紫斑牡丹光合特性對土壤干旱和風沙流交互脅迫的響應

摘 要：為研究土壤干旱和風沙流交互脅迫對紫斑牡丹（Paeonia rockii）光合生理特性的影響，選取對照（CK）和重度脅迫（SD）2個水分處理的盆栽紫斑牡丹進行風沙流脅迫模擬試驗。結果表明，12 m/s脅迫處理下紫斑牡丹葉片SD的Pn、Gs、Ci較CK低，SD的Tr較CK高，CK的WUE較SD高;CK的Chla、Chlb、Chla+b、Car、Yield、qP及ETR較SD高，SD的NPQ較CK低;同一脅迫處理SD下，紫斑牡丹不套袋處理的Ci、Fv/Fm、Fv/Fo及NP較套袋低。這說明紫斑牡丹對脅迫響應明顯，為河西走廊等干旱風沙環境的防風固沙植物、城市園林綠化植物的選擇提供理論依據以及干旱荒漠區的經濟發展提供更多可能。

關鍵詞：紫斑牡丹;干旱脅迫;風沙流脅迫;光合參數

世界上有1/3以上的地區處于干旱半干旱地區，其他地區也常常出現周期性或難于預料的干旱現象[1]。我國西北大面積的土地處于干旱半干旱地區，尤其是河西走廊一帶[2]。除了干旱威脅，干旱半干旱地區還有一種威脅是風沙流[3]，沙塵暴已成為河西走廊地區的常客[4]。據不完全統計，高頻區河西走廊沙塵暴年平均日數在20 d以上，局部接近或超過30 d，如甘肅省民勤縣沙塵暴年平均日數在30 d以上[5]。與此同時，干旱脅迫和風沙流脅迫二重逆境對植物的影響更為嚴重。目前，在河西走廊地區干旱風沙流不僅僅是農業生產中急需解決的問題[6]，更是林業發展中急需解決的問題，園林植物的選擇和經濟發展一直是干旱半干旱地區面臨的難題。因此，研究紫斑牡丹對土壤干旱和風沙流交互脅迫的響應具有重要的指導意義，也能在河西走廊地區的城市有很多可供選擇的園林綠化植物以及干旱荒漠區的經濟發展提供更多可能[7]。從植物抗逆性理論研究來看，有利于尋找更能反映植物抗逆性本質的指標，從而加深大家對于植物抗逆機制的了解，為植物抗逆性遺傳改良鋪平道路[8-9]。

在此背景下，筆者以五年生紫斑牡丹（Paeonia rockii）盆栽為供試材料，模擬土壤干旱和風沙流交互脅迫對紫斑牡丹的光合生理氣體交換參數、光合色素及葉綠素熒光等參數的變化規律，以此來揭示紫斑牡丹對土壤干旱和風沙流交互脅迫的適應機制，其研究結果對于紫斑牡丹在干旱風沙地區合理栽培有一定的實踐指導意義，為河西走廊地區提供更多可供選擇的園林綠化樹種，為促進河西干旱荒漠區油用牡丹產業的發展提供理論依據。

一、材料與方法

（一）研究區概況

試驗在甘肅武威治沙研究所綠洲站風沙環境風洞實驗室（101°59′35″～103°23′40″E，37°23′15″～38°12′54″N）進行。試驗區域屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.8 ℃，年平均最大降雨量263 mm（1994年），最小降雨量89 mm（1939年），蒸發量1 400～3 010 mm，日照時間2 200～3 030 h，無霜期85～165 d，太陽輻射量127～138 μmol/（m2·s）。

（二）供試材料與試驗設計

2017年11月中旬，挑選長勢相似的健康的五年生實生苗，帶土移栽至規格為36 cm×54 cm的塑料盆中，進行正常田間管理，以保證其正常生長。翌年7月進行紫斑牡丹的控水處理。試驗在塑料薄膜搭建的通風遮雨棚進行，除無降雨影響外，其他環境因子和自然條件相似，栽培土為沙填土，容質量為1.18 g/cm3。

