三种荒漠植物叶绿素荧光参数日变化特征

吴路遥，张建国*，常闻谦，张少磊，常青

（1.西北农林科技大学资源环境学院，农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌712100；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐830011）

植物叶片中光系统II光化学反应特性是衡量逆境胁迫对光合器官影响的有效指标，当植物处于逆境胁迫时，其光系统II反应中心非常敏感。叶绿素荧光技术可为研究植物光系统II及其光合电子传递提供丰富的信息，是研究植物光合生理与植物响应逆境胁迫的理想方法，在植物生理研究领域应用广泛［1］。Yao等［2］研究表明，动态叶绿素荧光和彩色荧光成像技术的结合能够提供干旱胁迫对光合作用和次生代谢的综合信息，可及早地发现植物响应干旱胁迫的特征。Ghorbani等［3］研究发现，番茄（Solanum lycopersicum）上接种豌豆孢子会缓解NaCl胁迫对其叶绿素荧光的不利影响。常温常压下叶绿素荧光主要来源于光系统II的叶绿素a，几乎所有的光合作用变化都可以通过叶绿素荧光反映出来［4］。因此，逆境胁迫对植物光合作用过程产生的影响都可以通过其叶片叶绿素荧光诱导动力学参数的变化来反映［5］。

塔克拉玛干沙漠公路是世界上最长的连续穿越流动沙漠的公路。自建成以来，频繁强烈的风沙作用对其造成了巨大的危害［6］。为保障沙漠公路的长久畅通和改善沿线的生态环境，2003年建立了全长436 km，总体宽度72～78 m，总面积3128 hm2的防护林生态工程，防护林树种以抗逆性极强的沙拐枣（Calligonum mongolicum）、梭梭（Haloxylon ammodendron）和柽柳（Tamarix chinensis）等防风固沙灌木为主［7］，它们具有抗风蚀、耐沙埋、抗干旱、耐贫瘠，萌蘖力强，根系发达等特性，能在极端严酷的干旱荒漠区生长，在防风固沙、保持水土、稳定沙区生态和环境等方面具有重要的意义［8－9］。目前，对沙漠植物的研究主要集中在干旱及盐分胁迫条件下植物苗木的生长状态［10］、蒸腾耗水［11］、净光合速率［12－13］及枯落物分解［14－15］等方面，而对沙漠植物叶绿素荧光特性等的研究报道较少。本研究利用叶绿素荧光技术对防护林主要树种头状沙拐枣（C.caput-medusae）、梭梭和多枝柽柳（T.ramosissima）荧光参数的日变化进行系统测定和分析，从荧光参数的角度探究3种植物对逆境条件的适应策略，以期为沙漠公路防护林的维护管理和可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于中国科学院塔克拉玛干沙漠研究站（38°58′N，83°39′E，海拔约1100 m），该区域地处塔克拉玛干沙漠腹地，自然环境条件极为严酷，气候极端干旱，地表水资源极端匮乏，地下水矿化度高，风沙活动剧烈，土壤极为贫瘠。该区年均气温12.4℃，其中7月均温28.2℃，极端高温＞40℃，沙面最高温度超过70℃，1月极端低温＜－20℃，年最大温差达到60℃以上。降水主要集中在5－9月，多年平均降水量23.7 mm，而年蒸发量高达3639 mm［16］。研究区防护林树种以柽柳属（Tamarix）、梭梭和沙拐枣属（Calligonum）等抗逆性极强的优良防风固沙灌木为主，采用株行距为1 m×2 m行间混交，通过抽取区域高矿化度地下咸水进行滴灌，每个滴头对应一棵植株，灌溉水矿化度为4.8 g·L－1，3－5月与9－10月灌溉周期为每15 d一次，6－8月每10 d一次，11月至次年2月免灌［17］。

1.2 试验方法

1.2.1 植物样品的采集与测定 2019年8月在塔克拉玛干沙漠研究站选取生长正常且长势基本一致的10年生头状沙拐枣、梭梭和多枝柽柳各5株，对每株植物长势一致的新生叶或同化枝（多枝柽柳为叶，头状沙拐枣和梭梭为同化枝）进行标记，以方便进行植物光合生理指标的测定，每株植物测定5次。用Photosynq MultiseQ多功能植物测量仪（美国）直接测定出大气湿度、大气温度、叶片温度、光合有效辐射（photosynthetic active radiation，PAR）、线性电子传递（linear electron flux，LEF）和非光化学淬灭系数（non-photochemical quenching，NPQ）、实际光化学效率［actual photochemical efficiency，Y（II）］、调节性能量耗散［adjusting energy dissipation quantum yield，Y（NPQ）］和非调节性能量耗散［non-adjusting energy dissipation quantum yield，Y（NO）］等指标。从早上10：00开始至晚上20：00结束，每隔2 h测定1次。测定时植物都是在光适应条件下进行，直接用仪器夹住标记好的叶片/同化枝进行直接测定，不需要进行暗适应。测定时间为8月11、15、19日3 d。

