张玉玉, 王进鑫, 马 戌, 吕国利, 冯树林

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100; 3.农业部 西北植物营养与农业环境重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

由于自然界的降雨脉冲及人为灌溉等原因，不仅在干旱半干旱地区经常会出现土壤缺水和干湿交替的现象，而且在南方等非干旱地区也经常出现季节性干旱。干旱胁迫是影响植物生长、生理生化的主要限制因子。当植物处于干旱环境时，会通过调动自身的生理生化过程或启动自我的保护机制来避免自身受到损伤[1-2]。植物当前的生长状态不仅与过去的水分历时有关，而且与当前所处的水分环境有关。Acevedo等[3]研究发现，植物经受一定强度的干旱胁迫后复水，因干旱造成的生长抑制及生物量的损失等可以弥补，复水后植物会出现短暂的加速生长。侧柏[Platycladusorientalis(L.) Franco]属常绿乔木，常为阳坡造林树种，也是常用的园林绿化及困难立地植被恢复树种。适应性强，对土壤要求不严，在酸性、中性、石灰性和轻盐碱土壤中均可生长。既耐干旱瘠薄，又喜生于湿润肥沃排水良好的钙质土壤，除青海、新疆外全国均有分布。因此，本文研究耐旱喜湿的典型造林树种侧柏经干旱胁迫后复水对其叶绿素荧光参数影响。

在正常的环境条件下，植物叶片叶绿素所吸收的太阳光能通过3个途径来消耗，分别是光合电子传递、叶绿素荧光发射和热耗散，而这3个途径之间存在着一定的彼此消长的相互关系，光合作用和热耗散的变化都会引起叶绿素荧光参数相应的变化[4]。作为联系环境和植物光合作用的内在指标叶绿素荧光参数，近些年来，广泛作为研究植物在干旱、高温、低温、强光等逆境胁迫条件下抗逆性指标的有效探针[5-10]。在干旱胁迫的条件下，叶绿素荧光参数会发生一定的变化，Guo等[11]对黑枸杞(LyciumruthenicumMurr)经干旱胁迫后的研究发现NPQ增加，最大荧光、最大量子产量等降低，说明干旱胁迫影响了PSⅡ反应中心的开放性。Lang等[12]研究连翘(Forsythiasuspensa)幼苗经土壤干旱胁迫后，RSWC从51.84%下降到37.52%时，NPQ有增加的趋势，当RSWC低于37.52%时，Fv/Fm，Yield，NPQ和qP显著降低。刘筱等[13]研究干旱胁迫对何首乌(PolygonummultifloraThunb.)叶绿素荧光参数的影响表明，随着干旱胁迫的加剧，Fv/Fm和ETR值呈现出先升后降的趋势，而NPQ则呈现降低趋势。杨文权等[14]研究干旱及复水对小冠花(CoronillavariaL.)叶绿素荧光参数的影响显示，干旱胁迫天数过长及胁迫程度过大不仅会影响小冠花的光合作用，还会使小冠花的光反应中心受损；但由于小冠花有一定的抗旱性，胁迫解除后，光合作用能很快恢复至正常水平，叶绿素荧光参数(Fv/Fm，Yield，ETR，NPQ等)也能快速恢复到原始的水平。

植物在生长发育过程中，均呈现出一定的阶段性变化规律，且在不同生长阶段对环境的要求也存在着明显的异质性[15-16]。王进鑫等[17]研究发现，对侧柏幼树蒸腾耗水影响较大的是生长盛期的土壤供水状况。因此，侧柏幼苗在生长盛期对土壤水分的响应更加明显。张慕黎[18]研究侧柏经干旱胁迫后光合速率随着胁迫程度的加剧逐渐降低，复水后胁迫程度越小其恢复能力越强。庞云龙[19]研究侧柏幼树光合速率、蒸腾速率在复水24 h后均有不同程度的恢复。目前有关侧柏生长与土壤水分之间关系的研究，多以光合作用的研究为主，而对光合作用内在探针即叶绿素荧光参数的研究较少。因此，本文研究生长盛期侧柏幼苗经过不同程度土壤干旱胁迫及旱后复水对叶绿素荧光参数的影响，分析叶绿素荧光参数与土壤干旱及旱后复水之间的关系，掌握侧柏幼苗对干旱胁迫的响应机制，进一步反映土壤干旱及旱后复水对侧柏光合作用的影响，从而为侧柏在逆境条件下更好的生长提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

