土壤逐漸干旱及復水對黑果腺肋花楸光合特性的影響

胡 艷，艾力江·麥麥提，安尼瓦爾·艾木都，古麗買然木·吐尼亞孜，阿不都外力·吐爾洪，買爾開那·賽買提江

（新疆農業大學林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052）

【研究意義】干旱脅迫是限制植物光合作用、產量和影響植物分布的重要非生物因子［1］。干旱脅迫過程中，植物的生長和發育會受到抑制，植物能通過調節自身的生命活動來適應環境的改變［2］。沈媛媛［3］認為在不同程度的干旱脅迫下，植物葉綠素含量降低、光合速率下降以及葉綠素熒光參數變化也不同程度地發生。通過檢測和分析植物的光合生理指標，了解植物對干旱脅迫環境的響應機制，能夠充分了解干旱脅迫對植物光合作用的影響程度以及作用機理［4］?！厩叭搜芯窟M展】黑果腺肋花楸（Aronia melanocarpa）是薔薇科腺肋花楸屬多年生落葉灌木，別名野櫻莓、不老莓，世界通用名Aronia（阿龍尼亞），樹高1.5～2.5 m，叢狀樹形［5-6］；原產地在美國東北部，在波羅的海沿岸至太平洋沿岸均有分布，在歐洲國家已有100多年的引種栽培歷史［7-8］。黑果腺肋花楸果實中的花青素、黃酮、多糖和多酚是目前為止已知植物中含量最高的，超過長白山漿果類植物藍靛果和藍莓等的含量。黑果腺肋花楸是集食用、藥用和園林觀賞于一身的經濟林與生態林樹種，被稱為自然界的“抗癌劑”［9］。我國于1990年從朝鮮引進黑果腺肋花楸［10］，2013年引進新疆烏魯木齊等地開始栽植試驗［11］。2018年9月12日，國家衛生健康委員會認為黑果腺肋花楸可以作為新食品原料［12］，這必將推動黑果腺肋花楸產業的發展?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，國內外有關黑果腺肋花楸的繁殖技術、栽培技術、生物活性成分以及相關產品研發上的研究報道較多，而有關黑果腺肋花楸生理特性方面的研究較少。研究表明，黑果腺肋花楸的適應能力較強，具有很強的抗旱和抗寒能力［13-14］。黑果腺肋花楸的根系為淺根性，水平根較發達，主根主要分布在30～40 cm的土壤中，當這個范圍內的土壤水分不足時，黑果腺肋花楸的根系就很難從較深土壤中充分利用其水分，很容易使黑果腺肋花楸的水分利用不平衡，導致土壤干旱，影響生長發育。然而目前國內外關于黑果腺肋花楸的抗逆性研究還鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】本試驗以2年生黑果腺肋花楸為材料，研究其光合特性對干旱脅迫及復水的響應，為黑果腺肋花楸集約化大規模種植提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為2年生黑果腺肋花楸苗，由新疆維吾爾自治區五一農場提供。

1.2 試驗設計

試驗在新疆農業大學林學與園藝學院大棚網室進行。2018年5月，選取生長健壯、長勢基本一致的2年生黑果腺肋花楸苗木為材料進行盆栽培育（花盆內徑38 cm、深45 cm），栽培基質為園土∶沙子＝2∶1的混合基質，每盆1株。處理前進行常規管理，保證其生長良好，至8月份進行土壤逐漸干旱處理和光合參數觀測。選取生長健壯的盆栽苗20株，分別作為對照組和處理組，進行土壤逐漸干旱脅迫和旱后復水處理。2018年8月4日開始進行處理，干旱脅迫處理前1 d澆透水使土壤水分飽和（以花盆底部有水流出為準，下同），之后不再澆水使其自然干旱下形成土壤逐漸干旱脅迫梯度，每隔3 d測定1次花盆總質量，在干旱脅迫15、30 d時，每隔10 cm為一層采集土壤樣品，測定土壤含水量。對照組每隔2 d 19：00采用稱重法進行補水，旱后復水處理組在干旱脅迫30 d時澆透水。在整個試驗過程中每隔3 d對光合作用參數進行測定。在干旱脅迫15、30 d和復水后5 d采集中上部葉片，沖洗干凈，測定光合色素含量，每個處理5株。逐漸干旱試驗過程（8月4日至9月3日）中，共下2次大雨和2次微雨，為減少降雨對土壤水分消耗的干擾，雨天時于頂部覆蓋塑料薄膜簡易遮雨棚。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤含水量測定 參照王燕凌等［16］的土壤烘干稱重法。

