混合鹽堿脅迫對油莎豆光合生理及產量的影響

關鍵詞：油莎豆；混合鹽堿脅迫；氣體交換參數；葉綠素熒光參數；生物量

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0504

中圖分類號：S565.5 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2023）12019510

當前，鹽堿脅迫已成為全球影響作物產量最廣泛的非生物脅迫因素之一，尤其在干旱半干旱等地區問題更為嚴重。新疆是典型的干旱半干旱地區，同時也是我國土壤鹽堿化最嚴重的地區之一，據統計，新疆各類鹽堿土面積已達1 336.1萬hm²，占我國總鹽堿地面積的1/3[1]。因其地處內陸，年降水量小，空氣干燥，且夏季炎熱，地表溫度高，蒸發量大，這種條件決定了土壤中以上升水流為主，淋溶和脫鹽的作用微弱，土壤深層鹽分在毛管的作用下向表層不斷遷移、聚積，導致土壤鹽漬化，嚴重制約了新疆農業的發展。

油莎豆（Cyperus esculentus L.）又名油莎草，是莎草科莎草屬植物，原產于非洲和地中海沿岸地區。油莎豆具有宜播期長、生物量大、抗逆性強、適應性廣和病蟲害少等植物學性狀，同時還具有產量高、含油量高和油品質好等經濟性狀[2]，其生長期120 d左右，主要收獲地下塊莖，一般平均產量8 250 kg·hm^-2 左右，是花生的2 倍、油菜的3～4倍，油脂平均含量達25%，淀粉35%，糖分15%，粗蛋白5%左右，塊莖榨油后，剩余部分還可用于生產淀粉、制糖、釀酒等[3]。新疆所處緯度與油莎豆原產地基本一致，光熱等自然條件相似，同時新疆擁有較多沙性土壤地區，因此在油莎豆的種植上具有較大潛力[4]。

光合作用是評價植物耐鹽堿脅迫能力的重要生理指標。研究發現，鹽堿脅迫條件下植物葉片中葉綠素和類胡蘿卜素總量下降，且隨脅迫水平的增加葉綠素含量下降幅度也不斷增加[5]。鹽脅迫可使垂絲海棠葉片中總葉綠素、葉綠素a和類胡蘿卜素的含量降低[6]；而植物光合作用的強弱受到多種因素的影響，且與植物自身狀況和新陳代謝水平密切相關[7]。Mahlooji等[8]研究發現，低水平鹽脅迫對大麥的光合作用有一定促進作用，而重度鹽脅迫則會使葉綠體結構受損，影響光能在光系統間的分配，進而降低光合速率。鹽堿脅迫下植物光合速率降低的原因分氣孔限制和非氣孔限制，分別是由滲透脅迫和離子毒害導致的[9]。有學者認為，低水平鹽堿脅迫下，凈光合速率（netphotosynthetic rate，P_n）的降低主要為氣孔因素，而高水平鹽堿脅迫下則為非氣孔因素[10]。同時，植物葉綠體對光能的利用及消耗途經共分為3種，分別為電子傳遞、葉綠素熒光和熱耗散，3種途徑間存在著緊密聯系，當光能過剩時植物通過增加熒光和熱耗散的比例，從而控制葉片中活性氧含量，減輕植物所受傷害。當前，對油莎豆耐鹽性研究較少且多以單鹽或單堿脅迫為主，而自然界中多以混合鹽堿脅迫為主。本試驗通過對油莎豆在不同水平混合鹽堿脅迫下的光合熒光響應進行研究，揭示油莎豆在混合鹽堿脅迫下的耐鹽機制和油莎豆各生育期在不同程度脅迫下光合熒光的反應，為油莎豆在新疆干旱區鹽堿地種植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以‘中油莎1號’品種為供試材料。選取籽粒飽滿、大小一致、無蟲眼的種子，在5%次氯酸鈉溶液中消毒10 min，無菌水清洗3 次，晾干后備用。試驗所用供試土壤取自石河子大學試驗地農田土壤。

