Ⅱ 能量分配、NPQ和环境因子的平均值，分析不同月份之间日变化动态关系。用分段平均的方法将白天ΦPSⅡ和NPQ的小时数据按环境因子分组平均(PAR间隔100 μmol·m-2s-1、Ta间隔1 ℃、RH间隔5%、VPD间隔0.2 kPa)，每组求平均值和标准误差，通过线性或非线性拟合分别检验ΦPSⅡ和NPQ与环境因子PAR、Ta、RH和VPD的关系。在季节尺度分析中，采用Savitzky-Golay方法对ΦPSⅡ、ΦNPQ和ΦNO缺失数据的主要趋势线进行拟合插补，并分别检验每天ΦPSⅡ、NPQ和Fv/Fm与日最大光合有效辐射(PARmax)、Ta、空气温度变化幅度(RTa)、RH、VPD的SWC关系。采用SPSS22.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)和Matlab2016b(MathworksInc.,Natick,MA,USA)软件对数据统计分析，软件制图采用Origin9.0(OriginLab,Northampton,MA,USA)。

3 结果与分析

3.1 环境因子与叶绿素荧光参数的季节变化

在观测期各时期内，沙柳光系统Ⅱ能量分配都有较大波动，ΦPSⅡ、ΦNPQ和ΦNO的平均日均值分别为0.62、0.16和0.22，ΦPSⅡ日均值最大为0.79(9月22日)，最小为0.41(5月27日)(图2)；NPQ日均值在春季(4月16日—5月31日)和秋季(9月2日—10月15日)波动较大，在夏季(6月2日—9月1日)较稳定，最大值为3.16(5月27日)，最小值为0.10(8月1日)(图2)；Fv/Fm在夏季较为稳定，春季和秋季多次出现Fv/Fm降低且伴随NPQ的增高，Fv/Fm平均值为0.78，最大值为0.84(9月16日)，最小值为0.63(10月9日)(图2)。

图2 沙柳叶绿素荧光参数的季节动态Fig.2 Seasonal variation of chlorophyll fluorescence parameters in S.psammophila

日最大光合有效辐射(PARmax)最大为1 262 μmol·m-2s-1(6月22日)，最小为345 μmol·m-2s-1(6月20日)，PAR日均值最大为708.5 μmol·m-2s-1(6月11日)，最小为72.4 μmol·m-2s-1(6月19日)(图1)；Ta呈现先缓慢增加后下降趋势，Ta最高为19.4 ℃(6月28日)，最低为8.7 ℃(9月23日)，Ta在日尺度下变化幅度较大，在季节尺度的春季和秋季期间波动幅度较大，在夏季较稳定，与NPQ波动时期一致(图1、2)；RH最大值为96.5%(6月20日)，最小值为19.2%(6月28日)，VPD最大值为2.41 kPa(6月28日)，最小值为0.05 kPa(6月20日)，RH和VPD负相关(图1)。观测期内的总降雨量为242 mm，单次降雨量超过15 mm的有4次，其中6月20日16.9 mm，9月4日19.5 mm，7月3日26.2 mm，7月9日29.2 mm(图1)。10 cm处SWC随降雨的变化最明显，30与70 cm处SWC只在上述4次较大降雨中有相对明显的变化并且有明显时间滞后，120 cm处SWC则仅对生长季最大降雨有响应(7月9日)，Fv/Fm随着SWC的2次明显增加(7月9日、9月4日)也有小幅增加(图1、2)。

图1 环境因子的季节动态Fig.1 Seasonal variation of environmental factors

3.2 季节尺度下的环境因子与光系统Ⅱ光保护机制及其光合生理特性的关系

ΦPSⅡ和NPQ对环境波动响应的变化幅度较大。ΦPSⅡ与RH正相关(R2=0.14,P<0.01)，与PARmax和VPD负相关(R2=0.26,P<0.05；R2=0.11,P<0.01)，ΦPSⅡ低值多集中在6月和10月(表1；图3)；NPQ与SWC负相关(R2=0.12,P<0.01)，NPQ高值多集中在7月和9月(表1；图3)；Fv/Fm与SWC呈正相关(R2=0.19,P<0.01)，与PARmax和RTa负相关(R2=0.13,P<0.01；R2=0.16,P<0.01)，Fv/Fm趋势和ΦPSⅡ相近且与NPQ趋势相反，低值多集中在6月和10月。Ta高值和低值分别集中在7月和10月，RTa高值集中在6月和10月，RH高值和VPD低值集中在7月和9月(表1；图3)。

表1 沙柳叶绿素荧光参数随环境因子季节变化关系的回归方程Tab.1 Regression equation of the relationship between chlorophyll fluorescence parameters of S.psammophila and seasonal variation of environmental factors

图3 沙柳叶绿素荧光参数与环境因子季节变化关系Fig.3 Relationship between environmental factors and chlorophyll fluorescence parameters in S.psammophila during the whole growing season

