水淹和密度配置对牛鞭草与狗牙根扦插苗光合作用的影响

，，，

(三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室,西南大学生命科学学院, 重庆 400715)

三峡水库“冬蓄夏排”的反季节水位调度管理方式打乱了库岸植物的生理节律，影响了植物的生长及光合作用。光合作用是植物体最重要的代谢活动，光照是植物生长发育必需的环境因子。在三峡库区蓄水期间，一些植物的水淹深度可达30 m左右，光照强度会随着水淹深度加深而逐渐减弱，植物在水下获得的光辐射也随之减少，植物在淹水胁迫的同时受到严重的荫蔽胁迫[1]，光合作用受到限制，光合生产效率降低，导致植株体内的营养储备大量减少，进而威胁到植物的生存。采用人工构建植被是消落带植被恢复的重要措施之一，但在人工植被构建中，明确植物耐受机理十分重要。

狗牙根(Cynodondactylon)与牛鞭草(Hemarthriaaltissima)在三峡库区自然分布，对水库水位周期性涨落已有一定的适应能力，并对水淹有较强的耐受性[2-4]。已有学者对狗牙根与牛鞭草光合特性对水淹的适应机理[5-6]进行了探究，但都是局限在单一物种或者单一密度配置，而草本植被在恢复中如果在草种单一的情况下[7]，一方面不能达到空间的高效利用，另一方面也易受到病虫害的攻击[8]。另外如果用单一草种进行草本植被的恢复，随着土壤中某些营养元素的大量消耗，土壤肥力减弱，草地产草量维持年限较短，会大大降低草地的稳定性[9]。不同物种富集资源的能力不同，对一些有益生物(寄生植物、菌类、微生物)的引入类别也各异，因此物种共存可以发挥各自的优势，有利于提高物种多样性[10]，也有利于抵御病虫害[11]，促进群落稳定[12]。因此，在草地建设或者人工恢复草本植被的过程中，采取良好的物种组合及最佳的密度配置是决定人工草地成功与否以及可利用时间长短的关键[13]。

基于此，本试验将狗牙根和牛鞭草共同配置在一个人工植被体系内，研究盆栽条件下，水淹和密度配置如何影响狗牙根与牛鞭草当年生扦插苗的光合作用以及光合产物分配，初步探索两适生草种的不同配置效应，为构建三峡库区消落带草本植被体系提供直接参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选择狗牙根、牛鞭草当年生扦插苗作为研究对象，采用盆栽控制试验，盆钵规格为：高25 cm，内径30 cm。盆栽所用土壤基本理化性质为pH值8.13，有机质34.70 g·kg-1，全氮0.72 g·kg-1，全磷0.77 g·kg-1，全钾12.14 g·kg-1，有效磷2.45 mg·kg-1，速效钾137.61 mg·kg-1。2016年4月29日开始进行狗牙根、牛鞭草的扦插栽培，种植时先将狗牙根截成10 cm左右带有3个芽孢的小段，牛鞭草截成10 cm左右含有3个节的小段，按实验设计比例进行种植，之后将所有盆栽试验用苗置于西南大学生态试验园的遮雨棚下(棚顶透明，四面敞开)进行相同条件的适应生长，并给予除草等常规管理，于2016年6月20日开始进行试验处理。

1.2 试验设计

本研究设置3个水分处理，分别为对照组(CK)——正常供水，土壤含水量为田间持水量的60%～63%、浅淹组(SF)——水淹超过土壤表面10 cm和全淹组(TF)——水淹超过土壤表面2 m。密度配置采用取代系列试验法[14]，每盆种植12株植物(相当于种植密度为195 株·m-2)，设置7种配置比例，每盆牛鞭草与狗牙根株数分别按2株进行递增与递减，具体的配比分别为：H0C12，H2C10，H4C8，H6C6，H8C4，H10C2，H12C0，采用完全随机区组实验设计，盆内种植示意图如图1。

图1 牛鞭草与狗牙根栽植示意图Fig.1 The planting diagram of H. altissima and C. dactylon

从试验处理第1天开始，每天对试验材料进行观察，并确保各处理组保持设定的土壤含水量。处理60 d后对各项指标进行测定，每个处理3次重复[15]。

1.3 测定指标及方法

1.3.1光合指标的测定 于晴天9:00-12:00，采用Li-6400便携式光合系统对牛鞭草和狗牙根健康成熟的功能叶片中部(从植株顶端往下数第3～4片叶)进行光合指标的测定[16]，其中，将全淹组移除水池后用吸水纸将所选叶片附着的水迅速轻轻擦干，立即进行光合参数的测定。光源：红蓝光，叶室：2 cm×3 cm，在预备试验的基础上确定光合有效辐射(PAR)：1200 mol·m-2·s-1；叶室温度：25 ℃；CO2浓度：大气CO2浓度。测定指标包括净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、气孔导度(stomatal conductance，Gs)、胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration，Ci)与蒸腾速率(transpiration rate，Tr)，同时，标定放入叶室的牛鞭草和狗牙根叶片区域，测定结束后立即放入冰盒带回实验室，使用根系分析仪扫描测定其测定部位的叶面积，并通过换算得出各处理的光合参数。