1.2 試驗設計

1.2.1 土壤裝盆處理 試驗采用桶栽法（直徑30 cm、高50 cm的PVC管），依據新疆地區的鹽堿地鹽分組成，選定2 種中性鹽（NaCl、Na₂SO₄）和2種堿性鹽（NaHCO₃、Na₂CO₃），按照NaCl∶Na₂SO₄∶NaHCO₃∶Na2CO3 為12∶9∶8∶1 的摩爾比配成混合鹽堿。本試驗以總鹽量為1.18 g·kg-1的農田土作對照（CK），向各處理農田土壤中依次加入3.0（T1）、4.0（T2）、5.0（T3）、7.5（T4）、10.0 g·kg^-1（T5）的混合鹽堿，共計6個處理，各處理混合鹽堿配成溶液后拌入土壤，混合均勻后堆放20 d，使土壤鹽分達到平衡，加入埋入土中的桶中，每個處理設置9次重復，具體鹽分處理見表1。

1.2.2 種植管理 于2021年4月28日播種，每桶播種3顆，種子萌發期定期澆水，保持土壤墑情防止板結，出苗后隔天19：00—21：00補水1次，視蒸發情況控制水量。每盆分別施入P₂O₅ 2.1 g、K₂O 1.75 g作為基肥，在分蘗期和結豆初期分別施氮1.5 g作為追肥。分別于油莎豆分蘗期、結豆期和成熟期測定光合速率、光合熒光參數，并取樣測定葉綠素含量。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 葉綠素含量測定 每個處理在油莎豆各生育時期選取中上部功能葉片，剪碎混勻后稱取0.2 g（3次重復），分別放入研缽中，加少量石英砂和碳酸鈣粉及10 mL 95%乙醇研磨至組織變白后過濾至25 mL棕色容量瓶，用乙醇定容。分別在波長665、649 和470 nm 測定吸光度A665、A649 和A470。各光合色素含量用公式（1）～（5）計算。

葉綠素a（chlorophyll a，Chl a）=13.95A₆₆₅-6.88A₆₄₉ （1）

葉綠素b（chlorophyll b， Chl b）=24.96A₆₄₉-7.32A₆₆₅ （2）

類胡蘿卜素（carotenoid， Car）=（1 000 A₄₇₀-2.05Chl a-114.8Chl b）/245 （3）

總葉綠素=Chl a+Chl b （4）

光合色素（mg·g^-1）=C×V×N/W （5）

其中，C 為色素質量濃度（mg·L^-1），V 為提取液體積，N 為稀釋倍數，W 為樣品鮮重。

1.3.2 光合參數測定 選取中上部功能葉，利用Li-6400光合儀（Li-Cor，美國）于晴天11：00—13：00測定，測定系統采用開放式氣路，光合有效輻射設置為1 500 μmol·m^-2·s^-1，葉室內空氣流量設定為500 mL·min^-1。測定凈光合速率（P_n）、氣孔導度（stomatal conductance，Gs）、蒸騰速率（transpiration，Tr）及胞間 CO₂濃度（intercellular CO₂ concentration，Ci），重復5 次。按公式（6）計算水分利用效率（water use efficiency，WUE）。

WUE= Pn/Tr （6）

1.3.3 葉綠素熒光參數測定 采用FMS-2脈沖調制式熒光儀（Hansatech 公司，英國）選擇晴天11：00—13：00和夜晚暗處理1 h后，分別測定初始熒光（initial fluorescence，F₀）、最大熒光（maximumfluorescence，F_m）、最大光化學效率（maximumphotochemical efficiency，F_v/F_m）和PSⅡ實際化學效率（actual chemical efficiency，ΦPSⅡ），并計算得出調節性能量耗散[regulated energy dissipation，Y（NPQ）]、非調節性能量耗散[unregulated energydissipation， Y（NO）]、光化學猝滅系數（photochemical quenching coefficient，qP）、非光化學熒光淬滅系數（non-photochemical fluorescencequenching coefficient，qN）[11]。

1.4 數據處理方法

采用Microsoft Excel 2010進行數據處理，采用SPSS 26.0軟件進行數據分析、采用Origin 2019軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 混合鹽堿脅迫對油莎豆葉片光合參數的影響

