白羊草与达乌里胡枝子混播时其叶片叶绿素荧光特性对土壤水分变化的响应

黄 瑾，孟令超，徐伟洲，王 智，马 威

（1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；2.榆林学院 生命科学学院，陕西 榆林719000）

白羊草（Bothriochloɑischɑemum）群落为中国暖温带森林草原区的中旱生草本群落，也是黄土丘陵区森林草原区具有代表性的植被类型，达乌里胡枝子（Lespedezɑdɑvuricɑ）为白羊草群落的主要伴生种之一，两草种在维持区域草地生态系统服务功能和水土保持综合治理方面具有重要的生态意义［1］。干旱少雨是限制黄土丘陵区天然草地恢复和人工草地建设的主要环境因素。降雨的不确定性导致的土壤水分阶段变化对草地群物特征、生产力、种间关系及其优势种生理生态特征产生显著影响。半干旱地区草地植物群落对土壤水分变化的响应，主要取决于草地群落中主要优势草种的响应和适应能力［2］。研究表明，黄土丘陵区白羊草和达乌里胡枝子种群生长分布格局均受水分、热量等综合因素的影响，其生长范围和生态幅不断扩大，为该地区响应全球气候变化的主要植物［3-4］。系统研究土壤水分阶段变化对黄土丘陵区白羊草群落特征及其优势种生理生态特性的影响，对揭示当前气候变化背景下退化草地植被恢复和群落优势草种演变趋势预测具有重要意义。

光合作用是植物生长和生态适应性的关键生理过程之一，植物叶绿素荧光特性对环境波动具有高度敏感性，与“表观性”的气体交换指标相比具有“内在性”特点，成为当前研究植物光合作用响应环境胁迫的重要探针。植物叶片叶绿素荧光动力学参数仅取决于其自身的遗传学特性，也与其生长条件等外界环境因子变化密切相关［5］。植物光系统Ⅱ（PSⅡ）具有一定的耐旱能力，通常轻度干旱胁迫对植物叶片光系统光化学效率的影响较小，而土壤干旱胁迫严重时则导致植物PSⅡ最大光化学效率显著降低［6］。研究表明，禾—豆混播可提高混播植物的光合效率，其叶片PSⅡ的光化学效率和用于电子传递的能量等叶绿素荧光参数均显著高于单播条件［7］。禾豆混播是半干旱地区广泛使用的人工草地建植方式之一。黄土丘陵区由于年均降雨量少且季节多变，使得表层土壤处于频繁的干湿交替之中。前期的研究表明，白羊草与达乌里胡枝子混播种植在群体生物量和水分利用效率方面表现出明显的混播效应［8］，且混播条件改善了土壤水分恒定供应水平下白羊草和达乌里胡枝子叶片PSⅡ活性［9］，但与其个体生育期和土壤水分变化有关［10］，以上研究均为恒定水分供应条件方面报道，然而关于土壤水分阶段变化条件下混播种植是否能促进其叶片PSⅡ光化学活性方面的研究尚未见报道。因此，本研究进一步探讨在不同土壤水分阶段变化条件下，混播体系中白羊草叶片叶绿素荧光参数及其生育期动态变化特征，旨在阐明土壤阶段干旱后两乡土草种竞争与共存的生理生态机制，以期为利用其在黄土丘陵区开展水土保持林草措施提供理论依据，对揭示混播草地物种共存的生理生态机制以及预测其生长和分布趋势有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本研究材料为白羊草和达乌里胡枝子，其种子为2011年秋季采集于西北农林科技大学安塞水土保持综合试验站天然草地（109°19′23″E，36°51′30″N），装于纸袋自然晾干后储藏。供试土壤为陕北安塞县天然草地（0—30 cm）耕层黄绵土，土壤p H 值为8.77，全氮、全磷和全钾含量为2.5，6.6，1.9 g／kg，速效氮、速效磷和速效钾含量为19.6，50.8，101.6 mg／kg，田间最大持水量（FC）和凋萎系数分别为20.0%和4.0%。