1.3.2 葉片相對含水量測定 參照王燕凌等［16］的飽合稱重法。

1.3.3 光合色素含量測定 參照王文杰等［17］的二甲基亞砜法。

1.3.4 葉片氣體交換參數測定 從2018年8月4日開始，選擇典型的晴朗天氣，于每天9：00－11：00利用Licor-6400型的便攜式光合作用測定系統，全面測定黑果腺肋花楸葉片的氣體交換參數。

每個處理選擇3株幼苗，每株測兩個葉片重復測2次，選擇中上部生長良好的葉片，測定黑果腺肋花楸的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）以及蒸騰速率（Tr）。測定時采用開放式氣路，CO2濃度約為390 mol/L，采用光合儀內置模擬光照強度，光合有效輻射（PAR）為1 300 μmol/m2·s。計算水分利用效率（WUE），WUE＝Pn/Tr，式中Pn為凈光合速率，Tr為蒸騰速率。

光合CO2（Pn-Ci）響應曲線的測定參照艾力江·麥麥提等［15］的方法并加以改善：光強采用設定光合有效輻射強度（PAR）為1 300 μmol/m2·s作為測定時的光強，用Li-6400-01的液態CO2小鋼瓶為氣源，通過CO2注入系統控制葉室中CO2濃度分別為50、100、150、200、300、400、600、800、1 000、1 200 μmol/mol的條件下測定黑果腺肋花楸葉片法人光合速率（Pn）。測定Pn前首先使用1 300 μmol/m2·s光源誘導10 min左右。當空氣環境中的CO2濃度達到平衡狀態時，可以再次測定Pn。在這樣的條件下，當測量過程中的變異率小于0.05時，便可以通過紅外氣體分析儀進行全面記錄。

1.4 數據處理

應用Execl 2010軟件進行數據處理和作圖。利用SPSS 18.0軟件采用Dancan新復極差法進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理花盆土壤質量和含水量的變化

2.1.1 土壤質量 由圖1可知，隨著停灌時間的延長，干旱處理的花盆質量不斷降低，下降幅度逐漸減小。干旱處理3 d時，干旱處理花盆質量下降7.31%，干旱處理30 d時干旱處理花盆質量下降28.95%。

圖1 干旱處理土壤不同時間花盆質量的變化Fig. 1 Changes of flower pot weight of different time during drought stress

2.1.2 土壤含水量 由圖2可知，隨著停灌時間的延長，土壤含水量不斷降低。停灌后，表層和深層的土壤含水量變化趨勢一致，但深層土壤含水量比表層土壤含水量高。停灌30 d時，表層和深層的土壤含水量分別下降20.06%、17.41%。

圖2 干旱處理土壤不同層次土壤含水量的變化Fig. 2 Changes of soil water content of different soil layers during drought stress

2.2 土壤逐漸干旱及復水過程中黑果腺肋花楸葉片相對含水量的變化

植物體內水分虧缼的程度可以通過植物葉片相對含水量反映出來。由圖3可知，隨著土壤干旱脅迫的逐漸加劇，黑果腺肋花楸葉片相對含水量逐漸降低。干旱處理15 d時，黑果腺肋花楸葉片相對含水量下降6.81%；干旱處理30 d時，黑果腺肋花楸葉片相對含水量下降10.85%，與對照相比呈現顯著差異。復水后，黑果腺肋花楸葉片相對含水量迅速升高，比干旱處理30 d時增加5.17%，但尚未恢復至干旱處理前的水平。

圖3 干旱脅迫及復水過程中黑果腺肋花楸葉片相對含水量的變化Fig. 3 Changes of leaf relative water content of A. melanocarpa during drought stress and rehydration

2.3 土壤逐漸干旱及復水過程中黑果腺肋花楸葉片光合色素含量的變化

土壤逐漸干旱及復水過程中黑果腺肋花楸葉片光合色素的變化如圖4所示，隨著土壤干旱脅迫的逐漸加劇，黑果腺肋花楸葉片總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b含量均逐漸減少，葉綠素a/b值逐漸增加，干旱脅迫30 d時，均與對照差異顯著，類胡蘿卜素含量的變化不明顯。復水后，總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b含量均迅速增加，葉綠素a/b值減小。

圖4 干旱脅迫及復水過程中黑果腺肋花楸光合色素含量的變化Fig. 4 Changes of photosynthetic pigment content of A. melanocarpa during drought stress and rehydration

