模拟降水量变化对防风(Saposhnikovia divaricata)幼苗光合特性及矿质营养积累的影响

战丽杰,李凌浩,孟 伟,徐 伟,韩晨静,李宗泰,张宏宝*

(1.山东棉花研究中心，山东 济南250100；2.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093；3.山东省林业科学研究院，山东 济南250014)

近年来，全球气候变化问题越来越引起人们的关注。1901年以来，北半球中纬度陆地区域平均降水已增加；预测到21世纪末，许多中纬度潮湿地区的年降水量将会增加，而中纬度干燥地区的平均降水量将减少[1]。近百年来，中国区域降水分布差异明显，其中西部干旱、半干旱地区近30年来降水持续增加；预计到本世纪末，中国降水平均增幅为2%～5%，北方降水可能增加5%～15%[2]。

水分是大多数植物生长的主要限制因子，显著影响植物的分布和生长发育[3]，降水格局的变化导致植物生长的水环境发生改变，必将影响植物的生理过程[4]。多数研究认为，减少降水降低了植物光合色素含量和净光合速率[5-6]，而增加降水可提高植物光合色素含量和净光合速率[7-8]；但也有研究指出，减少降水提高了植物光合色素含量和净光合速率[9-10]。此外，降水格局的变化会引起植物脯氨酸、可溶性糖以及矿质营养元素含量的改变，但变化趋势在不同植物间不尽一致，这与降水格局改变引起的水分胁迫的程度、时间以及植物对胁迫的耐受性有关[4,11-12]。

防风（Saposhnikovia divaricate（Turcz.）Schischk.）为伞形科防风属多年生草本植物，以未抽薹的干燥根入药，是我国常用大宗中药材之一，具有解表祛风、胜湿、止痉的功效，用于治疗头疼感冒、风湿痹痛、风疹瘙痒、破伤风等[13]。目前，关于降水变化对防风影响的研究多集中于生长发育、光合特性、保护酶活性、渗透调节物质含量以及化学成分等方面[10,14]，且降水变化以减少降水为主，同时研究增加降水和减少降水对防风生理生态影响的报道较少，关于降水变化对防风光合特性及矿质营养元素积累的研究更是鲜见报道。本研究中，我们以内蒙古多伦县野生防风为实验材料，采用盆栽实验，通过不同供水量模拟降水量变化，模拟研究全球变化背景下降水格局变化对防风光合特性及矿质营养元素积累的影响，为防风人工栽培及未来气候变化下防风对相应环境的适应能力进行预测提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验设计

本实验于2014年6月至10月在中国科学院植物研究所温室（40°N，116°28′E，海拔 74 m）完成。实验所用土壤取自中国科学院植物研究所北京植物园。土壤自然风干后，过2 mm筛子，与沙子按1：1（v/v）比例混匀备用。混匀后的土壤有机质含量为0.82%，全氮含量为0.39 g·kg-1，碱解氮含量为18.91 mg·kg-1，有效磷含量为 9.41 mg·kg-1，有效钾含量为54.47 mg·kg-1，有效铜含量为 1.07 mg·kg-1，有效铁含量为 5.42 mg·kg-1，有效锰含量为 4.34 mg·kg-1，有效锌含量为1.26 mg·kg-1，pH为7.1。实验用花盆高19 cm，盆口直径25 cm，盆底直径14 cm。每盆装5.7 kg混匀风干土。实验材料为生长4个月的防风幼苗。种子采自内蒙古自治区锡林郭勒盟多伦县的蔡木山乡自然保护区。

以种子采集地区1979－2000年生长季（6－9月）月平均降雨量309mm为参考（表1），共设3个水分处理，分别为正常降水（309mm）、减水30%（216mm）和增水30%（402mm），分别用CK、-W和+W表示；每个处理4次重复，随机区组排列。不同处理的供水次数和时间均相同，每月供水4次，每隔7天供水1次，根据实验用盆将每次施水量换算成mL。不同处理间统一栽培管理。