1.2.2 土壤样品的采集与测定 在测定植物生理指标的当天下午，在对应植物下进行土壤样品的采集。每次采集深度为1 m（主要由于3种植物的根系主要集中分布在1 m［18］），共采集10层，分别为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、50～60 cm、60～70 cm、70～80 cm、80～90 cm和90～100 cm。所有土壤样品一式两份，一份用烘干法测定土壤含水量，求平均值；另一份自然风干，用EC500便携式pH/电导率仪（深华生物有限技术公司，广州）进行测定其pH（水土比为2.5∶1）和电导率（electrical conductivity，EC）（水土比5∶1）。

1.3 数据分析

用SPSS 20.0软件对试验数据进行相关性分析，采用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 土壤水分/pH/EC垂直分布特征

图1 所示，3种植物对应土壤的含水量整体上均随土层深度的增加而升高。头状沙拐枣林下的土壤含水量低于梭梭和多枝柽柳，其表层土壤（0～40 cm）的含水量均值为1.58%，梭梭和多枝柽柳林地表层土壤含水量分别为4.35%、4.01%。3种植物深层土壤（40～100 cm）的含水量基本维持在4%～7%。相比较而言，梭梭林下的土壤含水量是最高的，在80～100 cm土层含水量在8%左右。在100 cm土层内含水量表现为：梭梭＞多枝柽柳＞头状沙拐枣。

图1 3种植物土壤含水量、pH、EC的垂直分布状况Fig.1 Vertical distribution of soil moisture，pH and EC under three plant species

3种植物土壤均呈碱性，pH整体表现为随土层深度的增加先降低后增加，其中头状沙拐枣林下土壤pH低于梭梭和多枝柽柳，其0～40 cm土层pH变化幅度较大，40～100 cm比较稳定，pH整体均值为9.26。梭梭和多枝柽柳林下，除10～20 cm土层外，土壤pH总体上稳定在9.2～9.6，整体均值分别为9.47和9.48。

土壤EC总体上随着土层深度的增加而降低，头状沙拐枣、梭梭和多枝柽柳林地分别在50、20和30 cm以下土层趋于稳定。头状沙拐枣、梭梭和多枝柽柳对应在0～30 cm土层EC的平均值分别为2530、1058和2846 μS·cm－1，30 cm以下土层EC的均值分别为587、230和341 μS·cm－1。0～30 cm土层中的EC远高于30 cm以下的土层，3种植物中多枝柽柳林地表层土壤EC最高，高达4471 μS·cm－1，深层最低，仅为181 μS·cm－1。表层土壤EC梭梭林地最低，而头状沙拐枣的林地土壤EC随深度变化下降速率较慢。

2.2 试验期间环境因子的日变化

光合有效辐射是在太阳辐射中能被绿色植物利用进行光合作用的那部分能量，PAR值越高说明植物体内接收到的光能越多［19］。由图2A可以看出，3种植物的PAR日变化均呈先升后降的趋势。10：00到12：00三者的PAR急剧上升，在14：00达到最大值，头状沙拐枣、梭梭和多枝柽柳PAR分别为1423.22、1624.57和1619.95 μmol·m－2·s－1，16：00到18：00又迅速下降，下降后三者的PAR几乎相等。梭梭和多枝柽柳的PAR日均值分别为978.18和919.43 μmol·m－2·s－1，高于头状沙拐枣812.85 μmol·m－2·s－1。

图2 3种植物环境因子及叶片温度日变化Fig.2 Daily change of environmental factors and leaf temperature around three plant species

3种植物周围的大气湿度随着时间的推移表现出先降后升的趋势，在16：00时都达到最低值，其中头状沙拐枣、梭梭和多枝柽柳周围的大气湿度分别是25.01%、23.73%和24.57%。3种植物的大气温度也随着时间的推移表现出先升后降的趋势，呈单峰型曲线变化，且均在14：00达到峰值，头状沙拐枣、梭梭和多枝柽柳的大气温度分别为31.95、32.07和30.71℃。大气温度和叶片温度在10：00－12：00和16：00－18：00分别为快速上升和快速下降两个阶段，且叶片温度随着大气温度的上升而上升（图2B，C，D）。

