地下水埋深对胡杨叶片光合作用及抗氧化物质积累的影响

代雅琦 刘艳萍，3 韩 路 王海珍*

（1. 塔里木大学生命科学学院，阿拉尔 843300；2. 塔里木大学植物科学学院，阿拉尔 843300；3. 新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室，阿拉尔 843300）

在地表水日益减少甚至内陆河断流的干旱区，地下水是维系荒漠植被生存的唯一水源。地下水持续下降引发的土壤水分亏缺直接影响植物对水分的吸收、供应及其各种生理生化代谢活动。为了能在日渐恶化的荒漠环境中更好生存，荒漠植物通过避旱或耐旱方式形成其适应干旱逆境的生理生态策略。通常干旱胁迫下植物产生许多防御机制，如光能捕获减少、气孔关闭、蒸腾降低、渗透调节和抗氧化物活性增强等途径。塔干柽柳（）利用气孔调节减少水分散失，但气孔关闭会阻碍CO同化，影响羧化中心对CO的吸收，进而引起光合作用发生下降。当植物受到严重的干旱胁迫时，放氧复合体（OEC）受到损害，产生过量的活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）等有害物质，植物可通过提高抗氧化酶活性，来减少自由基对植物细胞的伤害，柽柳、罗布麻（）等植物通过提高超氧化物歧化酶（SOD）活性来减少活性氧的伤害。渗透调节物质积累可降低细胞渗透势维持叶片水分含量、保持气孔开放等生理过程以保障植物的正常代谢，柽柳、芦苇（）等植物提高可溶性糖含量来降低细胞渗透势以此维持正常的生理过程。这些适应性反应有利于植物的自我保护、经济利用水分，从而在缺水的环境中生存。因此，明确荒漠植物对干旱区地下水埋深（GWD）变化的生理生态响应与其适应机理是开展荒漠植被恢复的基础。

胡杨（sOliv.）作为塔里木荒漠生态系统的关键种和我国首批确定的388 种珍稀渐危种，具有很强的抗逆能力，是防风固沙、遏制荒漠化、维护区域经济发展与生态安全的天然屏障。然而自20 世纪50 年代以来，受区域人口增长和经济发展的驱使，大规模的水土资源开发，致使塔里木河改道断流、地下水位大幅下降，胡杨林大面积衰败、甚至出现了闻名的“魔鬼林”。GWD 如何影响胡杨生长及其生理生态过程，已成为当前迫切需要解决的问题。目前，国内外学者多从生长、光合作用、水分生理和抗氧化酶活性等角度研究胡杨对GWD的响应机制。随着GWD的下降，胡杨气体交换与叶绿素荧光参数、水势、深层细根分布均产生显著变化，叶绿素含量与碳同化能力降低；在水分利用方面胡杨表现出一定程度的保守性，但其具有较安全的水力运输系统，叶脉密度、主脉导管直径随GWD下降显著增加，进而提高其水分供应能力；胡杨叶片生理指标SOD、过氧化物酶（POD）、赤霉素（GA）和生长素（IAA）等指标对GWD的变化不敏感，但脯氨酸含量显著增加，这些研究多是从单一角度出发，而将光合气体交换与活性氧代谢相结合研究胡杨对GWD变化的响应尚少见报道。本文以塔里木河中游成年胡杨为试材，研究胡杨光合气体交换特性与抗氧化物质沿地下水埋深（GWD）梯度的变化规律，探讨胡杨适应干旱环境的生态对策，阐明其适应极端干旱荒漠环境的生理机制，为塔里木荒漠区胡杨保护、植被恢复及改善区域日趋恶化的生态环境提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于新疆塔里木河中游轮南镇（84°15′E，41°09′N），海拔917 m，年平均气温为10.9 ℃，年平均日较差为14.6 ℃，≥10 ℃积温4 125.3 ℃，无霜期180～224 d。年平均降水量为65.5 mm，年平均蒸发量为2 024 mm，平均风速1.8 m·s，主导风为NE。2019 年6 月，沿垂直河岸设置3 条50 m 宽的样带，样带间隔200 m，根据植物群落物种组成和胡杨密度、长势在样带上建立3 块样地，对胡杨群落进行野外调查。样地Ⅰ（河漫滩），多年来洪水漫溢，天然植被以胡杨为主，个体生长旺盛；样地Ⅱ（二阶台地），土壤沙化，含水量低，主要以胡杨和柽柳为主，林下伴生骆驼刺（）等植物；样地Ⅲ（三阶台地），土壤严重沙化，含水量极低，植被稀少，胡杨生长不良，枯枝秃顶普遍，幼苗难觅，3 个样地均处于成熟林阶段。GWD 采用人工打井（PVC 管，10 m），电导法测定，用于长期监测样地地下水位（见表1）。

