沙枣幼苗在干旱胁迫下的光合特性研究

乔梅生，季志平

(1.山西省管涔山国有林管理局，山西 宁武 036700；2.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

沙枣(Elaeagnusangustifolia)为胡颓子科胡颓子属乔木或大灌木，根系发达，生命力强，抗干旱、抗风沙、耐盐碱、耐贫瘠，具有生态、经济和药用多种价值，主要分布在我国的西北各省区，华北西北部、东北西部也有少量分布[1]。目前，沙枣已成为我国干旱半干旱地区造林绿化的先锋树种，20世纪80年代，山西省在黄土丘陵区、晋北风区的荒地、沙化土地、盐碱地进行了小面积的引种栽培，但并未大面积成林。近几年，管涔山国有林管理局十分重视沙枣在管涔山的发展，立项开展沙枣系统化育苗及造林技术研究，尝试一些适宜山西寒冷干旱区域林地沙枣育苗试验研究，取得了许多经验数据。

水分胁迫是影响干旱半干旱地区树木成活最普遍面临的环境问题，沙枣虽然是一种耐旱树种，但对于沙枣育苗来说，仍然需要确定沙枣苗期的抗旱时长、抗旱程度以及适时灌水节点和节水灌溉量，以上指标的确立都离不开对沙枣苗期干旱胁迫下光合特征变化的掌握，因此，准确掌握沙枣在不同干旱程度下的光合特性十分重要。本研究采用盆栽苗木控水的试验方式，通过测定不同控水梯度下沙枣盆栽苗的叶绿素含量和光合参数，为沙枣育苗提供可靠的水分管理基础数据，这对于优化改进山西干旱、半干旱地区沙枣育苗方法，丰富山西林业造林树种具有实际的生产指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料和试验区环境

试验用沙枣种子来自于甘肃省张掖市临泽县。将收集来的沙枣种子洗净晾干后置于4 ℃冰箱中备用。试验地点位于山西省管涔山国有林管理局下属的温泉林场，温泉林场位于岢岚县境内，地理位置111°15′ ～ 111°30′ E，38°40′ ～ 38°52′ N，为吕梁山脉北端的晋西北黄土高原区。属中温带大陆性季风气候，气候凉爽，昼夜温差较大，年平均气温6.2 ℃；多年年均降水量456 mm；无霜期110 d左右。土壤类型主要为黄土质淡栗褐土。乔木群落主要以油松(PinusTabulaeformis)为主；灌木主要有沙棘(Hippophaerhamnoides)、绣线菊(Spiraeatrilobata)黄刺玫(Rosaxanthina)、忍冬(Lonucerschrysantha)等。农作物主要有莜麦(Avenanuda)、土豆(Solanumtuberosum)、豌豆(Pisumsativum)等。

1.2 试验设计

试验采用盆栽苗木控水的方式形成不同的控水梯度，然后测定在不同干旱程度下沙枣盆栽苗的叶绿素含量和光合参数。

盆栽基质由地表土壤∶沙子∶腐殖质=2∶1∶1组成，均匀搅拌、过筛、杀菌后装盆。配制好的基质最大田间持水量为24.65%，密度为1.03 g·cm-3，全N含量0. 65 g·kg-1，全P含量0.96 g·kg-1，全K含量8.5 g·kg-1，pH值8±0.1。

将催芽露白的沙枣种子播种于盆栽基质中，每盆播种2粒种子，置于塑料棚内进行培育，正常浇水管护，选取生长状况良好、无病虫害，且长势基本一致的1年生盆栽沙枣幼苗作为试验对象进行各项测试。

采用控水法控制栽培基质含水量，设置4个水分梯度，分别为田间持水量的80% ～ 85% (CK)、60% ～ 65%(T1)、 40% ～ 45% (T2)和30%以下(T3)。每个处理设置3次重复。水分控制采取人工称重的方法，即每天下午16∶00称重并补充散失的水分，并用塑料薄膜覆盖盆栽基质表面，密封花盆底部，以防止水分散失和渗漏，保证土壤水分保持在要求范围之内。 将待测的盆栽苗木放置于人工遮雨棚内，防止天然降水进入盆内，但能保持四周通风透光。

1.3 指标测定

采用浸提法测定叶绿素含量[2]。在干旱胁迫30 d后，选择生长较为一致的沙枣苗，取生长良好无病虫害的中上层叶片，快速放入冰盒中带回实验室。采用浸提法提取叶绿体色素混合液，标记，用Agilent 8453型分光光度计测定波长663、645 nm 下的光密度(OD)值，再利用ARNON公式计算叶绿素a 、叶绿素b和叶绿素a+b含量。每隔10 d测定1次，每次测定3次重复。