表1 1979—2000年多伦县6—9月月平均降水量及各水分处理降水量值Table1 Average monthly precipitation from 1979 to 2000 in Duolun County and precipitation values of three treatments

1.2指标测定

光合参数测定：分别在移栽后36、73、102、128天，选取叶龄相同的叶片，采用便携式光合仪（LI-6400，Li-Cor Lincoln，NE，USA）在 09：00—11：00 测定净光合速率（Pn）、胞间 CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）。 气孔限制值（Ls）=1-Ci/Ca，其中Ca为空气CO2浓度。计算表观叶肉导度（Pn/Ci）。

光合色素含量测定：光合色素以95%乙醇为浸提剂，于波长665nm、649nm和470nm下分别测定吸光度值，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量计算公式参照Lichtenthaler方法[15]。

可溶性糖和脯氨酸含量测定：可溶性糖以80%乙醇浸提，采用蒽酮比色法测定其含量；脯氨酸以3%磺基水杨酸浸提，参照酸性茚三酮法测定其含量。

矿质元素含量测定：采用凯氏定氮法测定其全氮含量；其他矿质元素采用硝酸和过氧化氢混合溶液于微波消解炉（MARS，CEM，NC，USA）中消解，以电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，ICAP6300，Thermo Fisher Scientific Inc.，MA，USA）测定其含量。

1.3 数据处理

采用 SPSS 统计软件（version 21，SPSS Inc.，Chicago，USA）对数据进行单因素分析（One-Way ANOVA），利用Duncan氏法进行多重比，较检验数据之间的显著性，并用字母标记法表示。采用Origin软件（version 9.4，OriginLab Corp.，Northampton，MA，USA）作图。

2 结果与分析

2.1 光合色素含量

由表2可知，叶片叶绿素（Chl）a、Chl b、Chl a+b和类胡萝卜素含量及Chla/b均随降水量的增加而降低，均以-W处理最高，且显著高于CK和+W处理，各色素含量及Chla/b在CK与+W处理间差异均不显著。

表2 降水量变化对防风幼苗叶片光合色素含量的影响Table2 Effects of precipitation change on photosynthetic pigments contents in leaves of S.divaricate seedlings

2.2 光合参数

由图1可以看出，不同降水处理间的叶片光合参数随处理时间的延长差异越加明显。移栽后36 d，三个降水处理的各光合参数均无显著差异；移栽后 73 d、102 d 和 128d，-W 处理的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和表观叶肉导度（Pn/Ci）显著高于CK和+W处理，且四个参数在CK和+W处理间无显著差异（图1A、B、C、E）；移栽后 73 d 和102 d，三个降水处理的胞间CO2浓度（Ci）和气孔限制值（Ls）无显著差异；移栽后 102 d，-W处理的 Ci显著低于其他两个降水处理，且该处理的Ls显著高于CK和+W处理，Ci和Ls在CK和+W处理间无显著差异（图1D、F）。

2.3 脯氨酸和可溶性糖含量

图2显示，各器官中脯氨酸和可溶性糖含量对不同降水量处理的响应不尽相同。不同降水处理对叶片、叶柄和根中脯氨酸含量影响显著，三器官中脯氨酸含量均以+W处理最高，且显著高于CK和+W处理，CK和+W处理间无显著差异（图2A）。不同降水处理仅对叶片中可溶性糖含量影响显著，对叶柄和根中可溶性糖含量无显著影响。+W处理叶片中可溶性糖含量显著高于-W处理，CK与-W处理及CK与+W处理间均无显著差异（图2B）。根中脯氨酸和可溶性糖含量显著高于叶片和叶柄，且叶片和叶柄中脯氨酸和可溶性糖含量均无显著差异。