2.3 叶绿素荧光参数的日变化

2.3.1 线性电子传递和非光化学淬灭系数日变化 在线性电子传递（LEF）的日变化中，3种植物的LEF都是呈先上升后下降的趋势，均在14：00达到最大值，头状沙拐枣、梭梭和多枝柽柳的最大LEF分别为251.22、238.79、220.10。3种植物中，头状沙拐枣和梭梭的LEF相对较高，多枝柽柳最低。3种植物的线性电流是随着PAR的升高而增大（图3A）。

图3 线性电子传递（LEF）和非光化学淬灭系数（NPQ）日变化Fig.3 Daily change of LEF and NPQ

在非光化学淬灭系数（NPQ）的日变化中，头状沙拐枣和多枝柽柳的变化幅度比较平稳，头状沙拐枣的NPQ最高为1.43，多枝柽柳为1.62。梭梭的NPQ日变化幅度很大，在10：00到12：00迅速上升，在12：00达到峰值，NPQ为3.62；从12：00以后就开始下降。在20：00时，三者的NPQ均在0.50左右，总的来看梭梭高于头状沙拐枣和多枝柽柳（图3B）。

2.3.2 光能消耗中荧光参数的日变化 在光系统II的实际光化学效率［Y（II）］日变化中，3种植物均呈先降后升的趋势，在12：00－16：00时的Y（II）比较稳定，在16：00以后迅速上升，在20：00时达到最大，此时3种植物的Y（II）均在0.68左右。在Y（II）的日变化中，头状沙拐枣的光合效率最高，梭梭略高于多枝柽柳，且梭梭和多枝柽柳的Y（II）变化比较相近（图4A）。

在光系统II调节性能量耗散的量子产量［Y（NPQ）］和光系统II非调节性能量耗散的量子产量［Y（NO）］的日变化中，头状沙拐枣的Y（NPQ）从10：00－14：00先缓慢上升，并在14：00时达到最大，14：00后又开始缓慢下降；头状沙拐枣的Y（NO）从10：00－14：00先缓慢下降，14：00后开始上升，在16：00达到最大，又迅速下降。梭梭的Y（NPQ）从10：00开始上升，12：00达到第一个峰值，然后开始下降，到16：00又有所回升，构成双峰型曲线，且第一个峰值高于第二个峰值，梭梭的Y（NPQ）最大值为0.59；梭梭的Y（NO）从10：00开始下降，12：00以后又开始上升，在16：00时达到峰值，然后又开始下降。多枝柽柳的Y（NPQ）从10：00开始缓慢下降，12：00后开始缓慢上升，在14：00达到峰值后又开始下降。多枝柽柳的Y（NO）从10：00开始上升，12：00达到第一个峰值，到16：00又有所回升，构成双峰型曲线，且第二个峰值高于第一个峰值，柽柳的Y（NO）最大值为0.45（图4B和C）。

图4 光合荧光参数中光能的日变化Fig.4 Daily change of light energy in photosynthetic fluorescence parameters

2.3.3 3种植物叶绿素荧光参数日变化均值 梭梭和多枝柽柳的PAR日均值相差较小，均显著高于头状沙拐枣。3种植物的LEF、NPQ值随着PAR的上升而增加，表明3种植物在高光强下均能通过自我保护机制来适应光强的变化。3种植物的荧光参数日变化均值中，头状沙拐枣的实际光化学效率最大，多枝柽柳的光系统II非调节性能量耗散的量子产量最大；表明头状沙拐枣对光能的利用最高，多枝柽柳受到的光损伤最大，梭梭的光保护指标最高。3种植物的LEF、Y（II）、Y（NPQ）日均值差异都不显著，但梭梭与多枝柽柳的NPQ和Y（NO）日均值有显著差异（表1）。

表1 3种植物的叶绿素荧光参数日均值Table 1 Daily averages of chlorophyll fluorescence parameters of three plants