表1 样地土壤水分与地下水埋深（GWD）Table 1 Soil moisture and groundwater depth（GWD）of survey plots

2 材料与方法

2.1 材料

在新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州轮台县轮南镇胡杨林样带上3 种GWD 样地内，根据胡杨每木检尺结果以平均胸径为标准，选择胸径、高度相似，尽可能保证树龄相近，生长正常的10株胡杨作为标准木，用油漆在树干上编号标记。

2.2 测定指标与方法

2.2.1 气体交换参数测定

8 月中旬，选择晴朗无云的天气，利用Li-6400便携式光合作用系统（Li-COR，USA）测定胡杨气体交换参数的日变化。3个样地选择标准木树冠中上部外围向阳新梢上的倒3、4位的成熟叶，于当地时间08：00—20：00每2 h测定1次，每株测定3个叶片。测定指标包括：净光合速率（，µmol·m·s）、蒸腾速率（，mmol·m·s）、气孔导度（，mol·m·s）、胞间CO摩尔分数（，µmol·mol）等生理指标，以及光合有效辐射（PAR，µmol·m·s）、大气CO摩尔 分 数（，µmol·mol）、气 温（，℃）、叶 温（，℃）、空气相对湿度（RH，%）、叶内外水蒸汽压差（VPD，kPa）等微气象参数。叶片水平的瞬时水分利用效率（WUE）=/，光能利用率（LUE）=/PAR，气孔限制值（）=1-/。

2.2.2 生理指标测定

在测定气体交换参数后，采集相同部位的叶片用锡纸包裹迅速放入液氮中，带回实验室置于-85 ℃超低温冰箱保存，用于各项生理指标的测定。游离脯氨酸（Pro）、可溶性糖（SS）、可溶性蛋白质（SP）含量分别采用磺基水杨酸提取酸性茚三酮显色法、硫酸—蒽酮比色法、考马斯亮蓝G-250染色法测定；超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性分别采用氮兰四唑（NBT）光化还原法和愈创木酚氧化法测定。丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法测定。

2.2.3 土壤含水率测定

在3块样地内分别用土钻钻孔，沿对角线安装3根铝管，用503DR中子仪（USA）测定样地每20 cm一层的土壤含水率，每个深度重复读数3 次，计算平均值。同时，用烘干法测定每层土壤含水率，用于校准503DR中子仪的测定值。

2.2.4 数据分析

试验数据采用SAS6.12软件进行统计分析，多重比较采用DUNCAN法。

3 结果与分析

3.1 对地下水埋深（GWD）胡杨叶片气体交换参数的影响

由图1 可知，胡杨净光合速率（）、蒸腾速率（）和气孔导度（）随光合有效辐射（PAR）增强而升高，、于12：00 出现峰值，于14：00 出现峰值，之后呈下降趋势，三者日变化均呈单峰曲线；3 个GWD 间峰值差异显著（<0.05），Ⅲ区、峰值与Ⅰ、Ⅱ区差异达极显著水平（<0.01）。、、均随GWD 增加而降低，降幅明显高于，但3 个GWD 间、日均值差异不显著（>0.05），Ⅲ区与Ⅰ、Ⅱ区差异达极显著水平（<0.01），且Ⅲ区胡杨降幅显著高于、，表明对GWD 变化更敏感。胡杨胞间CO摩尔分数（）日变化呈“V”字型，也随GWD增加而降低，Ⅲ区降幅明显（17.77%）且其谷值与Ⅰ、Ⅱ区差异达极显著水平（<0.01），但日均值差异不显著（>0.05），表明GWD直接影响了胡杨光合作用，对影响更明显。

