石漠化环境下2种藓类植物叶绿素含量与SPAD值的相关性及其空间分异

李玉杰，程 才，向 刚，李晓娜*

(1.贵州师范大学 喀斯特研究院，贵州 贵阳 550001；2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州 贵阳 550001；3.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001)

【研究意义】在喀斯特岩溶系统中，苔藓植物是生物岩溶的重要参与者，其生理生态指标除了能反应自身代谢活性外，还与喀斯特环境有着显著的关联[1-3]，由于藓类生理生态过程中释放的酸性物质及二氧化碳均对岩石有溶蚀作用，其生物过程所富集的营养元素能给其他高等植物群落的产生提供良好的物质基础[4]，因此苔藓植物生理生态研究对石漠化治理具有一定的实际意义。【前人研究进展】叶绿素含量是植物生理生化及生态调查中的关键测量参数，能灵敏地反应出植物的生理状态与环境的相互关系，绿色度值(Soil and Plant Analyzer DevelopmentSPAD)是用于表征植物叶绿素相对含量的重要指标，由于SPAD值能通过叶绿素测定仪快速测出，且能较好地反映植物叶绿素含量特征，常被用于农作物健康状况评估及植物生理生态研究中，其在水稻、蔬菜瓜果等研究中SPAD值与叶绿素含量的相互关系已有详细报道[5-8]，林草业方面的相关研究也有所及[9-11]，且均取得了较为显著的成果，可见SPAD值对于植物生理生态监测具有重要意义。【本研究切入点】叶绿素测定仪(SPAD-502)具备探孔小、精度高等优势，其在叶片薄而小的藓类植物上的应用未有相关文章报道。因此选取了石漠化地区广泛分布的2种藓类尖叶对齿藓(Didymodonconstrictus)和穗枝赤齿藓(Erythrodontiumjulaceum)，运用SPAD-502进行叶片SPAD值测定。【拟解决的关键问题】探讨藓类植物SPAD值与对应叶绿素含量的相互关系，同时对不同石漠化程度中藓类植物叶绿素含量的空间分异进行对比，揭示其分异规律并分析原因，为石漠化区域生态监测及生态修复提供藓类植物层面的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

撒拉溪示范区位于贵州省毕节市西南部，喀斯特面积占总面积的74 %，是我国西南地区典型的喀斯特地貌主导区域，为石漠化治理的综合示范区，区域内不同石漠化等级均有分布。区域内高原山地生态环境占主导，主要出露石灰岩及部分砂岩，地貌类型以峰丛洼地为主。示范区主要包括9个行政村，总人口数为20 215人，植被类型为亚热带常绿针-阔叶林以及落叶阔叶林，区内多年平均降水量为984.40 mm，年均温为12.3 ℃。长期以来，由于人为活动原因，原生植物破坏严重，优势植物种群主要为栎类(Quercusspp.)、火棘(Pyracanthafortuneana)和杜鹃(Rhododendronspp.)等藤刺灌丛，石漠化环境问题凸显。

1.2 方法

1.2.1 藓类样本采集 采样时间为2018年8月16号(采样前3 d无降水)，在不同石漠化等级区(无石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和强度石漠化)随机取撒拉溪广泛分布的尖叶对齿藓和穗枝赤齿藓各10个样，共计80个样本。各取样点光照度、植被盖度和坡向见表1。

1.2.2SPAD值和叶绿素含量测定 (1)SPAD值测定。取样时使用SPAD-502测定仪对所采苔藓进行测量并记录SPAD值，每个样本测10次，测定后将样本装入牛皮纸袋带回实验室进行叶绿素含量测定。

(2)叶绿素含量测定。测定前用少量蒸馏水喷洗样本除去表面杂质，置于通风干燥环境中24 h后以备实验。为保证测定结果尽可能不受到样品存放时长的影响，叶绿素的提取与测定采用邱念伟等的快速提取测定法[12]，将所测苔藓样本均匀剪碎，取100 mg置于10 mL的试管中，加入2 mL的DMSO浸润，在65 ℃的避光环境中提取直至样品变白，待样品冷却后加入8 mL 80 %的丙酮混合均匀，用分光光度计测量其波长为663.6和646.6 nm处的吸光度，计算叶绿素含量。

