苏打盐碱胁迫对汉麻光合特性的影响

张晓艳，孙宇峰，曹 焜，韩承伟，朱 浩，边 境

（黑龙江省科学院 大庆分院，黑龙江 大庆 163319）

0 引言

土地的盐碱化已成为全球性的环境难题，也是制约农业发展的最大障碍性因子。据不完全统计全世界盐碱地的面积达10亿hm2，其中我国约为9913万hm2，位居世界第三［1］，而作为我国重要粮食产区的东北松嫩平原，苏打盐碱土占地393.7万hm2，并且每年以1.4%的速度增加，是世界上三大苏打盐碱土集中分布区之一［2-3］，严重影响了植物的正常生长发育［4-6］。植物的生长发育是通过光合作用产物积累实现的，光合系统的正常运转是植物生长发育的保障［7］。而盐碱胁迫通常会减弱植物的光合作用，间接影响植物的生长状况，且盐碱浓度越高，作用时间越长，影响会越明显［8］。研究表明，土壤含盐碱过高会降低植物的净光合速率，抑制植物生物量的积累，甚至导致植物死亡［9］。并且盐碱胁迫中产生的高pH和离子毒害会对植物的光系统II反应中心造成破坏，限制光合电子传递，阻碍叶绿素合成，下调参与光反应和卡尔文循环的蛋白合成和酶活性［10］。盐碱胁迫还会抑制叶原基的发生，造成植株的光合面积减少，使其光合作用减弱，影响植株生长［11］。此外，碱胁迫对植物生长和光合作用的破坏作用比盐胁迫更严重［12-13］。

汉麻（Cannabis sativaL .）是大麻科、大麻属、大麻种一年生草本植物，通常为雌雄异株，偶尔有雌雄同株，是人类最早种植的经济作物之一［14］。20世纪90年代以来，国际上将四氢大麻酚（THC）含量低于0.3%（雌株花穗干物质百分比），且不具备毒品利用价值的大麻品种类型称为汉麻［15］。其根、茎、叶、花、韧皮、籽粒等均具有较好的开发和利用价值［16-17］。汉麻种植简便，不与粮、棉争地，故中国麻类产业技术体系已将汉麻作为盐碱地的改良作物，此举不仅具有经济价值，而且还具有生态修复价值。国内外汉麻研究主要集中在纤维、种子和化学分析等方面［17，19-22］。而关于盐碱胁迫方面仅研究了种子萌发、苗期的生长发育及生理特性等［23-25］。不同生育时期盐碱胁迫对汉麻光合特性的研究严重不足，阻碍了汉麻在盐碱地上的推广。因此，本试验采用不同程度的盐碱土进行盆栽试验，研究了盐碱胁迫对汉麻的光合参数、SPAD及叶绿素荧光参数的影响，此研究不仅丰富了工业大麻的种子资源，而且对苏打盐碱化地区推广汉麻种植具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

汉麻品种为2015年从乌克兰引进的格列西亚和金刀15。供试苏打盐碱化土壤取自黑龙江省大庆市东风农场，包括：轻度盐碱化土壤（LS）、中度盐碱化土壤（MS）、重度盐碱化土壤（SS），对照土取自黑龙江省安达市，其中，pH值7.5～8.5为轻度苏打盐碱化土壤，pH值8.5～9.0为中度苏打盐碱化土壤，pH值9.0以上为重度苏打盐碱化土壤，各处理主要理化性状如表1所示。

表1 不同程度盐碱土主要理化性状

1.2 试验设计

采用二因素试验，8个处理，3次重复，每个重复种6盆，共144盆，每盆装土15 g，随机区组排列。每盆施基肥3.2 g，将60粒汉麻种子均匀的摆在盆内，覆土1 cm，出苗前后用水浇灌，出苗后逐渐间苗，在苗高20 cm时每盆定株20，其他管理同大田。

