毛烏素沙地油蒿光系統(tǒng)II多時間尺度的環(huán)境響應特征

靳 川，蔣 燕，李鑫豪，徐銘澤，高圣杰，魏寧寧，賈 昕，田 赟，查天山

（1. 北京林業(yè)大學水土保持學院寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，北京 100083；2. 北京林業(yè)大學水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，北京 100083）

0 引言

作為維持生態(tài)系統(tǒng)物質代謝和能量循環(huán)的基礎，植物光合作用非常容易受到環(huán)境波動的影響，不同強度和持續(xù)時間的環(huán)境脅迫會協(xié)同抑制光合過程[1-2]。光系統(tǒng)II（Photosystem II，PSII）能量分配被認為是光合過程中最為敏感的部分，PSII天線色素分子吸收光能有3個去向：1）進行光化學反應，通過碳同化合成有機物[3]；2）通過葉黃素循環(huán)以熱能形式將過剩光能耗散[4-5]；3）重新釋放一個光子，即產生葉綠素熒光[6-7]。3種途徑相互競爭權衡，且受光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）、空氣溫度（Ta）、飽和水汽壓差（Vapor Pressure Difference，VPD）和土壤含水率（Soil Water Content，SWC）等環(huán)境因素影響[5,8-9]。上述環(huán)境變量通過各自波動周期、頻率和振幅調控植物PSII能量分配[10-11]。在分-秒時間尺度上，PAR增加激活葉黃素循環(huán)，植物通過改變調節(jié)性熱耗散（ΦNPQ）和非調節(jié)性熱耗散（ΦNO）的比例耗散過剩光能[12]；在小時時間尺度上，VPD升高可導致蒸騰加速，植物調節(jié)氣孔減少水分損失[13]，同時也不可避免地抑制了實際光化學效率（ΦPSII）；在日尺度上，由PAR、Ta和VPD的天循環(huán)驅動PSII能量分配[14]；在幾天至數月時間周期上，高輻射、寒潮、熱浪和降水等天氣事件以及植物的物候期都會導致PSII能量分配變化[10,15]。盡管有上述認識，但目前關于PSII能量分配的相關研究大多集中在室內短期控制試驗，難以模擬自然中真實的環(huán)境動態(tài)[16-17]。具有高太陽輻射、極端溫度和水文梯度跨度大等特點的荒漠生態(tài)系統(tǒng)則更加復雜[18]。荒漠夏季光照遠超植物所需，導致光合機構產生氧化損傷[19]；極端溫度抑制了相關酶的活性，造成光合效率降低[20-21]；空氣干濕循環(huán)引起植物氣孔調節(jié)[13,22]，導致熒光淬滅[23]。另外，荒漠植物也常因長期缺水造成PSII失活，產生可逆的光損傷[20-21,24]。因此，荒漠植物PSII能量分配與各環(huán)境因子在多時間尺度上很可能具有明顯關聯特征。

頻譜處理可檢驗數據序列的時間動態(tài)格局[25]，如小波分析。小波分析方法已經廣泛應用于多個生態(tài)相關領域，適用于探究多組時間序列數據之間關系[25-27]。然而，目前幾乎沒有研究將小波分析應用于葉綠素熒光的長期監(jiān)測數據上，尤其缺乏植物對環(huán)境波動在多時間尺度下響應過程和調節(jié)機制的理解認識。因此，本研究對寧夏鹽池毛烏素沙地優(yōu)勢荒漠物種油蒿（Artemisia ordosica）進行葉綠素熒光長期原位連續(xù)監(jiān)測，采用小波分析方法探究油蒿PSII能量分配在多時間尺度下的環(huán)境響應特征，旨在為荒漠植物對不同環(huán)境脅迫的敏感程度、適應能力和生理可塑性提供數據支撐，同時為荒漠地區(qū)植被恢復物種選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏吳忠市鹽池荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（37°53"08""N，107°25"46"" E，平均海拔1530 m)，是半干旱區(qū)和干旱區(qū)之間的交錯帶，由于過度放牧等人為因素該區(qū)植被已嚴重退化，近20年的封育使該區(qū)植被得到了有效的恢復，這也被認為是該區(qū)荒漠化逆轉的重要標志。該區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，平均氣溫為8.3 ℃，晝夜溫差大，全年晝夜平均溫差可達25 ℃以上。年平均潛在蒸散量為2024 mm，年平均降水量為287 mm，降雨稀少且不均勻，主要集中在6—9月，4—5月容易發(fā)生春季干旱。土壤以風沙土和黑壚土為主，密度為1.54 g/cm3。盛行西北風，年平均風速2.6 m/s。研究地植被群落以旱生植物為主，優(yōu)勢灌木物種有油蒿（Artemisia ordosica）、沙柳（Salix psammophila）和楊柴（Hedysarum mongolicum），觀測期內相對覆蓋度分別為53 %、17 %和12 %。