不同GWD条件下胡杨WUE、LUE变化规律不同，但均呈上下波动趋势。上午（08：00—10：00）Ⅱ区WUE、LUE 显著高于Ⅰ、Ⅲ区，随PAR 增加下降较快；Ⅰ、Ⅲ区则均于12：00出现峰值，此时Ⅰ区最高。12：00 之后Ⅲ区WUE 较Ⅰ、Ⅱ区维持在较高水平，而LUE 全天均保持在较低水平。Ⅱ区WUE、LUE 日变幅均高于Ⅰ、Ⅲ区，3 个GWD 间WUE 日均值差异不显著（>0.05），而Ⅲ区LUE 与Ⅰ、Ⅱ区差异显著（<0.05）（见图1）。

图1 地下水埋深对胡杨叶光合气体交换参数的影响Fig.1 Changes of photosynthetic gas exchange parameters in leaves of P.euphratica at different groundwater depths

3.2 胡杨气孔限制值（Ls）

由图2可知，胡杨叶片随PAR的上升而增大，于16：00出现峰值，之后呈下降趋势，其日变化呈单峰曲线。随GWD增加而增大，Ⅰ、Ⅲ区之间差异显著（<0.05），表明GWD增加导致胡杨叶片升高。

图2 不同地下水埋深条件下胡杨叶片气孔限制值（Ls）与大气CO2摩尔分数（Ca）变化Fig.2 Stomatal limit value（Ls）of P. euphratica and changes of atmospheric CO2 mole fraction（Ca）at different groundwater depths

3.3 影响胡杨净光合速率、蒸腾速率的内外因素

植物光合、蒸腾作用过程受内部生理因子和外部环境因子的共同影响，通过对胡杨、与其生理生态因子的相关分析可知（见表2），不同GWD 胡杨的、与PAR、呈极显著正相关（<0.01），与呈极显著负相关，不同GWD 下影响因子存在差异。Ⅰ区胡杨与、显著相关（<0.05）；Ⅱ区与气温（）、大气相对湿度（RH）、水汽压差（VPD）、等其他环境因子呈极显著相关（<0.01）。除Ⅲ区与RH、之间呈不显著相关外（>0.05），不同GWD 条件下胡杨的与其他内外因子间均达极显著相关（<0.01）。

表2 胡杨净光合速率、蒸腾速率与生理生态因子的相关系数Table 2 Correlation coefficients of photosynthetic rate，transpiration rate and in-external factors

偏相关分析表明（见表3），不同GWD 下胡杨与、，与、VPD 的偏相关系数均达极显著水平（<0.01）。不同GWD 下胡杨、受影响因素存在差异，Ⅰ区仅与VPD 呈显著正相关（<0.05）；而Ⅱ区与、RH 的偏相关系数分别呈极显著、显著负相关，与VPD 呈显著正相关（<0.05）；Ⅲ区与、RH 的偏相关系数达极显著水平（<0.01）。Ⅰ区与RH、PAR、VPD的偏相关系数均达极显著水平（<0.01）；而Ⅱ区仅与VPD呈极显著正相关（<0.01）；Ⅲ区与、VPD 呈极显著正相关（<0.01）。可见，影响胡杨的主要环境因子是VPD。

表3 胡杨净光合速率、蒸腾速率与生理生态因子的偏相关系数Table 3 Partial correlation coefficients of photosynthetic rate，transpiration rate and in-external factors

为进一步探讨影响胡杨光合、蒸腾作用的内外因子效应，分别将不同GWD 下胡杨的、与、、、PAR、RH、VPD、这7 个因子进行逐步回归分析，得到相应的最优回归方程（见表4），决定系数（）均达极显著水平（<0.01）。从回归方程可以看出、、VPD 对不同GWD 下与影响较大，其中影响、的因子依次为＞VPD＞；随GWD增加，的影响作用逐渐增强。

表4 胡杨净光合速率、蒸腾速率与生理生态因子的最优回归方程Table 4 Optimal regression equation of photosynthetic rate，transpiration rate and in-external factors