2.4 矿质营养元素含量

2.4.1 氮含量

由图3可以看出，不同降水量处理对叶片、叶柄和根中氮含量影响显著，三器官中氮含量由高到低依次均为-W＞CK＞+W，且各处理间差异显著（图3A）。根和叶片中氮含量显著高于叶柄，根和叶片中氮含量无显著差异。

2.4.2 磷含量

叶片、叶柄和根中磷含量均随降水量增加而降低（图3B）。叶片和根中磷含量均以-W处理最高，且显著高于CK和+W处理，CK和+W处理无显著差异；-W处理的叶柄中磷含量显著高于+W处理，CK与-W处理及CK与+W处理间均无显著差异。叶片、叶柄和根中磷含量由高到低依次为根＞叶柄＞叶片，且各器官差异显著。

2.4.3 钾含量

图1 降水量变化对防风幼苗叶片光合作用的影响Figure 1 Effect of precipitation change on photosynthesis of S.divaricata seedlings

叶片中钾含量以-W处理最高，且显著高于CK和+W处理，CK和+W处理无显著差异；叶柄中钾含量由高到低依次均为-W>CK>+W，且各处理间差异显著；不同降水量处理对根中钾含量无显著影响（图3C）。叶片、叶柄和根中钾含量由高到低依次为叶柄>叶片>根，且各器官差异显著。

2.4.4 钙含量

叶片中钙含量以+W处理最高，且显著高于-W和CK处理，-W和W处理无显著差异；根中钙含量以-W处理最高，且显著高于CK和+W处理，CK和+W处理无显著差异；不同降水量处理对叶柄中钙含量无显著影响（图3D）。叶片、叶柄和根中钙含量由高到低依次为叶片>叶柄>根，且各器官差异显著。

2.4.5 镁含量

图2 降水量变化对防风幼苗脯氨酸和可溶性糖含量的影响Figure 2 Effect of precipitation change on proline and soluble sugar contents of S.divaricata seedlings

图3 降水量变化对防风幼苗矿质元素含量的影响Figure 3 Effect of precipitation change on mineral elements contents of S.divaricata seedling

叶柄中镁含量以-W处理最低，且显著低于CK和+W处理，CK和+W处理无显著差异；-W处理的根中镁含量显著高于+W处理，CK与-W处理及CK与+W处理间均无显著差异；不同降水量处理对叶片中镁含量无显著影响（图3E）。根和叶片中镁含量显著高于叶柄，根和叶片中镁含量无显著差异。

2.4.6 硫含量

叶片中硫含量由高到低依次均为-W>CK>+W，且各处理间差异显著；叶柄和根中硫含量均以+W处理最低，且显著低于-W和CK处理，-W和CK处理差异不显著（图3F）。叶片中硫含量显著高于根和叶柄，根和叶柄中硫含量无显著差异。

3 讨论

植物的生理响应对环境变化比较敏感，植物光合生理等一系列生理指标对于指示植物生长状况具有重要作用。植物的光合生理是一个非常复杂的过程，该生理过程的变化与植物自身因素和环境因子密切相关。关于植物光合生理对降水量变化的响应，前人进行了许多相关研究[9,16-17]。叶绿素和类胡萝卜素是重要的光合色素，叶绿素是光合作用中最主要的色素，在光合系统中起着吸收、传递和转化光能及光能捕获和光破坏防御的作用[18-19]。一般来说，减少降水能够降低植物光合色素含量[5]，而增加降水大多可提高植物光合色素含量[7]；但也有报道指出，减少降水提高了植物光合色素含量[9,20]。本研究中，与正常降水（CK）和增加降水（+W）处理相比，减少降水（-W）处理显著提高了叶片叶绿素和类胡萝卜素含量，这与前人对针茅和红砂的研究结果一致[21-22]，即轻度干旱提高了植物叶片的光合色素含量，但中度或更加严重干旱则会显著降低光合色素含量。本研究中减少降水处理所营造的干旱胁迫环境，对耐旱性较强的防风而言，可能仅为轻度干旱胁迫，并未对幼苗造成重度干旱胁迫。多数研究认为，增加降水可提高叶片净光合速率[8]，而减少降水可降低叶片净光合速率[6]；但也有研究指出，减少降水提高了植物叶片净光合速率[10,23]。本研究发现，在实验初期（移栽后36 d），叶片净光合速率随降水的减少而降低，而在中后期（移栽后 73，102，128 d），叶片净光合速率均以-W处理的最高，且显著高于CK和+W处理，说明实验初期的干旱胁迫一定程度上抑制了叶片的光合作用，随着胁迫时间的延长，植物适应了这种程度的干旱胁迫，并且该干旱胁迫提高了叶片表观叶肉导度（Pn/Ci），即提高了叶片中RuBP Case的活性，进而提高了叶片Pn。