Chla(mg/L)=12.27A663.6-2.52A646.6

Chlb(mg/L)=20.10A646.6-4.92A663.6

Chl=Chla+Chlb

叶绿素含量(mg/g)=(色素浓度×提取液的体积)/样品重

式中，Chla、Chlb和Chl分别为叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素总含量，A663.6和A646.6分别为叶绿素提取液在663.6和646.6 nm处的吸光度值。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel和SPSS对数据进行统计分析，用Origin和Canoco 进行作图。

2 结果与分析

2.1 SPAD值与叶绿素含量

从表2看出，尖叶对齿藓SPAD最小值和最大值分别为7.2和35.6，对应的叶绿素总量(Chl)值和最大值分别0.158和0.816 mg/g。穗枝赤齿藓SPAD最小值和最大值分别为12.6和40.9，对应叶绿素总量最小值和最大值分别为0.418和 0.972 mg/g。虽然穗枝赤齿藓SPAD最小值并未对应叶绿素总含量最小值，但总体看来，随着SPAD值的增加，叶绿素总含量基本呈上升趋势。

表1 不同石漠化等级样点的特征

表2 2种藓类80个样品的SPAD值和叶绿素含量

续表2 Continued table 2

2.2 SPAD值与叶绿素含量的相关性

运用对数、指数及乘幂函数对2种藓类植物SPAD值与各叶绿素含量进行相关统计分析结果(表3)表明，SPAD值与叶绿素a、叶绿素b含量的拟合程度具有差异性，同等函数下叶绿素b与SPAD值的相关性均低于叶绿素a，原因主要是叶绿素测定仪(SPAD-502)的发射波长为660 nm，而叶绿素a和叶绿素b的吸收波长分别为663.6和646.6 nm，SPAD-502的波长更为接近叶绿素a的吸收波长，所以导致了SPAD值测量结果对叶绿素b含量有更大的偏差。由于SPAD测定仪器操作与设计的局限性，植株接受测量部位的性状特征如伸展度、厚度等因素有可能影响SPAD值测量结果。

由图2可知，随着石漠化程度的加重，2种藓类叶绿素总含量与SPAD值间的相关性均逐渐减小。以尖叶对齿藓为例，其叶绿素总含量与SPAD值线性拟合方程R2从0.90降至0.61；叶绿素a则从0.86降至0.72；叶绿素b降幅更明显，从0.81降至0.24，降幅最明显的均为轻度石漠化至中度石漠化阶段，中度石漠化至强度石漠化虽有所降低，但降幅有所缓解。石漠化的加剧使得环境条件越来越恶劣，缺少植被保护的情况下阳光可直接作用于苔藓层，使得藓类植物叶片因蒸发失水而处于干卷萎黄的失活状态，叶片的卷曲团缩的情况下测量的精度会受到一定影响，尤其是对含量最少的叶绿素b影响最大(含量越少，对精度要求就越高)，从而致使测量结果受到干扰而影响了拟合特性，但就SPAD值与叶绿素总含量的拟合性来说，SPAD-502叶绿素测定仪所测结果仍然能很好地表征叶绿素总含量及其变化。

图1 2种藓类植物的SPAD值与叶绿素各成分含量的相关性Fig.1 Correlation between SPAD values and chlorophyll contents (chlorophyll, chlorophyll a and chlorophyll b) of two mosses

表3 4种函数下2种藓的SPAD值与叶绿素各成分含量的拟合方程

2.3 石漠化环境中叶绿素含量的空间分异

2.3.1 叶绿素各成分含量的空间分异 从图3看出，从无石漠化到强度石漠化过程中，尖叶对齿藓和穗枝赤齿藓SPAD值与叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总含量均都呈明显下降趋势，即石漠化程度越高则叶绿素含量越低，SPAD值也越低。其中SPAD值与叶绿素总含量趋势十分接近，较好地反映叶绿素含量的空间变化趋势，这也从另一个角度验证SPAD值用于表征2种藓类叶绿素总含量及动态变化的可行性。

图2 不同石漠化程度下2种藓的SPAD值与叶绿素含量的相关性Fig.2 Correlation between SPAD values and chlorophyll contents of two mosses under rocky desertification with different degrees

图3 不同石漠化2种藓的SPAD值及叶绿素含量Fig.3 SPAD values and chlorophyll contents of two mosses under rocky desertification with different degrees

