土壤干旱脅迫對沙棘葉片光合作用和抗氧化酶活性的影響

裴 斌，張光燦，張淑勇，吳 芹，徐志強(qiáng)，徐 萍

(山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點實驗室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/國家林業(yè)局泰山森林生態(tài)站，泰安 271018)

植物光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)過程［1］，光合作用效率是植物生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量高低的決定性因素［2］。光合作用對環(huán)境因子的響應(yīng)高度敏感，干旱脅迫是植物經(jīng)常遭受的逆境形式，對植物光合作用過程有著重要的影響，植物受到干旱脅迫時光合作用被限制，凈光合速率下降［3］。迄今為止，對于逆境下植物光合作用限制因素的研究較多，但取得結(jié)果和結(jié)論還存在一定的差別［4］。例如，在干旱脅迫下植物光合作用水平下降的原因，有的研究結(jié)果是氣孔因素(氣孔關(guān)閉引起CO2供應(yīng)受阻)為主［5］，或是非氣孔因素(葉肉細(xì)胞光合活性下降)為主［6］，也有的認(rèn)為是氣孔與非氣孔因素共同作用的結(jié)果［7］。綜合分析不同的研究結(jié)果表明，水分脅迫環(huán)境下植物光合速率下降的主要原因，是氣孔限制還是非氣孔限制抑或是兩者的共同作用，不僅與試驗植物的種類、年齡、生長狀況等有關(guān)，而且與試驗處理方式(水分脅迫強(qiáng)度和時間)以及測定指標(biāo)等有關(guān)［7-11］。另外，干旱環(huán)境抑制植物光合作用的機(jī)理比較復(fù)雜，涉及到諸多生理、生化與生態(tài)因子的影響。因此，必須在具體的試驗條件下同時進(jìn)行氣體交換參數(shù)以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定［12］，并參考光合作用過程中發(fā)生的一系列生理生化指標(biāo)特別是抗氧化酶活性的變化情況［13-15］，才可能對土壤干旱逆境下不同植物光合作用的抑制機(jī)理有更加深入系統(tǒng)和客觀準(zhǔn)確的認(rèn)識。

沙棘為胡頹子科沙棘屬落葉灌木或小喬木，具有抗逆能力強(qiáng)，適應(yīng)性廣的特點，是我國黃土高原等干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)重建中常用的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)樹種。迄今為止，關(guān)于水分脅迫下沙棘光合作用的研究多見于光合生理參數(shù)日變化特征［16-18］以及生理生化特性［19-20］等方面報道，對沙棘在干旱脅迫下光合作用光響應(yīng)特征、葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)特征以及與抗氧化酶活性協(xié)同作用的研究較少，據(jù)此探討沙棘光合作用的抑制機(jī)理及其與土壤水分定量關(guān)系的研究尚未見報道。而且，已有的研究多是基于少數(shù)幾個土壤水分虧缺程度(如輕度脅迫、中度脅迫和重度脅迫)下的試驗結(jié)果［17-18］，還缺乏在土壤干旱逐漸加劇過程中對多土壤水分梯度下光合作用的連續(xù)觀測研究。因此，沙棘在干旱脅迫下光合作用下降的過程、機(jī)制及其與土壤水分的定量關(guān)系等諸多生理學(xué)問題還不十分清楚。為此，在半干旱黃土丘陵區(qū)，以沙棘3年生苗木為試料，采用盆栽控水試驗，測定了土壤干旱加劇過程中8個水分梯度下沙棘葉片光合作用的氣體交換、葉綠素?zé)晒?、抗氧化酶活性等生理生化參?shù)的變化。研究目的:1)探討沙棘在土壤干旱逐漸加重過程中葉片光合作用的變化過程;2)揭示沙棘光合作用對土壤水分脅迫的響應(yīng)機(jī)制及其與土壤水分的定量關(guān)系。為深入了解沙棘的光合生理生態(tài)特征、指導(dǎo)沙棘在黃土高原等干旱缺水地區(qū)的合理栽培提供參考。

