水淹和密度配置對牛鞭草與狗牙根扦插苗光合作用的影響

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(三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點實驗室,西南大學生命科學學院, 重慶 400715)

三峽水庫“冬蓄夏排”的反季節(jié)水位調度管理方式打亂了庫岸植物的生理節(jié)律，影響了植物的生長及光合作用。光合作用是植物體最重要的代謝活動，光照是植物生長發(fā)育必需的環(huán)境因子。在三峽庫區(qū)蓄水期間，一些植物的水淹深度可達30 m左右，光照強度會隨著水淹深度加深而逐漸減弱，植物在水下獲得的光輻射也隨之減少，植物在淹水脅迫的同時受到嚴重的蔭蔽脅迫[1]，光合作用受到限制，光合生產效率降低，導致植株體內的營養(yǎng)儲備大量減少，進而威脅到植物的生存。采用人工構建植被是消落帶植被恢復的重要措施之一，但在人工植被構建中，明確植物耐受機理十分重要。

狗牙根(Cynodondactylon)與牛鞭草(Hemarthriaaltissima)在三峽庫區(qū)自然分布，對水庫水位周期性漲落已有一定的適應能力，并對水淹有較強的耐受性[2-4]。已有學者對狗牙根與牛鞭草光合特性對水淹的適應機理[5-6]進行了探究，但都是局限在單一物種或者單一密度配置，而草本植被在恢復中如果在草種單一的情況下[7]，一方面不能達到空間的高效利用，另一方面也易受到病蟲害的攻擊[8]。另外如果用單一草種進行草本植被的恢復，隨著土壤中某些營養(yǎng)元素的大量消耗，土壤肥力減弱，草地產草量維持年限較短，會大大降低草地的穩(wěn)定性[9]。不同物種富集資源的能力不同，對一些有益生物(寄生植物、菌類、微生物)的引入類別也各異，因此物種共存可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，有利于提高物種多樣性[10]，也有利于抵御病蟲害[11]，促進群落穩(wěn)定[12]。因此，在草地建設或者人工恢復草本植被的過程中，采取良好的物種組合及最佳的密度配置是決定人工草地成功與否以及可利用時間長短的關鍵[13]。

基于此，本試驗將狗牙根和牛鞭草共同配置在一個人工植被體系內，研究盆栽條件下，水淹和密度配置如何影響狗牙根與牛鞭草當年生扦插苗的光合作用以及光合產物分配，初步探索兩適生草種的不同配置效應，為構建三峽庫區(qū)消落帶草本植被體系提供直接參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選擇狗牙根、牛鞭草當年生扦插苗作為研究對象，采用盆栽控制試驗，盆缽規(guī)格為：高25 cm，內徑30 cm。盆栽所用土壤基本理化性質為pH值8.13，有機質34.70 g·kg-1，全氮0.72 g·kg-1，全磷0.77 g·kg-1，全鉀12.14 g·kg-1，有效磷2.45 mg·kg-1，速效鉀137.61 mg·kg-1。2016年4月29日開始進行狗牙根、牛鞭草的扦插栽培，種植時先將狗牙根截成10 cm左右?guī)в?個芽孢的小段，牛鞭草截成10 cm左右含有3個節(jié)的小段，按實驗設計比例進行種植，之后將所有盆栽試驗用苗置于西南大學生態(tài)試驗園的遮雨棚下(棚頂透明，四面敞開)進行相同條件的適應生長，并給予除草等常規(guī)管理，于2016年6月20日開始進行試驗處理。

1.2 試驗設計

本研究設置3個水分處理，分別為對照組(CK)——正常供水，土壤含水量為田間持水量的60%～63%、淺淹組(SF)——水淹超過土壤表面10 cm和全淹組(TF)——水淹超過土壤表面2 m。密度配置采用取代系列試驗法[14]，每盆種植12株植物(相當于種植密度為195 株·m-2)，設置7種配置比例，每盆牛鞭草與狗牙根株數(shù)分別按2株進行遞增與遞減，具體的配比分別為：H0C12，H2C10，H4C8，H6C6，H8C4，H10C2，H12C0，采用完全隨機區(qū)組實驗設計，盆內種植示意圖如圖1。