1.3.2叶绿素的测定 选取用于测定光合指标的植物叶片，采用浸提法测定其叶绿素含量[17]。采用岛津5220分光光度计分别对叶绿素a(chlorophyll a, chla)、叶绿素b(chlorophyll b, chlb)的吸光值A663、A645进行测定，并计算其含量。总叶绿素含量(total chlorophyll, chls)=叶绿素a(chla)+叶绿素b(chlb)。

1.4 数据处理和分析

利用SPSS 8.0软件双因素方差分析(two-way ANOVA)进行数据分析，并运用Duncan检验法检验不同处理的各个指标差异显著性。利用软件Origin 8.5绘图，Microsoft Word制表。

2 结果与分析

2.1 水淹胁迫和密度配置对牛鞭草与狗牙根光合作用影响的方差分析结果

水淹极显著地影响牛鞭草总叶绿素(chls)、叶绿素a(chla)、叶绿素b(chlb)含量(P<0.01)，对狗牙根的总叶绿素(chls)、叶绿素a(chla)、叶绿素b(chlb)含量却没有显著影响(表1)。水淹对牛鞭草和狗牙根的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)以及蒸腾速率(Tr)均有极显著影响(P<0.01)，对二者的气孔导度(Gs)没有显著影响(表1)。

密度配置对牛鞭草和狗牙根的总叶绿素(chls)、叶绿素a(chla)、叶绿素b(chlb)含量没有显著影响，分别对牛鞭草和狗牙根的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)以及蒸腾速率(Tr)有极显著影响(P<0.01)(表1)。

表 1 水淹和密度配置对牛鞭草与狗牙根光合作用影响方差分析结果 Table 1 The results of ANOVA of the effects of water stress and density configurations on the photosynthetic physiological characteristics of H. altissima and C. dactylon

“Fw”指鲜重条件下的测量值。下同。“Fw” refers to fresh weight. The same below.

水分与密度的交互作用分别对牛鞭草和狗牙根的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)以及蒸腾速率(Tr)有极显著影响(P<0.01)(表1)。

2.2 水淹胁迫和密度配置对牛鞭草与狗牙根叶片光合色素的影响

浅淹处理下牛鞭草和狗牙根的总叶绿素(chls)、叶绿素a(chla)、叶绿素b(chlb)的平均含量与对照组相比变化不明显(图2和图3)，牛鞭草深淹处理下的总叶绿素(chls)、叶绿素a(chla)、叶绿素b(chlb)的平均含量与对照组相比呈下降趋势(图2)。

图2 水淹及密度配置下牛鞭草叶片光合色素含量变化Fig.2 Photosynthetic pigment contents of H. altissima under water stress and density configurations 平均值±标准误，n=3。Mean±SE, n=3. CK：对照 Control；SF：浅淹 Shallow flooding；TF：深淹 Total flooding. 不同大写字母分别表示同一密度比例下不同水分处理之间有显著差异(P<0.05)。下同。Different capital letters stand for significant differences between different water treatments within each density configuration. The same below.

图3 水淹及密度配置下狗牙根叶片光合色素含量变化Fig.3 Photosynthetic pigment contents of C. dactylon under water stress and density configurations 狗牙根TF组因叶凋落未测得光合色素数据。Due to the leaves withered, the photosynthetic pigments in TF were not measured.

