白羊草與達烏里胡枝子混播時其葉片葉綠素熒光特性對土壤水分變化的響應

黃 瑾，孟令超，徐偉洲，王 智，馬 威

（1.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.榆林學院 生命科學學院，陜西 榆林719000）

白羊草（Bothriochloɑischɑemum）群落為中國暖溫帶森林草原區的中旱生草本群落，也是黃土丘陵區森林草原區具有代表性的植被類型，達烏里胡枝子（Lespedezɑdɑvuricɑ）為白羊草群落的主要伴生種之一，兩草種在維持區域草地生態系統服務功能和水土保持綜合治理方面具有重要的生態意義［1］。干旱少雨是限制黃土丘陵區天然草地恢復和人工草地建設的主要環境因素。降雨的不確定性導致的土壤水分階段變化對草地群物特征、生產力、種間關系及其優勢種生理生態特征產生顯著影響。半干旱地區草地植物群落對土壤水分變化的響應，主要取決于草地群落中主要優勢草種的響應和適應能力［2］。研究表明，黃土丘陵區白羊草和達烏里胡枝子種群生長分布格局均受水分、熱量等綜合因素的影響，其生長范圍和生態幅不斷擴大，為該地區響應全球氣候變化的主要植物［3-4］。系統研究土壤水分階段變化對黃土丘陵區白羊草群落特征及其優勢種生理生態特性的影響，對揭示當前氣候變化背景下退化草地植被恢復和群落優勢草種演變趨勢預測具有重要意義。

光合作用是植物生長和生態適應性的關鍵生理過程之一，植物葉綠素熒光特性對環境波動具有高度敏感性，與“表觀性”的氣體交換指標相比具有“內在性”特點，成為當前研究植物光合作用響應環境脅迫的重要探針。植物葉片葉綠素熒光動力學參數僅取決于其自身的遺傳學特性，也與其生長條件等外界環境因子變化密切相關［5］。植物光系統Ⅱ（PSⅡ）具有一定的耐旱能力，通常輕度干旱脅迫對植物葉片光系統光化學效率的影響較小，而土壤干旱脅迫嚴重時則導致植物PSⅡ最大光化學效率顯著降低［6］。研究表明，禾—豆混播可提高混播植物的光合效率，其葉片PSⅡ的光化學效率和用于電子傳遞的能量等葉綠素熒光參數均顯著高于單播條件［7］。禾豆混播是半干旱地區廣泛使用的人工草地建植方式之一。黃土丘陵區由于年均降雨量少且季節多變，使得表層土壤處于頻繁的干濕交替之中。前期的研究表明，白羊草與達烏里胡枝子混播種植在群體生物量和水分利用效率方面表現出明顯的混播效應［8］，且混播條件改善了土壤水分恒定供應水平下白羊草和達烏里胡枝子葉片PSⅡ活性［9］，但與其個體生育期和土壤水分變化有關［10］，以上研究均為恒定水分供應條件方面報道，然而關于土壤水分階段變化條件下混播種植是否能促進其葉片PSⅡ光化學活性方面的研究尚未見報道。因此，本研究進一步探討在不同土壤水分階段變化條件下，混播體系中白羊草葉片葉綠素熒光參數及其生育期動態變化特征，旨在闡明土壤階段干旱后兩鄉土草種競爭與共存的生理生態機制，以期為利用其在黃土丘陵區開展水土保持林草措施提供理論依據，對揭示混播草地物種共存的生理生態機制以及預測其生長和分布趨勢有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究材料為白羊草和達烏里胡枝子，其種子為2011年秋季采集于西北農林科技大學安塞水土保持綜合試驗站天然草地（109°19′23″E，36°51′30″N），裝于紙袋自然晾干后儲藏。供試土壤為陜北安塞縣天然草地（0—30 cm）耕層黃綿土，土壤p H 值為8.77，全氮、全磷和全鉀含量為2.5，6.6，1.9 g／kg，速效氮、速效磷和速效鉀含量為19.6，50.8，101.6 mg／kg，田間最大持水量（FC）和凋萎系數分別為20.0%和4.0%。