3.3 环境因子和光系统Ⅱ能量分配及非光化学淬灭的日变化

按月份将观测期内相同时刻的数据平均，PAR每月趋势相同，呈现倒“V”形，峰值在13：00附近，8月份最高为1 578.4 μmol·m-2s-1，9、10月份较低分别为1 106.2和1 072.2 μmol·m-2s-1；Ta在白天随着PAR迅速升高，在夜间缓慢降低，峰值相对PAR辐射有3～4 h滞后，8月最高为24.9 ℃，9月最低为13.6 ℃(图4)；VPD和RH趋势相反，峰(谷)值和Ta一致 ，8月份波动最大，RH变化幅度为45%，VPD变化幅度为1.83 kPa，10月份波动最小，RH变化幅度为25%，VPD变化幅度为0.82 kPa(图4)。

能量分配在日尺度波动较大，ΦPSⅡ随PAR增加而降低，ΦNPQ随PAR增加而增加，ΦNO相对稳定。在季节尺度下，8月和10月ΦPSⅡ和ΦNPQ波动较大，ΦPSⅡ变化幅度分别为50%和55%，ΦNPQ变化幅度分别为47%和52%。ΦPSⅡ由大到小依次为7月>9月>6月>8月>10月，ΦNPQ依次为10月>8月>6月>7月>9月，ΦNO依次为10月>6月>9月>8月>7月(图4、5)；NPQ随PAR增加而增加且趋势相似，7、10月较高，峰值分别为1.81和1.55，NPQ由大到小依次为8月>10月>7月>6月>9月(图4、5)。

图4 不同月份环境因子日动态Fig.4 Variations in environmental factors at diurnal scale in different months

图5 不同月份沙柳叶绿素荧光参数的日动态Fig.5 Diurnal dynamics of chlorophyll fluorescence parameters in S.psammophila in different months

3.4 日尺度下的环境因子与光化学效率和非光化学淬灭的关系

将观测期内全天的ΦPSⅡ和NPQ对气象因子分段平均后，进行多项式和线性拟合。随着PAR增大，ΦPSⅡ逐渐减缓降低(R2=0.98,P<0.01)，NPQ持续升高(R2=0.93,P<0.01)；随着Ta升高，ΦPSⅡ先升高后降低(R2=0.82,P<0.01)，NPQ加速升高(R2=0.71,P<0.01)；随着RH增加，ΦPSⅡ持续增加(R2=0.96,P<0.01)，NPQ持续减少(R2=0.69,P<0.01)；随着VPD增加，ΦPSⅡ持续降低(R2=0.87,P<0.01)，NPQ持续升高(R2=0.83,P<0.01)。ΦPSⅡ和NPQ对环境因子的敏感性(k的绝对值)都较高(表2；图6)。

表2 沙柳叶绿素荧光参数随环境因子日变化关系的回归方程Tab.2 Regression equation of the relationship between chlorophyll fluorescence parameters of S.psammophila and diurnal variation of environmental factors

图6 沙柳叶绿素荧光参数与环境因子日变化关系Fig.6 Relationship between environmental factors and chlorophyll fluorescence parameters in S.psammophila at diurnal scale

4 讨论

4.1 沙柳光系统Ⅱ光保护机制和能量分配动态对环境因子的响应

叶绿素荧光参数作为指示植物适应环境的重要指标(许大全等，1992;Hortonetal.,2008;Ruban,2016)，ΦPSⅡ表征光系统Ⅱ捕获光能用于光化学反应的效率(张守仁，1999)。NPQ代表热耗散，指示植物受光抑制的程度(Wareetal.,2015)。自然条件下ΦPSⅡ和光合速率通常呈负相关，即光合速率升高ΦPSⅡ降低(徐彬彬等，2000)。沙柳为保护自身不被强光破坏，耗散了更多的过剩光能，因此NPQ随PAR增加。沙柳ΦPSⅡ降低，光合速率随可利用光能总量的增加而增加，这与该地区柠条、红砂(Reaumuriasoongorica)相关研究(齐书香等，2009;种培芳等，2010)结论相似。

极端温度通过影响捕光蛋白复合体和酶活性改变植物光合特性，还可对生理生化过程产生不利影响，以多种方式减少植物生长生存(Savitchetal.,2009;Faiketal.,2016)。沙柳ΦPSⅡ下降时刻早于PAR开始增加的时刻，这可能是因清晨PAR很弱且全天Ta在此时达到最低，低温抑制了光系统Ⅱ光反应酶的活性，影响光合过程中的电子传递(Bukhovetal.,2004)。有研究指出，在相同环境条件下，不同物种对极端温度的响应存在显著差异(张明艳，2016)。本研究沙柳与先前在同一研究地的常用固沙物种油蒿对温度响应的结论有明显差异，相对于油蒿，沙柳ΦPSⅡ变化幅度大且NPQ高，表明沙柳对极端温度有较差的适应性和耐受性。