2018年7月上旬，把移栽的6盆紫斑牡丹移至通風良好的遮雨棚中，對所有供試植株進行透水處理后，在花盆底部鋪設厚塑料薄膜，防止試驗中土壤表面水分蒸發，同時阻止外界水分進入盆栽土壤。以不同澆水量控制土壤水分，于透水后第3天進行控水試驗，澆水量分別為1 000 mL（CK）和250 mL（SD），每個處理重復3盆，每2 d澆一次，其土壤容積含水量分別為23%～27%和8%～13%。如遇溫度過高、土壤干旱較快，及時給2個處理補充相同水分，處理30 d后進行風沙流脅迫。試驗期間棚內日夜均溫32.8/15.6 ℃，相對濕度47%～78%，中午光合有效輻射約為675.66 μmol/（m2· s）;棚外日夜均溫33.12/14.8 ℃，相對濕度32%～58%，中午光合有效輻射約為1034.00 μmol/（m2·s）。

2018年8月中旬，選取正常澆水和干旱脅迫后的盆栽紫斑牡丹進行風沙流脅迫模擬試驗。風沙環境風洞實驗室建在武威荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室，風洞內氣流為直流下吹式，風速范圍在4～35 m/s，連續可調。在風洞試驗段中部鋪設沙源，厚約10 cm，長約3 m。設置12 m/s風速，持續吹襲10 min，3次重復。風沙流脅迫之前，每株選一部分紫斑牡丹枝條葉片進行套袋處理，同一批次在風洞口放置2盆紫斑牡丹，分別為正常管理澆水的對照（CK）以及土壤干旱脅迫（SD）。

（三）測定項目與方法

1.光合氣體交換參數

風沙流脅迫后，立即用Li-6400便攜式光合儀，測定不同風沙流條件下紫斑牡丹頂端第4～6葉的光合強度，設置儀器光源為800 μmol/（m·s），流速為400 μmol/s，并控制葉片溫度為20 ℃。測定指標為凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）等參數，并計算水分利用效率（WUE），計算公式為WUE=Pn/Tr。

2.光合色素含量

葉綠素含量測定與計算參照Arnon[10]的方法，類胡蘿卜素含量的測定與計算參照朱廣廉[11]的測定方法，光合色素以單位葉片面積的含量表示。將風沙流吹襲后混合均勻的葉樣洗凈，取直徑8 mm葉圓片15枚，裝入20 mL的溶液中，每個干旱程度重復3次。提取液配比為丙酮∶乙醇∶水=4.5∶4.5∶1.0，然后蓋緊瓶蓋，置低溫處避光浸提約10 d至葉片無色。然后在UV-1800分光光度計下測定波長400～669 nm時的吸光值A400-A669，并按以下公式計算葉綠素a（Chla）、葉綠素b（Chlb）、葉綠素a/b（Chla/b）、葉綠素總含量a+b（Chla+b）和類胡蘿卜素（Car）：

葉綠素a濃度Ca=12.21A663-2.59A645

葉綠素b濃度Cb=22.9A645-4.67A663

葉綠素總濃度Ca+b=20.3A645+8.04A663

類胡蘿卜素濃度Car=（1000A470-3.27Ca-104Cb）/229

3.葉綠素熒光參數測定

風沙流脅迫后，對不同風沙流脅迫程度的紫斑牡丹頂端第4～6葉的葉綠素熒光參數進行測定，采用PAM-2500（Walz，Germany）便攜式調制葉綠素熒光儀，風沙脅迫之前用暗適應葉夾DLC-8對葉片同一位置暗適應20 min，測定參數有原始光能轉化效率（Fv /Fm）、光系統Ⅱ的潛在活性（Fv /Fo）、光化學猝滅系數（qP）、非炮化學猝滅系數（NPQ）、光合量子產額（Yield）和表觀光合電子傳遞速率（ETR）。