圖1 牛鞭草與狗牙根栽植示意圖Fig.1 The planting diagram of H. altissima and C. dactylon

從試驗處理第1天開始，每天對試驗材料進行觀察，并確保各處理組保持設定的土壤含水量。處理60 d后對各項指標進行測定，每個處理3次重復[15]。

1.3 測定指標及方法

1.3.1光合指標的測定 于晴天9:00-12:00，采用Li-6400便攜式光合系統(tǒng)對牛鞭草和狗牙根健康成熟的功能葉片中部(從植株頂端往下數(shù)第3～4片葉)進行光合指標的測定[16]，其中，將全淹組移除水池后用吸水紙將所選葉片附著的水迅速輕輕擦干，立即進行光合參數(shù)的測定。光源：紅藍光，葉室：2 cm×3 cm，在預備試驗的基礎上確定光合有效輻射(PAR)：1200 mol·m-2·s-1；葉室溫度：25 ℃；CO2濃度：大氣CO2濃度。測定指標包括凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導度(stomatal conductance，Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)與蒸騰速率(transpiration rate，Tr)，同時，標定放入葉室的牛鞭草和狗牙根葉片區(qū)域，測定結束后立即放入冰盒帶回實驗室，使用根系分析儀掃描測定其測定部位的葉面積，并通過換算得出各處理的光合參數(shù)。

1.3.2葉綠素的測定 選取用于測定光合指標的植物葉片，采用浸提法測定其葉綠素含量[17]。采用島津5220分光光度計分別對葉綠素a(chlorophyll a, chla)、葉綠素b(chlorophyll b, chlb)的吸光值A663、A645進行測定，并計算其含量。總葉綠素含量(total chlorophyll, chls)=葉綠素a(chla)+葉綠素b(chlb)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

利用SPSS 8.0軟件雙因素方差分析(two-way ANOVA)進行數(shù)據(jù)分析，并運用Duncan檢驗法檢驗不同處理的各個指標差異顯著性。利用軟件Origin 8.5繪圖，Microsoft Word制表。

2 結果與分析

2.1 水淹脅迫和密度配置對牛鞭草與狗牙根光合作用影響的方差分析結果

水淹極顯著地影響牛鞭草總葉綠素(chls)、葉綠素a(chla)、葉綠素b(chlb)含量(P<0.01)，對狗牙根的總葉綠素(chls)、葉綠素a(chla)、葉綠素b(chlb)含量卻沒有顯著影響(表1)。水淹對牛鞭草和狗牙根的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr)均有極顯著影響(P<0.01)，對二者的氣孔導度(Gs)沒有顯著影響(表1)。

密度配置對牛鞭草和狗牙根的總葉綠素(chls)、葉綠素a(chla)、葉綠素b(chlb)含量沒有顯著影響，分別對牛鞭草和狗牙根的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr)有極顯著影響(P<0.01)(表1)。

表 1 水淹和密度配置對牛鞭草與狗牙根光合作用影響方差分析結果 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”指鮮重條件下的測量值。下同。“Fw” refers to fresh weight. The same below.

水分與密度的交互作用分別對牛鞭草和狗牙根的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr)有極顯著影響(P<0.01)(表1)。

2.2 水淹脅迫和密度配置對牛鞭草與狗牙根葉片光合色素的影響

淺淹處理下牛鞭草和狗牙根的總葉綠素(chls)、葉綠素a(chla)、葉綠素b(chlb)的平均含量與對照組相比變化不明顯(圖2和圖3)，牛鞭草深淹處理下的總葉綠素(chls)、葉綠素a(chla)、葉綠素b(chlb)的平均含量與對照組相比呈下降趨勢(圖2)。

圖2 水淹及密度配置下牛鞭草葉片光合色素含量變化Fig.2 Photosynthetic pigment contents of H. altissima under water stress and density configurations 平均值±標準誤，n=3。Mean±SE, n=3. CK：對照 Control；SF：淺淹 Shallow flooding；TF：深淹 Total flooding. 不同大寫字母分別表示同一密度比例下不同水分處理之間有顯著差異(P<0.05)。下同。Different capital letters stand for significant differences between different water treatments within each density configuration. The same below.

