玉溪大河5种沉水植物的叶绿素荧光特征比较研究

卢国理，周元清，李淑英，王 蓓，张翠萍

(1. 玉溪师范学院污染控制与生态修复研究中心，云南 玉溪 653100；2. 云南大学生态学与地植物学研究所，云南 昆明 650091)

玉溪大河5种沉水植物的叶绿素荧光特征比较研究

卢国理1，周元清1，李淑英1，王 蓓2，张翠萍1

(1. 玉溪师范学院污染控制与生态修复研究中心，云南 玉溪 653100；2. 云南大学生态学与地植物学研究所，云南 昆明 650091)

利用基础型调制叶绿素荧光仪(Junior-PAM)研究了玉溪大河富营养化水体中5种优势沉水植物：苦草(Vallisnerianatans)、篦齿眼子菜(PotamogetonpectinatusL.)、轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)、菹草(PotamogetoncrispusL.)和金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)的量子产量及快速光曲线的变化。结果表明：5种沉水植物苦草、篦齿眼子菜、轮叶黑藻、菹草和金鱼藻最大光化学量子产量(Fv/Fm)明显下降，变化范围为0.519～0.698，低于0.84；各物种的开放PSⅡ反应中心原初光能捕获效率(Fv′/Fm′)的大小依次为篦齿眼子菜>轮叶黑藻>菹草>苦草>金鱼藻，除篦齿眼子菜、轮叶黑藻、菹草与金鱼藻差异显著外，其它物种间差异不显著；各物种无光抑制的最大潜在相对电子传递速率(rETRm)间差异显著，其大小依次为菹草>金鱼藻>轮叶黑藻>篦齿眼子菜>苦草；快速光曲线的初始斜率(α)的变化范围为0.216～0.483，除篦齿眼子菜与菹草间差异不显著外，其他物种间差异均显著；半饱和光强(Ek)的大小依次为菹草>金鱼藻>轮叶黑藻>苦草>篦齿眼子菜，且除苦草与轮叶黑藻差异不显著外，其他物种间差异均显著。研究表明：玉溪大河5种优势沉水植物在营养盐胁迫下光合作用受到明显抑制，其中，菹草和金鱼藻较耐强光，光合速率较高，而苦草则有较强的耐弱光能力。

玉溪大河；沉水植物；叶绿素荧光；快速光曲线；量子产量

随着经济的飞速发展和人口的逐年增长，大量城市生活污水、工业和矿业废水排放所导致的水环境污染日益突出，城市河道污染已成为国际社会关注的热点问题[1,2]，尤其是河道富营养化加剧问题。我国流经城区的城市河道已普遍受到污染，河段水质主要为Ⅳ类～劣Ⅴ类[3]。城市河道是一个受多种环境因子胁迫的复杂水生生态系统，目前，对于河道水体中的水生植物，研究主要集中于水生植物特性[4,5]以及对水体富营养化和重金属污染治理等方面[6-8]，沉水植物与城市河道营养盐生理响应间的研究还相对薄弱。

沉水植物作为许多淡水生态系统的基本结构框架，是城市河道整治与生态恢复的一个重要组成部分，良好的水生植被是河道治理的重要前提和关键步骤。另一方面，沉水植物因其完全水生的特点，使得其在水生植物各生活型中对环境胁迫的反应最为敏感，其生长和分布受多种环境因子的调控[9]，其中光强、水温、营养盐是最重要的因子[10]。国内外大量的湖泊调查研究表明：水体N、P浓度与水生植被尤其是沉水植被衰退和消亡密切相关[11]。Sagrario等[12]对欧洲22个温带湖泊的调查数据表明，当水体N浓度超过1.2～2.0 mg/L，P浓度高于0.1～0.2 mg/L时，沉水植被就会衰退。Jeppesen等[13]的研究也表明当湖泊无机N∶P<7，TN浓度在0.5～2.0 mg/L时，沉水植物就会彻底消失。此外，徐思等[14]还报道了沉水植物恢复对湖泊沉积物产甲烷菌有重要影响。因此，沉水植物对水域生态系统结构和功能的稳定性起着支撑作用，开展沉水植物生理生长特性及其与水环境因子间的关系研究至关重要。叶绿素荧光分析技术(chlorophyll fluorescence measurements)具有测量快速、简便、准确和无损伤等特点，已被视为植物光合作用与环境关系的内在探针[15,16]。

叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息，可以对光合器官进行“无损伤探查”，获得“原位”(in situ)信息。国内外植物体内叶绿素荧光动力学的研究已经成为一大生理生态学热点[17]。利用叶绿素荧光技术得到的相对电子传递速率(relative Electron Transport Rate,rETR)随光合有效辐射(Photosynthe Active Radiation)的变化曲线[18]，是研究植物光合作用的有力工具[19]。沉水植物的光合作用，尤其是叶绿素荧光动力学特性是解释各种沉水植物在水体中的分布格局和群落演替的基础[10]。目前，已有较多淡水水体中高等水生植物荧光特性的报道，主要是在试验控制条件下进行生态因子对水生植物胁迫的对比分析[16]，但对城市河道富营养化水体中沉水植物光合荧光参数的研究还相对较少。

玉溪大河是穿越玉溪市红塔区中心城区的唯一河道，由于长期接纳工矿业废水和生活污水，河道水环境污染加剧，水体富营养化严重[20]，城市河道的生态修复研究亟待开展。因此，解析河道沉水植物的生理生态学特性，尤其是对河道富营养水体中优势沉水植物的叶绿素荧光动力学特征进行研究是构建河道水生生态系统的主要环节之一。本研究对玉溪大河(曲江-红塔区段)河道中的优势沉水植物进行抽样调查，并结合玉溪大河的水体污染现状，分析了5种优势沉水植物的叶绿素荧光动力学特征，旨在解析沉水植物在河道水体富营养化环境下的光合特性，了解沉水植物的生理生态学特性，以期为玉溪大河河道沉水植物恢复重建时物种选择与配置提供重要的决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

玉溪大河属珠江流域，西江水系，南盘江一级支流曲江的一段，为云南省玉溪市红塔区的唯一城市河道。玉溪大河由东风水库起，流经玉溪市境内。据2014年枯水期(2月份)与丰水期(1月份)采样检测结果，玉溪大河河道水体总氮(TN)平均值为6.90 mg/L，总磷(TP)平均值为0.63 mg/L，综合水质为V类水，富营养化程度严重[20]。

1.2 采样与指标测定方法

根据玉溪大河城市河道的特点，在综合考虑工业分布、污水排放和河道利用现状等基础上，于2015年10月初沿河道水流方向，采集5种优势沉水植物苦草、篦齿眼子菜、轮叶黑藻、菹草和金鱼藻作为研究对象，利用基础型调制叶绿素荧光仪(Junior-PAM)对其叶绿素荧光参数进行测定，随机选取5个植物样株上的健壮叶片，每次测定之前先将剪下的叶片放于湿纱布上并置于暗处20min。

在暗适应阶段，利用Fo′-Mode测得光系统Ⅱ(PSⅡ)最小荧光(Fo)，再由饱和脉冲光测得暗适应的最大荧光(Fm)。仪器自动生成最大光化学量子产量(Fv/Fm)值以反应系统Ⅱ中心光能转化效率，然后打开光化光照一定时间后关闭，然后打开远红光，经检测光、饱和脉冲光测得光适应下最小荧光(Fo′)和最大荧光(Fm′)，(Fm′-Fo′)/Fm′=Fv′/Fm′。

1.3 快速光曲线拟合

采用origin 8.0软件进行快速光曲线拟合，曲线拟合采用最小二乘法，运用Ralph和Gademann(2005)提出的方程拟合快速光曲线，其方程为：

rETR=rETRm(1-e- α·PAR/ rETRm)e-β·PAR/ rETRm

式中:rETRm为无光抑制时的最大潜在相对电子传递速率，α为rETR-PAR曲线的初始斜率，反应了植物对光能的利用能力，β为光抑制参数，计算得出半饱和光强：Ek(Ek=rETRm/α)。

1.4 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 17.0软件对所有数据进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)比较不同数据组间的差异。采用Origin 8.0软件进行光合曲线拟合和数据作图。

2 结果分析

2.1 5种沉水植物的荧光参数比较

图1表明，在富营养化水体中，5种沉水植物PSⅡ的Fv/Fm分别为苦草0.519、篦齿眼子菜0.698、轮叶黑藻0.670、菹草0.666、金鱼藻0.595。其中，篦齿眼子菜PSⅡFv/Fm值最大，表明篦齿眼子菜PSⅡ原初光能转化效率最高。苦草Fv/Fm值最小。除苦草与金鱼藻差异不显著外，与其它三种沉水植物差异均显著(P<0.05)。