（四）數據分析

采用SPSS 20.0和Excel 2010對3次重復試驗數據進行統計分析，利用最小顯著差數法（LSD）在a=0.05水平上做多重比較。

二、結果與分析

（一）土壤干旱和風沙流交互脅迫對光合氣體交換參數的影響

如今，風沙脅迫已影響河西走廊等沙漠邊緣干旱地區的植物，風沙流后植物葉片的氣孔關閉，導致氣孔導度減小，氣孔限制增大，影響植物進行正常的光合作用。圖1表明，土壤干旱和風沙流交互脅迫處理，紫斑牡丹葉片的Pn、Tr、Gs、Ci均呈現較大差異，同一處理不同套袋處理表現較大差異（P<0.05）。其中，圖A顯示，風速12 m/s的CK套袋的Pn明顯高于其他處理[1.132 6 μmol/（m2·s）]，不套袋CK吹襲較SD高19.08%（P<0.05），CK套袋較不套袋高于4.13%，SD套袋較不套袋高3.74%。圖B表明，風速12 m/s吹襲SD的Tr明顯高于CK，不套袋CK吹襲較SD高61.91%（P<0.05），SD不套袋葉片的Tr與套袋差異表現不明顯，但數據表現較多變異性，CK套袋較不套袋高于47.81%，SD套袋較不套袋高于0.88%。圖C顯示，風速12 m/s吹襲CK的Gs明顯高于其他處理[0.041 6、0.043 9 μmol/（m2·s）]，CK的Gs顯著高于SD（P<0.05），SD套袋較不套袋表現差異不明顯，CK套袋較不套袋高于5.27%。圖D顯示，風沙流脅迫各處理間表現差異顯著（P<0.05），12 m/s風沙流脅迫套袋葉片的Ci顯著高于不套袋葉片，CK套袋高于不套袋3.76%，SD套袋顯著高于不套袋6.95%。紫斑牡丹風沙流吹襲過程中，風速小時風吹可能對牡丹脅迫程度不大，套袋處理可能會影響牡丹正常的光合作用，進行整體的物質運輸;風速大時，套袋處理可避免風沙對牡丹葉片直接的吹打，避免葉片遭受直接的物理傷害，從而可能與風沙流脅迫一起影響植物的光合作用。

（二）土壤干旱和風沙流交互脅迫對紫斑牡丹葉片水分利用效率的影響

圖2表明，紫斑牡丹葉片不同土壤水分處理的WUE呈現顯著差異（P<0.05），而同一處理下不同套袋處理表現為較多差異性（P<0.05）。12 m/s吹襲CK套袋的WUE明顯高于其他處理（20.104 2 μmol/mol），CK吹襲顯著高于SD;CK套袋葉片的WUE明顯高于不套袋葉片72.95%（P<0.05），CK套袋顯著高于SD套袋71.20%;風速12 m/sSD的不套袋葉片的WUE表現較不套袋葉片差異不明顯，數據表現較多變異性，SD不套袋較套袋高于0.84%。

（三）土壤干旱和風沙流交互脅迫對光合色素的影響

圖3表明，土壤干旱和風沙流交互脅迫后的牡丹葉片Chla、Chlb、Chla+b、Chla/b及Car均表現不同差異性（P<0.05），而同一處理下不同套袋處理表現有較多差異性（P<0.05）。其中，圖A顯示，風速12 m/s處理CK的Chla明顯高于SD（8.411 3、9.076 7 mg/dm2），同一不套袋處理SD較CK低6.61%，同一套袋處理SD較CK低13.61%，CK處理套袋較不套袋高7.33%，SD套袋處理無明顯差異，但數據表現較多變異性。圖B表明，風速12 m/s處理CK的Chlb顯著高于SD（3.330 3、3.509 9 mg/dm2）（P<0.05），同一不套袋處理SD較CK低7.48%，同一套袋處理SD較CK低13.73%，CK套袋較不套袋高于5.12%，SD套袋處理無明顯差異，但數據表現較多變異性。圖C顯示，風速12 m/s處理CK的Chla+b顯著高于SD（11.746 0、12.591 4 mg/dm2）（P<0.05），同一不套袋處理SD較CK低6.85%，同一套袋處理SD較CK低13.64%，風速12 m/s下CK套袋較不套袋高于6.71%，SD套袋處理無明顯差異，但數據表現較多變異性。圖D表明，風速12 m/s處理CK吹襲顯著高于SD，CK和SD處理套袋與不套袋之間差異不顯著（P<0.05），但數據表現較多變異性。如圖E所示，風速12 m/s處理CK的Car顯著高于SD（1.623 6、1.899 3 mg/dm2）（P<0.05），同一不套袋處理SD較CK高8.16%，同一套袋處理SD較CK低9.07%，CK套袋較不套袋高于14.52%，其他3組套袋處理無明顯差異，但數據表現較多變異性。