1.2 试验设计

试验于2013年4月1日开始，采用盆栽试验法，盆钵内径为20 cm，高度为30 cm。装土时先在盆钵底部平铺一层碎石子，且在碎石子上平放一张直径为18 cm 的滤纸，并沿盆钵内壁摆放一根内径为2 cm 的PVC管作为浇水管道。土壤底肥按照纯氮0.025 g／kg干土、纯磷0.1 g／kg干土的标准，即施氮0.481 g CON2H4，施磷3.949 g KH2PO4，于试验开始装土时一次随土壤拌入盆中。

采用生态替代法，按照白羊草∶达乌里胡枝子株数比为0∶12，2∶10，4∶8，6∶6，8∶4，10∶2，12∶0，设置7种组合比例处理，两乡土草种具体播种示意图参考徐伟洲［10］，播种出苗后保持充分供水条件并适时间苗，每盆定苗至12株后在土壤表面覆盖40 g珍珠岩以隔断土面蒸发。

盆栽控制试验在西北农林科技大学水土保持研究所人工模拟干旱大厅室外防雨棚下进行，该地属东亚暖温带半湿润半干旱气候区，年平均气温12.9℃，年均降水量635.1 mm，无霜期211 d，年均日照时数2 163.8 h。

1.3 水分处理

试验设置3种土壤水分水平处理，分别为高水处理（HW，80%±5% FC），中水处理（MW，60%±5%FC），低水处理（LW，40%±5%FC），于6月10日当白羊草出现5片叶片时开始土壤水分控制，每天傍晚通过称重法将每桶土壤含水量调整至目标设计水平。土壤水分阶段干旱处理分别于白羊草拔节期、开花期、结实期进行，即在7月10日，8月10日，9月10日每天傍晚分别将高水自然降低至中水（H-MW）和高水处理自然降低至低水（H-LW）供应水平，对应的代码第1次土壤水分降低处理分别为H-MW-1和H-LW-1，第2次土壤水分降低处理分别为H-MW-2和H-LW-2，第3次土壤水分降低处理分别为H-MW-3和H-LW-3，土壤水分含量降低至既定水分处理后均一直保持至本试验结束。试验总盆数为126盆〔2（土壤水平）×7（组合比例）×3（生育期）×3（重复）〕。

1.4 指标测定

白羊草叶片叶绿素荧光参数采用Imaging-PAM叶绿素荧光测定仪（Walz，德国），分别在土壤水分变化处理当天（第0 d），以及处理后第2，4，6，8 d进行连续测定，测定时间为每天上午6：30—9：30，测定前先将待测植物暗适应30 min，然后随机选取每3 盆中的一株白羊草旗叶进行测定。叶绿素荧光动力学曲线测定利用饱和脉冲模式，首先打开测量光〔光强（PAR）为0.5μmol／（m2·s），脉冲频率为1 Hz〕测定初始荧光（Fo），然后采用饱和脉冲光〔PAR 为1 580 μmol／（m2·s），脉冲时间为0.8 s〕测定最大荧光（Fm），随后打开光化光〔PAR 为200μmol／（m2·s）〕进行诱导光合动力学曲线，之后5 min内每间隔20 s打开一系列饱和脉冲测定光适应下的初始荧光（Fo′）、最大荧光（Fm′）和稳态荧光（Fs）。最大光化学效率（Fv／Fm）＝（Fm－Fo）／Fm，实 际 光 化 学 效 率（ФPSⅡ）＝（Fm′－Fs）／Fs，非光化学淬灭系数（NPQ）＝（Fm－Fm′）／Fm′，光 化 学 淬 灭 系 数（qp）＝（Fm′－Fs）／（Fm′－Fo′），表观光合量子传递速率（ETR）＝ФPSⅡ×PAR×0.5×0.84，以上参数均通过Imaging-Win软件（2.40版，Walz）自动计算获得。