Fv′/Fm′是PSⅡ有效光化学量子产量，它反映了有热耗散存在时开放的PSⅡ反映中心原初光能捕获效率，即光适应下PSⅡ最大光化学效率，也称为最大天线转换效率。在富营养化水体中，5种沉水植物PSⅡFv′/Fm′分别为苦草0.548、篦齿眼子菜0.700、轮叶黑藻0.670、菹草0.666、金鱼藻0.476。其中篦齿眼子菜Fv′/Fm′最大，意味篦齿眼子菜PSⅡ反映中心原初光能捕获效率最高，金鱼藻Fv′/Fm′最小。篦齿眼子菜、轮叶黑藻、菹草与苦草之间差异不显著，与金鱼藻差异显著(P<0.05)，苦草与金鱼藻差异不显著。

2.2 5种沉水植物快速光曲线的差异

通过玉溪大河富营养化水体中5种优势沉水植物快速光曲线(RLCs)的参数变化(图2)，分析快速光曲线能够获得反应光合能力的参数。

α表示为快速光曲线的初始斜率，反映了光能利用效率和对光的利用能力。由表1可知，5种沉水植物的α分别为苦草0.216、篦齿眼子菜0.359、轮叶黑藻0.483、菹草0.346、金鱼藻0.320，且除篦齿眼子菜与菹草间差异不显著外，其他物种间差异均显著(P<0.05)。

rETRm为植物潜在最大电子传递速率。5种沉水植物的rETRm值分别为苦草13.4、篦齿眼子菜19.0、轮叶黑藻32.6、菹草55.6、金鱼藻42.0 μmol·m-2·s-1(表1)。5种优势沉水植物的rETRm值间差异显著(P<0.05)。

Ek为最小饱和光强(半饱和光强)，反映了植物对强光的耐性能力。本研究中，5种沉水植物的值分别为苦草62.35、篦齿眼子菜52.99、轮叶黑藻67.46、菹草160.62、金鱼藻131.35 μmol·m-2·s-1，且除苦草与轮叶黑藻差异不显著外，其他物种间差异均显著(P<0.05)(表1)。

表1 5种沉水植物快速光曲线光合参数的变化(mean±SD,n=5)

3 讨论

3.1 富营养化胁迫对沉水植物PSⅡ内禀光能转化效率的影响

叶绿素荧光动力学与光合作用密切相关，环境因子的变化可快速通过荧光动力学反映出来。Fv/Fm作为PSⅡ最大光化学量子产量，能够揭示PSⅡ反应中心内禀光能转化效率或最大PSⅡ的光能转化效率。本研究中，玉溪大河城市河道水体为V类水，5种植物的PSⅡFv/Fm均低于0.70，表明沉水植物已受到河道水体中营养盐的胁迫，导致PSⅡ反应中心造成影响和损伤，5种优势沉水植物在重度富营养化下已处于衰退状态。此结果与经博翰和袁龙义[21]对洪湖5种优势沉水植物光合荧光特性的报道相一致：非胁迫条件下多数高等植物Fv/Fm为0.84，但当植物处于胁迫环境时，Fv/Fm值会显著降低。Marwood 等[22]报道了UV-B辐射和多环芳烃污染对水生植物Fv/Fm的影响。众多研究开始关注沉水植物作为富集植物去除水体重金属污染[6]。但是，多种胁迫因素对沉水植物叶绿素荧光动力学过程影响的研究还相对薄弱。城市河道由于受纳污染物种类多，是一个受重金属、营养盐、水位季节变化等影响的复杂水生生态系统，因此，城市河道营养盐胁迫与其他胁迫因子间协同作用对沉水植物光合作用的影响亟待开展深入研究。