试验在陕西杨凌西北农林科技大学南校区防雨旱棚(108°07′E，34°16′N)内进行，采用旱棚人工控水的方法进行布设。该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，降水季节分配不均匀，有78%的雨量集中在5—9月，且时有暴雨出现。年平均相对湿度70%左右，年平均气温12.9℃，1月平均气温-1.2℃，7月平均气温26.0℃，≥10℃年有效积温4 169.2℃，年干燥度1.1。

试验选取地径、株高和根系基本一致的1 a生侧柏幼苗，冲洗根系后用吸水纸吸干苗木表面水分，记录地径、株高和鲜重，于2018年3月15栽植在口径29 cm、深27 cm统一规格的塑料桶中，每桶栽植2株，并对其进行编号。栽培基质为土，通透性良好，田间持水量为22.3%，充分风干后，进行过筛，除去石砾、结核及林草根系，充分混匀后每盆装10 kg。采用边埋边压边提苗的方式栽植，并在土层表面铺盖2 kg石砾以减少土体表面蒸发。浇灌一定体积的水，以保证苗木成活。然后放置室外自然透风塑料旱棚内，使侧柏幼苗盆栽土壤水分维持在田间持水量的80%～90%。

1.2 试验设计

本试验土壤干旱胁迫程度参照王进鑫[17]，吉增宝[20]等的研究，设置4个土壤水分梯度[土壤相对含水量(RSWC)为40%，52.16%，70%，87.84%]，每个处理4个重复，另设一个对照(RSWC为100%，充分供水)。干旱胁迫外的所有时间内按照100%相对含水量对各处理供水，试验期间栽培基质保持自然肥力，不施肥。整个试验过程中，以大棚内自然温度和光照为主，采用人为适时控制补水的办法，使土壤水分达到试验要求。

2018年6月15日开始对侧柏幼苗盆栽进行水分控制，将表面的石砾去掉，增大土壤蒸发或适当补水，使其在6月20日的土壤相对含水量达到40%，52.16%，70%，87.84%，对照组幼苗盆栽土壤相对含水量保持100%。采用称重法对侧柏盆栽进行控水处理，历时60 d。于8月21日上午8∶30—11∶30对其叶绿素荧光相关指标进行复水前测定，8月22日早晨6∶30对各处理进行复水(按土壤相对含水量100%复水)，分别于复水后2，24，48，72 h对其指标进行测定。

1.3 叶绿素荧光参数测定

使用德国WALZ公司生产的便携式调制叶绿素荧光仪mini-PAM2500对侧柏叶片进行活体测定。试验于8月21日上午8∶30开始，测定前先对各处理进行暗适应30 min，然后分别测定其相应指标。用弱测量光测定初始荧光Fo[强度低于1 μmol/(m2·s)]，接着照射饱和脉冲光[强度大于7 000 μmol/(m2·s)，0.8 s]测得最大荧光Fm，根据Fo和Fm计算PSⅡ的最大光化学量子产量Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm。等荧光恢复到Fo附近打开光化光[606 μmol/(m2·s)]进行荧光诱导，约4～5 min荧光达到稳态测量，再次打开饱和脉冲测量即时荧光(F)、即时最大荧光(Fm′)，根据F和Fm′计算PSⅡ实际光化学量子产量Yield=(Fm′-F)/Fm′。相对光合电子传递速率(ETR)和非光化学淬灭系数(NPQ)可直接读取。

1.4 数据处理

数据统计分析采用Microsoft Excel和SPSS软件结合进行，使用单因素方差分析(one-way ANOVA)，并运用Duncan检验方法来确定每个指标在各处理间差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 侧柏幼苗最大光化学量子产量Fv/Fm对土壤干旱及旱后复水的响应