1.5 数据分析

采用Excel 2010 进行整理数据与绘制图表，使用SPSS 16.0进行相关数据统计分析。不同处理下白羊草叶绿素荧光指标间差异比较运用单因素方差分析（one-way ANOVA）的最小显著差数法（LSD）进行检验（p＜0.05）。三因素方差分析（three-way ANOVA）用于分析组合比例、水分水平及其生育期变化与三者间对白羊草叶片叶绿素荧光参数存在的交互作用。

2 结果与分析

2.1 最大光化学效率

生育期变化、组合比例、水分水平，及生育期变化和水分水平的交互作用均对白羊草的Fv／Fm产生显著影响（见表1）。H-MW-1，H-MW-2，H-MW-3，H-LW-1，H-LW-2，H-LW-3 处理下，不同组合比例的Fv／Fm在土壤水分降低后均呈现显著降低的变化趋势，且以H-LW-3处理下Fv／Fm的降低幅度最大。H-MW-1处理下，第0，2，4，6，8 d时12∶0组合比例下Fv／Fm（0.804±0.005，0.800±0.004，0.800±0.003，0.789±0.004，0.792±0.005）均显著低于其他水分处理。H-MW-2 处理下，土壤水分降低后第8 d时12∶0组合比例下的Fv／Fm（0.775±0.003）均显著低于其他组合比例处理。H-MW-3 处理下，土壤水分降低后第8 d的Fv／Fm以10∶2组合比例下（0.803±0.003）显著最高和12∶0 组合比例下（0.752±0.004）显著最低（图1）。

H-LW-1 处理下，土壤水分降低后第8 d 的Fv／Fm在不同组合比例间无显著差异。H-LW-2 处理下，土壤水分降低后第8 d 的Fv／Fm以2∶10，4∶8，6∶6，10∶2组合比例下（0.799±0.004，0.800±0.003，0.797±0.003，0.796±0.004）显著最高，12∶0组合比例下（0.770±0.004）显著最低。H-LW-3处理下，土壤水分降低后第8 d的Fv／Fm以8∶4和10∶2组合比例下（0.764±0.004，0.758±0.004）显著最高，12∶0组合比例下（0.719±0.004）显著最低，且2∶10，4∶8，6∶6，8∶4，10∶2，12∶0组合比例下第8 d 的Fv／Fm较第0 d 分别降低了6.8%，7.9%，7.5%，4.9%，6.6%和8.2%（见图1）。

表1 不同组合比例与水分生育期阶段变化及其交互作用对白羊草叶绿素荧光参数的影响

图1 不同组合比例下白羊草叶片最大光化学效率（Fv／Fm）值对土壤水分变化的响应

2.2 实际光化学效率

生育期变化、组合比例、水分水平，及生育期变化和水分水平的交互作用均对白羊草的ФPSⅡ产生显著影 响（见 表1）。H-MW-1，H-MW-2，H-MW-3，H-LW-1，H-LW-2，H-LW-3处理下，不同组合比例的ФPSⅡ在土壤水分降低后均呈现显著降低的变化趋势，且以H-LW-3 处理下降低幅度最大。H-MW-1 和H-MW-2处理下，土壤水分降低后第8 d 的ФPSⅡ以10∶2组合比例下（0.394±0.002，0.399±0.002）显著最高，12∶0组合比例下（0.366±0.002，0.373±0.002）显著最低。H-MW-3处理下，土壤水分降低后第8 d的ФPSⅡ以2∶10，4∶8，6∶6，10∶2组合比例下（0.405±0.003，0.403±0.002，0.402±0.003，0.402±0.002）显著最高，12∶0组合比例下（0.383±0.003）显著最低（见图2）。

