干旱-復水對旱柳生長與光合生理特性的影響

管健，古琳，劉俊祥*

(1.遼寧生態工程職業學院，沈陽 110101；2.中國林業科學研究院林業研究所，國家林業和草原局林木培育重點實驗室，北京 100091)

全球氣候變化背景下，干旱發生的頻率和強度不斷加劇，給林木生長發育造成嚴重傷害。干旱脅迫導致凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度顯著降低[1]，光合機構受損[2]，水分利用效率下降[3]，使木本植物的碳平衡和水力傳導失調，面臨著死亡的威脅[4]。干旱脅迫下的生理、生長表征和復水后的生理、生長補償共同決定了木本植物應對干旱脅迫的生存策略[5]，復水后的補償效應是檢驗旱害解除后木本植物恢復能力的標準[6]。研究干旱和旱后復水條件下木本植物動態的生長和光合生理響應，可為揭示其對干旱脅迫的適應機制奠定基礎。旱柳(Salixmatsudana)為楊柳科(Salicaceae)柳屬(Salix)植物，是我國北方地區重要的農田防護、平原造林和園林綠化樹種，生態適應性廣泛，生產應用價值高。本文以旱柳為試驗材料，采用盆栽控水的方法研究了干旱-復水條件下旱柳的生長和光合生理響應，擬明確旱柳應對干旱脅迫的應對策略，解析脅迫強度對復水后生長補償效應的影響，揭示旱柳對干旱-復水的適應性機制，以期為耐旱林木資源的篩選和培育提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料培養

2015年4月12日取旱柳1年生枝條作為插穗，在中國林業科學研究院科研溫室扦插培養，基質為草炭土∶珍珠巖=3∶1，常規養護管理。取大田20 cm表層園土，過2 mm篩，自然風干。園土田間持水量為26.68%，pH值7.35，有效磷42.69 mg/kg，有效氮104.43 mg/kg，有效鉀107.59 mg/kg，有機質26.87 mg/kg，土壤全磷0.08%，全氮0.10%，全鉀1.56%。2015年6月10日，選取株高 50 ± 5 cm的旱柳扦插苗，清水洗凈根部后轉移至裝有3 kg園土的花盆中，保持園土含水量為田間持水量的80%，花盆規格19 cm(上口)×17 cm(下口)×21 cm(高)。

1.2 實驗設計

2015年7月15日，選取株高106±9 cm的盆栽苗，進行水分控制。共設置4個處理：對照(CK，土壤相對含水量80%～85%)；輕度干旱(T1， 60%～65%)；中度干旱(T2， 40%～45%)；重度干旱(T3，30%～35%)。每處理6盆，3次重復?？厮陂g，對照保持設定的水分含量，其他處理自然干旱達到預設梯度后維持其含水量。2015年7月19日，T3處理達到預設梯度，以此為實驗0天。在干旱處理12天后，將T1、T2和T3復水至CK水平。干旱和復水期間每天稱重補水，保持各處理的土壤含水量為預設梯度。分別于實驗0天和干旱處理后12天、復水后12天測定枝徑、葉片數量；于干旱處理后12天和復水后12天測定葉片相對含水量和根系生物量；于干旱處理后4天、8天、12天和復水后4天、8天、12天測定葉片氣體交換參數、實際光化學效率。

1.3 實驗方法

1.3.1 枝徑相對增長量、葉片數相對變化量的測定。從每處理固定1株旱柳盆栽苗，記錄展開葉片數量；用游標卡尺測定盆土面上方10 cm處的枝條直徑；按照下面公式計算干旱期間和復水期間枝徑相對增長量、葉片數相對變化量。

干旱期間：

枝徑相對增長量=(S1-S0)/S0

葉片數相對變化量=(L1-L0)/L0

復水期間：

枝徑相對增長量=(S2-S1)/S1

葉片數相對變化量=(L2-L1)/L1

式中：S0-實驗0天的枝徑(mm)；S1-干旱處理12天后的枝徑(mm)；S2-復水后12天的枝徑(mm)。L0-實驗0天的葉片數；L1-干旱處理12天后的葉片數；L2-復水后12天的葉片數。

1.3.2 根系生物量和葉片相對含水量和的測定。從每處理隨機選2株旱柳盆栽苗，取植株根系，去離子水洗凈，105 ℃殺青20 min，80 ℃烘干至恒重，測定根系生物量；取3片完全展開葉片，參考高俊鳳(2006)的方法測定各處理的葉片相對含水量。

1.3.3 氣體交換參數和實際光化學效率的測定。從每處理隨機取2株，每株選2片完全展開葉片，用Li-6400光合儀(Licor，美國)在上午9:00至下午15:00期間測定葉片氣體交換參數，包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。紅藍光源光強1500 μmol/m2·s，相對濕度60%～70%，溫度25 ℃，CO2濃度400 μmol/m2·s。

從每處理隨機取2株，每株選2片完全展開葉片，用Imagine-PAM調制葉綠素熒光儀(Walz，德國)于上午9:00至下午15:00期間測定葉片實際光化學效率(ΦPSⅡ)，活化光光強1176 μmol/m2·s。

1.4 數據分析

采用SPSS19.0對所得數據進行方差分析和DUNCAN多重比較，在0.05水平上檢驗同一天數不同處理間的差異顯著性；采用Excel2007進行數據整理和圖表繪制。由于干旱處理后4天， Li-6400的水分控制失效，導致胞間二氧化碳濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)的讀數異常，而凈光合速率(Pn)的計算與濕度無關，故干旱處理4天后的氣體交換參數只保留了凈光合速率。