叶绿素荧光参数Fv与Fm的比值(Fv/Fm)是PSⅡ最大光化学量子产量，能反映PSⅡ反应中心最大原初光化学量子效率，在正常的环境条件下生长的植物，Fv/Fm值的变化范围极小，Fv/Fm是反应光抑制程度的可靠指标和良好的探针[21]。由图1可以看出，侧柏幼苗Fv/Fm随着土壤干旱胁迫程度的加剧呈现先降后升再降的趋势，各处理差异显著(p<0.05)。复水后，不同干旱胁迫条件下侧柏幼苗Fv/Fm随着复水时间的延长呈现先增大后减小的趋势，在复水24 h除70%的处理其他处理都达到最大值，之后缓慢降低。70%的处理在复水48 h达到最大值，与对照差异显著，比对照增加了2.4%。而复水72 h重度胁迫(40%)比对照下降了1.3%，与对照差异显著，这说明侧柏幼苗Fv/Fm对复水做出了短暂的恢复，而轻度胁迫87.84%的处理仍比对照高了0.8%，与对照差异不显著。复水2～48 h各处理与对照相比差异极显著(p<0.01)，复水72 h各处理与对照差异显著(p<0.05)，同一胁迫处理在不同的复水时段差异极显著(p<0.01)。说明侧柏幼苗对复水能做出及时的响应，随着复水的进行各处理及时恢复并超过对照，出现补偿效应。

2.2 侧柏幼苗实际光化学量子产量Yield对土壤干旱及旱后复水的响应

实际光化学量子产量Yield是PSⅡ实际光化学量子效率，反映了PSⅡ反应中心有部分关闭的情况下实际原初光能捕获效率，即用于光化学反应所占PSⅡ吸收光能的比例。复水前侧柏幼苗Yield随着土壤干旱胁迫程度的加剧逐渐降低，其中重度胁迫40%的处理比对照降低了4.9%，各处理与对照差异极显著(p<0.01)。随着复水时间的延长，各胁迫处理Yield先增大后减小，其中土壤相对含水量为87.84%的处理在复水24 h达最大值比对照上升了2.3%，与对照差异显著，在复水48 h其他胁迫处理下Yield达到最大值，其中70%的处理比对照升高了1.4%，与对照差异显著(图2)。Yield值越大，说明光能转化效率越高，形成的光合产物就越多。对侧柏幼苗Yield进行方差分析发现，不同复水时段各处理与对照差异极显著(p<0.01)，同一胁迫处理在不同的复水时段差异显著(p<0.05)。说明土壤干旱胁迫在侧柏幼苗的耐旱阈值内，幼苗Yield经土壤干旱胁迫后复水都得到了相应的恢复并在复水48 h各处理出现了补偿效应，之后出现降低的趋势。

注：图中大写字母表示同一时间各处理差异的显著性(p<0.05)，小写字母表示同一处理不同恢复时间差异的显著性(p<0.05)。

图2 不同程度土壤干旱及旱后复水对侧柏幼苗Yield的影响

2.3 侧柏幼苗相对光合电子传递速率ETR对土壤干旱及旱后复水的响应

相对光合电子传递速率ETR是光合机构吸收光能之后发生电荷分离，产生的电子，沿着电子传递链向下传递的速率。由图3可以看出，侧柏幼苗ETR值随着土壤干旱胁迫程度的增加呈现出先降后升再降的趋势，各处理与对照差异极显著(p<0.01)，其重度胁迫40%的处理比对照下降了4.5%。复水后ETR值呈现先增大后减小的趋势，在复水48 h各处理ETR达最大值，其中重度胁迫40%的处理比对照增加了1.2%，与对照差异显著，在复水72 h后又呈现下降的趋势。在复水2 h和24 h随着复水的进行各处理与对照差异极显著(p<0.01)，复水48 h和72 h各处理与对照差异显著(p<0.05)，同一胁迫处理在不同的复水时段差异极显著(p<0.01)。说明侧柏幼苗随着土壤干旱胁迫程度的加剧，光合作用逐渐下降，而这种胁迫对侧柏幼苗没有造成不可逆的损伤，随着复水的进行，幼苗能及时调节自身的生理机制，使其快速恢复并在复水48 h各处理超过对照出现补偿效应。