1 材料與方法

1．1 試驗區(qū)概況

試驗地位于山西省呂梁山西麓的方山縣峪口鎮(zhèn)土橋溝流域(北緯37°36'58″，東經(jīng)110°02'55″)，為黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)。流域內(nèi)最高海拔1446 m，平均海拔1200 m左右。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量416 mm，且年內(nèi)分配不均，6—9月份降水占全年的70%以上。多年平均蒸發(fā)量達(dá)1857．7mm，最大蒸發(fā)出現(xiàn)在4—6月，明顯大于同期降水，干燥度1．3，年平均大氣相對濕度為50%，表現(xiàn)出典型的北方嚴(yán)重春旱的特征。多年平均氣溫7．3℃，極端最高溫35．6℃(1980-05-29)，極端最低溫-25．3℃(1980-01-30);年無霜期140 d，日照總時數(shù)2496 h;多年平均≥10℃的活動積溫2819．7℃。地表為新生代第四紀(jì)馬蘭黃土(厚度20—100 m)，土壤為中壤質(zhì)黃綿土，有黃土母質(zhì)直接發(fā)育形成，層次過渡不明顯，質(zhì)地均勻;試驗區(qū)平均土壤容重1．20 g/cm3，田間持水量23．0%左右，土壤pH值8．0—8．4。該流域?qū)偕植菰鄥仓脖粎^(qū)，喬木樹種主要有刺槐(Robinia pseudoacacia)、白榆(Ulmus pumila)、油松(Pinus tabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladus orientalis);灌木主要有黃刺玫(Rosa xanthina)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、大果榆(Ulmus macrocarpa);草本植物以菊科和禾本科為主，菊科蒿屬居多。

1．2 試驗材料與水分控制

選用生長健壯、無病蟲害、生長勢基本一致的3年生沙棘苗木為供試材料。2010年3月進(jìn)行苗木盆栽培育(共栽植6盆，每盆1株)，每個花盆(內(nèi)徑38cm，深45cm)裝相同野外大田土20kg，至7月份進(jìn)行土壤水分處理和光合作用觀測。用環(huán)刀法測得盆栽土壤容重在1．20g/cm3左右、田間持水量為23．4%。在田間環(huán)境條件下(盆長期埋于土壤中，使盆內(nèi)土壤與田間土壤同溫)，采用人工給水后通過自然耗水的方法獲取盆栽土壤水分梯度。即選取生長健壯的盆栽苗3株(3盆)，試驗觀測前2 d充分澆水使土壤水分飽和，以后不再澆水使其自然干旱。采用烘干法測定土壤重量含水量(GWC%)，根據(jù)GWC與田間持水量(FC%)的比值求得土壤相對含水量(RWC%)。干旱處理2d后獲得初期土壤水分含量(GWC為22．5%，RWC為96．2%)，進(jìn)行第1次光合作用測定。依據(jù)D-最優(yōu)性法則和以往觀測經(jīng)驗，以后每隔2d獲取一個土壤水分含量共獲取8個土壤水分含量系列。GWC 分別為22．5%、19．4%、16．5%、13．7%、11．3%、9．1%、7．2%和 6．1%，RWC 分別為 96．2%、82．9%、70．5%、58．6%、48．3%、38．9%、30．8%和26．1%。試驗期間為防止降雨對土壤水分連續(xù)消耗的干擾，采用搭建簡易遮雨棚的方法，防止雨水進(jìn)入土壤水分控制區(qū)。

1．3 測定內(nèi)容與方法

1．3．1 光合作用光響應(yīng)過程測定

在每一試驗植株中部選3片生長健壯的成熟葉片，應(yīng)用英國PPS公司生產(chǎn)的CIRAS-2型光合作用系統(tǒng)，在晴朗的天氣下測定不同土壤水分下光合作用的光響應(yīng)過程。每個土壤水分處理水平下測定1d，時間在8:30—11:00之間，在每一植株上測定標(biāo)記過的同一葉片，每個葉片重復(fù)3次記錄，取平均值進(jìn)行分析。測定時使用大氣CO2濃度((380±6．0)μmol/mol)，大氣溫度24—26℃之間，相對濕度(60±4．0)%左右。利用LED光源控制光合有效輻射強(qiáng)度(PAR，μmol·m-2·s-1)在1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、250、150、100、50、20、0 μmol·m-2·s-1。每個光照強(qiáng)度下控制測定時間為120 s。儀器自動記錄凈光合速率(Pn，μ mol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs，mmol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci，μmol/mol)等光合作用參數(shù)，葉片水分利用效率(WUE，μmol/mmol)和氣孔限制值(Ls)分別用公式計算:WUE=Pn/Tr［21］，Ls=1-Ci/Ca［22］，其中 Ca為空氣 CO2濃度(μmol/mol)。