3.2 快速光响应曲线特征分析

快速光曲线中荧光参数的变化普遍被指示为植物光合作用受损的详细信息[23]，反映植物耐受环境胁迫的光合能力，评估环境胁迫损害植物光系统的程度[19]。5种沉水植物的光合过程在富营养胁迫下受到不同程度的光抑制，并且不同种类的光合作用在同等强度的高光强下，光合速率下降趋势存在差异。苦草的最大光化学量子产量(Fv/Fm)要低于其它4种植物，表明苦草具有较高的耐低光能力。从快速光响应曲线(RLCs)初始斜率和最大相对电子传递速率(rETRm)以及半饱和光强(Ek)来看，苦草的初始斜率(α)和最大相对电子传递速率(rETRm)同样低于其它4种植物(表1)。苦草适应低光的能力更强，生长在底层，本研究与经博翰和袁龙义[21]对洪湖5种优势沉水植物以及肖月娥等[24]对太湖2种大型沉水被子植物的报道相一致。而菹草的最大相对电子传递速率(rETRm)和半饱和光强(Ek)显著高于其他4个植物，说明菹草具有较高的耐强光能力，光合速率较高。本研究符合沉水植物在玉溪大河富营养化水体中的实际空间分布。

4 结论

玉溪大河水体富营养化条件下，5种沉水植物的最大光化学量子产量Fv/Fm值显著降低，均低于0.70；快速光响应曲线(RLCs)的参数比较表明，最大相对电子传递速率(rETRm)和半饱和光强(Ek)变化趋势基本一致；5种沉水植物的光合特征，决定了它们在水体中的垂直分布结构，不同植物具有不同的生态位，生长在不同的水位，对外界光照耐受程度不同。其中，苦草耐光能力较弱，适合在底层生长，而菹草有最大耐强光能力，适合在水位上层生长。

[1]Wang SL,Xu XR, Sun YX, et al. Heavy metal pollution in coastal areas of South China: A review[J].Marine Pollution Bulletin,2013(76): 7-15.

[2]梅明, 刘庆, 廖金阳. 湖北省某矿山河道底泥重金属污染调查与评价[J]. 武汉工程大学学报, 2014, 36(1): 33-37.

[3]国家环境保护总局. 1999年中国环境状况公报[J]. 环境保护, 2000(7): 3-9.

[4]Qian C, You WH, Xie D, et al. Turion morphological responses to water nutrient concentrations and plant density in the submerged macrophyte Potamogeton crispus[J]. Nature,2014(4): 7079.

[5]Xie D, Zhou HJ, Zhu H, J. Differences in the regeneration traits of Potamogeton crispus turions from macrophyte and phytoplankton-dominated lakes[J].Nature, 2015(5): 12907.

[6]Xing W, Wu HP, Hao BB,et al. Bioaccumulation of heavy metals by submerged macrophytes: looking for hyperaccumulators in eutrophic lakes[J].Environmental science & technology, 2013(47):4695-4703.

[7]Harguinteguy CA, Schreiber R.Pignata Myriophyllum aquaticum as a biomonitor of water heavy metal input related to agricultural activities in the Xanaes River (Córdoba, Argentina)[J].Ecological indicators, 2013(27):8-16.

[8]Harguinteguy CA, Cofre MN, Cirelli AF, et al. The macrophytes Potamogeton pusillus L. and Myriophyllum aquaticum (Vell.) Verdc. as potential bioindicators of a river contaminated by heavy metals[J]. Microchemical journal, 2016(124): 228-234.

[9]丁亚琴. 环境因子与沉水植物的关系[J]. 科技信息, 2012(3): 540-578.

[10]苏文华,张光飞,张云孙,等. 5种沉水植物的光合特征[J]. 水生生物学报, 2004,28(4):391-395.

[11]郝贝贝, 吴昊平, 史俏, 等. 云南高原10个湖泊沉水植物的碳、氮、磷化学计量学特征[J].湖泊科学,2013,25(4): 539-544.

[12]Sagrario G, Mana A, Jeppesen E, et al. Does high nitrogen loading prevents clear-water conditions in shallow lakes at intermediate high phosphorus concentrations[J].Freshwater Biology, 2005(50): 27-41.

[13]Jeppesen E, Scndergaard M, Meerhoff M, et al.Shallow lake restoration by nutrient loading reduction-some recent findings and challenges ahead[J].Hydrobiologia,2007(584):239-252.

[14]徐思, 张丹, 王艳云, 等. 沉水植物恢复对湖泊沉积物产甲烷菌的影响研究[J]. 水生生物学报, 2015, 39(6): 1198-1206.

[15]Papageorgiou GC, Govindjee. Chlorophyll a Fluorescence: A Signature of Photosynthesis[M]. New York: Springer Publishing Company, 2004： 605-621.