2.4 土壤逐漸干旱及復水過程中黑果腺肋花楸葉片光合參數的變化

土壤逐漸干旱及復水過程中黑果腺肋花楸葉片光合參數的變化如圖5所示。隨著干旱脅迫的逐漸加劇，Pn、Gs、Ci、Tr均逐漸降低，WUE呈現先升后降的現象。干旱處理30 d時，Pn、Gs、Ci、Tr均降到最低值，顯著低于干旱處理前的水平，分別比干旱脅迫處理前下降85.4%、79.86%、31.98%、91.55%，說明黑果腺肋花楸的光合作用因水分脅迫而受到抑制。WUE在8月24日達到最大值、為6.74 mmol/mol，比干旱脅迫處理前上升56.49%，8月27日開始逐漸降低。復水后，Gs、Ci、Tr均未恢復到干旱處理3 d時的水平，分別比干旱處理3 d時降低27.99%、14.15%、16.58%，Pn比干旱處理3 d時升高0.54%，但未恢復到對照水平，WUE超出干旱處理3 d時的水平甚至超過對照水平，比干旱處理3 d和對照分別升高15.44%、7.6%。從Pn、Gs、Ci、Tr的變化可以看出，在黑果腺肋花楸干旱脅迫處理期間，4個指標的變化趨勢基本一致。Gs、Ci隨著Pn的變化而變化，這可能因為干旱脅迫致使光合作用受到阻礙，葉片氣孔關閉致使CO2供應不足，導致Ci值降低。4個指標均在干旱脅迫嚴重時降到最小值，由此可見，干旱脅迫嚴重時抑制黑果腺肋花楸的光合作用，但復水后能迅速恢復。

2.5 CO2濃度升高對干旱脅迫黑果腺肋花楸葉片光合參數的影響

圖5 干旱脅迫及復水過程中黑果腺肋花楸光合參數的變化Fig. 5 Changes of photosynthetic parameters of A. melanocarpa during drought stress and rehydration

2.5.1 Pn 由圖6A可知，隨著CO2濃度的增加，對照黑果腺肋花楸葉片的Pn逐漸增加，干旱處理植株的Pn先增加后降低，當CO2濃度為50 μmol/mol時，干旱處理Pn比對照高出1.16 μmol/m2·s；當CO2濃度增加到100 μmol/mol時，對照Pn比干旱處理高0.81 μmol/m2·s；當 CO2濃度為 600 μmol/mol時，干旱處理Pn達到最大值（為5.08 μmol/m2·s）；當 CO2濃度在 200～600 μmol/mol范圍內時，對照 Pn隨著CO2濃度增加而增加的幅度最大。

2.5.2 Gs 干旱處理和對照黑果腺肋花楸葉片的Gs隨著CO2濃度的升高，呈現先減小后增加的趨勢，但對照的Gs一直高于干旱處理（圖6B）。CO2濃度在 800～1 200 μmol/mol時，干旱處理的Gs隨CO2濃度增加而增加的幅度最大，并在CO2濃度為1 200 μmol/mol時達到最大值0.11 mol/m2·s，Gs較高有利于提高光合速率。

2.5.3 Ci 圖6C顯示，隨著CO2濃度的升高，干旱處理和對照黑果腺肋花楸葉片的Ci的濃度逐漸升高，CO2濃度為800～1 200 μmol/mol時，干旱處理組的Ci隨著CO2濃度增加而增加的幅度比對照大。當CO2濃度為1 000、1 200 μmol/mol時，干旱處理的Ci都比對照高，分別高出102.52、249.08 μmol/mol，說明提高CO2濃度可以促進水分脅迫下黑果腺肋花楸胞間CO2濃度Ci值的升高。

2.5.4 Tr 隨著CO2濃度的增高，干旱處理黑果腺肋花楸葉片的Tr出現兩個峰值，分別是當CO2濃度為100、1 200 μmol/mol時，Tr值分別為0.38、1.26 mmol/m2·s，對照的Tr值先減小后增加，且對照的Tr值一直高于干旱處理（圖6D），說明水分脅迫下CO2濃度的增加不能提高黑果腺肋花楸葉片的Tr值，以致于不能對水分和礦物質進行很好的吸收，不能降低水分脅迫對黑果腺肋花楸的傷害。

2.6 干旱脅迫黑果腺肋花楸CO2響應特征參數的模型模擬

圖6 CO2濃度對干旱脅迫下黑果腺肋花楸光合參數的變化Fig. 6 Variation of photosynthetic parameters of A. melanocarpa with different CO2 concentration during drought stress

對低CO2濃度下的Pn-Ci曲線作線性回歸，根據線性回歸方程可求出黑果腺肋花楸的羧化效率（CE）和CO2補償點等光合生理參數。結果表明，干旱處理和對照的CO2補償點分別為138.8、77.4 μmol/mol，干旱處理的CO2補償點升高，說明干旱處理的呼吸速率增加，而Pn降低。干旱處理和對照CE分別為0.01 mol/m2·s和0.029 mol/m2·s，說明黑果腺肋花楸受到干旱脅迫，使得CE降低，上述結果表明土壤水分過低對黑果腺肋花楸葉片的CO2同化能力造成影響。