2.1.1 對油莎豆葉片光合色素的影響 隨混合鹽堿脅迫程度的增加，各生育期油莎豆葉片中葉綠素含量的變化趨勢也不同（圖1）。在分蘗期時，葉綠素a、葉綠素b含量均隨脅迫程度的增加表現為增加趨勢，均在T5 處理時達到最大，其中，葉綠素a和葉綠素b含量分別在T3和T1處理時開始較CK 差異顯著，較CK 分別增加21.66%和22.41%。在結豆期時，葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素含量則表現出先升后降的趨勢，其中，葉綠素a和葉綠素b含量分別在T2和T3處理時達到最大，較CK 分別顯著增加8.04% 和84.81%。類胡蘿卜含量與葉綠素含量表現大致相反。在成熟期時，各類葉綠素含量均表現為降低趨勢，且均在T1處理下較CK達到顯著差異；而類胡蘿卜含量則表現為上升趨勢，分別較CK 增加3.10%、15.48%、87.18%、124.16% 和135.45%，并在T3處理時較CK達到顯著差異。以上表明，在分蘗期鹽堿脅迫對油莎豆葉片葉綠素的積累有一定促進作用，而到結豆期僅T3 水平以下處理可導致葉綠素含量的增加，且均對葉綠素b影響更為明顯。成熟期鹽堿脅迫則可導致葉綠素含量的顯著下降，表現為抑制作用。一定程度混合鹽堿脅迫可促進油莎豆分蘗期和結豆期葉片中葉綠素含量的增加，而隨著生育期推移其表現促進作用的最大鹽水平不斷降低，成熟期表現為抑制作用。

2.1.2 對油莎豆葉片氣體交換參數的影響 由表2可知，隨混合鹽堿脅迫程度的增加，油莎豆葉片凈光合速率在分蘗期和結豆期均表現為先上升后下降的趨勢，且均在T3處理時達到最大，分別較CK增加59.23%和18.47%。其中，分蘗期各鹽堿處理下凈光合速率均大于CK，而結豆期T4、T5處理凈光合速率大幅下降，顯著低于CK；在成熟期時，油莎豆葉片凈光合速率隨混合鹽堿脅迫程度的增加表現為下降趨勢，各處理較CK分別顯著減少14.38%、34.99%、34.73%、34.86%和44.78%。氣孔導度和蒸騰速率在分蘗期表現為先升后降的趨勢，且均在T4處理時達到最大，較CK分別顯著增加81.77% 和32.08%；而在結豆期和成熟期則表現為下降趨勢，均在T5處理下最小。胞間CO₂濃度在分蘗期表現為上升趨勢，各鹽堿處理分別顯著增加5.53%、5.53%、5.79%、8.60% 和9.11%；結豆期表現為先降后升的趨勢，于T2處理時表現最小，較CK顯著減少45.97%；而成熟期則表現為下降趨勢，于T4處理時開始與CK達到顯著差異。水分利用效率在分蘗期和結豆期均大致表現為先升后降的趨勢，且均在T3處理時達到最大，較CK分別顯著增加38.57%和58.22%。以上表明小于5 g·kg^-1（T3處理）的混合鹽堿處理對油莎豆分蘗期和結豆期的凈光合速率均有一定促進作用。

2.2 混合鹽堿脅迫對油莎豆葉片熒光參數的影響

2.2.1 對油莎豆葉片F0、F_m、F_v/F_m 及ΦPSⅡ的影響 隨著混合鹽堿水平的增加，油莎豆各生育時期初始熒光（F₀）的變化趨勢基本相同，均呈現上升趨勢，并且隨著生育期的延后，這種趨勢越發明顯（圖3），其中，在分蘗期F₀在T3處理時與CK達到顯著差異，增加11.76%，而成熟期則在T2處理時就達到顯著差異，較CK增加17.31%。最大熒光（F_m）隨鹽堿脅迫程度的增加，在各生育期均表現為先升后降的趨勢，其中，分蘗期和成熟期均在T2處理時達到最大，分別較CK增加2.15%和6.28%，而結豆期在T1處理時達到最大，較CK增加2.13%。各生育時期最大光化學效率（F_v/F_m）的變化趨勢也基本相同，均隨著脅迫程度的增加呈現下降趨勢，分蘗期、結豆期和成熟期分別在T3、T4、T3處理時較CK下降達顯著差異，分別下降1.11%、1.92%和1.42%。而PSⅡ實際化學效率（ΦPSⅡ）隨脅迫程度的增加各生育時期均呈現下降趨勢，且隨著生育期的延后下降幅度顯著增加，分蘗期各鹽堿處理分別較CK減少3.78%、10.03%、18.62%、21.21%和26.19%，結豆期分別較CK 減少3.75%、16.68%、23.37%、41.46%和57.89%，成熟期分別較CK減少1.14%、9.03%、33.10%、55.44%和68.86%。