1．3．2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

葉綠素?zé)晒鈪?shù)觀測與光響應(yīng)曲線測定同步進(jìn)行。應(yīng)用脈沖調(diào)制式熒光系統(tǒng)(FMS2．02型，英國Hansatech公司)測定不同土壤水分梯度下沙棘葉片葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)。在自然光下活化40min，測定光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)為1000μmol·m-2·s-1下的葉片實際熒光產(chǎn)量(Fs)，隨后加一個強(qiáng)閃光(5000 μmol·m-2·s-1，脈沖時間0．7s)，測定光下最大熒光(Fm')，同時將葉片遮光，關(guān)閉作用光5s后暗適應(yīng)3s，再打開遠(yuǎn)紅光5s后測定光下最小熒光(Fo')。葉片暗適應(yīng)30min后測定初始熒光(Fo)，隨后加一個強(qiáng)閃光(5000 μmol·m-2·s-1，脈沖時間0．7s)，測定最大熒光(Fm)，其中Fo和Fm為凌晨天亮前的測定值。按Rohacek［23］公式計算PSⅡ的最大光化學(xué)效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm;PSⅡ的實際光化學(xué)效率ΦPSⅡ=(Fm'-Fs)/Fm';光化學(xué)猝滅系數(shù)qP=(Fm'-Fs)/(Fm'-Fo');非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ=(Fm-Fm')/Fm'。

1．3．3 抗氧化酶活性和丙二醛含量測定

采用氮藍(lán)四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性［24］，以抑制NBT光化學(xué)還原的50%為一個酶活性單位(U);采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定過氧化物酶(POD)活性［25］，以每分鐘內(nèi)470nm下的光密度(D470nm)變化0．10為一個酶活性單位(U);采用紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性［25］，以1min內(nèi)A240降低0．1為一個酶活性單位(U);丙二醛(MDA)含量的測定采用雙組分光光度法［26］。

1．4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2003計算試驗數(shù)據(jù)并作圖，不同處理間的數(shù)據(jù)(結(jié)果)差異顯著性等分析采用單因素方差分析(One-way AVOVO)和 Duncan多重比較(SPSS18．0)。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同土壤水分下沙棘葉片氣體交換參數(shù)的光響應(yīng)

在各種土壤水分條件下，沙棘葉片光合速率(Pn)隨著光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)的增大在達(dá)到光飽和點(LSP)前表現(xiàn)出類似的規(guī)律(圖1)，即先直線式快速升高然后曲線式緩慢升高。此后，在土壤相對含水量(RWC)為38．9%—82．9%的范圍內(nèi)，Pn穩(wěn)定在較高水平且隨PAR增大的變化不大，即同一土壤水分下LSP對應(yīng)的Pn與PAR為1800μmol·m-2·s-1(試驗最大光強(qiáng))時的Pn沒有顯著差異(P＞0．05);但超出此RWC范圍時，Pn則表現(xiàn)出隨PAR增大而明顯下降的趨勢，即同一土壤水分下LSP對應(yīng)的Pn與PAR為1800μmol·m-2·s-1時的Pn差異顯著(P＜0．05)。說明過高或過低的土壤水分均會引起沙棘葉片在高光強(qiáng)下光合作用水平的下降。沙棘葉片蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)隨著PAR的增大表現(xiàn)出和Pn類似的響應(yīng)規(guī)律。另外，Pn、Tr和WUE對RWC都表現(xiàn)出明顯的閾值響應(yīng)(圖1)，即在一定的RWC范圍內(nèi)，Pn、Tr以及WUE隨著RWC的增加逐漸增大，達(dá)到最大值后又隨RWC的繼續(xù)增加而減小。Pn達(dá)到最大時對應(yīng)的RWC為70．5%;Tr最大時對應(yīng)的RWC大于Pn對應(yīng)的值，為82．9%;WUE最大時對應(yīng)的RWC則小于Pn對應(yīng)的值，為58．6%。維持沙棘葉片 Pn處于較高水平的 RWC范圍為58．6%—82．9%，維持 WUE處于較高水平的 RWC范圍為48．3%—70．5%。

圖1 土壤水分脅迫下沙棘葉片光合光響應(yīng)曲線Fig．1 Light response curves of net photosynthetic rate(Pn)，transpiration rate(Tr)，water use efficiency(WUE)，stomatal conductance(Gs)，intercellular CO2concentration(Ci)，and stomatal limitation values(Ls)of Hippophae rhamnoides Linn．under soil drought stress