指标 Index处理TreatmentCKSFTF净光合速率 Pn(μmol CO2·m-2·s-1)H2C1016.59±0.48Aa10.89±0.96Bc0.43±0.07CbH4C812.67±0.33Ab6.89±0.27Bd0.67±0.13CbH6C612.61±0.73Ab8.64±0.80Bcd0.58±0.19CbH8C411.66±0.99Bb16.36±1.35Aa0.26±0.06CbH10C213.09±0.26Bb13.29±0.41Ab1.69±0.23CaH12C012.44±0.59Ab13.47±0.89Ab0.61±0.09Bb气孔导度 Gs(mol H2O·m-2·s-1)H2C100.13±0.04Aa0.11±0.01Aa0.13±0.01AeH4C80.10±0.01Bb0.06±0.01Cd0.22±0.01AaH6C60.09±0.01Bc0.07±0.01Ccd0.16±0.01AdH8C40.09±0.01Cc0.12±0.01Ba0.17±0.01AcH10C20.11±0.01Bb0.09±0.01Cbc0.14±0.01AeH12C00.07±0.01Cd0.11±0.01Bab0.20±0.01Ab胞间CO2浓度 Ci(mmol H2O·mol-1·s-1)H2C10179.67±4.01Cbc197.47±10.65Ba360.75±0.83AabH4C8178.44±12.58Bbc173.13±11.41Bab360.67±1.34AabH6C6174.47±3.92Cc183.80±1.67Bab360.27±2.01AabH8C4197.73±7.52Bb148.00±8.79Cbc363.60±0.56AaH10C2228.50±2.19Ba133.84±5.67Cc345.07±2.41AcH12C0144.41±5.81Ca175.25±13.50Bab357.93±0.52Ab蒸腾速率 Tr(μmol·mmol-1)H2C105.26±0.15Aa5.16±0.65Aa5.18±0.06AeH4C84.03±0.24Bb2.62±0.14Cd8.45±0.37AbH6C62.94±0.14Bd3.25±0.28Bcd6.16±0.14AdH8C42.74±0.16Cd4.88±0.29Bab7.09±0.16AcH10C23.41±0.12Cc4.14±0.21Bbc5.90±0.08AdH12C02.08±0.12Ce5.17±0.03Ba9.34±0.09Aa

平均值±标准误，n=3。Mean±SE,n=3. 不同小写字母分别表示同一水分处理组内不同密度配置之间有显著差异(P<0.05)，不同大写字母分别表示同一密度比例下不同水分处理之间有显著差异(P<0.05)。下同。Different lowercase letters stand for significant differences between different density configurations within each water treatment, different capital letters stand for significant differences between different water treatments within each density configuration. The same below.

正常供水与浅淹处理下，牛鞭草和狗牙根在各密度处理下的总叶绿素(chls)、叶绿素a(chla)、叶绿素b(chlb)的含量没有规律的变化趋势(图2和图3)，但值得注意的是牛鞭草在深淹处理下的总叶绿素(chls)、叶绿素a(chla)、叶绿素b(chlb)的含量变化趋势相似，都是随着牛鞭草在混植体系中所占比例的增大呈下降趋势(图2)。

2.3 水淹胁迫和密度配置对牛鞭草与狗牙根叶片光合参数的影响

牛鞭草的净光合速率(Pn)在密度H2C10、H4C8、H6C6下随着水淹深度的加深逐渐降低，且降低幅度显著(P<0.05)；在密度H8C4、H10C2、H12C0下，牛鞭草的净光合速率(Pn)随着水淹深度的加深呈先增加后减小趋势；各密度配置下，深淹处理使牛鞭草的气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)以及蒸腾速率(Tr)增大(表2)。浅淹处理组，狗牙根在密度H0C12下的净光合速率(Pn)与对照相比显著降低，其他密度处理下的净光合速率(Pn)增加；与对照相比，狗牙根在密度H0C12、H2C10、H4C8下的气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)降低，在密度H6C6、H8C4、H10C2下的气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)增加；浅淹条件下狗牙根在密度H0C12下的胞间CO2浓度(Ci)显著高于对照组(P<0.05)，其他密度配置下的胞间CO2浓度(Ci)显著低于对照组(P<0.05)(表3)。

表 3 狗牙根叶片光合参数对水淹及密度配置的响应Table 3 Photosynthetic responses of C. dactylon affected by water stress and density configurations

狗牙根TF组因叶凋落未测得光合数据。Due to the leaves withered, the photosynthesis in TF was not measured.