（四）土壤干旱風沙流交互脅迫對葉綠素熒光的影響

圖4表明，隨著不同風速對干旱脅迫后的牡丹進行吹襲，紫斑牡丹葉片Fv/Fm、Fv/Fo、qP、NPQ、Yield及ETR均呈現不同差異性（P<0.05），而同一脅迫下不同套袋處理表現有較多差異性（P<0.05）。其中，圖A顯示，同一不套袋處理CK較SD表現為差異顯著，套袋處理CK較SD表現為差異不顯著，但數據表現較多變異性;其中CK與SD脅迫不同套袋處理的Fv/Fm差異顯著（P<0.05），風速12 m/s處理SD不套袋葉片的Fv/Fm高于套袋4.54%。由圖B表明，風沙流脅迫SD的Fv/Fo均顯著高于CK（P<0.05），CK風沙流吹襲高SD 4.22%，SD處理中套袋較不套袋高11.33%。圖C表明，不同脅迫處理ETR表現為差異顯著（P<0.05），風速12 m/s下CK的ETR顯著高于SD（28.43、27.52），CK不套袋的ETR高SD 23.09%;風速12 m/s下CK不套袋的ETR高于套袋3.21%，SD套袋處理間差異不顯著（P<0.05），但數據有較多變異性。圖D所示，脅迫CK與SD處理間Yield表現為差異顯著（P<0.05），CK的Yield均顯著高于SD處理（0.48、0.46）;同一不套袋處理SD較CK高23.08%，同一套袋處理SD較CK低19.33%，CK不套袋吹襲高于干旱23.08%。如圖E所示，SD處理的NPQ均顯著高于CK（P<0.05），不套袋SD的NPQ高于CK 62.72%，套袋SD較CK的NPQ高73.03%，SD脅迫處理套袋較不套袋高23.795，CK脅迫不同套袋處理差異不明顯，但數據表現較多變異性。圖F表明，脅迫處理CK的qP均顯著高于SD（P<0.05），CK不套袋吹襲高于SD 12.22%，其中干旱處理中套袋與不套袋之間差異顯著（P<0.05），CK處理中不套袋較套袋高5.53%，SD處理中套袋與不套袋表現為差異不顯著（P<0.05），但數據表現較多變異性。

三、討論與結論

（一）光合氣體參數對土壤干旱和風沙流交互脅迫的響應

風沙流脅迫對植物不僅僅是風力的機械作用，還有細沙對植物葉片莖干的磨蝕、擊打的影響[12]。氣體交換參數是反映植物光合作用狀況的重要指標，植物在受到風沙脅迫時植物葉片通過控制氣孔的關閉影響葉片Ci，從而影響植物葉片的Pn[13]。本研究表明，在對干旱脅迫后的紫斑牡丹進行12 m/s風沙流吹襲，葉片SD較CK的Pn呈現下降趨勢，SD的Tr較CK有所升高，差異顯著。Pn與Tr的變化與于云江等[14]研究一致。SD的Gs與Ci較CK有所較低，這與趙哈林等[15]研究一致。這說明風沙流脅迫SD與CK的牡丹影響程度不同，SD較CK的紫斑牡丹葉片Gs下降，氣孔關閉，影響植物進行正常的光合作用。管陽[16]在風沙流對梭梭幼苗的研究中葉片Tr的變化是受到葉肉細胞氣孔調節的。于云江等[17]在風沙流對植物生長影響的研究中表明，風沙流脅迫會使植物Pn、Gs降低，使Tr升高，這與本研究中結果大體相符。