从图4看出，叶绿素含量与SPAD值呈显著正相关，叶绿素含量与荫蔽状况也呈正相关，此外光照度和植被盖度均与叶绿素含量呈显著的负相关，坡向与叶绿素含量有一定负相关性，但不明显。排序结果表明，在诸多石漠化环境因子中，植被盖度和光照度因子对2种藓类植物叶绿素含量的影响最显著。植被盖度的降低是喀斯特地区石漠化产生的最直观因素，植被的减少将使喀斯特区域失去最主要的生态“保护伞”，缺少“保护伞”的情况下区域曝光度增加、水土流失严重，高温干旱且贫瘠的石漠化环境接踵而至。

Vc为植被覆盖度，Chl为叶绿素总含量，shade为遮阴状况；asp为坡向，lux为光照度，圆圈为单个样本，箭头为各指标数值，箭头间的夹角表示各指标的相关性，夹角越接近90°则相关性越差 Vc, Chl, shade, asp and lux mean vegetation coverage, total chlorophyll content, shade situation, aspect and illuminance respectively. Circle and arrow mean single sample and the value of each index. The included angle between arrows indicates the correlation between different indexes. The closer the angle to 90° is, the worse the correlation is 图4 样点环境因子及藓的SPAD值与叶绿素总量各因子的PCA排序Fig.4 PCA ranking of sample environment factor, and SPAD value and factor of total chlorophyll content of two mosses

2.3.2 叶绿素a/b值的空间分异 叶绿素b能有效的捕捉并利用蓝紫光进行光合作用，因此，苔藓作为阴生植物，其叶绿素a与叶绿素b的比值通常比阳生植物的低，在1.5～3。通常来说，弱光环境下植物叶片叶绿素a/b值较低而强光照环境下则会增升高，这通常被认为是植物体适应不同光环境的体现[13]。从图5可知，在喀斯特环境下，石漠化程度的加剧对尖叶对齿藓和穗枝赤齿藓叶绿素a和叶绿素b的比值影响显著，2种藓类叶绿素a/b均值最大值均出现于强度石漠化区域，尖叶对齿藓叶绿素a/b的平均值体现为从无石漠化到中度石漠化小幅递减，到强度石漠化突然升至最大值，穗枝赤齿藓则随着石漠化过程的加剧叶绿素a/b的平均值不断增高。

图5 不同程度石漠化环境两种藓的叶绿素a/b值Fig.5 Chlorophyll a/b values of two mosses under rocky desertification with different degrees

3 讨 论

由于藓类植物叶片较小且不同种之间存在差异，植株体疏密程度不一等原因导致SPAD值测定困难，SPAD-502型号叶绿素测定仪探孔微小、测量精度高等特性为藓类植物SPAD值测量提供了支撑，从测量结果看来，SPAD值与尖叶对齿藓和穗枝赤齿藓叶绿素各成分含量的关系在4种函数方程下拟合度均较好，虽然拟合结果对石漠化程度有一定分异性，但总体也能良好的体现出叶绿素含量的变化趋势，因此，使用SPAD-502对该两种藓类进行叶绿素相对含量测量是完全可行的。随着藓类生态生理研究的不断深入，野外测量叶绿素含量等工作需寻求更有效便捷的方式，SPAD值测定具备不损伤植物体以及快速、精确等优势，不仅可以对单个样本进行快速估测，而且在连续的动态监测中更有不可忽视的优越性。

随石漠化程度加剧藓类植物单位重量叶绿素含量呈下降趋势，叶绿素a/b值趋于增高，这是藓类植物对于石漠化干旱及高曝光环境适应的体现。石漠化高温干旱环境下维管植物不宜生存[14]，在这种极端的环境条件中苔藓植物生态位宽度得以增加，这一定程度上得益于藓类植物在形态结构上的适应特征[15-16]，但藓类植物生理调节特征也至关重要，在干旱的石漠化地区，藓类植物可通过渗透调节作用来提高抗氧化酶系统的能力[17]，同时也具备在极端环境下维持光和色素含量、调控色素比率以保证光合机构完整性的能力，这些特殊的生理调节与适应能力让藓类植物在极端环境下也能生长发育。