1.2 試驗設計

試驗于2013年4月1日開始，采用盆栽試驗法，盆缽內徑為20 cm，高度為30 cm。裝土時先在盆缽底部平鋪一層碎石子，且在碎石子上平放一張直徑為18 cm 的濾紙，并沿盆缽內壁擺放一根內徑為2 cm 的PVC管作為澆水管道。土壤底肥按照純氮0.025 g／kg干土、純磷0.1 g／kg干土的標準，即施氮0.481 g CON2H4，施磷3.949 g KH2PO4，于試驗開始裝土時一次隨土壤拌入盆中。

采用生態替代法，按照白羊草∶達烏里胡枝子株數比為0∶12，2∶10，4∶8，6∶6，8∶4，10∶2，12∶0，設置7種組合比例處理，兩鄉土草種具體播種示意圖參考徐偉洲［10］，播種出苗后保持充分供水條件并適時間苗，每盆定苗至12株后在土壤表面覆蓋40 g珍珠巖以隔斷土面蒸發。

盆栽控制試驗在西北農林科技大學水土保持研究所人工模擬干旱大廳室外防雨棚下進行，該地屬東亞暖溫帶半濕潤半干旱氣候區，年平均氣溫12.9℃，年均降水量635.1 mm，無霜期211 d，年均日照時數2 163.8 h。

1.3 水分處理

試驗設置3種土壤水分水平處理，分別為高水處理（HW，80%±5% FC），中水處理（MW，60%±5%FC），低水處理（LW，40%±5%FC），于6月10日當白羊草出現5片葉片時開始土壤水分控制，每天傍晚通過稱重法將每桶土壤含水量調整至目標設計水平。土壤水分階段干旱處理分別于白羊草拔節期、開花期、結實期進行，即在7月10日，8月10日，9月10日每天傍晚分別將高水自然降低至中水（H-MW）和高水處理自然降低至低水（H-LW）供應水平，對應的代碼第1次土壤水分降低處理分別為H-MW-1和H-LW-1，第2次土壤水分降低處理分別為H-MW-2和H-LW-2，第3次土壤水分降低處理分別為H-MW-3和H-LW-3，土壤水分含量降低至既定水分處理后均一直保持至本試驗結束。試驗總盆數為126盆〔2（土壤水平）×7（組合比例）×3（生育期）×3（重復）〕。

1.4 指標測定

白羊草葉片葉綠素熒光參數采用Imaging-PAM葉綠素熒光測定儀（Walz，德國），分別在土壤水分變化處理當天（第0 d），以及處理后第2，4，6，8 d進行連續測定，測定時間為每天上午6：30—9：30，測定前先將待測植物暗適應30 min，然后隨機選取每3 盆中的一株白羊草旗葉進行測定。葉綠素熒光動力學曲線測定利用飽和脈沖模式，首先打開測量光〔光強（PAR）為0.5μmol／（m2·s），脈沖頻率為1 Hz〕測定初始熒光（Fo），然后采用飽和脈沖光〔PAR 為1 580 μmol／（m2·s），脈沖時間為0.8 s〕測定最大熒光（Fm），隨后打開光化光〔PAR 為200μmol／（m2·s）〕進行誘導光合動力學曲線，之后5 min內每間隔20 s打開一系列飽和脈沖測定光適應下的初始熒光（Fo′）、最大熒光（Fm′）和穩態熒光（Fs）。最大光化學效率（Fv／Fm）＝（Fm－Fo）／Fm，實 際 光 化 學 效 率（ФPSⅡ）＝（Fm′－Fs）／Fs，非光化學淬滅系數（NPQ）＝（Fm－Fm′）／Fm′，光 化 學 淬 滅 系 數（qp）＝（Fm′－Fs）／（Fm′－Fo′），表觀光合量子傳遞速率（ETR）＝ФPSⅡ×PAR×0.5×0.84，以上參數均通過Imaging-Win軟件（2.40版，Walz）自動計算獲得。