2.4 荧光参数与外界环境的相关性分析

3种植物的大气湿度与大气温度、叶片温度均表现出极显著负相关，大气温度与叶片温度呈极显著正相关。头状沙拐枣的PAR与LEF、NPQ、Y（NPQ）、Y（NO）呈现出显著正相关，与Y（II）呈极显著负相关；LEF与NPQ、Y（NPQ）、Y（NO）呈显著正相关，与Y（II）呈极显著负相关；NPQ与Y（NPQ）呈显著正相关，与Y（II）呈显著负相关；Y（II）与Y（NPQ）、Y（NO）均呈极显著负相关；Y（NPQ）与Y（NO）呈极显著正相关（表2）。

表2 3种植物的叶绿素荧光参数与外界环境的相关性Table 2 Correlation between chlorophyll fluorescence parameters of three plant species and external environmental factors

梭梭的PAR与LEF、Y（NPQ）呈极显著正相关，与Y（II）呈极显著负相关；LEF与NPQ、Y（NPQ）呈显著正相关，与Y（II）呈极显著负相关；NPQ与Y（II）呈显著负相关，与Y（NPQ）呈极显著正相关；Y（II）与Y（NPQ）呈极显著负相关。

多枝柽柳的PAR与LEF、Y（NPQ）、Y（NO）呈显著正相关，与Y（II）呈极显著负相关；LEF与Y（NPQ）、Y（NO）呈显著正相关，与Y（II）呈极显著负相关；而Y（II）与Y（NPQ）、Y（NO）均呈极显著负相关。

2.5 植物抗逆性综合评价

根据9项指标大气湿度、大气温度、叶片温度、PAR、LEF、NPQ、Y（II）、Y（NPQ）和Y（NO）进行主成分分析表明，3种植物的抗逆性强弱顺序分别为梭梭（1.763）＞沙拐枣（－0.508）＞柽柳（－1.252）（表3）。

表3 3种植物的抗逆性综合评价Table 3 Comprehensive evaluation of stress resistance of three plants

3 讨论

叶绿素荧光与光合作用中各个反应过程紧密相关，逆境条件下对植物光合作用各过程产生的影响都可以通过体内叶绿素荧光诱导动力学变化反映出来［20］，同时叶绿素荧光参数更能反映植物“内在性”的特点［21］。与其他测量方法相比，叶绿素荧光技术还具有不需破碎细胞、简便、快捷、可靠等特性，因此在国际上得到了广泛的应用。本研究中，3种植物土壤中的含水量在100 cm内随着土层深度的增加而升高。头状沙拐枣土壤中的含水量相对最低，可能是由于头状沙拐枣的根系较浅，对水分的利用效率较高而导致。梭梭的土壤含水量相对较高，可能是由于梭梭的根系较深，且梭梭表层的枯落物较多，减少了土壤蒸发所导致，这与郭京衡等［22］对荒漠植物根系分布量与土壤水分的研究结果相一致。3种植物土壤pH的变化中头状沙拐枣的值也低于多枝柽柳和梭梭，这可能与土壤中的含水量相关。

PAR反映的是植物吸收光能的强弱。本研究中3种植物的PAR与LEF、NPQ、Y（NPQ）、Y（NO）基本都呈现出显著正相关；与Y（II）呈极显著负相关。表明3种植物在高光强下会通过自我调节来消耗过剩的光能来保护光合结构免遭破坏。在早晨和下午时段的PAR较低，植物就可以利用更多的光能来进行光合。而张华等［23］和夏国威等［24］的研究发现PAR和植物的净光合速率显著正相关，本研究与其结果不一致，主要是由于沙漠中午时段的PAR远高于早晨和下午，对植物的光合效应影响强烈。从表2可以看出3种植物的大气湿度、大气温度和叶片温度与叶绿素荧光参数的相关性较弱，说明这3种指标对植物的叶绿素荧光参数影响较小，这与乔梅梅等［25］和邓培雁等［26］对叶绿素参数与环境因子的研究结果一致。