利用LI-6400XT便携式光合作用测量系统测定光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等光合参数。选择全天晴朗、无风、光照自然天气，在每个水分梯度下挑选3个长势相近苗木进行测定并标记顺序，在每个苗木上选定1片大小相近、所处位置大致相同的健康成熟叶片作为测定标准叶。从7∶00到19∶00每隔2 h测定1次。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel程序进行数据处理及其图表生成。计算每一处理的平均数，对不同干旱胁迫水平之间进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对沙枣光合叶绿素含量的影响

光合作用与叶片叶绿素含量密切相关，叶片叶绿素含量关系着植物光合同化的过程，在干旱胁迫条件下，叶片叶绿素含量也是衡量其抗旱性的重要生理指标之一[3]。根据叶绿素含量的测定结果(表1)，沙枣叶绿素含量在不同干旱胁迫条件下有明显变化。在水分充足的情况下，沙枣叶片的叶绿素a含量并非最高水平，叶绿素a含量最高的却是在轻度干旱(T1)、中度干旱(T2)下与水分充足下的叶绿素a含量几乎处于同一水平，没有显著差异，但在重度干旱(T3)下，叶绿素a含量则显著低于其它。叶绿素b含量的变化则不同，在水分充足和轻度干旱时没有显著差异，随着干旱程度加剧，其含量也随之下降。叶绿素a+b含量与叶绿素a含量的变化相似，轻度干旱时最高，水分充足与重度干旱时相当，重度干旱时最低。随着干旱程度逐渐增强，叶绿素a/b则随之增加。

表1 干旱胁迫下沙枣叶片叶绿素含量的变化

出现这种情况可能有以下三个原因：一是叶绿素a最大吸收波长范围在420～663 nm，叶绿素b最大吸收波长范围在460～645 nm，相比而言，叶绿素a吸收红光能力较强，叶绿素b吸收蓝紫光能力较强。二是在阳光正常情况下，干旱胁迫刺激沙枣叶片叶片叶绿素a含量增加，但干旱胁迫程度有阈值，一旦干旱程度超过阈值，则朝相反方向发展。三是由于叶绿素b 对蓝紫光的吸收力大于叶绿素a，所以一般阳生植物叶绿素a与叶绿素b的含量都比阴生植物高。叶绿素a/b的生物学意义主要是为了区分该植物属于阴生植物还是阳生植物。本试验测定的叶绿素a/b则反映出在不同干旱程度下沙枣的耐阳性能，在持续干旱影响下，随着干旱程度的提升，沙枣叶绿素a/b越来越大，说明沙枣不仅是典型的阳性树种，而且干旱胁迫越严重越表现出更强的耐阳性能。

2.2 干旱胁迫对沙枣叶片净光合速率的影响

沙枣叶片净光合速率(Pn)日变化曲线表现为典型的“单峰型”(图1)。在各个干旱胁迫处理下，其叶片净光合速率均在9∶00时达到最高值，之后逐渐降低。其中充分供水与轻度干旱之间无显著差异，其余处理间均具有显著差异。不同干旱程度各个观测点的光合速率纵向比较发现，其进光合速率随着干旱胁迫的加重而降低，即CK>T1>T2>T3。同时也发现17∶00之后，T2与T3之间的净光合速率差距越来越小，19∶00之后CK与T1之间的差距也变小。随着干旱程度的加剧，沙枣净光合速率的变化则相对越迟缓，峰值越来越不明显。

图1 沙枣叶片净光合速率(Pn)日变化曲线

2.3 干旱胁迫对沙枣叶片日蒸腾速率的影响

在不同干旱胁迫条件下，沙枣的日蒸腾速率(Tr)的日变化曲线呈“双峰型”(图2)。蒸腾速率在11∶00和15∶00达到高峰，在中午前后蒸腾速率出现低谷。在水分充足和轻度干旱时双峰突，随着干旱程度的提升，峰值越来越小，至重度干旱时峰值变得极小。把不同干旱程度各个观测点的蒸腾速率进行纵向比较，其进蒸腾速率随着干旱胁迫的加重而降低，即CK>T1>T2>T3，但在7∶00时CK、T1、T2之间差距极小，17∶00之后，T2与T3之间的蒸腾速率差距越来越小，19∶00之后CK与T1之间的差距也变小。随着干旱程度的加剧，沙枣蒸腾速率的变化也相应越迟缓。