沙棘葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)對PAR的響應(yīng)變化趨勢與Pn基本一致，但在RWC＜38．9%嚴(yán)重的干旱脅迫時，Gs隨光強(qiáng)增大的變化不明顯，說明植物氣孔基本上失去了調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致出現(xiàn)對光強(qiáng)變化的響應(yīng)不敏感。沙棘光合作用的胞間CO2濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)的光響應(yīng)變化趨勢相反。同一光強(qiáng)下，Gs隨著RWC的增加而逐漸增大，當(dāng)RWC＞82．9%時開始出現(xiàn)明顯的下降。RWC在38．9%—70．5%的范圍內(nèi)，隨著RWC的降低，Ci明顯下降但Ls明顯上升;當(dāng)RWC＜38．9%時，隨著RWC的降低，Ls明顯下降而Ci顯著上升(圖1)。這表明隨著土壤干旱的加劇，沙棘葉片Pn下降的主要原因發(fā)生了由氣孔因素向非氣孔因素的轉(zhuǎn)變［27］，發(fā)生轉(zhuǎn)變的土壤水分臨界值大約在RWC為38．9%。

2．2 水分脅迫對沙棘葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

初始熒光(Fo)是PSⅡ反應(yīng)中心全部開放時的熒光水平，PSⅡ天線的熱耗散增加常導(dǎo)致Fo的降低，而PSⅡ反應(yīng)中心的破壞或可逆失活則引起Fo的增加。因此可根據(jù)Fo的變化推測反應(yīng)中心的狀況和可能的光保護(hù)機(jī)制［28］。最大熒光(Fm)是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量，可反映通過PSⅡ的電子傳遞情況［29］，同時強(qiáng)光下Fm降低也是光抑制的一個特征。PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的大小反映了PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)原初光能的轉(zhuǎn)換效率，是反映光抑制程度的良好指標(biāo)［30］。研究發(fā)現(xiàn)(圖2)，隨著土壤含水量的降低，F(xiàn)m、Fv/Fm以及ΦPSⅡ均呈現(xiàn)出下降的趨勢，而Fo則呈現(xiàn)上升的趨勢。方差分析結(jié)果顯示，當(dāng)RWC＞38．9%時，各水分梯度下Fo沒有顯著差異(P＞0．05)，超出此范圍則出現(xiàn)大幅度的升高，表明PSⅡ反應(yīng)中心發(fā)生了破壞或可逆失活。RWC 70．5%時，F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ最大，隨著土壤含水量的降低，ΦPSⅡ從RWC 58．6%開始出現(xiàn)明顯下降，而Fv/Fm和Fm從RWC 48．3%開始出現(xiàn)明顯下降，ΦPSⅡ的下降幅度要大于Fv/Fm的下降幅度，表明此時光抑制現(xiàn)象已經(jīng)產(chǎn)生。當(dāng)RWC＜38．9%時，各土壤水分梯度下的Fv/Fm、ΦPSⅡ以及Fm較RWC 70．5%均出現(xiàn)明顯下降，都維持在較低的水平且差異不顯著，由此推測，此時沙棘葉片已發(fā)生光氧化破壞，P SⅡ反應(yīng)中心的光合電子傳遞活性受到抑制。

圖2 水分脅迫下沙棘葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化Fig．2 Changes of minimal fluorescence(Fo)，maximal fluorescence(Fm)，maximal photochemical efficiency(Fv/Fm)，actual photochemical efficiency(ΦPSⅡ)，photochemical quenching(qP)and non photochemical quenching(NPQ)of Hippophae rhamnoides Linn．under soil drought stress

