詹瑾，种培芳，李毅，谢惠敏，张玉洁，周鹏飞

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.陇南市经济林研究院，甘肃 陇南 746000)

核桃(Juglansregia)又称胡桃、羌桃，为胡桃科胡桃属植物的统称，是我国重要的生态与经济林树种.其果实与扁桃(Amygdalus.communis)、腰果(Anacardiumoccidentale)、榛子 (Corylusheterophylla)并称为世界著名的“四大坚果”，因含有高含量的不饱和脂肪酸，被誉为“天然”脑黄金[1-3].美国加利福尼亚核桃委员会(the California walnut commission，CWC))将核桃称为“21 世纪的超级食品”.同时核桃果大，出仁率和出油率高，极具开发价值，是我国重要的“木本粮油”战略树种[4].近年来，科研工作者分别从核桃的栽植管理[5]、抗寒性[6]、花芽分化机制[7]、蒸腾耗水[8]、不同核桃品种光合特性的差异[9-11]、自然条件下荧光特性及产量品质[12-13]等方面进行大量的研究.而关于不同灌水量对核桃苗木荧光日变化的研究相对较少.

水分是植物生长发育过程中的关键因子[14].研究表明，植物体的光反应中心受水分调控，在不同水分条件下具有一系列不同的生理生态变化[15-17].因此探讨光合作用响应不同水分条件的机理已成为广大学者关注的热点.其中叶绿素荧光技术可更深入的反映叶片光合作用对生态因子的响应，被称为是生态因子对光合作用影响的内在探针[18-19].

随着水分条件的变化，核桃在响应水分变化时叶绿素荧光特性是否会有差异，为了探明该问题，本研究通过人工控制灌水量，对3种核桃苗木进行盆栽试验，对其叶绿素荧光日变化指标进行测定，以期为核桃生产中合理栽植及水分管理提供理论参照.

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验地设在陇南市经济林研究院成县试验基地，材料为该试验基地已培育好的3年生核桃嫁接苗木.选育广泛种植的3个品种：‘香玲’‘清香’和‘辽核1号’.本研究中‘香玲’和‘辽核1号’为早实、优质核桃新品种.‘香玲’适宜在土、肥、水条件较好的青石山区栽培；‘辽核1号’较抗旱耐瘠薄，对土壤要求不严，抗病性强.清香属晚实类型中结果早，丰产性强的品种，抗性强﹑对生长环境要求低﹑即使在山区立地条件稍差的地方也能结果[20].

1.2 试验设计与测定指标

1.2.1 试验设计 本文与詹瑾等研究降雨变化对不同核桃树种蒸腾耗水及光合特性的试验设计一致[21].该试验设计中依据降雨量来模拟水分条件的思路来源于已有的研究论文，即刘玉英等模拟降雨量变化与CO2浓度升高对羊草光合特性和生物量的研究[22]和种培芳等关于模拟CO2浓度升高和降雨量变化对红砂生物量分配及碳氮特征的研究[23].即根据选取苗木所在地成县，在核桃苗木生长季(4～8月份)每月平均降雨(1987～2016年近30 a这几个月的月平均降雨量为基准)设置降雨.根据成县气象局资料显示，1987～2016年的年平均降雨主要集中在4～8月份，总降雨量为403.00 mm，月均降雨量为80.60 mm，占年降雨量的66.37%；资料还显示，该地区1987～2016年生长旺盛期(4～8月)内最丰年的降雨量为617.50 mm，比平均水平403.00 mm高出约50%，最欠年的降雨量为192.80 mm，比平均水平403.00 mm低约50%.因而设定试验期间降雨量增减50%的处理，并在中间设置增减25%作为过渡.降雨控制试验共设置5个梯度：降雨量减少50%(土壤含水量12.02%)、减少25%(土壤含水量17.73%)、CK(土壤含水量20.02%)、增加25%(土壤含水量23.02%)和增加50%(土壤含水量26.00%).对照是指以成县近30年核桃生长旺盛期(4～8月)每月的降雨量为基准，换算为各处理每月的总灌水量，分10次灌水，每隔3天浇1次水(月平均降雨量及各水分处理下每次灌水量，见表1)，在控水实验结束后用烘干法测定控水梯度相对应的土壤含水量[21].

2017年3月初，挑选生长势基本一致，苗高30～35 cm，无病虫害的3年生核桃苗木‘香玲’‘清香’和‘辽核1号’各25株，每个树种下设有5个降雨量梯度，每个梯度下设定5个重复.阴天时，将其分别移栽到规格为上内径58 cm，高40 cm，下内径45 cm的圆形花盆中，同时在花盆中装入该试验基地无杂质土壤25 kg，在自然条件下缓苗30 d.从2017年4月13日至2017年8月27日进行控水.持续3个晴天后，依据灌水量于2017年4月13日晚20:00通过量筒对苗木进行人工灌水，雨天及时遮盖防雨布[21].