1.5 數據分析

采用Excel 2010 進行整理數據與繪制圖表，使用SPSS 16.0進行相關數據統計分析。不同處理下白羊草葉綠素熒光指標間差異比較運用單因素方差分析（one-way ANOVA）的最小顯著差數法（LSD）進行檢驗（p＜0.05）。三因素方差分析（three-way ANOVA）用于分析組合比例、水分水平及其生育期變化與三者間對白羊草葉片葉綠素熒光參數存在的交互作用。

2 結果與分析

2.1 最大光化學效率

生育期變化、組合比例、水分水平，及生育期變化和水分水平的交互作用均對白羊草的Fv／Fm產生顯著影響（見表1）。H-MW-1，H-MW-2，H-MW-3，H-LW-1，H-LW-2，H-LW-3 處理下，不同組合比例的Fv／Fm在土壤水分降低后均呈現顯著降低的變化趨勢，且以H-LW-3處理下Fv／Fm的降低幅度最大。H-MW-1處理下，第0，2，4，6，8 d時12∶0組合比例下Fv／Fm（0.804±0.005，0.800±0.004，0.800±0.003，0.789±0.004，0.792±0.005）均顯著低于其他水分處理。H-MW-2 處理下，土壤水分降低后第8 d時12∶0組合比例下的Fv／Fm（0.775±0.003）均顯著低于其他組合比例處理。H-MW-3 處理下，土壤水分降低后第8 d的Fv／Fm以10∶2組合比例下（0.803±0.003）顯著最高和12∶0 組合比例下（0.752±0.004）顯著最低（圖1）。

H-LW-1 處理下，土壤水分降低后第8 d 的Fv／Fm在不同組合比例間無顯著差異。H-LW-2 處理下，土壤水分降低后第8 d 的Fv／Fm以2∶10，4∶8，6∶6，10∶2組合比例下（0.799±0.004，0.800±0.003，0.797±0.003，0.796±0.004）顯著最高，12∶0組合比例下（0.770±0.004）顯著最低。H-LW-3處理下，土壤水分降低后第8 d的Fv／Fm以8∶4和10∶2組合比例下（0.764±0.004，0.758±0.004）顯著最高，12∶0組合比例下（0.719±0.004）顯著最低，且2∶10，4∶8，6∶6，8∶4，10∶2，12∶0組合比例下第8 d 的Fv／Fm較第0 d 分別降低了6.8%，7.9%，7.5%，4.9%，6.6%和8.2%（見圖1）。

表1 不同組合比例與水分生育期階段變化及其交互作用對白羊草葉綠素熒光參數的影響

圖1 不同組合比例下白羊草葉片最大光化學效率（Fv／Fm）值對土壤水分變化的響應

2.2 實際光化學效率

生育期變化、組合比例、水分水平，及生育期變化和水分水平的交互作用均對白羊草的ФPSⅡ產生顯著影 響（見 表1）。H-MW-1，H-MW-2，H-MW-3，H-LW-1，H-LW-2，H-LW-3處理下，不同組合比例的ФPSⅡ在土壤水分降低后均呈現顯著降低的變化趨勢，且以H-LW-3 處理下降低幅度最大。H-MW-1 和H-MW-2處理下，土壤水分降低后第8 d 的ФPSⅡ以10∶2組合比例下（0.394±0.002，0.399±0.002）顯著最高，12∶0組合比例下（0.366±0.002，0.373±0.002）顯著最低。H-MW-3處理下，土壤水分降低后第8 d的ФPSⅡ以2∶10，4∶8，6∶6，10∶2組合比例下（0.405±0.003，0.403±0.002，0.402±0.003，0.402±0.002）顯著最高，12∶0組合比例下（0.383±0.003）顯著最低（見圖2）。

