土壤持续干旱对白杨幼苗光合生理的影响

陆燕元刘蔚漪（.西南林业大学西南生物多样性保育国家林业局重点实验室，云南昆明6504；.西南林业大学竹藤研究所，云南昆明6504）



土壤持续干旱对白杨幼苗光合生理的影响

陆燕元1刘蔚漪2
（1.西南林业大学西南生物多样性保育国家林业局重点实验室，云南昆明650224；2.西南林业大学竹藤研究所，云南昆明650224）

摘要：以3—4月龄的白杨幼苗作为材料，采取土壤逐渐干旱的方法进行控水试验，对白杨幼苗的叶片相对含水量（RWC）、茎干木质部水势（ψxp）、荧光参数、气体交换、叶面积等指标进行抗旱性综合评价。结果表明：干旱初期，白杨幼苗叶片RWC和ψxp均已显著下降，至阶段2（几乎所有叶片都萎蔫），RWC和ψxp均几乎降至最低值，继续干旱，这些值变化不明显。所有叶片枯死后继续停止浇水1个月后进行复水，从老叶脱落的位置又长出新叶，新叶的RWC和ψxp基本恢复至对照水平，但Pn和gs增幅不显著。植株受到严重干旱胁迫伤害之后，叶片净光合速率（Pn）及气孔导度（gs）降幅显著，且复水后叶片光合系统的修复比较缓慢，有的甚至是不可逆的伤害。白杨幼苗最大光化学量子产量比较稳定，受干旱胁迫的影响较小。

关键词：白杨；土壤干旱；光合生理；复水

光合作用是植物重要的生命活动，是植物生长及产量的生理基础，植物在干旱胁迫条件下的光合生产力是鉴定植物耐旱能力的指标之一［1-3］。在影响植物产量的诸多环境因子中，以水分条件最为重要，据统计，全世界由于水分胁迫导致的作物减产，可超过其他因素造成减产的总和［4-5］。随着全球变化的加剧，特别是气温的升高，干旱胁迫的影响越来越突出。因此，研究干旱胁迫对植物的影响在理论和生产实践上均有重要意义。研究光合作用对干旱胁迫的响应，对阐明干旱胁迫对植物光合作用影响的机理十分重要［6-7］。

杨树是世界各国普遍种植的木本植物，我国约60种，主要分布在北方、西南及华中。杨树具有适应性强，生长速度快和丰产等特性，已被广泛地作为短期轮伐的造林树种，在生态环境治理和解决木材短缺方面均占有重要位置［8-9］。因此，对杨树抗旱性的研究，无论从研究的历史、材料的方便性以及经济效益等方面来说，均具有重要价值。

1　材料与方法

1.1试验设计及方法

试验于2013—2014年在加拿大阿尔伯塔大学（Alberta University）的温室进行。试验前，对埃德蒙顿市（Edmonton）周边自然分布的白杨（Populus tremuloides）树种子进行收集，随后用72孔的塑料穴盘进行播种，每个穴中撒5～7粒种子。所使用的土壤为典型的白杨生长的粘壤土（ELL），采集于阿尔伯塔大学研究工作站（Ellerslie Research Station）。土壤在使用前先过筛，滤去大颗粒，然后进行高压灭菌。播种2～3 d后，种子萌发；2周后，长至1～2 cm时进行间苗，每孔仅选留1株，1个月后移栽至长×宽×高=85 cm×40 cm×12 cm的塑料盆。每2周喷施1次营养液，质量浓度为0.1% （N∶P∶K=20∶20∶20）。温室中温度16～25℃，湿度30%～55%，每日光照18 h，光强约为350 μmol/ （m2·s），每2～3 d随机变动塑料盆位置1次，以尽量减少边缘效应对幼苗造成的影响。播种约100 d后，植株长至80 cm左右，进行水分控制处理。控制水分处理时留出10株苗子进行正常浇水，作为对照（CK），而其余的白杨幼苗采取逐渐干旱的方法，即每天早上对盆子称质量，计算出前1天水分的蒸发量，然后补充部分消耗的水分，所补充的水分为前1天蒸发量的50%，直至最后蒸发量为0时，停止浇水。待所有叶片枯死后继续停止浇水1个月，之后对苗子恢复供水，复水后7 d进行采样。