表1 1987～2016年(近30 a)月平均降水量及每次灌水量

1.2.2 叶绿素含量测定 控水试验结束后，进行叶片采样.将不同核桃苗木品种下每个水分梯度下选择3盆所采取的叶片进行混合，再分为3份作为测定样本，每个样本测定3次.参照由高俊凤主编的《植物生理学试验指导》采用丙酮-乙醇法[24]测定叶绿素含量.

1.2.3 荧光日变化测定 控水试验结束后在8∶00～18∶00，每隔2 h采用PAM-2100荧光仪测定核桃苗木叶片荧光日变化.每个叶片在测定参数变化时读取5次数据，取均值作为实测值.在叶片暗适应约30 min后，测量其初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、最大光能转化效率(Fv/Fm)、PSⅡ电子传导速率(ETR)、量子产额(Yield)、光化学猝灭系数(qP)及非光化学猝灭系数(qN)[25].

1.3 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 22.0对数据进行方差分析和多重比较，Origin 8.0进行作图.

2 结果与分析

2.1 不同灌水量对核桃苗木叶绿素含量的影响

由图1可见，3种核桃苗木中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量大体是随着灌水量的增加而增加，并且在各水分条件下的含量均是‘辽核1号’>‘清香’>‘香玲’.灌水量为+50%时，香玲中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总的含量比灌水量为+25%时有所降低.

图1 不同灌水量对3种苗木叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量的影响Figure 1 Effect of different irrigation amountson chlorophy Ⅱ a,chlorophy Ⅱ b and chlorophyⅡ(a+b)content of three seedlings

2.2 不同灌水量对核桃苗木叶绿素荧光参数的影响

2.2.1 初始荧光产量F0和最大荧光产量Fm由图2可见，不同水分条件下3种苗木初始荧光Fo日变化均呈现单峰曲线.从8∶00开始随着光照强度的增加Fo逐渐升高，在12∶00左右达到峰值，后期不断下降；3种苗木Fo大致随灌水量递增而降低；香玲在灌水量为-50%时，Fo日变化值在14∶00～18∶00比灌水量为-25%低；清香在灌水量为-50%时，Fo在12∶00左右的峰值小于灌水量为-25%时.不同水分条件下香玲最大荧光Fm日变化呈现单峰曲线，在10∶00左右达到峰值，从10∶00开始光照强度较高，Fm不断降低，14∶00～18∶00光照强度减弱，Fm开始升高；‘清香’和‘辽核1号’最大荧光Fm日变化呈现双峰曲线，即升-降-升-降的变化趋势，在10∶00和14∶00左右达到峰值；3种苗木Fm随着灌水量降低而降低.

图2 不同灌水量对3种苗木初始荧光Fo和最大荧光Fm日变化的影响Figure 2 Effects of different irrigation amounts on the diurnal variation of initial fluorescence Fo and maximum fluorescence Fm of three seedlings

2.2.2 最大光能转化效率Fv/Fm和量子产额Yield由图3可见，不同水分条件下3种苗木最大光能转化效率Fv/Fm日变化呈现W型曲线，即降-升-降-升的变化趋势；Fv/Fm在14∶00左右达到峰值，在12∶00和16∶00左右达到谷值；3种苗木Fv/Fm大致随灌水量递增而升高；Fv/Fm在‘清香’和‘辽核1号’中的值大于‘香玲’.不同水分条件下3种苗木量子产额Yield日变化呈现单峰曲线；‘香玲’Yield在8∶00～14∶00随着光照强度的增强而升高，在14∶00左右达到峰值；‘清香’和‘辽核1号’Yield呈现升-降-升变化趋势，8∶00～12∶00Yield不断升高，在12∶00左右达到峰值后下降，在16∶00之后开始升高；3种苗木Yield随灌水量递增而升高；Yield在‘清香’和‘辽核1号’中的值大于‘香玲’.

2.2.3 光化学猝灭系数qP和非光化学猝灭系数qN由图4可见，不同水分条件下3种苗木光化学猝灭系数qP日变化呈现两端高中间低的趋势，在中午14∶00左右出现谷值；3种苗木qP大致随着灌水量递增而升高；不同水分条件下3种苗木非光化学猝灭系数qN日变化呈现单峰曲线；在全天12∶00～14∶00期间，以热的形式耗散的能量最多，14∶00之后，qN逐渐降低，说明3种苗木的光合机构并未受损，并逐步恢复对光能的利用率；3种苗木qN大致随着灌水量递增而降低.