光化學(xué)淬滅(qP)反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，一定程度上反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，其值越大，說明PSII的電子傳遞活性越高［31］。非光化學(xué)淬滅(NPQ)是PSⅡ天線色素吸收的以熱的形式耗散掉的部分［32］，是對光合機(jī)構(gòu)的一種自我保護(hù)機(jī)制，表征PSII反應(yīng)中心對天線色素吸收過量光能后的熱耗散能力及光合機(jī)構(gòu)的損傷程度。研究發(fā)現(xiàn)(圖2)，隨著RWC的逐漸降低，qP表現(xiàn)出下降的趨勢，而NPQ則表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。RWC 70．5%時qP最大，隨著RWC的逐漸降低qP開始逐漸下降，RWC 48．3%時出現(xiàn)明顯的降低，方差分析差異顯著(P＜0．05);RWC＜48．3%時，各土壤水分點下qP維持在較低水平且變化不大，表明土壤水分對沙棘PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞活性有較大的影響，嚴(yán)重的干旱脅迫導(dǎo)致qP的顯著降低，PSII的電子傳遞活性下降。隨著RWC的逐漸降低，NPQ在干旱脅迫初期開始上升，在RWC 48．3%時達(dá)到最大值，表明適度的水分脅迫可增加沙棘葉片PSⅡ天線色素的熱耗散，在一定程度上緩解水分脅迫對光合作用的影響，RWC＜48．3%時NPQ又開始下降，與RWC 48．3%相比，RWC＜38．9%的水分條件下NPQ顯著下降，表明此時PSⅡ受到破壞，熱耗散能力下降。

2．3 水分脅迫對沙棘葉片抗氧化酶活性和丙二醛的影響

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶類，是植物活性氧清除系統(tǒng)中重要的酶，能維持活性氧自由基產(chǎn)生與清除系統(tǒng)的平衡，丙二醛(MDA)是脂質(zhì)過氧化作用的主要產(chǎn)物之一，其含量的高低在一定程度上反映脂膜過氧化作用水平和膜結(jié)構(gòu)的受害程度。研究結(jié)果(圖3)表明，RWC在70．5%到96．2%的范圍內(nèi)，各土壤水分梯度下的SOD、POD、CAT活性以及MDA含量均沒有顯著差異(P＞0．05);隨著土壤含水量的降低，SOD、POD和CAT活性均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，且都在RWC 48．3%時達(dá)到最大值，與RWC 70．5%時相比分別增加了38．9%、25．7%和19．3%。表明在土壤干旱相對較輕(48．3%＜RWC＜70．5%)時，沙棘葉片的SOD、POD和CAT活性升高，起到保護(hù)光合作用機(jī)構(gòu)免受或減輕干旱傷害的作用;但干旱加劇到嚴(yán)重脅迫(RWC＜38．9%)時，SOD、POD和CAT的活性發(fā)生明顯的降低，即沙棘葉片抗氧化系統(tǒng)活力開始下降。3種抗氧化酶(SOD、POD和CAT)相比，干旱脅迫使SOD的活性提高幅度較大，其次是POD和CAT，表明SOD對干旱脅迫反應(yīng)更敏感，是沙棘適應(yīng)干旱脅迫的主要抗氧化酶。隨著土壤水分含量的降低，MDA呈現(xiàn)出逐級遞增的趨勢;在RWC 26．1%時出現(xiàn)最大值(是RWC 70．5%時的2倍)，表明此時沙棘葉片抗氧化系統(tǒng)活性下降，活性氧的產(chǎn)生超出了細(xì)胞的清除能力，導(dǎo)致活性氧大量積累，活性氧引起光合色素嚴(yán)重降解和膜脂過氧化，破壞了光合機(jī)構(gòu)膜系統(tǒng)。

圖3 水分脅迫下沙棘葉片抗氧化酶活性和丙二醛含量的變化Fig．3 Changes of superoxide dismutase(SOD)，peroxidase(POD)，catalase(CAT)activities and malondialdehyde(MDA)contents of Hippophae rhamnoides Linn．under soil drought stress

3 討論

水分脅迫下植物光合作用的變化一直是人們研究的重點。通常影響植物光合作用的因素可分為氣孔因素和非氣孔因素，前者指水分脅迫導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度下降，CO2進(jìn)入葉片受阻而使光合下降，后者指葉肉細(xì)胞的光合活性下降。Farquhar和Sharkey［33］認(rèn)為，引起光合速率降低的氣孔和非氣孔限制因素可以根據(jù)葉片胞間CO2濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)的變化方向來判斷，其中Ci是關(guān)鍵因子。只有光合速率下降伴隨著Ci降低和Ls升高時，才可以認(rèn)為光合速率(Pn)的下降主要是受氣孔限制所致;反之，如果Pn下降的同時Ci升高或者不變，同時Ls降低，則光合作用的主要限制因素是非氣孔因素，即葉肉細(xì)胞光合活性的下降。本研究發(fā)現(xiàn)(圖1)，土壤相對含水量(RWC)在38．9%—70．5%的范圍內(nèi)，隨著土壤水分減少Pn降低，同時Ci明顯下降和Ls顯著上升，說明此時沙棘葉片光合作用水平降低主要是由氣孔限制因素造成的;當(dāng)RWC＜38．9%時，干旱脅迫繼續(xù)加劇，沙棘的Pn和Ls都降低，而Ci卻顯著上升，說明Pn下降的主要原因已經(jīng)由氣孔因素轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪滓蛩?，沙棘葉片光合機(jī)構(gòu)受到傷害。由此認(rèn)為，RWC 38．9%為沙棘葉片光合作用氣孔與非氣孔因素限制的轉(zhuǎn)折點，也是半干旱黃土丘陵區(qū)沙棘生長所允許的土壤水分最大虧缺程度。