圖3 水淹及密度配置下狗牙根葉片光合色素含量變化Fig.3 Photosynthetic pigment contents of C. dactylon under water stress and density configurations 狗牙根TF組因葉凋落未測得光合色素數(shù)據(jù)。Due to the leaves withered, the photosynthetic pigments in TF were not measured.

指標 Index處理TreatmentCKSFTF凈光合速率 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氣孔導度 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胞間CO2濃度 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蒸騰速率 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±標準誤，n=3。Mean±SE,n=3. 不同小寫字母分別表示同一水分處理組內不同密度配置之間有顯著差異(P<0.05)，不同大寫字母分別表示同一密度比例下不同水分處理之間有顯著差異(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.

正常供水與淺淹處理下，牛鞭草和狗牙根在各密度處理下的總葉綠素(chls)、葉綠素a(chla)、葉綠素b(chlb)的含量沒有規(guī)律的變化趨勢(圖2和圖3)，但值得注意的是牛鞭草在深淹處理下的總葉綠素(chls)、葉綠素a(chla)、葉綠素b(chlb)的含量變化趨勢相似，都是隨著牛鞭草在混植體系中所占比例的增大呈下降趨勢(圖2)。

2.3 水淹脅迫和密度配置對牛鞭草與狗牙根葉片光合參數(shù)的影響

牛鞭草的凈光合速率(Pn)在密度H2C10、H4C8、H6C6下隨著水淹深度的加深逐漸降低，且降低幅度顯著(P<0.05)；在密度H8C4、H10C2、H12C0下，牛鞭草的凈光合速率(Pn)隨著水淹深度的加深呈先增加后減小趨勢；各密度配置下，深淹處理使牛鞭草的氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr)增大(表2)。淺淹處理組，狗牙根在密度H0C12下的凈光合速率(Pn)與對照相比顯著降低，其他密度處理下的凈光合速率(Pn)增加；與對照相比，狗牙根在密度H0C12、H2C10、H4C8下的氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)降低，在密度H6C6、H8C4、H10C2下的氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)增加；淺淹條件下狗牙根在密度H0C12下的胞間CO2濃度(Ci)顯著高于對照組(P<0.05)，其他密度配置下的胞間CO2濃度(Ci)顯著低于對照組(P<0.05)(表3)。

表 3 狗牙根葉片光合參數(shù)對水淹及密度配置的響應Table 3 Photosynthetic responses of C. dactylon affected by water stress and density configurations

狗牙根TF組因葉凋落未測得光合數(shù)據(jù)。Due to the leaves withered, the photosynthesis in TF was not measured.

3 討論

植物在水淹條件下保持較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]。牛鞭草和狗牙根對不同程度水淹的光合響應不同，但對不同水淹都有一定的適應能力，水淹條件下仍能存活。本試驗結果表明牛鞭草和狗牙根的光合速率受淺淹影響較小，淺淹條件下，牛鞭草在H2C10，H4C8, H6C6比例下的光合速率與對照相比顯著下降(表2)，但仍具有較高的光合能力，這可能是因為淺淹導致植株部分葉組織無法進行光合作用而使植株的整體光合受到影響，但植株未被水淹的葉組織的光合作用會增強[19]；深淹處理下牛鞭草的凈光合速率與對照相比顯著降低。有研究表明，非氣孔限制引起的凈光合速率降低是因為葉肉細胞利用CO2的能力降低，進而使胞間CO2濃度升高所致[20]。本實驗中，牛鞭草在深淹下的胞間CO2濃度顯著高于對照組，這可能就是導致牛鞭草在深淹下凈光合速率降低的原因。狗牙根出現(xiàn)了在淺淹下的平均光合速率大于對照組平均光合速率的情況，其原因可能是由于植物的光合能力受到了光合產物需求的負反饋調節(jié)[21]，這可能與狗牙根葉片在淺淹期間具有較高的葉綠素有關。