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

2.3 非光化學淬滅系數

生育期變化、水分水平以及二者交互作用均對白羊草的非光化學淬滅系數NPQ 產生顯著影響（表1）。H-MW-1處理下，各組合比例下的NPQ 在土壤水分降低后均呈現明顯升高的變化趨勢，土壤水分降低后第8 d的NPQ 以2∶10和12∶0組合比例下（0.574±0.003，0.580±0.003）顯著最高，10：2 組合比例下（0.546±0.003）顯著最低。H-MW-2處理下，土壤水分降低后第8 d的NPQ 以10∶2組合比例下（0.482±0.003）顯著最高，2∶10和6∶6組合比例下（0.338±0.002，0.338±0.003）顯著最低。H-MW-3處理下，各組合比例下的NPQ 在土壤水分降低后均呈現先升高而降低的變化趨勢，土壤水分降低后第8 d的NPQ 以2∶10組合比例下（0.392±0.002）顯著最高和4∶8組合比例下（0.332±0.002）顯著最低（見圖3）。

圖2 不同組合比例下白羊草葉片實際光化學效率（ФPSⅡ）值對土壤水分變化的響應

圖3 不同組合比例下白羊草葉片非光化學淬滅系數（NPQ）值對土壤水分變化的響應

H-LW-1處理下，土壤水分降低后第8 d的NPQ以2∶10組合比例下（0.571±0.004）顯著最高，4∶8和10∶2組合比例下（0.490±0.002，0.488±0.003）顯著最低。H-LW-2和H-LW-3處理下，各組合比例下的NPQ 在土壤水分降低后均呈現明顯降低的變化趨勢。H-LW-2 處理下，2∶10，4∶8，6∶6，8∶4，10∶2，12∶0組合比例下第8 d的NPQ 較第0 d分別降低了30.9%，44.3%，19.8%，11.4%，20.1%，20.2%。H-LW-3處理下，2∶10，4∶8，6∶6，8∶4，10∶2和12∶0組合比例下第8 d的NPQ 較第0 d分別降低了27.7%，39.1%，39.6%，37.4%，43.3%和39.9%（見圖3）。

2.4 光化學淬滅系數

生育期變化及與水分水平的交互作用均對白羊草的光化學淬滅系數qp產生顯著影響（見表1）。H-MW-1處理下，各組合比例下的qp在土壤水分降低后均呈現明顯降低的變化趨勢，水分降低后第8 d的qp以2∶10和12∶0組合比例下（0.597±0.003和0.571±0.004）顯著最高，8∶4組合比例下（0.545±0.003）顯著最低。H-MW-2處理下，各組合比例下的qp在土壤水分降低后均呈現明顯升高的變化趨勢，水分降低后第8 d的qp以6∶6和10∶2組合比例下（0.718±0.004，0.713±0.004）顯著最高，8∶4組合比例下（0.647±0.003）顯著最低。H-MW-3處理下，各組合比例下的qp在土壤水分降低后均呈現先降低后升高的變化趨勢，水分降低后第8 d的qp以8∶4組合比例下（0.788±0.004）顯著最高和2∶10組合比例下（0.677±0.003）顯著最低（見圖4）。

H-LW-1處理下，各組合比例下的qp在土壤水分降低后均呈現明顯降低的變化趨勢，水分降低后第8 d的qp以6∶6 和12∶0 組合比例下（0.560±0.003，0.565±0.004）顯著最高，2∶10 組合比例下（0.519±0.003）顯著最低。H-LW-2處理下，水分降低后第8 d 的qp以10∶2 組合比例下（0.641±0.004）顯著最高，6∶6和8∶4組合比例下（0.647±0.004，0.641±0.005）顯著最低。H-LW-3 處理下，各組合比例下的qp在土壤水分降低后均呈現先降低后升高的變化趨勢，水分降低后第8 d的qp以4∶8組合比例下（0.761±0.003）顯著最高和8∶4組合比例下（0.673±0.004）顯著最低（見圖4）。