1.2 試驗材料

油蒿廣泛分布于中國北部及西北部荒漠地區(qū)，因其根系發(fā)達耐沙埋、耐旱，在固定流沙和促進群落演替中發(fā)揮著重要作用[17]。油蒿通常在4月萌發(fā)，8月積累生物量達到最大，9月末開始凋落。樣地內油蒿平均密度為1.43株/m2，平均高度為34.7 cm，平均冠幅為0.64 m。選取3株長勢相同且具有代表性（高度為50 cm，冠幅為0.8 m，約50分枝左右）的油蒿作為樣本植株。避免監(jiān)測期內人為因素的干擾，保證樣本植株處于完全自然生長的狀態(tài)，并進行物候的同步觀測。

1.3 葉綠素熒光監(jiān)測與計算

于2016年4月28日至10月3日，采用多通道連續(xù)監(jiān)測熒光儀（MONITORING-PAM2000，WALZ公司，德國）對油蒿樣本植株進行24 h原位連續(xù)監(jiān)測，測量間隔為30 min。用熒光探頭的特制葉夾固定葉片，調整探頭方位使葉片充分受光，每隔7 d定期檢查葉片并及時更換。測定葉綠素熒光參數包括飽和脈沖下熒光（Fm"）和實時熒光（Fs）。將夜間的Fm"、Fs分別作為暗處理最大熒光（Fm）和暗處理最小熒光（Fo）。根據Kramer公式計算PSII能量分配[28]，實際光化學效率（ΦPSII，%）、調節(jié)性熱耗散（ΦNPQ，%）和非調節(jié)性熱耗散（ΦNO，%）的計算方法如下：

式中Fm"為飽和脈沖下熒光，Fs為實時熒光，Fm為暗處理最大熒光。

采用式（4）計算最大光化學效率（Fv/Fm）

式中Fo為暗處理最小熒光。

1.4 環(huán)境氣象因子監(jiān)測與計算

光合有效輻射由距熒光儀100 m處通量塔（高度為6 m）配有的輻射傳感器（PAR-LITE，Kipp & Zonen公司，荷蘭）測得。空氣溫度和相對濕度由塔上溫濕度傳感器（HMP155A，Vantaa公司，芬蘭）測得，采用式（5）和式（6）[16]計算飽和水汽壓差（VPD，kPa）

式中e為飽和空氣壓力，kPa；RH為相對濕度，%；Ta為空氣溫度，℃。

土壤含水率由樣地內土壤溫濕度傳感器（ECH2O-5TE，Decagon Devices公司，美國）測得，深度為30 cm。降雨量由距樣地200 m處空地內雨量筒（TE525W，Campbell公司，美國）測得。所有環(huán)境氣象因子測量間隔均為30 min。

1.5 數據處理與分析

本研究使用連續(xù)小波變換（Constant Wavelet Transform，CWT）和小波相干性（Wavelet Coherence，WTC）分析熒光參數的時間序列。CWT是將時間序列數據在固定間隔的變量進行平移或伸縮等變換，用母小波來表示。CWT可以反映時間序列數據在不同時間尺度的波動[29]，數量為N的離散變量xn的積分譜 ()xnWs定義為

式中δt為時間間隔，為復共軛尺度，s為小波變換尺度，n為數組1至N，n"為正整數取值。本研究選取Morlet小波作為母小波，采用式（8）計算xn的小波功率譜（Sn）[26,30]，得到其貢獻最大的時間周期