植物体中叶绿素的合成与分解是一个动态平衡的过程，叶绿素含量受光照及温度等因素影响，其中光照对叶绿素合成和分解起主要作用，光作为激发因子对叶绿素合成有至关重要的影响，在植物叶绿素合成的过程中，谷氨酰-t RNA(Glut RNA)接受光照刺激后开始一系列的叶绿素合成过程，直至叶绿素b形成后总共需要16个步骤[18]，但在整个过程中不需要过强的光照度。此外，受光时植物叶片中Mg2+螯合酶活性会大大增强[19]，有利于叶绿素的进一步合成。已有研究证实，弱光环境对植物叶绿素合成有促进作用[20-22]，这是由于弱光或者遮光条件下植物叶片中集光色素蛋白含量增加而使得结合态叶绿素增多，叶绿素含量因此增加，这有利于植物在弱光环境下能高效地进行光捕捉。石漠化地区温度的变化很大程度上取决于光照强度及光照时长，温度通过影响酶活性从而影响植物光合色素的分解与合成，高温或者低温均可能导致植物酶活性降低从而影响叶绿素合成与分解过程，但通常来说，随石漠化程度的增加，植被覆盖率降低，夏季地表曝光度不断增加将会导致温度升高，高温胁迫下，植物叶绿素含量将会下降[23-24]。坡向在一定程度上可改变区域环境的光照条件及降水条件等[25]，但通常与宏观的大尺度地貌相关联，撒拉溪多以低矮的峰丛洼地为主，因此坡向因子对区域环境光照及温湿度条件影响有限。在喀斯特石漠化环境中，植被盖度对藓类植物叶绿素含量的影响体现在其对光照环境及温度环境的影响上，无石漠化到强度石漠化过程中，植被盖度不断降低，同时段地表单位面积光强度随之增加，藓类植物在光照不断变强的情况下叶绿素合成将会受到阻碍。阳光的暴晒致使地层温度升高、植物蒸腾作用增强，高温干旱将直接导致植株体失去活性，此时大量叶绿素将会以游离的形态出现于细胞中，这种游离态的叶绿素会对叶细胞造成光氧化损伤，从而迫使植物体必须快速降解游离叶绿素以保证植株体的正常代谢功能[26]。

由于缺少植被覆盖，石漠化地表层具有高曝光性，且随石漠化的加剧光照越来越强烈，植物叶片对高强度光照的适应策略除了降低单位质量叶绿素含量以外，还包括增加叶绿素a/b值。叶绿素a与叶绿素b合成和分解的速度影响了叶绿素a/b值的大小，一般来说，在强度石漠化环境下，强光照条件导致叶绿素以降解和光氧化的形势分解减少，而叶绿素b分解速率要高于叶绿素a，但在弱光或者遮光环境中叶绿素a会以水解形势部分转化为叶绿素b[27]，这就导致了无石漠化环境中两种藓类植物叶绿素a/b值低于强度石漠化环境，但石漠化过程中尖叶对齿藓叶绿素a/b值并未呈现出穗枝赤齿藓那样的递增趋势，而是体现为在无石漠化环境、轻度石漠化环境及中度石漠化环境中略微减小，尔后强度石漠化环境中突然增大至最大值，这可能体现了尖叶对齿藓在轻中度石漠化环境中具备更好的适应能力，如尖叶对齿藓叶片细胞具有“疣”， 这种叶细胞上的疣状突起能有效反射太阳辐射，有助于植物体保持低温低蒸发状态，此外尖叶对齿藓叶片具有中肋结构，较无中肋结构的穗枝赤齿藓更具水分传导能力，从而使得叶片能有效维持一定的含水量，这些特殊的生理适应结构有效地抑制了叶绿素的氧化分解，让叶绿素a/b比值趋于稳定[28]。

4 结 论

2种藓类植物SPAD值与叶绿素各成分含量在4种函数(线性、对数、指数、乘幂)拟合下均显著相关，叶绿素a较叶绿素b有更好的相关性，石漠化程度加剧而导致的2种藓类植物干卷萎缩会对SPAD值测量精度产生影响，但总体上SPAD值仍然能理想地表征2种藓类植物的叶绿素总含量。随石漠化程度的增加，2种藓类植物会通过降低叶绿素含量以及增加叶绿素a/b值来适应石漠化地区恶劣的生态环境。藓类植物在适应石漠化环境的同时也对石漠化环境产生影响，其植物体具备强大的吸水固土能力，能有效减少石漠化地区的水土流失[29]，改善区域微环境的温湿度[30]及加速岩溶地区成土过程[31]以及抑制喀斯特矿区重金属污染的扩散[32]等作用，为石漠化地区植被群落的正向演替提供了良好的基础，因此，藓类植物作为先锋植物应用于石漠化生态修复初级阶段具备较大潜力，石漠化地区藓类植物生理生态监测工作也需要得到更多的重视。