圖4 不同組合比例下白羊草葉片光化學淬滅系數（qp）值對土壤水分變化的響應

2.5 表觀光合量子傳遞速率

生育期變化、組合比例、水分水平、組合比例×水分水平、生育期變化×組合比例×水分水平均對白羊草的表觀光合量子傳遞速率（ETR）產生顯著影響（表1）。H-MW-1處理下，各組合比例下的ETR 在土壤水分降低后均呈現明顯降低的變化趨勢，水分降低后第8 d 的ETR 以2∶10，4∶8，6∶6 組合比例下（28.6±0.2，28.3±0.3，28.3±0.4）顯著最高，12∶0組合比例下（24.6±0.3）顯著最低。H-MW-2 處理下，土壤水分降低后第8 d的ETR 以4∶8和6∶6組合比例下（42.1±0.3，42.2±0.2）顯著最高，8∶4和10∶2組合比例下（33.5±0.3，32.1±0.2）顯著最低。H-MW-3處理下，10∶2 組合比例下的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）均顯著高于其余組合比例處理，且第8 d的ETR以12∶0組合比例下（30.8±0.2）顯著最低（見圖5）。

H-LW-1處理下，各組合比例下的ETR 在土壤水分降低后均呈現降低的變化趨勢，水分降低后第8 d的ETR 以4∶8 和10∶2 組合比例下（32.9±0.3，31.5±0.4）顯著最高，2∶10 組合比例下（24.5±0.4）顯著最低。H-LW-2處理下，土壤水分降低后第8 d的ETR 以2∶10，4∶8，10∶2 組合比例下（38.8±0.4，39.8±0.5，38.6±0.4）顯著最高，12∶0組合比例下（29.0±0.3）顯著最低。H-LW-3 處理下，土壤水分降低后第8 d的ETR 以6∶6和8∶4組合比例下（39.7±0.3，40.0±0.3）顯著最高，12∶0組合比例下（26.8±0.2）顯著最低（見圖5）。

圖5 不同組合比例下白羊草葉片表觀光合量子傳遞速率（ETR）值對土壤水分變化的響應

3 討論

光合作用是植物體內重要的生理過程之一，土壤水分脅迫對光合生理過程的影響差異主要取決于脅迫持續時間、強度與植物生育期情況［11］。Fv／Fm表示植物葉片PSⅡ的最大光化學效率，當植物處于正常生長條件時其變化范圍一般為0.75～0.85，但在逆境條件下會出現不同程度降低［12］。研究表明，充分供水條件下白羊草葉片的Fv／Fm在拔節期、開花期和結實期的間無顯著差異，但在重度水分脅迫下拔節期和開花期顯著高于結實期［13］。本研究中，與達烏里胡枝子混播下白羊草的葉片葉綠素熒光參數呈現出明顯的生育期動態變化（見表1），土壤水分階段降低處理后白羊草葉片Fv／Fm和ФPSⅡ整體均以拔節期和開花期顯著高于結實期，表明白羊草的PSⅡ最大光化學效率和實際光化學效率生育期動態變化特征主要取決于植物自身遺傳特性［14］。H-MW-1，H-MW-2，H-MW-3，H-LW-1，H-LW-2 處理下土壤水分降低后白羊草的Fv／Fm均大于0.75，進一步說明白羊草的PSⅡ具有較強的抗旱能力，短期干旱脅迫對其PSⅡ光化學效率降低不明顯［15］。