3.4 不同地下水埋深下胡杨叶片丙二醛含量、抗氧化酶活性

由图3可见，胡杨叶片MDA 含量随GWD 增加而增大，Ⅲ区MDA 增幅显著，分别是Ⅰ、Ⅱ区的2.10、1.66 倍，且与Ⅰ、Ⅱ区差异极显著（<0.01），表明胡杨叶片细胞膜透性随GWD增加而增大。

图3 不同地下水埋深胡杨叶片丙二醛含量（MDA）与抗氧化酶活性（SOD、POD）变化图中不同小写字母代表不同样之间差异显著（P<0.05），下同Fig.3 Changes of malondialdehyde（MDA） content，superoxide dismutase（SOD） and peroxidase（POD）activities in leaves of P. euphratica at different groundwater depthDifferent lowercase letters indicate significant difference among differ‐ent plots in the 0.05 level，the same as below

随GWD 增加，胡杨叶片SOD 活性、POD 活性逐渐增强，Ⅲ区SOD与POD活性分别是Ⅰ、Ⅱ区的2.07、1.59 倍与6.78、2.20 倍，POD 活性的增幅明显大于SOD，且3个GWD 间胡杨POD、SOD 活性差异均达极显著水平（<0.01）（见表3），表明随GWD增加引起的干旱胁迫可诱导胡杨叶片SOD、POD活性迅速升高，相互协调清除ROS 有利于减轻干旱胁迫导致的伤害。

3.5 不同地下水埋深胡杨叶片渗透调节物质的变化

由图4 可见，胡杨叶片可溶性蛋白质（SP）、可溶性糖（SS）含量随GWD 增加而降低，而游离脯氨酸（Pro）含量则呈增加趋势，Ⅲ区Pro 含量最高，分别是Ⅰ、Ⅱ区的3.35 倍和1.76 倍。3 个GWD 胡杨的SP、SS、Pro 含量差异均达极显著水平（<0.01）。表明随GWD 增加胡杨叶片SP、SS 的合成受到抑制，但胡杨通过代谢途径的改变显著增加Pro 含量，从而提高其渗透调节能力来抵御干旱胁迫。

图4 不同地下水埋深胡杨叶片渗透调节物质的变化Fig.4 Changes of osmoregulation substances（SP，SS，Pro）in leaves of P. euphratica at different groundwater depth

4 讨论

光合作用是植物有机物质积累、生长发育的源头，受植物本身生理过程和环境因素（太阳辐射、大气CO摩尔分数、土壤水分等）的共同影响，同时它们也对环境变化具有很强的自我调节和适应能力，且植物适应环境总是沿着有利于光合作用的方向发展，其中光合日变化特征是植物抗逆性的一个重要衡量指标。不同GWD 条件下胡杨叶片、、的日变化规律基本一致，均呈单峰曲线，在12：00之后逐渐降低。午后降低可能是由于温度升高引起气孔导度降低（见图1），或是PAR迅速升高超过光饱和点而致使下降。气孔是植物与外界环境交换水分和气体的主要通道及调节器官，对外界因子的变化做出相应的反应，调节植物碳同化和水分散失的平衡关系。在水分条件好时（Ⅰ区），其、、峰值与日均值高于Ⅱ、Ⅲ区，保持较高光合效率；随GWD 增加，胡杨、、日均值降低，尤其Ⅲ区（5.5 m）降幅显著增大，分别比Ⅰ区降低29.14%、44.04%、55.56%，降幅最大，表明随GWD 增加，胡杨通过自我调节降低来降低，以减少体内水分散失、维持体内微环境的相对稳定来应对干旱胁迫，这是荒漠区植物适应干旱环境的水分生理策略。但降低同时也使降低，限制了叶片碳同化，导致下降。前人研究指出当植物受到干旱胁迫后，首先是通过关闭气孔以减少蒸腾，进而阻碍了CO进入叶内，通过气孔和非气孔因素影响叶片光合作用。根据Farquhar 和Sharkey 的观点，12：00—16：00 胡杨与同步下降、上升，表明此时段引起胡杨下降的主要决定因素是气孔限制因素；16：00—20：00 胡杨与同步下降，而上升，表明此时段胡杨下降的主要决定因素是叶肉细胞自身活性下降，即非气孔限制因素。进一步通过对不同GWD 胡杨、与7 个内外因子进行统计分析发现，在调控胡杨光合、蒸腾作用过程中起着关键作用，证明气孔调节是胡杨维持碳水代谢平衡来适应荒漠干旱环境的重要机制。可见，GWD 直接调控着胡杨的光合作用，而胡杨为应对干旱胁迫降低限制了水汽的进出，使下调以牺牲部分碳同化能力和降低维持体内水分稳定，以此在干旱荒漠生境避免受到损伤而维持生存，这是其长期进化过程中形成的一种自我保护方式。