（二）水分利用效率對土壤干旱和風沙流交互脅迫的響應

WUE一般是指葉片Pn與Tr的比

值[18]，其變化在植物受到風沙流脅迫時較重要表現。風沙流脅迫條件下植物是否能適應，最主要的是看植物能否協調碳同化和水分耗之間的關系[19]。本研究中，CK較SD的WUE較高，說明風沙流脅迫加劇了干旱對植物的作用，使紫斑牡丹葉片的WUE下降。在河西走廊等干旱地區，水資源短缺往往是制約植物生長的限制因子，但在這些地區常伴隨著大風天氣和沙塵暴，會導致植物需水量增加，WUE下降，植物光合能力降低，影響植物正常的生長發育[20]。

（三）光合色素對土壤干旱和風沙流交互脅迫的響應

植物葉片的光合色素是光合作用的物質基礎，其含量的高低可反映植物葉片光合同化能力的強弱，其中Chl和Car與植物光合作用密切相關，其反映植物光能吸收和光保護的關系[21]。本研究中，12 m/s脅迫處理CK的Chla、Chlb、Chla+b、Car較SD均呈現下降的趨勢，說明風沙流脅迫對紫斑牡丹CK和SD葉綠素和Car都有所影響。李道明[22]在對沙拐棗風沙流脅迫研究表明，輕度的風沙吹襲有利于葉綠素的合成，重度風沙流脅迫葉綠素含量降低。

（四）葉綠素熒光對土壤干旱和風沙流交互脅迫的響應

葉綠素熒光反映光能吸收、激發能傳遞和光化學反應等光合作用[23]。本研究中紫斑牡丹的Fv/Fm在風沙流脅迫時平均為0.68，12 m/s脅迫處理CK較SD紫斑牡丹的Fv/Fm變化不大，但數據表現較多變異性，說明植物在受到風沙流脅迫時，PSⅡ反應中心有所損傷。紫斑牡丹SD的Fv/Fo較CK有所降低，說明植物葉片在風沙流脅迫時受到了光抑制。紫斑牡丹SD的NPQ較CK高，說明植物在受到干旱脅迫后再進行風沙流吹襲時光保護能力高。紫斑牡丹SD的ETR較CK低，植物在干旱脅迫后受到風沙流脅迫時電子傳遞效率有所下降。qP反映的是PSⅡ反應中心的開放程度以及植物光合活性的高低，紫斑牡丹SD的qP較CK降低，說明CK在受到風沙流脅迫時，電子傳遞活性高以及原初電子受氧化能力高。在管陽[24]、李道明[25]等在風沙流對植物的研究中，梭梭和沙拐棗都隨著風沙流脅迫時葉綠素熒光參數都有所變化，與本研究結果大致相同。

綜上所述，綜合分析17個土壤干旱和風沙流交互脅迫處理對紫斑牡丹光合生理指標的影響發現，紫斑牡丹SD的光合氣體交換參數（Pn、Ci、Gs和WUE）、光合色素（Chla、Chlb、Chla+b和Car）含量以及葉綠素熒光參數（ETR、qP和Yield）均較CK有所降低;而光合氣體交換參數（Tr）、光合色素（Chla/b）含量以及葉綠素熒光參數（Fv/Fm、Fv/Fo和NPQ）較CK高。在河西走廊等干旱地區的植物易遭受風沙流等脅迫，風沙流脅迫也是影響這些地區的重要環境因子，風沙流通過制約植物進行光合作用，阻止植物葉片完成碳同化能力，植物葉片物質積累降低，影響植物正常生長情況，由于風沙流脅迫導致氣孔關閉，氣孔導度下降影響光合氣體代謝。試驗結果表明，紫斑牡丹在風沙流脅迫下響應變化明顯，為河西走廊等干旱風沙環境的防風固沙植物和城市園林綠化植物的選擇提供理論依據。（基金項目：2016年省級林業科技項目“河西綠洲邊緣油用牡丹生長特征及栽培技術研究與示范”，項目編號：kj049）;國家重點研發項目“人工促進植被快速恢復技術及區域適應性”，項目編號：SQ2016YFHZ020617-03）

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