2 結果與分析

2.1 干旱與旱后復水對旱柳生長的影響

由表1可知，干旱階段，中度和重度干旱處理的枝徑相對增長率、葉片數相對變化量均較對照顯著降低，特別是在重度干旱條件下，枝徑增長較對照下降68%，葉片脫落70%，地上部生長受到嚴重抑制。復水后，各處理的枝徑相對增長量均恢復至對照水平，重度干旱處理的葉片數呈爆發式增加。

表1 干旱-復水條件下旱柳枝徑生長和葉片數量的變化

注：表中同列數據小寫字母不同表示在0.05水平上差異顯著。

圖1 干旱-復水條件下旱柳葉片相對含水量的變化

注：圖中相同時間不同處理間小寫字母不同表示在0.05水平上差異顯著，以下圖與此相同。

圖2 干旱-復水條件下旱柳根系生物量的變化

圖1的結果表明，干旱處理12天后，葉片相對含水量隨干旱程度的增加顯著降低，中度和重度干旱分別較對照顯著下降了4.56%和8.60%，復水12天后，二者均恢復至對照水平。根系生物量受重度干旱脅迫顯著抑制，處理12天后較對照顯著下降44.44%，復水12天后仍顯著低于對照49.86%(圖2)。

2.2 干旱與旱后復水對旱柳葉片氣體交換參數的影響

圖3 干旱-復水條件下旱柳葉片氣體交換參數的變化

由圖3可知，在干旱階段，旱柳葉片氣體交換參數隨干旱脅迫程度的加劇而顯著降低，處理12天后，中度干旱處理的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)分別較對照顯著下降43.78%、66.08%、74.60%、19.34%，重度干旱分別較對照顯著下降了78.45%、85.04%、90.08%和 16.13%。復水4天后，各干旱處理的凈光合速率即可恢復至對照水平，而對于其他3項參數，復水后的恢復受干旱脅迫強度的影響，強度越大，恢復越慢。

2.3 干旱與旱后復水對旱柳葉片實際光化學效率的影響

圖4的結果表明，在干旱復水的整個過程中，輕度和中度干旱條件下旱柳葉片的實際光化學效率在均與對照無顯著性差異。重度干旱處理后4、8、12天，葉片實際光化學效率分別較對照顯著下降了58.95%、39.04%和22.90%，復水后4天恢復至對照水平。

圖4 干旱-復水條件下旱柳葉片實際光化學效率的變化

3 結論與討論

3.1 干旱脅迫導致旱柳生長受抑、碳水失衡

干旱脅迫下，根系吸水困難，枝條水力傳導受阻，葉片水分供給不足[8]。在中度和重度干旱脅迫下，旱柳通過降低葉片的含水量、氣孔導度和蒸騰速率以縮減水分耗散，是一種對干旱脅迫的避性選擇，表現出等水植物的特點[9]。但葉片對CO2的吸收依賴于水分的交換[10]，水分耗散的減少將導致CO2供給受限，葉片凈光合速率降低[11]，同時干旱導致葉片脫落，總光合面積減少[12]，最終導致了中度干旱脅迫下旱柳的生長受抑。除上述傷害表征外，在重度干旱脅迫下，旱柳葉片的實際光化學效率被顯著抑制，使葉片的光合速率進一步降低，增加了碳饑餓的風險[13]。

3.2 旱后復水，旱柳生長的恢復受干旱脅迫強度的影響

干旱復水后，重度干旱處理的旱柳葉片數相對變化量顯著高出對照水平，表現出超補償效應，這與劉曉英等[14]的研究結果一致。復水對葉芽的發生發育有補償作用，且這種補償作用與干旱脅迫梯度正相關，重度干旱復水后葉片的爆發式增加是一種彌補碳虧缺的有效措施。干旱復水后，根系的響應與葉片不同。在中度干旱脅迫下，復水12天后根系生物量可恢復至對照水平，而重度干旱脅迫復水后根系生長未能得到恢復，郝樹榮等[15]的研究也得到了相似的結果。重度干旱導致葉片嚴重脫落，根系主要依賴儲存的碳庫進行維持呼吸，復水12天后新生葉片的同化能力有限，暫時不能滿足根系生長對同化物和同化力的需求。

3.3 旱后復水，光合速率的恢復不決定于氣孔限制的解除

中度干旱處理的氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度在復水8天后恢復；重度干旱處理下，3項氣體交換參數在復水12天后才得到恢復；氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度的恢復速度受干旱脅迫強度的負調控。而復水4天后，中度、重度干旱處理的凈光合速率即可恢復至對照水平。因此，葉片光合速率的恢復并不決定于氣孔限制的解除，這可能依賴于葉綠體光合活性的迅速提高。在復水4天后，各干旱處理的PSⅡ實際光化學效率即可恢復至對照水平。此外，推測光合色素光能吸收傳遞效率的提高[16]、類囊體垛疊結構的增加[17]及基質中Rubisco等暗反應酶活性的提升[18]等生理上的補償可能均參與到葉片光合速率的快速恢復，需要在本研究的基礎上進一步的驗證和探索。

綜上，碳饑餓是旱柳旱害的主要誘因。復水后，為增加碳的回補，旱柳表現出葉片爆發式增加、光化學效率和凈光合速率快速恢復等表征。在復水后短期內，氣孔限制因子并未解除，葉片光合活性的提高對光合速率的恢復起到決定性作用。