H-LW-1，H-LW-2，H-LW-3处理下，土壤水分降低后第8 d的ФPSⅡ以8：4组合比例下（0.404±0.002，0.397±0.003，0.341±0.002）显著最高，12∶0组合比例下（0.363±0.002，0.363±0.001，0.301±0.003）显著最低。H-LW-3 处理下，2∶10，4∶8，6∶6，8∶4，10∶2，12∶0组合比例下第8 d的Fv／Fm较第0 d分别降低了19.2%，18.8%，21.9%，15.1%，19.2%，25.6%（见图2）。

2.3 非光化学淬灭系数

生育期变化、水分水平以及二者交互作用均对白羊草的非光化学淬灭系数NPQ 产生显著影响（表1）。H-MW-1处理下，各组合比例下的NPQ 在土壤水分降低后均呈现明显升高的变化趋势，土壤水分降低后第8 d的NPQ 以2∶10和12∶0组合比例下（0.574±0.003，0.580±0.003）显著最高，10：2 组合比例下（0.546±0.003）显著最低。H-MW-2处理下，土壤水分降低后第8 d的NPQ 以10∶2组合比例下（0.482±0.003）显著最高，2∶10和6∶6组合比例下（0.338±0.002，0.338±0.003）显著最低。H-MW-3处理下，各组合比例下的NPQ 在土壤水分降低后均呈现先升高而降低的变化趋势，土壤水分降低后第8 d的NPQ 以2∶10组合比例下（0.392±0.002）显著最高和4∶8组合比例下（0.332±0.002）显著最低（见图3）。

图2 不同组合比例下白羊草叶片实际光化学效率（ФPSⅡ）值对土壤水分变化的响应

图3 不同组合比例下白羊草叶片非光化学淬灭系数（NPQ）值对土壤水分变化的响应

H-LW-1处理下，土壤水分降低后第8 d的NPQ以2∶10组合比例下（0.571±0.004）显著最高，4∶8和10∶2组合比例下（0.490±0.002，0.488±0.003）显著最低。H-LW-2和H-LW-3处理下，各组合比例下的NPQ 在土壤水分降低后均呈现明显降低的变化趋势。H-LW-2 处理下，2∶10，4∶8，6∶6，8∶4，10∶2，12∶0组合比例下第8 d的NPQ 较第0 d分别降低了30.9%，44.3%，19.8%，11.4%，20.1%，20.2%。H-LW-3处理下，2∶10，4∶8，6∶6，8∶4，10∶2和12∶0组合比例下第8 d的NPQ 较第0 d分别降低了27.7%，39.1%，39.6%，37.4%，43.3%和39.9%（见图3）。

2.4 光化学淬灭系数

生育期变化及与水分水平的交互作用均对白羊草的光化学淬灭系数qp产生显著影响（见表1）。H-MW-1处理下，各组合比例下的qp在土壤水分降低后均呈现明显降低的变化趋势，水分降低后第8 d的qp以2∶10和12∶0组合比例下（0.597±0.003和0.571±0.004）显著最高，8∶4组合比例下（0.545±0.003）显著最低。H-MW-2处理下，各组合比例下的qp在土壤水分降低后均呈现明显升高的变化趋势，水分降低后第8 d的qp以6∶6和10∶2组合比例下（0.718±0.004，0.713±0.004）显著最高，8∶4组合比例下（0.647±0.003）显著最低。H-MW-3处理下，各组合比例下的qp在土壤水分降低后均呈现先降低后升高的变化趋势，水分降低后第8 d的qp以8∶4组合比例下（0.788±0.004）显著最高和2∶10组合比例下（0.677±0.003）显著最低（见图4）。

H-LW-1处理下，各组合比例下的qp在土壤水分降低后均呈现明显降低的变化趋势，水分降低后第8 d的qp以6∶6 和12∶0 组合比例下（0.560±0.003，0.565±0.004）显著最高，2∶10 组合比例下（0.519±0.003）显著最低。H-LW-2处理下，水分降低后第8 d 的qp以10∶2 组合比例下（0.641±0.004）显著最高，6∶6和8∶4组合比例下（0.647±0.004，0.641±0.005）显著最低。H-LW-3 处理下，各组合比例下的qp在土壤水分降低后均呈现先降低后升高的变化趋势，水分降低后第8 d的qp以4∶8组合比例下（0.761±0.003）显著最高和8∶4组合比例下（0.673±0.004）显著最低（见图4）。