2.2.2 對油莎豆葉片Y（NPQ）、Y（NO）、qP及qN的影響 由圖4可知，隨鹽堿脅迫程度的增加，調節性能量耗散[Y（NPQ）]、非調節性能量耗散[Y（NO）]以及非光化學熒光淬滅系數（qN）在各生育時期均表現為上升趨勢。其中，Y（NPQ）的上升幅度最大，在分蘗期隨鹽堿脅迫程度的增加，各鹽堿處理分別較CK 上升11.89%、32.51%、54.76%、59.95%和78.85%，結豆期分別較CK上升8.55%、29.91%、44.99%、83.86%和116.81%，成熟期分別較CK 上升8.34%、32.22%、85.23%、132.72% 和158.50%，且各時期均在T2處理時與CK達顯著差異。Y（NO）在分蘗期和結豆期均在T2 處理時與CK 達到顯著差異，分別較CK 上升11.77% 和25.14%，成熟期則在T3處理開始與CK達到顯著差異，較CK上升13.18%。qN在分蘗期和成熟期均在T2處理開始與CK達到顯著差異，分別較CK上升7.10% 和16.12%；結豆期則在T4 處理時與CK 達到顯著差異，較CK 上升9.25%。光化學猝滅系數（qP）隨鹽堿脅迫程度的增加各生育期大體表現為下降趨勢，且隨生育期的延后下降趨勢逐漸增大；在分蘗期隨鹽堿脅迫程度的增加，各鹽堿處理較CK 分別下降2.89%、7.82%、14.96%、16.72%和20.89%，結豆期分別較CK下降2.72%、14.43%、20.17%、37.00% 和53.63%，成熟期分別較CK 下降-0.49%、3.76%、26.97%、50.31% 和64.18%。以上表明在混合鹽堿脅迫下油莎豆可通過增加調節性能量耗散，減少植物因光能過剩所造成的損傷。

2.3 混合鹽堿脅迫對油莎豆產量的影響

由圖4可知，隨鹽堿脅迫程度的增加，除結豆數在T1處理較CK小幅度回升以外，油莎豆結豆數和產量均呈顯著下降趨勢。其中，T2～T5處理結豆數隨鹽堿脅迫程度的增加較CK分別顯著降低10.69%、26.06%、57.02%、69.93%。產量較CK分別顯著降低7.77%、19.97%、43.49%、70.11% 和81.49%，各處理間差異顯著，且結豆數和產量均在T4處理時較CK降幅超過50%。以上說明油莎豆對5 g·kg^-1（T3處理）的混合鹽堿具有一定的適應能力。

3 討論

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，反映植物光合潛力的大小，鹽堿脅迫對植株中葉綠素含量影響顯著，脅迫環境下，植物體內Na⁺、Ca²⁺等鹽離子積累可造成離子毒害作用，破壞葉綠體結構，降低植物葉綠素含量，使植物的正常光合作用受阻。隨著NaCl與NaHCO₃脅迫時間的延長及鹽水平的增大垂絲海棠幼苗葉綠素 a、葉綠素 b、總葉綠素含量和凈光合速率均表現為下降趨勢[12]。本研究中，在鹽堿脅迫下油莎豆分蘗期葉片中葉綠素a和葉綠素b含量均隨鹽堿脅迫程度的增加表現為上升趨勢，且在結豆期呈現為先升后降的趨勢，成熟期則呈現為不斷下降的趨勢，這與錢玥等[13]研究結果相似。一方面可能是油莎豆在前期生長中Na⁺主要積累于根系，對葉片影響較小，葉綠體的功能正常，且鹽堿脅迫可能激活了油莎豆內的保護機制，進而提高了葉片中的葉綠素含量[14]；另一方面可能是根系為應對離子毒害增加了Mg²⁺的吸收量，同時Na⁺過量可能會導致油莎豆體內葉綠素酶活性受到抑制，減少葉綠素分解，而較多的Mg²⁺又促進了葉片中葉綠素的積累，從而使葉綠素含量增多[15]。而結豆期和成熟期葉綠素含量的下降，則主要是高強度或長時間的鹽堿脅迫導致葉綠體的結構受損，且長時間的離子毒害也會影響葉綠素-蛋白質復合物的穩定性，提高葉綠素氧化酶活性，從而加快葉綠素的分解[16]，同時葉綠素分解減少可一定程度地增加細胞液泡中Mg²⁺的含量，從而增加葉片的保水能力。