1.3 测定项目及方法

光合指标的测定：在苗期、快速生长期、现蕾期、开花期及工艺成熟期，每个处理挑选长相一致的5株，选取倒数第3完全展开叶片，于晴天9:30 ～11:30测定。

叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）采用LI-6400 （Li-COR，USA）测定。初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm），在植株暗适应30 min后，采用FMS-2型便携式调制荧光分析仪测定。SPAD值采用叶绿素仪测定。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2016软件整理后，采用 SPSS 20.0统计分析软件进行多重方差检验。

2 结果

2.1 光合参数

2.1.1 不同苏打盐碱胁迫对Pn的影响 作物在光合作用中吸收CO2的能力称为Pn，Pn越高，制造的碳水化合物就越多，产量越高。从不同汉麻品种来看，格列西亚的Pn明显高于金刀15。从不同生育期来看，苗期至工艺成熟期，两品种在CK、LS、MS的Pn随着生育进程的推移呈先增加后降低的变化趋势，CK的Pn在现蕾期达到最大值，LS、MS的在快速生长期达到最大值。从苏打盐碱土胁迫浓度看，两品种在LS的Pn在苗期和快速生长期比CK升高了1.93%～4.76%，在现蕾期至工艺成熟期比CK降低32.84%～46.50%；MS的Pn在苗期和工艺成熟期比CK降低9.01%～67.58%；SS的Pn在苗期比CK分别降低75.37%和84.81%，差异显著。可见，在苗期SS的Pn下降幅度最大，MS次之（图1）。

2.1.2 不同苏打盐碱胁迫对Tr的影响 蒸腾作用是植物不可缺少的生理过程，蒸腾作用与植物Pn高度相关。从不同汉麻品种来看，格列西亚的Tr明显高于金刀15。从不同生育期来看，苗期至工艺成熟期，两品种在CK、LS、MS的Tr随着生育进程的推移呈先增加后降低的变化趋势，CK在现蕾期达到最大值，LS、MS在快速生长期达到最大值。从苏打盐碱土胁迫浓度来看，两品种在LS的Tr在苗期和快速生长期比CK高0.61%～13.84%，现蕾期至工艺成熟期比CK降低14.54%～51.62%；MS的Tr在苗期和工艺成熟期比CK降低20.52%～57.65%；SS的Tr在苗期比CK分别降低80.83%和86.47%，差异显著。可见，在苗期SS的Tr下降幅度最大，MS次之（图2）。

2.1.3 不同苏打盐碱胁迫对Gs的影响 气孔导度的强弱代表了植物气孔传导水汽和CO2的能力。从不同汉麻品种来看，格列西亚的Gs明显高于金刀15。从不同生育期来看，苗期至工艺成熟期，两品种在CK、LS、MS的Gs随着生育进程的推移呈先增加后降低的变化趋势，CK在现蕾期达到最大值，LS、MS在快速生长期达到最大值。从苏打盐碱土胁迫浓度看，两品种在LS、MS的Gs在苗期至工艺成熟期比CK分别降低4.64%～60.54%、35.76%～ 71.64%；SS的Gs在苗期比CK分别降低86.36%和89.00%，差异显著。可见，在苗期SS的Gs下降幅度最大，MS次之，说明在苗期MS和SS对汉麻植株叶片Gs影响最大（图3）。

2.1.4 不同苏打盐碱胁迫对Ci的影响 如图4所示，格列西亚的Ci明显高于金刀15。苗期至工艺成熟期，两品种在CK、LS、MS的Ci随着生育进程的推移呈先增加后降低的变化趋势，CK在现蕾期达到最大值，LS、MS在快速生长期达到最大值。在不同苏打盐碱土胁迫下，两品种在LS、MS下的Ci在苗期至工艺成熟期比CK分别降低1.36%～4.98%、2.92%～12.69%；SS的Ci在 苗 期 比CK分 别 降 低15.87%、19.13%，差异显著。可见，在苗期SS的Ci下降幅度最大，MS次之，说明在苗期MS和SS对汉麻植株叶片Ci影响最大（图4）。