定義2個時間序列數據之間的交叉小波功率譜（Cn），相位角譜（An）和WTC功率譜（Rn2）[26,30]

式中x為環(huán)境因子，y為植物熒光參數，為變量x與y的交叉小波變換，S為時間尺度的平滑處理，和分別為的實部和虛部[31]（在時頻域圖中，An可以用箭頭來繪制，若x與y正相關，向右的箭頭表示x與y的相位是一致的，向左則相反。而向下的箭頭表示y滯后于x90°或270°，向上的箭頭表示x滯后于y90°或270°。每360°為1個時間周期）。

2 結果與分析

2.1 環(huán)境因子與油蒿PSII能量分配參數動態(tài)

PAR求日最大值和平均值，Ta求日最大值、日最小值和日平均值，VPD和SWC求日平均值，降雨量求日總值。如圖1所示，觀測期內PAR和Ta趨勢相近，在5 —7月呈上升趨勢，8—9月呈下降趨勢。PAR最高達1963μmol/(m2·s)（6月8日），7月和8月出現持續(xù)多天低值（PAR＜400μmol/(m2·s)）。Ta最高值達32.1 ℃（7月29日），最低值為2.9 ℃（5月6日），出現1次大幅降溫事件（8月22日）。VPD在5—7月呈周期性波動，8—9月較低，日平均值最高達2.5 kPa（7月25日）。SWC整體呈持續(xù)下降趨勢，在8月20日降雨量達到52.6 mm的降水后有較大增加。如圖2所示，ΦPSII在7月和8月有2處明顯的下降，日平均值最低為0.45%（7月16日）。ΦNPQ和ΦNO趨勢大致相同，7月和8月有2處明顯增高。ΦNPQ日平均值最高達23 %（7月16日），ΦNO日平均值最高達36%（7月3日）。Fv/Fm呈周期性波動，最高0.82（5月31日），最低0.68（5月3日）。觀測期內，各葉綠素熒光參數和環(huán)境因子具有明顯季節(jié)波動。

PAR、Ta和VPD都呈現先升高后降低的日變化趨勢，PAR峰值在13:00左右，Ta和VPD峰值約在16:00。PAR在5—7月較高，Ta在5月和9月較低，VPD在6—7月較高。ΦPSII呈現與ΦNPQ和ΦNO相反的日變化趨勢，峰值出現時間與PAR一致。ΦPSII在6—7月較低，ΦNPQ在5 —7月的峰值較高，ΦNO在7月的峰值較高（圖3）。

2.2 環(huán)境因子與油蒿PSII能量分配參數在各時間周期內變化

除SWC以外，所有變量全局小波功率譜在1 d時間周期均出現強峰值，并且在4～40 d時間周期內分別出現多次振蕩。葉綠素熒光參數（ΦPSII、ΦNPQ和ΦNO）峰值相對環(huán)境因子（PAR、Ta、VPD和SWC）較小。SWC既無日尺度譜峰，也無季節(jié)尺度譜峰。變量PAR、ΦPSII、ΦNPQ和ΦNO在小于1 d的時間周期內出現多次峰值，但其功率遠低于1 d時間周期處（圖4）。

小波功率譜可以清楚地顯示各變量在觀測期內的時頻域局部特征。在0.5 d時間周期處，PAR出現顯著小波功率區(qū)域。在1 d時間周期處，PAR、Ta和VPD均出現顯著小波功率區(qū)域，區(qū)域非連續(xù)且強烈震蕩。Ta在4～32 d周期內、VPD在8～32 d周期以及SWC在1～32 d周期內均出現小波功率值的升高（圖5）。在1 d時間周期處，ΦPSII、ΦNPQ和ΦNO均出現強烈震蕩的顯著區(qū)域。ΦPSII在8～32 d周期內、ΦNPQ在4～32 d周期以及ΦNO在16～32 d周期內也呈現小波功率值的升高（圖6）。