图4 不同灌水量对3种苗木光化学猝灭系数qP和非光化学猝灭系数qN日变化的影响Figure 4 Effects of different irrigation amounts on the diurnal variation of coefficient of photochemical qP and non-photochemical quenching coefficient qN of three seedlings

2.2.4 电子传导速率ETRETR是光合机构吸收光能之后发生电荷分离产生电子并沿电子传递链向下传递的速率.由图5可见，不同水分条件下3种苗木电子传导速率ETR日变化呈现单峰曲线；除‘辽核1号’ETR在8∶00～10∶00下降外， 3种苗木ETR上午均随着光照强度的增加不断升高，在14∶00左右达到峰值，下午随着光照强度的减弱ETR持续降低；3种苗木ETR随灌水量递增而升高；ETR在‘清香’和‘辽核1号’中的值大于‘香玲’.

图5 不同灌水量对3种苗木电子传导速率ETR日变化的影响Figure 5 Effects of different irrigation amounts on the diurnal variation of Electron transport rate ETR of three seedlings

3 讨论

自然生长环境中，植物叶片光合作用受其生长环境因子动态变化的影响[26]，其中水分因子作用较为显著.而对于植物自身，叶绿素在其光能的吸收、传递和转换过程中起着关键作用[27-28].有研究表明，齿肋赤藓光合色素含量随含水量的增加呈上升趋势[29]；荒漠化植物红砂叶绿素含量随降雨量的增加而升高[30].本研究表明，3种核桃苗木中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总大体是随着灌水量的增加而增加，并且在各个降雨时期的含量均是‘辽核1号’>‘清香’>‘香玲’.这说明核桃苗木在响应不同水分条件时叶绿素含量产生了显著性变化，且存在品种间差异.‘香玲’在灌水量为+50%时，其叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总的含量比灌水量为+25%时有所降低，说明当水分较湿润时，‘香玲’光合色素含量下降，光合作用减弱，不利于正常生长，在生产中应避免+50%的水分条件，从而提高光合速率以增加光合产物.

受光激发的叶绿素所产生的荧光是光合作用研究的有效探针，逆境环境对光合作用产生的反应都可以通过叶绿素荧光动力学反映出来[31].初始荧光产量Fo的变化可以推测光反应中心的状态以及光保护机制，最大荧光产量Fm是光抑制的重要特征[32].qP表示将光合系统吸收的光能进行转化，直接作用于光合反应，且无其他形式能量的耗散，qN反映的是PS Ⅱ光合色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散的部分[33].本研究中3种核桃苗木荧光日变化中，在12∶00之前Fo、Yield、qN和ETR均呈现上升趋势，Fv/Fm和qP呈现下降趋势；在12∶00～14∶00即中午时刻，Fo、Yield、qN和ETR均较高，而Fv/Fm和qP较低.这说明在强光下光合系统受到一定程度的光抑制，这与徐崇志等[34]关于核桃的研究结果一致；此时PSⅡ反应中心开放程度下降，但光合作用仍较强，ETR保持在较高水平；此期间大量电子被分配到光呼吸上保护光合机构，实际光能捕获效率降低，过剩的光能以热的形式散失，即热耗散和光呼吸是两种重要的光保护机制[10,35-36].

本研究中不同水分条件下3种苗木Fo和qN随灌水量递增而降低，Fm、Fv/Fm、Yield、qP和ETR均随着灌水量降低而降低，该变化趋势与干旱胁迫对沙冬青[37]、葡萄叶片[38]和杉木[39]等的研究结果一致.这种变化规律阐明光系统(PSⅡ)对水分条件变化较敏感，能通过光能捕获效率的降低和非光化学猝灭的增强促进植物在水分胁迫下的光保护[37]，即当水分缺失时，PSⅡ潜在活性中心受损，抑制光合的原初反应，光合电子传递过程；外界高光能补偿时，核桃苗木能通过自身保护机制，将叶片吸收光能中的很大比例以热量的形式散失，导致Yield和ETR降低，高的Fv/Fm和Yield值被认为是叶片高光合效率的依据[40].本研究中Fv/Fm、Yield和ETR在‘清香’及‘辽核1号’中的值大于‘香玲’，这说明当低光强下‘清香’及‘辽核1号’具有较高的叶片光合速率；Yield值正比于非循环电子传递速率[40]，‘清香’及‘辽核1号’用于光合电子传递的能量占所吸收光能的比例较高，在PSⅡ部分关闭时具有较高的光化学效率，因此在该地区实际生产中‘清香’及‘辽核1号’具有较高光合作用优势.

4 结论

叶绿素荧光动力学参数，能够快速反映植物对水分条件变化的响应[41].本研究通过模拟降雨变化，对‘香玲’、‘清香’和‘辽核1号’进行盆栽控水试验.研究发现3种苗木在不同水分条件下通过调控叶绿素含量、Fo、Fm、Fv/Fm、Yield、qP、qN和ETR实现自我保护，并且在不同水分条件下存在种间差异；3种苗木荧光日变化存在光抑制现象，而热耗散和光呼吸是其两种重要的光保护机制；在该地区实际生产中‘香玲’不适于水分条件较湿润地区，‘清香’及‘辽核1号’具有较高光合作用优势.