脯氨酸和可溶性糖通常被认为是植物体内渗透调节的主要物质，其含量的变化对调控植物生理过程以适应逆境条件具有重要的贡献[24-25]，二者一方面通过增加膨压来维持细胞内结构和膜的稳定性，另一方面通过清除超氧阴离子等自由基缓解植株体内活性氧的毒害作用，避免细胞膜质过氧化[26]。有研究表明，降水格局的改变会引起的植物脯氨酸和可溶性糖含量的变化，但变化趋势在不同植物间不尽一致[12,27]。本研究中，-W处理显著提高了叶片、叶柄和根中脯氨酸含量，说明植株遭受干旱胁迫时，脯氨酸含量增加以提高细胞液浓度，降低细胞渗透势，保持了渗透平衡，以达到保持植物水分的作用，这与褚建民等[28]对樟子松的研究结果一致。本研究发现，+W和-W处理叶片、叶柄和跟中可溶性糖含量与CK处理均无显著差异，说明防风体内可溶性糖含量对本实验条件下降水变化的响应尚不敏感，其原因可能是本研究中减少降水处理所营造的干旱胁迫环境，对耐旱性较强的防风而言，可能仅为轻度干旱胁迫，该胁迫强度可能还不足以达到使可溶性糖含量升高的阈值，植物体内脯氨酸含量的增加可以满足该胁迫下植物的渗透调节要求。

不同研究者关于水分胁迫对植物矿质营养元素含量影响的结果不尽一致[11,29]，这与胁迫的程度、时间以及植物对胁迫的耐受性有关[4,30-31]。关于水分胁迫提高植物矿质营养元素含量的原因，不同的研究者给出不同的解释，有的认为这可能是因为水分胁迫使植物光合作用减弱，干物质积累减少，产生浓缩效应，而并非植株真正吸收了更多的营养元素[32]；也有人认为可能因为植物对水分胁迫的适应性较强，能迅速适应水分胁迫，胁迫条件下各营养元素含量维持在较高水平有助于增强植物抵御胁迫的能力，也就是说植物能通过对自身营养元素调节的方式来提高自身对胁迫的耐受性[30]。已有研究指出，减少减水显著提高了针茅和二裂委陵菜绿叶中氮含量以及衰老叶中磷含量[33]。本研究中，与CK处理相比，-W显著提高了氮（叶片、叶柄和根）、磷（叶片和根）、钾（叶片和叶柄）、钙（根）和硫（叶片）含量，这可能与防风本身喜干旱环境以及减少降水处理所营造的干旱胁迫环境，对耐旱性较强的防风而言，可能仅为轻度干旱胁迫有关。此外，+W处理显著显著降低了氮（叶片、叶柄和根）、钾（叶柄）和硫（叶片、叶柄和根）含量，这与冰草磷含量和平车前氮含量的研究结果一致[5,34]，其原因有待于进一步研究。在本实验条件下，减少降水处理能够使防风幼苗叶片光合作用及植株矿质营养含量维持在较高水平，有利于其生长发育，有利于防风幼苗初生代谢产物的积累。