水分利用效率（WUE）是植物光合、蒸腾特性的综合反映，表征植物有效利用水分的能力，是植物能否适应干旱环境的重要指标。不同GWD条件下胡杨WUE 日变化规律不同。其中，Ⅲ区LUE 虽处于较低的水平，但12：00 后其WUE 均高于Ⅰ、Ⅱ区。GWD 增加却使胡杨WUE 有所提高，这是因为GWD 增加使土壤水分减少，树体吸水困难，使对单位变幅大于（y=0.11+34.04，y=1.98+15.67），导致WUE 升高，表明GWD 小于5.5 m 时，适度干旱能提高胡杨WUE，这与Rouhi等研究结果一致。陈亚宁等依据胡杨脯氨酸含量的变化认为，3.5～4.5 m 是胡杨生存的合理地下水位，4.5 m 以下胡杨正常生长受到胁迫，9～10 m则为胡杨死亡地下水位。因此，GWD 5.5 m 生境胡杨生长虽受抑制，但胡杨可通过提高WUE 来适应干旱胁迫。

植物碳同化能力减弱以及光合作用（PSⅡ）活性降低导致激发能上升而引发能量代谢失调、过剩，产生过量的活性氧（ROS），造成膜脂过氧化作用加剧，导致生物膜结构与功能破坏，从而反馈抑制光合能力。植株体内形成了一套活性氧的清除体系，其中渗透调节物质与保护酶对调控干旱逆境伤害生理过程有重要的贡献，可以清除植物体内产生的ROS，避免细胞膜质过氧化，防止光合机构的破坏。随GWD 增加，胡杨叶片MDA增加，尤其Ⅲ区显著增高，表明Ⅲ区胡杨叶片生物膜结构与功能受到明显损伤，但同时胡杨为减轻膜脂过氧化、清除ROS 伤害，SOD、POD 活性显著提高，保护了光合结构膜稳定与功能。但SOD、POD 活性增幅不同，POD 增幅显著大于SOD，表明POD 对GWD 变化更敏感，胡杨主要以POD 为主要保护酶，联合SOD 协同来应对干旱的伤害，增强其抗旱能力，这与Bai等研究结果一致。可溶性蛋白质（SP）、可溶性糖（SS）、游离脯氨酸（Pro）都是重要的渗透调节物质，能够增强植物体对胁迫环境的适应性。随GWD 增加，胡杨叶片SP、SS 含量降低；GWD 越深，SP、SS 降幅越大，这是因为GWD 增加使树体吸水困难、膜脂过氧化加剧，导致光合碳同化效率下降，致使SP、SS 合成受阻。但此时Pro含量显著升高，通过渗透调节作用维持细胞一定的含水量和膨压势。可见，干旱逆境下，Pro 是胡杨应对干旱的主要渗透调节物质。因此，胡杨POD、SOD 和Pro 共同应对干旱胁迫而维持生存。

综上可知，GWD 直接影响胡杨光合、蒸腾作用过程。水分较好的生境（Ⅰ区）胡杨SP、SS 含量高，MDA、SOD、POD 含量低，保证光合机构正常运转，维持较高的和LUE，其主要受气孔因素限制；随GWD 增加，胡杨、、、、WUE、LUE 均不断降低，进而导致胡杨SP、SS 的含量降低，MDA含量显著增加，细胞稳定性降低，光合结构受损光抑制程度增强，导致其光合效率明显降低。胡杨一方面利用气孔调节平衡光合作用CO的吸收和蒸腾耗水以适应干旱环境；另一方面通过牺牲部分碳同化能力避免光合系统受到损伤，并通过提高保护酶活性及渗透调节能力稳定光合机构功能来共同抵御干旱胁迫，从而在荒漠生境中生存繁衍。