在水分脅迫環(huán)境下，植物可以通過合理協(xié)調(diào)碳同化和水分消耗之間的關(guān)系，從而調(diào)節(jié)葉片水分利用效率(WUE)的變化，是植物抗旱策略的重要組成部分［34］。本研究發(fā)現(xiàn)(圖1)，沙棘葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)對土壤水分都表現(xiàn)出明顯的閾值響應(yīng)，WUE達(dá)到最大值時對應(yīng)的RWC(58．6%)要小于Pn達(dá)到最大值時對應(yīng)的RWC(70．5%)，也就是說，RWC 70．5%是Pn的最適土壤含水量，當(dāng)RWC在58．6%左右時，氣孔部分關(guān)閉，Pn、Tr都開始下降，但Tr下降幅度要大于Pn的下降速率，從而導(dǎo)致WUE增加，即適度水分脅迫能夠提高沙棘葉片的WUE。對冬小麥［35］、山杏［36］、遼東楤木［37］等較多植物的研究也有類似的規(guī)律。當(dāng)RWC＜58．6%時，Pn和WUE都開始隨RWC的降低而下降。維持沙棘葉片Pn處于較高水平的RWC范圍為58．6%—82．9%，維持WUE處于較高水平的RWC范圍為48．3%—70．5%。由此認(rèn)為，在半干旱黃土丘陵區(qū)，沙棘生長適宜的土壤水分閾值范圍在RWC為58．6%—70．5%，此土壤水分閾值能保證沙棘葉片同時獲得較大的光合作用水平和水分利用效率，符合干旱缺水地區(qū)植物生長和生產(chǎn)以高效用水為核心的栽培管理原則［7，38］。有相關(guān)研究稱之為 WUE與 Pn協(xié)調(diào)的“高效水閾值”［38］或“經(jīng)濟(jì)水閾值”［7］。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)在測定植物光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，與反映光合作用“表觀性”的光合氣體交換參數(shù)相比更具有反映光合作用“內(nèi)在性”的特點。目前，葉綠素?zé)晒庾鳛榭焖?、靈敏和無損傷地研究光合作用機(jī)理的探針，已被較多的研究應(yīng)用于探測干旱等逆境脅迫對農(nóng)作物光合作用的影響過程與機(jī)理［39-40］，但針對沙棘等生態(tài)經(jīng)濟(jì)樹種的相關(guān)研究還相對較少。本研究中(圖2)，在土壤干旱相對較輕(48．3% ＜RWC＜70．5%)時，隨著土壤含水量的降低，PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)，PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)，光化學(xué)猝滅(qP)均表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，但初始熒光(Fo)并未發(fā)生顯著的變化，非光化學(xué)猝滅(NPQ)則逐漸升高。表明此時沙棘光合作用的光破壞防御機(jī)制有效啟動，天線色素捕獲的光能向PSⅡ反應(yīng)中心傳遞的效率下降，同時熱耗散能力增加，減少了反應(yīng)中心過剩光能的積累，保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受破壞。但在土壤干旱到嚴(yán)重脅迫(RWC＜38．9%)時，F(xiàn)o顯著升高，NPQ開始下降，F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ(即CO2同化的能量表征［41］)都大幅降低，表明此時沙棘葉片PSⅡ系統(tǒng)受到一定程度的損傷，熱耗散功能受到抑制，由此推測PSⅡ光系統(tǒng)損傷是Pn下降的非氣孔限制的原因之一。在沙棘葉綠素?zé)晒鈪?shù)與土壤水分的定量關(guān)系方面，當(dāng)RWC 70．5%時，沙棘葉片F(xiàn)m、Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP都達(dá)到最大值，表明RWC為70．5%時最有利于沙棘光合作用光反應(yīng)過程的進(jìn)行，這與沙棘Pn在RWC為70．5%時達(dá)到最大值的結(jié)果一致(圖1);當(dāng)RWC＜38．9%時，沙棘的PSⅡ受到破壞，反應(yīng)中心的光合電子傳遞活性受到抑制，這與沙棘光合作用發(fā)生非氣孔限制的RWC臨界值為38．9%的結(jié)果一致(圖1)。