光合色素具有吸收、傳遞和轉化光能的能力，是葉片光合作用的物質基礎[22-23]。本試驗中，各密度處理下，狗牙根淺淹下的葉綠素含量與對照相比沒有顯著變化，這極有可能是因為淺淹處理下狗牙根通過維持較高的光合色素含量來保證葉片對光能的充分吸收利用，促進光合作用的提高，進一步為其莖伸長提供足夠的能量供應[24]。葉綠素含量的變化反映植物葉片光合作用的強弱[25], 淺淹環(huán)境中，牛鞭草和狗牙根能夠保持較高的葉綠素含量，這保證了葉片對光能的充分利用，對維持凈光合速率有一定的幫助[26]。

研究表明，全淹環(huán)境將加快葉片光合色素的降解，使光合色素含量降低，從而影響葉片的光合作用[27]。牛鞭草深淹處理下的葉綠素平均含量與對照組相比呈下降趨勢，但還是保持了持續(xù)的水下光合作用，有研究表明沼生酸模(Rumexpalustris)在全淹條件下葉片會變薄，同時葉綠體分布在葉片的表面，這降低了氣體進入植物葉片的阻力(擴散阻力降低了40倍左右)，從而保證了植株的水下光合能力[28]，牛鞭草在全淹處理下其葉片也會變薄，并且仍保持水下光合作用，其原因也可能與沼生酸模在水下保持光合能力的原因相似。與對照組相比，淺淹處理下狗牙根的氣孔導度和蒸騰速率的變化趨勢具有同步性，氣孔導度是反映植物氣孔開度的一個重要參數(shù)，蒸騰速率既受外界因子的影響，也受植物內部結構和生理狀況的調節(jié)，而氣孔調節(jié)則是決定蒸騰速率大小的內在因素[29]。狗牙根氣孔導度下降，導致其蒸騰速率下降。

種植密度通過影響植株營養(yǎng)狀況、冠層的光截獲能力和光分布特征來影響植株個體活力、葉片光合速率、群體光合碳同化能力以及群體干物質生產能力[30-31]。研究單作和間作對玉米(Zeamays)和大豆(Glycinemax)群體輻射利用率及產量的影響結果表明，間作種植能夠通過高光合有效輻射來增加作物產量[32]。本試驗中，在正常供水組，牛鞭草在混植下的平均凈光合速率高于其在單植下的凈光合速率,這與前人的研究結果一致[32]。張旺鋒等[33]對棉花(Gossypiumherbaceum)的研究發(fā)現(xiàn)，在低密度下，棉花始終未形成正常的群體冠層，群體光合速率較低。本試驗中，正常供水組，狗牙根在混植下凈光合速率低于其單植時的凈光合速率，其原因也可能是因為混植使狗牙根群體冠層對太陽光的截獲較少，從而導致了其凈光合速率較低。水淹條件下，牛鞭草所占比例大的密度配置中牛鞭草的凈光合速率較高，這是由于牛鞭草直立生長，冠層內部光輻射分布比較合理，葉片可得到較好的光照，增加光合作用。狗牙根在淺淹環(huán)境中，在密度H6C6下的凈光合速率最高，該密度下的氣孔導度也最高，可能原因是氣孔導度的增加使得氣孔阻力降低，從而使葉片吸收CO2能力增強，凈光合速率增加。

4 結論

狗牙根、牛鞭草在淺淹條件下仍能保持水下光合作用，對淺淹有較強的耐淹特性。深淹處理使狗牙根葉片掉落無法進行光合作用，而牛鞭草在深淹下仍能夠進行水下光合作用。正常供水條件下，混植體系中牛鞭草所占比例較大的密度配置對狗牙根光合作用具有一定的不利影響。在三峽庫區(qū)較高海拔區(qū)域，即無水淹的地區(qū)，建議采用牛鞭草所占比例低、狗牙根所占比例高的密度配置進行混植。在水淹處理下，混植體系中牛鞭草所占比例大的密度配置有利于其光合作用，在消落帶較低海拔的水淹地區(qū)，綜合考慮混植體系的整體光合效率，建議采用牛鞭草所占比例較高的密度配置進行混植。