LEF表示在一定程度上改善叶片光能吸收及激发能的分配，并且维持类囊体膜较高的完整性和ATP酶活性，从而维持光系统活性并减少光抑制和光破坏程度［27］，反映的是植物转移电子能力的强弱。3种植物的LEF与PAR呈显著的正相关，LEF越高表明植物接收到的光能越多，在体内进行电子的传递速率也就越快。中午时段头状沙拐枣的LEF要高于梭梭，梭梭高于多枝柽柳；表明头状沙拐枣在强光下的电子传递效率比梭梭和柽柳高。从3种植物LEF日变化曲线和日均值来看，多枝柽柳的LEF比头状沙拐枣和梭梭的低，说明多枝柽柳在一天中的电子传递上较弱，对光能的吸收和分配不足，这与周玉霞等［28］研究的3种旱生植物表观电子传递速率的结果基本一致。NPQ表示光系统II天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而被用于非光化学反应如热耗散等过程［29］，反映的是光系统II反应中心通过热耗散消耗过剩光能的比例，有利于植物光合过程免遭破坏，是一种植物的自我保护机制。本研究中在午间梭梭的NPQ值远高于头状沙拐枣和多枝柽柳，表明梭梭在强光条件下将过剩的光能以热的形式耗散掉，减轻对光合过程的损害。头状沙拐枣午间的NPQ值也略高于其余时间，但是没有梭梭的强烈。多枝柽柳的NPQ值日变化是一个逐渐降低的趋势，表明多枝柽柳在午间时段未产生通过增加热耗散以消除过剩的激发能保护光合过程。因此，在高温高光强下，梭梭和头状沙拐枣表现出不同程度的通过增加热耗散以消耗过剩的激发能，减小高温高光强胁迫条件下对光合结构的损害。

光系统II吸收后的能量耗散由实际光化学效率［Y（II）］、调节性能量耗散的量子产量［Y（NPQ）］和非调节性能量耗散量子产量［Y（NO）］所构成［30］。Y（II）表示光系统II反应中心在有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率，反映植物叶片在光下用于电子传递的能量吸收光能的比例，光系统II反应中心的开放程度越大，说明电子传递活性与电子传递相对速率就越大［31］。Y（NPQ）是光系统II调节性能量耗散的量子产量，是光保护的重要指标［32］。Y（NO）是光系统II非调节性能量耗散的量子产量，是光损伤的重要指标［32］。Y（II）反映的是光系统II吸收后用于光化学反应的那部分能量。3种植物的Y（II）与PAR呈显著负相关，在午间Y（II）值都较小。表明随着光强和温度的升高植物遭到光抑制，限制了光系统II反应中心的电子传递，降低了光系统II电子传递量子产量，因而限制了光合作用的正常进行，导致光系统II光化学效率的降低。午后3种植物的Y（II）又迅速升高，说明3种植物在强光条件下发生的光抑制是暂时的，而非不可逆的光破坏。3种植物中头状沙拐枣的Y（II）日变化均值最大，表明沙拐枣在吸收光能后用于光化学反应的能量就高，与梭梭和多枝柽柳相比对光适应能力更强，更适合在强光及高温条件下生长。因此，在防护林设计时将沙拐枣栽种在最外围，很快就可以起到防护效益。这与张明艳等［33］研究的油蒿（Artemisia ordosica）在极端条件下Y（II）的结果基本一致。Y（NPQ）反映的是光系统II通过调节性的光保护机制耗散为热的那部分能量。3种植物的Y（NPQ）与PAR呈显著正相关，午间3种植物的Y（NPQ）值都很大，说明在高温、高光强下植物接受的光能过剩，但仍然可以通过调节热耗散来保护自身。梭梭的Y（NPQ）日变化均值高于头状沙拐枣和多枝柽柳，表明梭梭在高光强下可以利用热耗散等途径来适应外界条件的变化，从而能够维持自身的正常生长。这与任子蓓等［34］和王海珍等［35］研究的植物在逆境胁迫条件下通过增强非辐射性热耗散来调节自身能量代谢，来保护光合机构的正常运行的观点相一致。Y（NO）反映的是光系统II被动耗散和发出荧光的能量。本研究中多枝柽柳的Y（NO）日变化均值与头状沙拐枣和梭梭的差异显著，在中午前后都明显高于头状沙拐枣和梭梭。表明多枝柽柳中的光化学能量转换和保护性的调节机制不足以将植物吸收的光能全部消耗掉。在高光强条件下，头状沙拐枣和梭梭能够有效地调节过剩的光能，受到的光损伤相对较低。

4 结论

高温、高光强胁迫对3种植物的光合荧光参数均产生不同程度的影响，它们都会通过减少光能的吸收、增加对所吸收光能的利用和耗散等方式来避免过量光对光合结构的伤害。3种植物的抗逆性强弱为梭梭＞头状沙拐枣＞多枝柽柳，与3种植物的荧光参数表现一致。当梭梭受到外界胁迫时，会通过增加热耗散来消耗过剩的激发能，保护体内光合机构免受伤害；头状沙拐枣会更有效地利用光能来进行保护；而多枝柽柳在适应高温及高光强时，可能通过其他途径来适应环境的变化。