RH增加减弱了植物气孔的午休现象，增强了植物的光合速率(崔骁勇等，2000)。日尺度RH和VPD波动均滞后于荧光参数的变化且相关性较差，说明沙柳光系统Ⅱ对空气干燥程度不敏感或其对叶绿素荧光参数的影响贡献不大。

4.2 环境胁迫对沙柳光系统Ⅱ能量分配及光合生理状态的长期影响

光系统Ⅱ在不同时间尺度上对环境的响应具有明显差异性，秒、分尺度短期响应如光系统Ⅱ蛋白质质子化作用和叶黄素循环中脱环氧化等(Hortonetal.,2004)。长期响应发生在几天几周甚至月尺度，通过调整叶绿素和类胡萝卜素浓度、叶绿素a/b比值或光系统Ⅱ特定蛋白质数量等方式实现。长期响应还可体现在光系统Ⅱ能量分配的平衡调节和热耗散的变化上，并且在暗适应后不易快速逆转(Mülleretal.,2001)。Fv/Fm是表征植物是否受到环境胁迫的重要指标，且不受物种和生长条件限制，在非胁迫状态下Fv/Fm约为0.75～0.85(Kalajietal.,2016)。通过光能分配计算可将热耗散划分为ΦNPQ和ΦNO，进一步提供定量信息(Krameretal.,2004)。ΦNPQ是指示植物光保护机制状态的关键指标，ΦNO表征植物的光损伤程度(Loscialeetal.,2010)。

沙柳具有披针形叶片和发达的根系，在形态学上为其耐受强光和干旱的能力提供了可能(吴雅娟等，2015;朱媛君等，2016;Britoetal.,2017;Fanetal.,2017)。沙柳光系统Ⅱ能量分配和Fv/Fm表现出明显的季节变化，这与其物候期基本相符。6月ΦNO较高，沙柳处于展叶期末期且叶绿素活性较弱，叶片抵抗力差，易受极端温度和高辐射等胁迫影响，此时沙柳光系统Ⅱ受损(周丽英等，2016)。7月和8月沙柳长势最好，叶片各功能性状达到最佳，因此ΦNO在日尺度较稳定。植物在白天受到的环境干扰能在夜晚得到有效恢复，认为沙柳出现光抑制但未造成光系统Ⅱ反应中心的明显损伤(Siametal.,2008)。8月NPQ较高，说明沙柳具有通过调节增加热耗散适应高辐射的生理特征，沙柳对高辐射的耗散能力对其能够在干旱半干旱区生长存活有着重要意义(Hanetal.,2018;Renetal.,2018)。9月ΦNO较高且在日尺度下波动，表明沙柳光化学能量转换和热耗散不足以将吸收的光能完全消耗掉，此时沙柳光系统Ⅱ可能受到了一定损伤(姜闯道等，2005;何炎红等，2015)。沙柳10月进入叶片枯萎期，叶绿素含量和活性降低，光合磷酸化以及暗反应相关酶的活性下降(Doupisetal.,2013)。沙柳Fv/Fm下降很有可能是由光合机构的衰退伴随低温抑制所导致。NPQ和ΦNO较高且在日尺度下较稳定，表明沙柳秋季衰老叶片的光保护能力下降和光损伤的产生。

干旱是影响干旱和半干旱区沙生植物光系统Ⅱ能量分配最常见的限制(Zhaetal.,2017;Wuetal.,2018)。水分亏缺引起植物调节气孔闭合，限制了光合过程中水的裂解，增加了跨类囊体质子梯度，使叶黄素脱环氧化，最终导致光合效率降低和保护性热耗散增加(齐长雪等，2018;Jahnsetal.,2012;Quaasetal.,2015)。在整个生长时期，沙柳Fv/Fm受SWC影响且调控较小，认为沙柳有较高的干旱耐受和适应力。沙柳作为荒漠地区常用固沙造林物种，对荒漠地区恶劣的环境条件有一定的抗逆性和适应性。

5 结论

在日与季节尺度上，沙柳光系统Ⅱ能量分配对环境因子响应均存在动态和差异。在日尺度，ΦPSⅡ、ΦNPQ主要受PAR、Ta影响，受RH和VPD的调控较小，ΦNO较为稳定。在季节尺度，能量分配随物候期而变，ΦPSⅡ对PARmax、RH和VPD的变化敏感，SWC的波动影响了NPQ对PAR的响应。沙柳能量分配动态在日与季节尺度的差异，很可能是由于光系统Ⅱ蛋白质质子化作用和叶黄素循环中脱环氧化等短期调控机制与光合色素浓度、比值和光系统Ⅱ特定蛋白质数量等长期调控机制之间的差异造成的。沙柳Fv/Fm受PARmax、RTa和SWC的影响，说明高辐射、极端温度和水分亏缺是沙柳的主要环境胁迫限制因子。本研究丰富了沙生植物对环境波动响应的生理可塑性理论，可为脆弱的干旱半干旱区沙地生态系统的恢复管理和物种选择提供理论指导。