图4 不同组合比例下白羊草叶片光化学淬灭系数（qp）值对土壤水分变化的响应

2.5 表观光合量子传递速率

生育期变化、组合比例、水分水平、组合比例×水分水平、生育期变化×组合比例×水分水平均对白羊草的表观光合量子传递速率（ETR）产生显著影响（表1）。H-MW-1处理下，各组合比例下的ETR 在土壤水分降低后均呈现明显降低的变化趋势，水分降低后第8 d 的ETR 以2∶10，4∶8，6∶6 组合比例下（28.6±0.2，28.3±0.3，28.3±0.4）显著最高，12∶0组合比例下（24.6±0.3）显著最低。H-MW-2 处理下，土壤水分降低后第8 d的ETR 以4∶8和6∶6组合比例下（42.1±0.3，42.2±0.2）显著最高，8∶4和10∶2组合比例下（33.5±0.3，32.1±0.2）显著最低。H-MW-3处理下，10∶2 组合比例下的ETR 在土壤水分降低后第0 d（41.1±0.3），2 d（40.7±0.2），4 d（39.1±0.2），6 d（39.6±0.4），8 d（39.5±0.2）均显著高于其余组合比例处理，且第8 d的ETR以12∶0组合比例下（30.8±0.2）显著最低（见图5）。

H-LW-1处理下，各组合比例下的ETR 在土壤水分降低后均呈现降低的变化趋势，水分降低后第8 d的ETR 以4∶8 和10∶2 组合比例下（32.9±0.3，31.5±0.4）显著最高，2∶10 组合比例下（24.5±0.4）显著最低。H-LW-2处理下，土壤水分降低后第8 d的ETR 以2∶10，4∶8，10∶2 组合比例下（38.8±0.4，39.8±0.5，38.6±0.4）显著最高，12∶0组合比例下（29.0±0.3）显著最低。H-LW-3 处理下，土壤水分降低后第8 d的ETR 以6∶6和8∶4组合比例下（39.7±0.3，40.0±0.3）显著最高，12∶0组合比例下（26.8±0.2）显著最低（见图5）。

图5 不同组合比例下白羊草叶片表观光合量子传递速率（ETR）值对土壤水分变化的响应

3 讨论

光合作用是植物体内重要的生理过程之一，土壤水分胁迫对光合生理过程的影响差异主要取决于胁迫持续时间、强度与植物生育期情况［11］。Fv／Fm表示植物叶片PSⅡ的最大光化学效率，当植物处于正常生长条件时其变化范围一般为0.75～0.85，但在逆境条件下会出现不同程度降低［12］。研究表明，充分供水条件下白羊草叶片的Fv／Fm在拔节期、开花期和结实期的间无显著差异，但在重度水分胁迫下拔节期和开花期显著高于结实期［13］。本研究中，与达乌里胡枝子混播下白羊草的叶片叶绿素荧光参数呈现出明显的生育期动态变化（见表1），土壤水分阶段降低处理后白羊草叶片Fv／Fm和ФPSⅡ整体均以拔节期和开花期显著高于结实期，表明白羊草的PSⅡ最大光化学效率和实际光化学效率生育期动态变化特征主要取决于植物自身遗传特性［14］。H-MW-1，H-MW-2，H-MW-3，H-LW-1，H-LW-2 处理下土壤水分降低后白羊草的Fv／Fm均大于0.75，进一步说明白羊草的PSⅡ具有较强的抗旱能力，短期干旱胁迫对其PSⅡ光化学效率降低不明显［15］。