土壤水分持續脅迫條件下，植物葉片葉綠素熒光動態變化特性與土壤水分變化存在明顯相關性［16］。實際光化學量子效（ФPSⅡ）反映反應中心部分關閉情況下的實際光能捕獲效率。本研究中，土壤水分生育期降低處理后各組合比例的白羊草葉片Fv／Fm，ФPSⅡ，ETR 整體隨水分脅迫時間持續呈現明顯降低的變化趨勢，且以H-LW-3處理下降低幅度最顯著，表明短期土壤水分脅迫對白羊草葉片光合反應中心活性受到不同程度的抑制，并在植物結實期水分脅迫對其的抑制作用更明顯［8］。就土壤水分降低后第8 d而言，不同組合比例下白羊草拔節期和開花期的Fv／Fm和ФPSⅡ均在H-MW 與H-LW 處理間差異不顯著，但結實期的Fv／Fm和ФPSⅡ均以H-MW 顯著高于H-LW，這進一步說明了白羊草其具有較強的抗旱性和更為穩定的光化學效率，但其葉片生長后期對土壤水分脅迫的影響更為敏感［10］。

NPQ 和qp均為植物體內光合量子效率調節的重要機制，前者值較高則說明該植物葉片吸收光能用于熱耗散的份額比較多，表示了植物PSⅡ天線色素吸收光能后不用于光合電子傳遞而以熱能形式耗散的比例，而后者表示了PSⅡ天線色素用于光合電子傳遞 吸 收 光 能 的 比 例［17］。本 研 究 中，H-MW 和H-LW處理下土壤水分降低后各組合比例白羊草的NPQ 在拔節期出現升高趨勢，在開花期和結實期出現降低趨勢，但其葉片qp在3個生育期間呈現相反變化趨勢，這說明白羊草在拔節期通過耗散過剩激發能以減輕水分土壤水分降低為重度水分脅迫后對葉片光合結構的損傷，而在開花期和結實期提高葉片PSⅡ的電子傳遞活性維持相對較高的光合能力［18］。

禾—豆混播體系中，植物在葉片光合途徑、根系固氮能力和形態結構等方面的差異，將導致植物的生長與生理過程有別于單作條件［19］。本研究中，土壤水分降低后第8 d，大多數處理下12∶0組合比例下白羊草的Fv／Fm，ФPSI和ETR 均顯著低于其他組合比例處理，這進一步說明混播種植顯著提高了白羊草葉片光化學效率與活性［13］，以及葉片凈光合速率［10］。這主要歸因于混播條件較單播種植顯著增加了白羊草的葉片、莖和根系中的氮含量［20］，而半干旱地區植物光合能力通常與其葉片氮含量呈現明顯的正相關關系［21］，因此混播下白羊草葉片光合器官氮含量的提高有利于促進其光合作用。

4 結論

土壤水分階段降低后，白羊草葉片Fv／Fm，ФPSⅡ和ETR 值均隨水分脅迫時間持續呈現明顯降低的變化趨勢，以結實期從高水降低至低水處理的降低幅度最顯著；NPQ 隨水分脅迫時間持續在拔節期呈現升高趨勢，而在開花期和結實期出現降低趨勢，但qp值在3個生育期間呈相反變化趨勢，表明白羊草拔節期通過耗散過剩激發能以減輕水分脅迫對光合結構的損傷，而在開花期和結實期提高葉片PSⅡ光合化學活性以維持相對較高的光合能力。土壤水分階段降低后，白羊草拔節期和開花期葉片的Fv／Fm和ФPSⅡ值顯著高于結實期，且Fv／Fm均值多大于0.75，說明白羊草葉片PSⅡ具有較強的抗旱性和穩定的光化學效率。土壤水分降低后第8 d，拔節期和開花期白羊草葉片的Fv／Fm或ФPSⅡ值在高水降低至中水和低水處理間無顯著差異，但結實期的Fv／Fm和ФPSⅡ以高水降低至中水處理顯著最高，且大多數處理下單播白羊草的Fv／Fm，ФPSI和ETR 值均顯著低于與達烏里胡枝子混播，表明與達烏里胡枝子混播種植促進了土壤水分階段降低條件下白羊草的葉片PSⅡ光化學活性。