图2 沙枣叶片蒸腾速率(Tr)日变化曲线

2.4 干旱胁迫对沙枣叶片气孔导度(Gs)的影响

植物可以通过叶片气孔开张或闭合调节水气的扩散，气孔导度(Gs)表示单位时间单位叶面积气孔通过CO2的体积。在不同干旱胁迫下，沙枣的气孔导度日变化曲线大致表现为“双峰型”曲线(图3)。沙枣气孔导度曲线的峰值出现时间与其蒸腾速率曲线峰值出现时间大致相同，分别出现在11∶00和15∶00。从各测定时间点的纵向对比看，气孔导度均随着干旱胁迫的加重而减小，即CK>T1>T2>T3，但在傍晚19∶00时各干旱胁迫下的气孔导度接近趋同。从峰值的凸显度看，水分充足和轻度干旱下比较显著，重度和重度干旱的峰值不明显。

图3 沙枣叶片气孔导度(Gs)日变化曲线

气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道，植物光合作用须经由气孔吸收CO2，因而气孔必须处于张开状态，但气孔开张又不可避免地发生蒸腾作用，所以，在干旱胁迫状态下，与其他植物相似，沙枣气孔可以根据干旱程度变化来调节气孔开度大小，而使其在损失水分较少的条件下获取最多的CO2。气孔开度对蒸腾有直接影响，因而气孔导度曲线与蒸腾速率曲线十分相似。

2.5 干旱胁迫对沙枣叶片胞间CO2浓度(Ci)的影响

胞间CO2浓度(Ci)也是植物光合生理生态特性中的一个重要指标，在气孔限制中，它的大小是判断植物光合速率变化是否受气孔因素影响的依据[4]。在不同干旱胁迫条件下，沙枣的胞间CO2浓度日变化曲线波动较大，在7∶00都处于较高水平，到9∶00时则处于低值状态，11∶00时稍有回升，13∶00时稍有下降，之后至19∶00时逐渐回升至高值，与净光合速率日变化趋势相反(图4)。

从各测定时间点的纵向对比看，沙枣叶片胞间CO2浓度均随着干旱胁迫的加重而增加，在水分充足时胞间CO2浓度最低，在重度干旱(T3)下为最高，依次CK

3 结论与讨论

(1)在干旱胁迫条件下，沙枣叶片的叶绿素含量均受到不同程度的影响。沙枣在轻度干旱胁迫条件下叶绿素a、叶绿素(a+b)含量高于充分供水条件，中度干旱(T2)下与水分充足下的叶绿素a含量几乎处于同一水平，没有显著差异。有研究认为叶绿素含量随着干旱加重而减少[5-6]，也有研究认为，一些抗旱能力较强的树种其叶绿素含量在干旱胁迫条件下会出现增加的现象[7]。本研究结果表明沙枣属于后者，是抗旱能力较强的树种。

叶绿素a/b的生物学意义主要是为了区分该植物属于阴生植物还是阳生植物。但本试验的测定结果也反映出沙枣在不同干旱程度下沙枣的耐阳性能，随着干旱程度的提升，沙枣的叶绿素a/b也在不断增大，说明沙枣不仅是典型的阳性树种，而且干旱胁迫越严重越表现出更强的耐阳性能。

(2)干旱胁迫也引起了沙枣光合特征指数的变化。很多研究表明，一些植物叶片净光合速率在中午会有所降低，即所谓的“光合午休”现象[8]，但也有一些植物并不出现“光合午休”现象[7]。本研究结果表明沙枣的净光合速率变化曲线呈现“单峰型”，并没有出现“光合午休”现象。随着干旱胁迫的加重，沙枣叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)在同一时间点均呈下降的趋势，而重度干旱胁迫条件下降尤为明显。

Pn和Tr值在中度干旱条件下的下降幅度开始变大。气孔是调节叶片气体交换的重要结构，植物的光合速率和蒸腾速率在很大程度上取决于气孔的活动状态，但与非气孔因素有关。一般认为当Pn和Gs下降的同时Ci下降，说明气孔因素起主导作用；当Pn和Gs下降而Ci上升，说明非气孔因素起指导作用[9]。本研究发现沙枣Pn和Gs下降的同时Ci没有表现出规律的升降趋势，表明沙枣光合特性的变化同时受气孔和非气孔双重因素的控制。

综上所述，干旱胁迫对沙枣叶绿素含量和光合指标都产生了影响。沙枣不仅是抗旱能力较强的树种，而且在干旱条件下表现出了更强的耐阳性能。虽然沙枣具有较强的抗旱和耐阳性能，但在中度干旱胁迫下，其光合指标的变化幅度就开始变大。因而，在生产上还是要在中度干旱时就应当适当补充土壤水分，才能保障沙枣的正常生长和发育，这也是本研究的生产指导意义。