3 讨论

植物在水淹条件下保持较高的光合速率和正常的光合特性是植物耐受水淹的重要原因之一[18]。牛鞭草和狗牙根对不同程度水淹的光合响应不同，但对不同水淹都有一定的适应能力，水淹条件下仍能存活。本试验结果表明牛鞭草和狗牙根的光合速率受浅淹影响较小，浅淹条件下，牛鞭草在H2C10，H4C8, H6C6比例下的光合速率与对照相比显著下降(表2)，但仍具有较高的光合能力，这可能是因为浅淹导致植株部分叶组织无法进行光合作用而使植株的整体光合受到影响，但植株未被水淹的叶组织的光合作用会增强[19]；深淹处理下牛鞭草的净光合速率与对照相比显著降低。有研究表明，非气孔限制引起的净光合速率降低是因为叶肉细胞利用CO2的能力降低，进而使胞间CO2浓度升高所致[20]。本实验中，牛鞭草在深淹下的胞间CO2浓度显著高于对照组，这可能就是导致牛鞭草在深淹下净光合速率降低的原因。狗牙根出现了在浅淹下的平均光合速率大于对照组平均光合速率的情况，其原因可能是由于植物的光合能力受到了光合产物需求的负反馈调节[21]，这可能与狗牙根叶片在浅淹期间具有较高的叶绿素有关。

光合色素具有吸收、传递和转化光能的能力，是叶片光合作用的物质基础[22-23]。本试验中，各密度处理下，狗牙根浅淹下的叶绿素含量与对照相比没有显著变化，这极有可能是因为浅淹处理下狗牙根通过维持较高的光合色素含量来保证叶片对光能的充分吸收利用，促进光合作用的提高，进一步为其茎伸长提供足够的能量供应[24]。叶绿素含量的变化反映植物叶片光合作用的强弱[25], 浅淹环境中，牛鞭草和狗牙根能够保持较高的叶绿素含量，这保证了叶片对光能的充分利用，对维持净光合速率有一定的帮助[26]。

研究表明，全淹环境将加快叶片光合色素的降解，使光合色素含量降低，从而影响叶片的光合作用[27]。牛鞭草深淹处理下的叶绿素平均含量与对照组相比呈下降趋势，但还是保持了持续的水下光合作用，有研究表明沼生酸模(Rumexpalustris)在全淹条件下叶片会变薄，同时叶绿体分布在叶片的表面，这降低了气体进入植物叶片的阻力(扩散阻力降低了40倍左右)，从而保证了植株的水下光合能力[28]，牛鞭草在全淹处理下其叶片也会变薄，并且仍保持水下光合作用，其原因也可能与沼生酸模在水下保持光合能力的原因相似。与对照组相比，浅淹处理下狗牙根的气孔导度和蒸腾速率的变化趋势具有同步性，气孔导度是反映植物气孔开度的一个重要参数，蒸腾速率既受外界因子的影响，也受植物内部结构和生理状况的调节，而气孔调节则是决定蒸腾速率大小的内在因素[29]。狗牙根气孔导度下降，导致其蒸腾速率下降。

种植密度通过影响植株营养状况、冠层的光截获能力和光分布特征来影响植株个体活力、叶片光合速率、群体光合碳同化能力以及群体干物质生产能力[30-31]。研究单作和间作对玉米(Zeamays)和大豆(Glycinemax)群体辐射利用率及产量的影响结果表明，间作种植能够通过高光合有效辐射来增加作物产量[32]。本试验中，在正常供水组，牛鞭草在混植下的平均净光合速率高于其在单植下的净光合速率,这与前人的研究结果一致[32]。张旺锋等[33]对棉花(Gossypiumherbaceum)的研究发现，在低密度下，棉花始终未形成正常的群体冠层，群体光合速率较低。本试验中，正常供水组，狗牙根在混植下净光合速率低于其单植时的净光合速率，其原因也可能是因为混植使狗牙根群体冠层对太阳光的截获较少，从而导致了其净光合速率较低。水淹条件下，牛鞭草所占比例大的密度配置中牛鞭草的净光合速率较高，这是由于牛鞭草直立生长，冠层内部光辐射分布比较合理，叶片可得到较好的光照，增加光合作用。狗牙根在浅淹环境中，在密度H6C6下的净光合速率最高，该密度下的气孔导度也最高，可能原因是气孔导度的增加使得气孔阻力降低，从而使叶片吸收CO2能力增强，净光合速率增加。

4 结论

狗牙根、牛鞭草在浅淹条件下仍能保持水下光合作用，对浅淹有较强的耐淹特性。深淹处理使狗牙根叶片掉落无法进行光合作用，而牛鞭草在深淹下仍能够进行水下光合作用。正常供水条件下，混植体系中牛鞭草所占比例较大的密度配置对狗牙根光合作用具有一定的不利影响。在三峡库区较高海拔区域，即无水淹的地区，建议采用牛鞭草所占比例低、狗牙根所占比例高的密度配置进行混植。在水淹处理下，混植体系中牛鞭草所占比例大的密度配置有利于其光合作用，在消落带较低海拔的水淹地区，综合考虑混植体系的整体光合效率，建议采用牛鞭草所占比例较高的密度配置进行混植。