控水处理后对植株在整个干旱处理过程中形态（尤其是叶片/茎尖）的变化进行持续的观察、记录及拍照，并根据Tyree等［10］的划分方法，选取4个阶段特征进行试验：阶段0为充分供水；阶段1为叶片停止伸长（连续2天幼叶长×宽不变时）；阶段2为叶片出现最大程度萎蔫数，无或仅有少量叶片（低于叶片总数的10%）出现干枯；阶段3为约有1/3的叶片枯死。为检验白杨幼苗的极限耐旱能力，在幼苗的所有叶片全部枯死后，继续停止供水1个月，然后恢复正常供水，观察幼苗的复活能力。

1.2测定参数

1.2.1叶面积

预实验时对叶片的实际投影面积（A）和长（L）×宽（W）进行线性回归，得出回归方程A = 0.702 7L×W（n=40，r2=0.99），随后在试验中测量叶片的长与宽，然后根据该回归方程计算出植株的叶面积。

1.2.2叶片相对含水量（RWC）测定

RWC的测定方法参照高俊风［11］的方法，并进行改进，剪取白杨幼苗叶片（第3、4片完全展开叶），快速称出鲜质量（mf），后将叶片放入装有蒸馏水的铝盒浸泡24 h，取出后把叶片表面水分用吸水纸吸干后，称出饱和质量（mt），放入烘箱，在105℃下杀青0.5 h，随后在80℃下烘至恒质量，称出干质量（md），根据公式计算出叶片RWC：

1.2.3茎干木质部水势（ψxp）测定

茎干ψxp的测定采用压力室法。先用铝箔纸将塑料袋密封，然后将塑料袋套上叶片（第3、4、5片完全展开叶），进行遮光处理，使茎部木质部水势与叶片水势达到平衡。遮光处理1 h后，将叶片带叶柄切下，迅速放入便携式植物压力室（Model 3115）中进行测定。测定前，在压力室周围壁上贴上湿润的滤纸，保持室腔内湿润，以减少叶片在测定过程的水分散失。叶片夹好后，进行缓慢加压，直至叶柄切口出现水膜的瞬间，记录下此刻的压力值。每个叶片读数3次，每个处理测定3个植株，每植株取3片，最后取平均值做数据分析。

1.2.4气体交换

测定叶选取第3片完全展开叶，采用Li-6400型便携式光合系统进行测定。根据温室环境，设定光强为350 μmol/（m2·s），温度控制在（21.00±0.15）℃，空气相对湿度为50%～70%，用Li-6400-01 CO2钢瓶把CO2浓度固定为386 μmol/（m2·s）。利用光合仪同步测出净光合速率（Pn）、气孔导度（gs）等光合参数。

1.2.5荧光参数测定

用IRGA LI-6400便携式光合系统（叶室面积= 2 cm2）Li-6400-40和叶室荧光仪进行相关荧光参数的测定。

1.3数据分析

用SPSS进行数据统计分析。

2　结果与分析

2.1干旱胁迫处理对幼苗组织水分状况的影响

从图1可知：受干旱胁迫至12～14 d时，植株叶片开始停止生长（预实验得出，阶段1），此时，RWC与对照（阶段0）相比，下降了13.2%；至几乎所有叶片都萎蔫时（阶段2），RWC下降了26.5%，但一直至1/3叶片枯死（阶段3），RWC变化不大，说明此时叶片中的自由水含量已经达到最低值。至所有叶片枯死之后再复水，从老叶脱落的位置又长出新叶，新叶的含水率基本与对照持平，说明在1个多月的持续干旱下，幼苗外观上已经呈现出死亡的症状（所有叶片及顶端枯死，幼苗的茎部部分干枯，出现褐色坏死状），但内部组织结构在很大程度上并未遭到不可逆损伤，因此复水后很快恢复，维持了体内较好的水分状态。

图1　干旱胁迫和复水对幼苗叶片RWC的影响Fig.1 The effect of drought stress and rewetted on leaf relative water content（RWC）of poplar seedling

从图2可以看出：在土壤水分充足的条件下，白杨幼苗ψxp为-3.8 bar左右，到叶片停止生长（阶段1）时ψxp显著下降至-15.5 bar，与对照相比，降低了307.9%，说明幼苗木质部的水势对干旱极为敏感。到绝大部分叶片萎蔫（阶段2）和1/3叶片枯死（阶段3）时ψxp基本维持在-20 bar左右，继续干旱胁迫，水势变化不大，说明此时幼苗木质部的输水功能已降低至临界值。复水之后，从老叶脱落的地方长出丛状新叶，其ψxp与对照无显著差异，说明复水后，幼苗内部的水分输送能力基本恢复，1个月的持续干旱并未对其结构产生不可逆的损伤，进而说明白杨的耐旱能力非常突出。