[16]宋玉芝, 蔡炜, 秦伯强. 太湖常见浮叶植物和沉水植物的光合荧光特性比较[J]. 应用生态学报, 2009(3): 569-573.

[17]Parr LB, Perkins RG, Mason CF.Reduction in photosynthetic efficiency of Cladophora glomerata,induced by overlying canopies ofLemnaspp[J]. Water Research, 2002(36): 1735-1742.

[18]Ralph PJ, Gademann R, Dennison WC. In situ seagrass photosynthesis measured using a submersible, pulse amplitude modulated fluorometer[J].Marine Biology, 1998, 132(3): 367-373.

[19]Ralph PJ, Gademann R. Rapid light curves: A powerful tool to assess photosynthetic activity[J].Aquatic Botany, 2005(82): 222-237.

[20]鲁冬梅, 任永其, 史云东,等. 玉溪大河河道污水富营养化的时空变化特征[J]. 环境科学与技术, 2015, 38(12): 129-134.

[21]经博翰, 袁龙义. 洪湖5种优势沉水植物光合荧光特性比较研究[J]. 西北植物学报, 2015, 35(2): 344-349.

[22]Marwood CA, Solomon KR, Greenberg B M. Chlorophyll fluorescence as a bioindicator of effects on growth in aquatic macrophytes from mixtures of polycyclic aromatic hydrocarbons[J].Environmental Toxicology and Chemisfry, 2001, 20(4): 890-898.

[23]Van-Kooten O, Snel J F H. The use of chlorophyll fluorescence nomenclature in plant stress physiology[J].Photosynthesis Research, 1990, 25(3): 147-150.

[24]肖月娥, 陈开宁, 戴新宾，陈小峰，许晓明. 太湖中2种大型沉水被子植物适应低光能力的比较[J].植物生理学通讯, 2006,42(3):421-425.

Comparative of Chlorophyll Fluorescence Characteristics of Five Submerged Macrophytes in Yuxi River

LU Guo-Li1, ZHOU Yuan-Qing1, LI Shu-Ying1, WANG Bei2, ZHANG Cui-Ping1

(1. Research Center for Pollution Control and Ecological Restoration, Yuxi Normal University, Yuxi Yunnan 653100，China)

Five dominant submerged macrophytes in the eutrophication water of Yuxi River includingV.natans,P.pectinatusL.,H.verticillata,P.crispusL. andC.demersumL were monitored. The Changes of maximal quantum yields of photosystem Ⅱ (Fv/Fm) and rapid light curves (RLCs) were measured using Junior-pulse amplitude modulated fluorometer (Junior-PAM). The results showed that the measured maximal quantum yields (Fv/Fm) of five submerged macrophytes decreased within the range of 0.519～0.698 that was lower than 0.84. All the five species′sofFv′/Fm′sfrom high to low in the order asP.pectinatusL. >H.verticillata>P.crispusL. >V.Natans>C.demersumL.weremonitored.In addition, besidesP.pectinatusL.,H.verticillata,P.crispusL., andC.demersumL. displayed statistically significant differences, while all other displayed insignificant differences. All the five species’srETRms displayed statistically significant differences, and from high to low in the order asP.crispusL. >C.demersumL.>H.verticillata>P.pectinatusL.>V.natans. All the five species’sα were with the range of 0.216～0.483, while insignificant difference were determined betweenP.pectinatusL. andP.crispusL.. All other species displayed statistically significant differences. All the five species’sEks from high to low asP.crispusL. >C.demersumL. >H.Verticillata>V.Natans>P.pectinatusL. In addition, there was no significant difference betweenV.natansandH.verticillata. All other species displayed statistically significant differences. Studies have shown that photosynthesis of five dominant submerged macrophytes was seriously inhibited under nutrients stress.P.crispusL. andC.demersumL. had higher 1ight resistance capacity as well as faster photosynthetic rate.V.natanshad 1owest light resistance capacity among the five dominant submerged macrophytes commonly in Yuxi River.

Yuxi River; submerged macrophytes; chlorophyll fluorescence; rapid light curve; quantum yield

2016-08-25

国家自然科学基金项目(31460144)，云南省教育厅重点项目(2014Z148)。

卢国理(1980-)，男，硕士，助教，主要从事污染控制与生态修复方面的研究工作。

张翠萍。

X52

A

1673-9655(2017)02-0046-05