3 討論

干旱是抑制植物光合作用最主要的環境因子，因此，植物抗旱性的強弱可以根據其光合作用強弱來進行評判［18］。水是植物生長發育過程中重要的生態因子，是植物進行光合作用的一種原料，當出現土壤水分不足時，植物會通過關閉葉片氣孔，抑制植物從外界吸收CO2，進而導致植物葉片蒸騰速率和光合速率都降低［19］。光合色素是綠色植物光合作用的物質基礎，光合色素含量及葉綠素a/b值對植物的光合速率有直接影響［20］。研究表明，干旱脅迫下植物光合速率的降低主要受氣孔限制因素和非氣孔限制因素的雙重作用影響［21-22］。本試驗中，隨著干旱脅迫的逐漸加劇，凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導度（Gs）均逐漸降低。干旱處理15 d時，土壤含水量下降12.94%，黑果腺肋花楸的凈光合速率只比對照低30.07%，干旱持續30 d仍具有一定的生物活性、沒有死亡，表明黑果腺肋花楸的抗旱性較好。干旱處理30 d時，葉片相對含水量降低，且下降幅度與干旱程度呈正相關，但黑果腺肋花楸仍保持較高葉片相對含水量，表明能適應一定的干旱脅迫。干旱復水后，黑果腺肋花楸的葉片相對含水量能恢復至對照水平，表明其自身具有較強的調節能力。當植物處于逆境環境時，光合色素含量能在一定程度上反映該植物的同化能力［23］，逆境對植物造成的傷害程度可以通過葉綠素a/b值來進行判斷［24］。干旱脅迫處理30 d時，葉綠素a/b值最高，表明此時黑果腺肋花楸沒有受到極為嚴重的干旱傷害。干旱脅迫過程中，類胡蘿卜素的含量變化不明顯，說明黑果腺肋花楸和蒲葦一樣，自身清除活性氧游離基的能力較強和能夠很好保護光合系統免受光動力氧化作用的破壞［25］。干旱脅迫下，Gs降低的同時，Pn、Tr、Ci也降低，表明黑果腺肋花楸光合速率的降低是由氣孔限制因素造成的，這與在其他植物上的研究結果［3,21,23］相符合。復水后，Pn、Tr、WUE、Ci和Gs均迅速升高，其中Pn和Tr均恢復到干旱處理3 d前的水平，說明干旱脅迫沒有對黑果腺肋花楸葉片造成很嚴重的損傷，當土壤水分情況恢復正常后，干旱脅迫造成的損傷將得到修復，光合速率也得到很好的恢復。

目前，關于植物光合特性對CO2濃度和干旱脅迫雙重處理的響應研究較多。有研究認為干旱脅迫會抑制高CO2濃度對植物生長發育的促進作用，也有研究認為干旱脅迫下高CO2濃度對植物生長發育的促進作用能發揮得更好［26］。本試驗中，對照的Pn、Gs、Tr幾乎一直高于干旱處理，對照的Ci一直低于干旱處理，因此，黑果腺肋花楸受到干旱脅迫時光合速率的降低不是完全因為氣孔關閉所導致的，不能直接通過增加CO2濃度來恢復光合速率［21］。在一定的CO2濃度范圍內，增加CO2濃度會促進干旱脅迫中黑果腺肋花楸Pn的提高。在干旱脅迫中，黑果腺肋花楸的CO2補償點升高，羧化效率（CE）明顯減小，說明在干旱脅迫過程中，黑果腺肋花楸對CO2的同化作用降低，對CO2的利用能力也減弱。

4 結論

土壤逐漸干旱過程中，黑果腺肋花楸各項光合生理指標都有所降低，但干旱脅迫時間不同降低幅度也有所差別。干旱處理30 d時，黑果腺肋花楸凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）均降到最低值，均顯著低于干旱處理前的水平（P＜0.05），分別比干旱脅迫處理前下降85.4%、79.86%、31.98%和91.55%。在脅迫去除即干旱復水后，葉片相對含水量和葉綠素含量有所增高；各項光合參數有所回升，Gs、Ci、Tr均未恢復到干旱處理3 d時的水平，但僅比干旱處理3 d時降低27.99%、14.15%、16.58%，Pn比干旱處理3 d時升高0.54%，反映出黑果腺肋花楸在復水后具有較強的自我調節能力。根據干旱脅迫和復水下葉片Gs和Ci的變化趨勢發現，氣孔限制是影響黑果腺肋花楸光合特性的主要因素；土壤逐漸干旱脅迫下，黑果腺肋花楸促進氣孔關閉，減輕葉片水分散失，仍維持較高的葉片相對含水量，這有利于提高抗旱能力。黑果腺肋花楸通過維持較高的Pn、較低的Tr來提高WUE，保持良好葉片水分狀況來抵御干旱脅迫的傷害，通過表現出較強的恢復能力適應土壤干旱環境。