图2　干旱胁迫和复水对白杨幼苗ψxp的影响Fig.2 The effect of drought stress and rewetted on ψxpof poplar seedling

2.2干旱胁迫处理对白杨幼苗叶片光合参数的影响

从图3可知，光合参数受干旱胁迫的影响是极为显著的。到叶片停止生长阶段，Pn下降了76.8%，而gs的降幅更大，达到了91.5%。到阶段2时二者仍都大幅下降，复水之后的新叶其Pn和gs分别是对照的25.0%和11.2%，表明植株受到严重干旱胁迫伤害之后，其叶片的光合系统的修复是比较缓慢的，有的甚至是不可逆的伤害。

2.3干旱胁迫处理对白杨幼苗叶片荧光参数的影响

叶绿素荧光参数Fv/ Fm，最大PSII的光能转换效率或者PSII最大光化学量子产量，可以反映PSII原初光能转换效率，在一定程度上可以用来衡量PSII的光抑制程度及利用光能的能力。从图4可知，在干旱胁迫程度逐渐加剧及随后的恢复过程中，Fv/ Fm值变化不大，说明白杨幼苗最大光化学量子产量比较稳定，受干旱胁迫的影响较小。表观光合量子传递效率（ETR）与光化学猝灭（qP）则呈相同的变化趋势，即随干旱胁迫程度的增加而逐渐下降，复水之后略有上升，而非光化学猝灭（qN）则因干旱胁迫而显著上升，但在干旱胁迫加剧的过程中上升的幅度较小，复水之后也只是稍有降低。

图3　白杨叶片气孔导度净光合速率Pn、gs对干旱程度的响应Fig.3 Effect of drought stress and rewetted on leaf photosynthesis and gsof poplar seedling

图4　光合系统II Fv/ Fm、ETR、qP和qN对干旱胁迫的反应Fig.4 Effect of drought stress and rewetted on leaf Fv/ Fm，ETR，qP and qN

3　结论与讨论

水是生命存在的先决条件，植物体内的各种生理生化过程需要水的参与才能进行，因此干旱条件下植物的水分状态测定显得尤为重要［12］，而植物叶片含水量和水势通常能较好的反映出植物的水分状态［13-15］。植物受干旱胁迫后，叶片及木质部的水势会下降，其下降的幅度是衡量植物耐旱性的重要指标，抗旱性越强的种类，水势下降幅度越小［9］。本研究结果显示干旱胁迫处理对白杨幼苗组织水分状况有显著的影响。干旱处理3～5 d后，幼苗的叶片基本停止生长（阶段1），此时叶片RWC及ψxp显著降低。继续胁迫7～10 d，植株叶片基本全部萎蔫（阶段2），此时的RWC和ψxp继续显著下降，但进一步增加胁迫，这2个值的变化都不再明显，说明此时叶片中的自由水含量已经达到最低值，植物体内的输水功能遭到严重破坏。至所有叶片枯死之后继续胁迫1个月，再复水，从老叶脱落的位置又长出新叶，新叶的含水率及水势基本与对照持平，说明幼苗木质部水势及茎干的导水能力在水分条件恢复后均能很快的得到修复。有研究表明，一定程度的干旱胁迫条件下，植物水势降低，木质部管道内的水分张力增加，木质部发生空穴化，形成栓塞，叶片气孔关闭，木质部导水能力下降，植株的光合及生长受到影响，但不同的植物抗旱能力不同，抗栓塞以及去栓塞化的能力也不同，普遍认为，在一定程度上，林木抵抗栓塞发生的能力或者去栓塞化的能力是决定树木抗旱性高低的重要指标。本研究结果表明，白杨幼苗在供水恢复正常后，其木质部的输水功能迅速恢复，表明其具有较强的去栓塞化的能力，抗旱能力较强。