2.3 油蒿PSII能量分配參數與環(huán)境因子的小波相關性

油蒿PSII能量分配參數與環(huán)境因子在多個時間尺度上存在顯著小波相關區(qū)域，分布不均且波動明顯。在日尺度上，ΦPSII與PAR、Ta、VPD和SWC小波相關區(qū)域相位角分 別 為(12.32±3.56)°、(47.88±21.20)°、(73.25±13.01)°和(183.69±96.81) °，即ΦPSII滯后于PAR、Ta、VPD和SWC分別為(0.82±0.24)、(3.19±1.41)、(4.88±0.87)和(12.25±6.45) h（圖7；表1）。ΦNPQ滯后于PAR、Ta、VPD和SWC分別為(0.62±0.27)、(3.45±1.57)、(4.94±2.64)和(11.87±4.98) h（圖 8；表1）。ΦNO滯后于PAR、Ta、VPD和SWC分別為(0.72±0.32)、(3.27±1.43)、(3.83±1.69)和(8.07±6.97) h（圖 9；表 1）。油蒿PSII能量分配參數（ΦPSII、ΦNPQ和ΦNO）滯后于PAR、Ta、VPD和SWC分別平均為43 min、3.3、4.6和10.72 h。

在季節(jié)尺度上，ΦPSII滯后于PAR、Ta、VPD和SWC分 別 為(13.64±5.54)、(9.87±3.47)、(7.68±1.99)和(23.47±12.46) d（圖7；表2）。ΦNPQ滯后于PAR、Ta、VPD和SWC分別為(16.05±7.65)、(3.52±2.73)、(9.90±5.64)和(17.89±14.80) d（圖8；表2）。ΦNO滯后于PAR、Ta、VPD和SWC分別為(14.44±6.12)、(8.23±4.47)、(8.73±5.05)和(23.73±10.97) d（圖9；表2）。油蒿PSII能量分配參數分別滯后于Ta、VPD、PAR和SWC 7.2、8.8、14.7和21.6 d。

表1 PSII能量分配參數在日尺度上滯后環(huán)境因子的時間 Table 1 Lag time of PSII energy partitioning parameters relative to environmental factors on daily scale h

表2 PSII能量分配參數在季節(jié)尺度上滯后環(huán)境因子的時間 Table 2 Lag time of PSII energy partitioning parameters relative to environmental factors on seasonal scale d

3 討論

植物通過熱耗散機制消耗光合過程中的過剩光能，減少活性氧以避免產生光損傷[23]。將熱耗散分為ΦNPQ和ΦNO可獲得更精準的定量信息，ΦNPQ表征熱耗散等光保護調節(jié)機制的強弱[28]，ΦNO則指示光抑制或光損傷的程度[10,28]。日尺度上，油蒿PSII能量分配參數與各環(huán)境因子均有很強相關性（圖7～圖9），對PAR變化最敏感且受其主導。PAR增加導致更多過剩光能需要耗散，因此ΦNPQ和ΦNO與PAR正相關，同時不可避免抑制了ΦPSII，這一系列過程是瞬間發(fā)生的[5,16]。油蒿ΦPSII在12:00左右發(fā)生明顯降低，在夜晚恢復（圖3）。表明在高輻射下，雖然油蒿光化學反應過程受到了限制，但其PSII反應中心實際并沒有產生損害[32-33]。這與同地區(qū)不同物種相關研究結果不一致，研究發(fā)現沙柳和楊柴因高輻射表現出嚴重光抑制，并造成永久性光損傷。這可能與植物形態(tài)學有關，沙柳葉呈葉線形，楊柴為互生扁平小葉，而具有針形葉的油蒿則有利于避免過量太陽輻射。油蒿PSII能量分配分別滯后Ta和VPD 3.3和4.6 h（表1）。研究表明Ta降低抑制葉綠體捕光蛋白酶活性，從而影響植物光合生理狀態(tài)[20-21]。清晨ΦPSII下降（圖3），此時Ta處于全天最低，油蒿PSII光反應相關酶活性受到抑制，導致ΦPSII早于PAR開始降低[21,34]。VPD增加導致氣孔調節(jié)，蒸騰速率降低[13,22]，抑制了水的裂解[24]，也提高了跨類囊體質子梯度[35]，最終造成ΦPSII降低，ΦNPQ和ΦNO增加。油蒿PSII能量分配在1 d時間周期內滯后SWC約10.72 h，遠高于其他環(huán)境因子（表1）。這說明短時間內油蒿對于土壤水的敏感程度較低[10,34]。