土壤水分持续胁迫条件下，植物叶片叶绿素荧光动态变化特性与土壤水分变化存在明显相关性［16］。实际光化学量子效（ФPSⅡ）反映反应中心部分关闭情况下的实际光能捕获效率。本研究中，土壤水分生育期降低处理后各组合比例的白羊草叶片Fv／Fm，ФPSⅡ，ETR 整体随水分胁迫时间持续呈现明显降低的变化趋势，且以H-LW-3处理下降低幅度最显著，表明短期土壤水分胁迫对白羊草叶片光合反应中心活性受到不同程度的抑制，并在植物结实期水分胁迫对其的抑制作用更明显［8］。就土壤水分降低后第8 d而言，不同组合比例下白羊草拔节期和开花期的Fv／Fm和ФPSⅡ均在H-MW 与H-LW 处理间差异不显著，但结实期的Fv／Fm和ФPSⅡ均以H-MW 显著高于H-LW，这进一步说明了白羊草其具有较强的抗旱性和更为稳定的光化学效率，但其叶片生长后期对土壤水分胁迫的影响更为敏感［10］。

NPQ 和qp均为植物体内光合量子效率调节的重要机制，前者值较高则说明该植物叶片吸收光能用于热耗散的份额比较多，表示了植物PSⅡ天线色素吸收光能后不用于光合电子传递而以热能形式耗散的比例，而后者表示了PSⅡ天线色素用于光合电子传递 吸 收 光 能 的 比 例［17］。本 研 究 中，H-MW 和H-LW处理下土壤水分降低后各组合比例白羊草的NPQ 在拔节期出现升高趋势，在开花期和结实期出现降低趋势，但其叶片qp在3个生育期间呈现相反变化趋势，这说明白羊草在拔节期通过耗散过剩激发能以减轻水分土壤水分降低为重度水分胁迫后对叶片光合结构的损伤，而在开花期和结实期提高叶片PSⅡ的电子传递活性维持相对较高的光合能力［18］。

禾—豆混播体系中，植物在叶片光合途径、根系固氮能力和形态结构等方面的差异，将导致植物的生长与生理过程有别于单作条件［19］。本研究中，土壤水分降低后第8 d，大多数处理下12∶0组合比例下白羊草的Fv／Fm，ФPSI和ETR 均显著低于其他组合比例处理，这进一步说明混播种植显著提高了白羊草叶片光化学效率与活性［13］，以及叶片净光合速率［10］。这主要归因于混播条件较单播种植显著增加了白羊草的叶片、茎和根系中的氮含量［20］，而半干旱地区植物光合能力通常与其叶片氮含量呈现明显的正相关关系［21］，因此混播下白羊草叶片光合器官氮含量的提高有利于促进其光合作用。

4 结论

土壤水分阶段降低后，白羊草叶片Fv／Fm，ФPSⅡ和ETR 值均随水分胁迫时间持续呈现明显降低的变化趋势，以结实期从高水降低至低水处理的降低幅度最显著；NPQ 随水分胁迫时间持续在拔节期呈现升高趋势，而在开花期和结实期出现降低趋势，但qp值在3个生育期间呈相反变化趋势，表明白羊草拔节期通过耗散过剩激发能以减轻水分胁迫对光合结构的损伤，而在开花期和结实期提高叶片PSⅡ光合化学活性以维持相对较高的光合能力。土壤水分阶段降低后，白羊草拔节期和开花期叶片的Fv／Fm和ФPSⅡ值显著高于结实期，且Fv／Fm均值多大于0.75，说明白羊草叶片PSⅡ具有较强的抗旱性和稳定的光化学效率。土壤水分降低后第8 d，拔节期和开花期白羊草叶片的Fv／Fm或ФPSⅡ值在高水降低至中水和低水处理间无显著差异，但结实期的Fv／Fm和ФPSⅡ以高水降低至中水处理显著最高，且大多数处理下单播白羊草的Fv／Fm，ФPSI和ETR 值均显著低于与达乌里胡枝子混播，表明与达乌里胡枝子混播种植促进了土壤水分阶段降低条件下白羊草的叶片PSⅡ光化学活性。