光合作用与植物生长密切相关，但对水分条件非常敏感［9，16］。有研究发现，在中等水分胁迫下，杨树的Pn下降明显［17-20］。陈少良等［2，21-22］研究了干旱胁迫对杨树光合作用的影响，发现由于RUBP羧化酶（Rubisco）的活性降低，耐旱性较弱的杨树品种在受到干旱胁迫后，由于非气孔因素的影响，其Pn剧烈下降，而耐旱性较强的杨树品种，在气孔因素和非气孔因素共同作用下，Pn下降的幅度小。在本试验中，干旱胁迫处理对白杨幼苗叶片光合参数产生的影响更为显著，如干旱胁迫3～5 d，叶片停止生长（阶段1），Pn和gs分别下降了76.8%和91.5%，至所有叶片萎蔫时（阶段2），气孔关闭，幼苗基本丧失了光合能力。复水后，新长出叶片的Pn和gs只有微弱的增加，远远低于对照水平，表明植株受到严重干旱胁迫伤害之后，其叶片的光合系统结构遭受损坏，功能修复缓慢，有的甚至是不可逆的伤害。叶绿素荧光参数Fv/ Fm是PSII最大光化学量子产量，反映PSII利用光能的能力和光抑制程度［23-26］。在干旱胁迫程度逐渐加剧及随后的恢复过程中，Fv/ Fm值变化不大，说明白杨幼苗最大光化学量子产量比较稳定，受干旱胁迫的影响较小。表观光合量子传递效率（ETR）与光化学猝灭（qP）则呈相同的变化趋势，即随干旱胁迫程度的增加而逐渐下降，复水之后略有上升。在自然条件下，一般由PSⅡ天线色素吸收吸收光能用于光合电子传递，最后转化为化学能，但在强光或者其他逆境条件下，植物的光合作用能力下降，吸收的光能过多，为避免对自身造成伤害，过多的光能则以热能的形式耗散掉，是植物逆境下一种有效的自我保护机制，这种能力可由非光化学猝灭（qN）得到反映。本试验中，在干旱初期，白杨幼苗叶片的qN显著上升，表明植株在光合能力下降后启动了自身的保护机制，从而避免过多光能对光合机构造成损伤，但在干旱胁迫逐渐加剧过程中，qN上升的幅度不再明显，表明白杨在一定的干旱条件下可以通过热耗散的形式进行自我保护，但干旱持续加剧后，这种保护就受到限制，从而对光合机构造成一定的损伤，因此，复水之后发现qN也只是稍有降低，并不能恢复到对照水平。综上所述，土壤干旱对白杨幼苗的生理影响较大，在完全没有水分的状况下白杨地上部分呈现枯死状态，再次复水后它仍能恢复生长，说明白杨幼苗在干旱胁迫下有较强的生存能力，但恢复过程较慢，尤其是其光合生理，说明在持续干旱条件下光合结构的破坏较大，相对于其水分组织状态及水分，光合结构的修复就更为缓慢。

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（责任编辑张坤）

第1作者：陆燕元（1979—），女，博士，讲师。研究方向：植物抗旱生理。Email：376319089＠qq.com。

Effects of Soil Drought on Photosynthetic Physiology of Populus tremuloides Seedlings

Lu Yanyuan1，Liu Weiyi2
（1.Key Laboratory of Biodiversity Conservation of State Forestry Administration in Southwest China，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China；2.Institute of Bamboos，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China）

Abstract：In this experiment，3-4-month-old Populus tremuloides seedlings were used as materials for controlled water test by soil progressive drought method，and then the leaf relative water content（RWC），stem xylem water potential（ψxp），fluorescence parameters，gas exchange and leaf area index were measured to comprehensive evaluation of drought resistance of poplar seedlings.The results showed that leaf RWC，ψxp，stomatal conductance （gs）and net photosynthetic rate（Pn）were decreased significantly at the early stage of drought.To stage 2，these parameters almost dropped to their valleys，and they had no obvious variation even implemented continue drought.After all leaves were dead and remained one month no watering，and then re-watered，new leaves grow from the old leaf position.Leaf RWC and ψxpof new leaves returned to the control level，but Pnand gshad no obvious increase.Under severe drought stress damage，Pnand gsreduced significantly，and photosynthetic system repair was relatively slow，and even some was irreversible damage.The photochemical quantum yield（Fv/ Fm）was more stable，and less affected by drought stress.

Key words：Populus tremuloides；soil drought；photosynthetic physiology；re-watered

通信作者：刘蔚漪（1982—），女，博士，讲师。研究方向：竹林培育、生态研究。Email：weiyiliu651＠126.com。

基金项目：西南林业大学云南省省级重点学科（林学）资助；国家自然科学基金地区基金项目（31460181）资助；西南地区生物多样性保育国家林业局重点实验室开放基金资助。

收稿日期：2015-12-03

doi：10.11929/ j.issn.2095-1914.2016.03.003

中图分类号：S718.43

文献标志码：A

文章编号：2095-1914（2016）03-0012-06