荒漠植物需要應對干旱、高輻射和極端溫度等多種環(huán)境脅迫[5,18,36]，PSII長期適應機制的形成需要幾天甚至幾周時間[10,17]，主要通過調整光合色素濃度、葉綠素a/b比例或PSII特定蛋白質含量等途徑實現[10,37]。Fv/Fm是表征植物PSII受脅迫程度的關鍵指標，通常情況下在0.75～0.85之間，發(fā)生下降則表示PSII 受損失活[34]。油蒿Fv/Fm和PSII能量分配季節(jié)波動明顯，但始終維持在一個整體水平上（Fv/Fm約為0.78）（圖2）。研究認為油蒿可以通過自身修復調節(jié)，使其PSII恢復到正常狀態(tài)[16,28]。研究發(fā)現，油蒿PSII能量分配受物候影響，5月初處于萌芽期，葉綠素含量及活性低，對外界抵抗力較差，易產生光抑制[10,23]。7—8月受高溫高輻射影響，產生光抑制造成PSII損傷，此時油蒿處于長勢最旺盛的花果期，其生物量和葉片功能性狀達到最佳，PSII處于不斷受損和修復的過程[32-34]。9月末油蒿葉片老化進入枯萎期，葉綠素含量、各種酶活性伴隨光合單元機構衰退降低，低溫脅迫導致Fv/Fm低值出現[10,38]。

在季節(jié)尺度上，油蒿PSII能量分配滯后Ta和VPD相對PAR和SWC較短。說明在長時間尺度，油蒿PSII對Ta和VPD更為敏感。植物在高VPD下會調節(jié)氣孔關閉[13,22]，增強葉黃素循環(huán)等持續(xù)性熱耗散[23]，同時對PSII反應中心造成可逆損害[32-34]。極端溫度或高太陽輻射則會打破PSII能量輸入和利用的平衡，造成PSII捕光蛋白損傷[39]。與其他研究比較，油蒿對極端溫度的適應能力要高于荒漠物種沙柳和紅砂（Reaumuria soongorica）[8,36]。荒漠地區(qū)晝夜溫差大，油蒿可通過提高細胞內滲透壓，增加原生質抗凝結性，減緩代謝速率來適應極端溫度[39]。油蒿PSII能量分配滯后PAR約14.7 d（表 2），油蒿對于高輻射具有一定的耐受能力[16,34]。干旱是影響植物生長生存的重要環(huán)境脅迫，水分限制著細胞內一系列的生理生化反應[13,24]。油蒿具有粗長發(fā)達的主根和茂密的側根[17,40]，PSII能量分配滯后SWC時間最長，約21.6 d（表2），可見其對干旱有著極強的耐受性，因此也經常用作干旱區(qū)植被恢復的先鋒物種。

4 結論

1）日尺度上，油蒿可能通過葉黃素循環(huán)等熱耗散機制和氣孔導度調節(jié)PSII能量分配，主要受光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）控制，同時受空氣溫度（Ta）和飽和水汽壓差（Vapor Pressure Difference，VPD）的調控，對土壤含水率（Soil Water Content ，SWC）敏感性較差。PSII能量分配參數滯后于PAR 43 min，且分別滯后于Ta、VPD和SWC 3.3、4.6和10.72 h。

2）季節(jié)尺度上，油蒿可能通過提高PSII修復能力、增加特定蛋白數量和色素濃度等方式調節(jié)PSII能量分配，對Ta和VPD變化較敏感，并且受物候期的影響。PSII能量分配參數分別滯后于Ta、VPD、PAR和SWC 7.2、8.8、14.7和21.6 d。

3）在荒漠惡劣環(huán)境下，油蒿可以通過自身調節(jié)不斷修復受損PSII（Fv/Fm維持在0.78附近），對干旱和高輻射表現出耐受性，具有一定的適應能力和生理可塑性。