2.2 叶绿素荧光参数

2.2.1 不同苏打盐碱胁迫对Fo的影响Fo是指光系统Ⅱ（PSⅡ）处于完全开放时的荧光产量。从不同汉麻品种来看，格列西亚的Fo低于金刀15。从不同生育期来看，苗期至工艺成熟期，两品种在CK、LS、MS的Fo随着生育进程的推移呈先降低后增加的变化趋势，均在工艺成熟期达到最大值。从苏打盐碱土胁迫浓度来看，随着胁迫浓度的提高呈增加的趋势，苗期至工艺成熟期，两品种在LS的Fo比CK高2.52%～11.33%，MS的Fo比CK高3.82%～13.77%，苗期SS的Fo比CK分别高15.29%和14.86，苗期Fo的上升幅度SS最大，差异显著，MS次之（图5）。

2.2.2 不同苏打盐碱胁迫对Fm的影响Fm是指PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量，可反映通过PSⅡ的电传递情况。从不同汉麻品种来看，格列西亚的Fm高于金刀15。从不同生育期看，苗期至工艺成熟期，两品种在CK、LS、MS的Fm随着生育进程的推移呈先增加后降低的变化趋势，CK在现蕾期达到最大值，LS和MS在快速生长期达到最大值。从苏打盐碱土胁迫浓度来看，两品种在苗期至快速生长期LS略有提高，之后随着胁迫浓度的提高呈降低的趋势，现蕾期至工艺成熟 期LS的Fm比CK低1.38%～11.64%，MS的Fm比CK低5.87%～16.17%，苗期SS的Fm比CK分别低10.07%和13.92%，苗期Fm的下降幅度SS最大，差 异显著，MS次之（图6）。

2.2.3 不同苏打盐碱胁迫对Fv/Fm的影响Fv/Fm是指PSⅡ最大光化学量子产量，反映PSⅡ最大光能转换效率。从不同汉麻品种来看，格列西亚的Fv/Fm略高于金刀15。从不同生育期来看，苗期至工艺成熟期，两品种在CK、LS、MS的Fv/Fm随着生育进程的推移呈先增加后降低的变化趋势，CK在现蕾期达到最大值，LS和MS在快速生长期达到最大值。从苏打盐碱土胁迫浓度来看，随着胁迫浓度的提高呈降低的趋势，两品种在苗期至工艺成熟期LS的Fv/Fm比CK低0.62%～6.37%，MS的Fv/Fm比CK低0.68%～ 8.44%，苗期SS的Fv/Fm比CK分别低8.62%和10.55%，苗期Fv/Fm的下降幅度SS最大，MS次之，差异不显著（图7）。

2.3 不同苏打盐碱胁迫对SPAD的影响

叶绿素是植物光合作用的物质基础，其含量的高低直接关系到植物的光合作用，影响植物的生长发育。苗期至工艺成熟期，不同苏打盐碱土胁迫处理对SPAD的影响程度不同（图8），苗期和快速生长期，LS的SPAD略高于CK，差异不显著，MS和SS的SPAD低于CK，差异显著；现蕾期至工艺成熟期，LS和MS的SPAD均低于CK，格列西亚比CK低12.11%～20.93%，金刀15比CK低7.23%～ 19.52，差异显著（图8）。由以上分析可知，生长发育前期，格列西亚和金刀15的SPAD在LS中增加，在MS和SS中降低，可能与其修复损伤的能力有关，也可能与其吸收苏打盐碱土所需元素的有效机制有关。