光合作用是植物最關鍵的生理過程之一，光合系統的正常運轉是植物生長和產量形成的基本保障。在長時間鹽堿脅迫下，植物氣孔導度降低CO₂的擴散受到抑制，從而影響植物的光合作用，同時也會引起氧化應激反應，改變植物光合代謝[17]。Luo等[17]研究發現，在鹽堿脅迫下黑枸杞幼苗的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均有所下降。而Kodama等[18]發現，鹽脅迫對大麥的光合速率有一定促進作用，但其生物量卻不斷降低。本研究中，鹽堿脅迫下油莎豆葉片P_n在分蘗期和結豆期均表現為先上升后下降的趨勢，僅在成熟期表現為下降趨勢。值得注意的是，雖然P_n在T1、T2、T3處理顯著上升，但其生物量卻呈下降趨勢，這可能是脅迫干擾了植物的代謝，影響了光合產物的分配，但油莎豆在一定時間和一定脅迫水平仍能維持較高的光合速率，其原因有待進一步研究。除P_n 外，鹽堿脅迫也影響了油莎豆葉片的G_s、C_i、T_r和WUE，總體表現為G_s和T_r下降，WUE在分蘗期和結豆期先升后降，成熟期先降后升，而Ci在分蘗期表現為上升趨勢，成熟期則表現為下降趨勢。研究表明，隨著鹽脅迫程度的增大，植物葉片中Tr和G_s不斷下降，但Ci的變化卻并不明顯[19]，同時鹽堿脅迫下，植物通過提高WUE來滿足自身生長對水分的需求，從而起到對脅迫的主動調節作用，表現出高度適應性[20]。而WUE表現的升降變化又與自身遺傳特性相關，如形態結構、適應與保護機制、氣孔調控方式、同化方式與分配模式等[21]。

熒光參數的變化反映了植物光合作用中能量的傳遞與轉化，通過測量葉綠素熒光的變化可以在脅迫環境下準確、快速地了解植物的健康狀況[2223]。一般認為，當F₀升高時表明PSⅡ反應中心受到一定傷害，光合色素所吸收的能量中以熱和熒光的形式釋放的比例增加[23]。本研究中，T1處理對油莎豆葉片F₀的影響在各時期均不顯著，表明葉片在該處理下PSⅡ反應機構尚能保持完整不受損害。但隨脅迫程度的增加或時間的延長，分蘗期在T3處理或成熟期在T2處理均較CK達到顯著差異，表明PSⅡ反應中心已遭受一定損傷。F_v/F_m能夠體現光能吸收轉化過程，表征光合器官將吸收的光能轉化為化學能的最大效率[24]。本研究中，F_v/F_m 和ΦPSⅡ表現為下降趨勢，這與金微微等[24]對鹽脅迫下桑樹的葉綠素熒光特性變化的研究結果一致，表明鹽堿脅迫會對 PSⅡ造成損傷，導致植物葉片光合作用的潛在活力及實際效率下降。qP反映了PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，也在一定程度上反映了PSⅡ反應中心的開放程度。本研究中，qP隨脅迫程度的增加表現為下降趨勢，且隨脅迫時間的增加降幅逐漸增大，說明PSⅡ反應中心的開放程度受鹽堿影響較大。除此之外，當光合機構所能利用的能量小于提供的能量時，植物會通過熒光和熱耗散的方式將多余能量散出，其中qN可表示為不進行光合電子轉移而通過熱耗散方式被消耗的部分能力[25]，反映了植物對逆境所產生的一種自我調節和保護機制，Y（NPQ）表示為植物光保護機制所調節的能量耗散，Y（NO）則表示為被動過程。本研究中，qN、Y（NPQ）和Y（NO）均隨脅迫的增加表現為上升趨勢，表明鹽堿脅迫下油莎豆葉片利用光能的能力不斷降低，而成熟期T1、T2處理Y（NO）較CK均無顯著差異，表明該處理下油莎豆主要通過其保護機制進行能量耗散，沒有對PSⅡ反應中心造成不可逆的損傷，說明油莎豆具有較強的耐鹽性能。在產量指標中隨鹽堿脅迫程度的增加，油莎豆產量表現為下降趨勢，而結豆數則表現為先上升后下降的趨勢，且均在7.5 mg·g^-1時下降至CK處理的50%以下。推測油莎豆對于混合鹽堿脅迫的閾值在5.0～7.5 g·kg^-1之間，且鹽堿脅迫對其總粒重的影響大于結豆數。

（責任編輯：胡立霞）