植物抗氧化酶系統(tǒng)活性的變化及膜脂過氧化作用已經(jīng)廣泛用于植物對逆境反應(yīng)機(jī)理的研究。在干旱逆境下，植物碳同化過程減弱以及PSⅡ的活性降低，導(dǎo)致激發(fā)能上升而引發(fā)能量過剩，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除間的平衡被打破，自由基在體內(nèi)大量積累，造成膜脂過氧化作用加劇，引起膜脂過氧化物產(chǎn)物(MDA)增加，從而降低植物葉片的光合能力［42］。近年來有研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫引起煙草、玉米等植物體內(nèi)活性氧自由基代謝失調(diào)而引發(fā)的生物膜結(jié)構(gòu)與功能的破壞，是光合作用非氣孔限制的主要原因［43，15］。本研究結(jié)果表明(圖3)，在土壤干旱相對較輕(48．3% ＜RWC＜70．5%)時，沙棘葉片的抗氧化酶系統(tǒng)啟動，SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性顯著升高，自由基清除能力增強(qiáng)，從而起到保護(hù)光合作用機(jī)構(gòu)的作用;由此結(jié)合沙棘葉片熒光參數(shù)對土壤水分變化的響應(yīng)關(guān)系(圖2)，可以認(rèn)為此時PSⅡ光能轉(zhuǎn)化和活性氧代謝協(xié)同發(fā)揮作用，共同穩(wěn)定了光合作用機(jī)構(gòu)的功能。但當(dāng)土壤干旱到嚴(yán)重脅迫(RWC＜38．9%)時，沙棘光合作用的抗氧化酶活性發(fā)生了明顯下降，MDA急劇升高;表明此時沙棘葉片的抗氧化酶系統(tǒng)受到損傷，活性氧的產(chǎn)生超出了系統(tǒng)的清除能力導(dǎo)致其大量積累而引起生物膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞。由此認(rèn)為，當(dāng)土壤發(fā)生嚴(yán)重水分脅迫時，沙棘葉片抗氧化酶系統(tǒng)損傷和PSⅡ系統(tǒng)的損傷一樣，也是沙棘光合作用發(fā)生非氣孔限制的重要原因。干旱脅迫影響玉米(鄭單958)苗期光合作用的研究［15］也得出了類似的結(jié)果。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)土壤干旱程度在RWC為48．3%—70．5%時，沙棘光合作用降低的主要原因是氣孔因素的限制，即葉片氣孔開度減小導(dǎo)致的CO2供應(yīng)受阻;此時，沙棘葉片主要通過減少光捕獲、熱耗散和酶活性調(diào)節(jié)的協(xié)同作用，穩(wěn)定光合作用機(jī)構(gòu)的功能，適應(yīng)和抵御土壤干旱環(huán)境。

(2)當(dāng)土壤水分在RWC為58．6%—70．5%范圍，沙棘葉片可以通過氣孔導(dǎo)度調(diào)節(jié)，較好地協(xié)調(diào)碳同化和蒸騰耗水之間的關(guān)系，保持較高的光合速率和水分利用效率。即在半干旱黃土丘陵區(qū)，維持沙棘同時具有較高光合速率和水分利用效率的土壤水分閾值在RWC為58．6%—70．5%。

(3)當(dāng)土壤發(fā)生嚴(yán)重水分脅迫(RWC＜38．9%)時，沙棘光合作用的主要限制因素由氣孔限制轉(zhuǎn)變?yōu)榉菤饪紫拗?，表現(xiàn)為PSⅡ系統(tǒng)和抗氧化酶系統(tǒng)受到損傷。即在半干旱黃土丘陵區(qū)，沙棘生長所允許的土壤水分最大虧缺程度在RWC為38．9%左右。

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