3 讨论

3.1 光合参数

光合作用是作物生长发育过程中一个非常重要的生理活动，是作物体内重要的代谢过程，其强弱对植物的生长、产量及其抗逆性具有重要影响［26］。盐胁迫或盐碱混合胁迫对Pn、Tr、Gs、Ci具有抑制作用［27］，且随着盐碱程度的增大呈显著下降的趋势［28］，并且苗前期抑制程度大于苗后期［29］。本试验条件下，MS和SS的Pn、Tr、Gs、Ci在不同生育时期随着盐碱胁迫浓度的增加呈逐渐降低的趋势，与CK相比降低了1.38%～89.00%，而LS在生育前期对Pn和Tr有轻微的促进作用，生育后期则比CK降低了14.54%～51.62%，并且碱胁迫处理促进各光合参数峰值提前。李辛等［30］研究认为，盐碱胁迫下植物Pn的降低不仅与光合能力的损伤和Gs的下降有关，而且也与植物细胞内矿物质元素的不平衡密切相关，Pn降低的原因有气孔部分关闭导致的气孔限制和叶肉细胞光合活性的下降导致的非气孔限制，Gs、Ci同时下降时，说明Pn的下降是由气孔限制造成的［31］，本试验条件下，叶片Gs与Ci同时减小，说明叶片Pn的下降是由气孔阻力的增大即气孔导度的降低引起的。

3.2 SPAD及荧光参数

叶绿素含量与植物叶片光合能力密切相关，是衡量植物抗逆性的重要生理指标之一［32］。研究已证实盐或盐碱胁迫显著降低了叶片的SPAD值［33］。而本试验研究表明，LS在生育前期对SPAD有轻微的促进作用，之后有显著的抑制作用，MS和SS在各生育时期对SPAD均有抑制作用，随着苏打盐碱浓度的增加而降低，本试验结果与郭金博等［1，34］的研究结果相似。叶绿素荧光是光合作用的探针，任何环境因子对光合作用的影响都可以通过叶绿素荧光参数的变化反映出来，而Fv/Fm的降低是植物发生光抑制最明显的特征［35］。盐碱胁迫条件下的Fv/Fm和ΦPSⅡ显著降低［36］，本研究表明，各生育时期Fm和Fv/Fm随着苏打盐碱胁迫浓度的增加呈逐渐降低的趋势，而Fo呈逐渐升高的趋势，说明盐、碱胁迫均造成了叶绿体PSⅡ反应中心的损伤和光合活性的下降。

从光合气体交换参数和叶绿素荧光参数的测定结果来看，汉麻在轻度及中度盐碱胁迫下其光合器官的光合作用过程产生了一定的适应性，然而通过对生物产量的测定发现，不同苏打盐碱胁迫程度下仍然存在显著差异，这说明尽管光合器官的光合作用过程对盐碱胁迫产生了适应性，其叶片单位面积维持了较高的光合性能，但不同程度的苏打盐碱胁迫之所以会影响汉麻的生长，主要是由于盐碱胁迫后根的生物量、叶面积指数等均变少，致使植株根吸收养分能力变差、总光合面积减小，最终造成总的生物产量的降低。

4 结论

苏打盐碱胁迫对汉麻光合特性的影响大小因汉麻品种和生育时期而异，生育前期苏打盐碱的胁迫浓度越大对其影响越大，格列西亚耐苏打盐碱化能力强于金刀15。SS胁迫下，苗期后汉麻逐渐停止生长发育，直至死亡。MS、SS在苗期至工艺成熟期的Pn、Tr、SPAD及Fm比CK降低了0.68%～ 86.47%，而LS在生育前期有轻微的促进作用，之后抑制作用显著。LS、MS、SS在苗期至工艺成熟期对Gs、Ci及Fv/Fm比CK降 低 了0.62%～89.00%，而Fo比CK升高了2.52%～15.29%。整体来看，在不同生育时期苏打盐碱化土壤对汉麻的光合特性均有抑制作用，苗期的抑制程度高于其他生育时期，格列西亚耐苏打盐碱化土壤的能力大于金刀15的。在黑龙江省西部地区，轻、中苏打盐碱田种植汉麻，除选择合适的耐盐碱品种外，还应考虑种植效益和生态效益。