图3 不同程度土壤干旱及旱后复水对侧柏幼苗ETR的影响

2.4 侧柏幼苗非光化学淬灭系数NPQ对土壤干旱及旱后复水的响应

非光化学淬灭系数NPQ是PSⅡ反应中心天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递，而以热的形式耗散掉多余的那部分光能的比例，热耗散对植物光合机构免受破坏起到积极的作用。由图4可以看出，复水前随着土壤干旱胁迫程度的加剧，侧柏幼苗NPQ值逐渐升高，其中重度胁迫40%的处理比对照增加了22.6%，与对照差异极显著(p<0.01)。NPQ增大说明侧柏以增加热耗散的方式来降低光抑制对其产生的伤害，NPQ的基础是天线复合体的结构重组，作为一个重要的光保护机制，广泛的存在于植物体和各种藻类中[22]。随着复水时间的推移，NPQ值整体上呈现降低的趋势，其中40%的处理在复水2 h和24 h这两个时间段呈现上升的趋势，这可能是由于重度胁迫使侧柏幼苗光保护机制破坏严重，复水后幼苗没有及时恢复或NPQ对复水响应比较缓慢的原因，在复水48 h后开始降低，72 h低于对照。随着复水的进行，各处理与对照差异极显著(p<0.01)，同一胁迫处理在不同的复水时段差异极显著(p<0.01)。说明侧柏幼苗经过不同程度的土壤干旱胁迫后NPQ受到影响，但是随着复水的进行，这种影响都是可以消除的。

图4 不同程度土壤干旱及旱后复水对侧柏幼苗NPQ的影响

3 讨论与结论

3.1 讨 论

植物叶绿素荧光参数作为光合作用内在的有效探针，是研究植物抗旱性的良好指标。叶绿素荧光技术检测到的植物发出的叶绿素荧光信号包含了大量的光合作用信息，而这些信息与植物本身受胁迫程度和自身的营养关系密切[23]。叶绿素荧光技术所检测到的叶绿素荧光信息主要是来自于植物叶绿体PSⅡ反应中心天线色素蛋白复合体中的叶绿素a分子[24]。

Fv/Fm是PSⅡ反应中内禀光能的转换效率，能反映PSⅡ利用光能的能力。结果表明，随着土壤干旱胁迫程度的增大，侧柏幼苗Fv/Fm值呈现先降后升再降的趋势，不同土壤干旱胁迫对侧柏幼苗Fv/Fm都有影响，重度胁迫40%的处理与对照差异显著，其他处理差异不显著，这可能是因为侧柏耐旱性较强，不同程度土壤干旱胁迫60 d对侧柏幼苗Fv/Fm的影响也不是很明显，只有重度胁迫对幼苗Fv/Fm影响显著。这一结果与董果等[25]对侧柏叶绿素荧光特性的研究结果一致。卢福顺等[26]研究表明只有在重度干旱胁迫的条件下，Fv/Fm才会出现显著的变化。复水后，侧柏幼苗Fv/Fm呈现先增加后减小的趋势，在复水24 h各处理出现补偿效应，说明即使重度胁迫对侧柏幼苗Fv/Fm有显著的影响，但这种影响是可以通过复水来消除的，所以土壤干旱胁迫对侧柏幼苗Fv/Fm的影响是可逆的，这与李晓梅等[27]对两种辣椒(CapsicumannuumL.)叶绿素荧光参数的研究一致。

Yield能反映植物对吸收的太阳光能的转换能力。经过不同程度土壤干旱胁迫后，侧柏幼苗Yield随着胁迫程度的加剧而下降，由此说明不同程度土壤干旱胁迫使得侧柏幼苗PSⅡ反应中心受到一定的损伤，抑制了光合作用的原初反应，这与孙志勇等[28]对杂交鹅掌楸(Liriodendronchinense×L.tulipifera)和张国盛等[29]对6种树叶绿素荧光参数的研究结果一致。复水后侧柏幼苗Yield值不断升高，并出现了补偿现象，在复水72 h开始缓慢下降，这可能是因为复水后测定时间比较短，侧柏幼苗耐旱性较强，对复水做出了短暂的恢复响应后，随着长时间的复水，幼苗在生理上又做出了不同的响应机制，这一结论还需后期进一步验证。

叶绿素荧光参数ETR能反映光合机构运转调节的规律。结果发现在重度胁迫的条件下，侧柏幼苗相对光合电子传递速率ETR值急剧下降，这一结果与马仁义等[30]的研究一致，表明侧柏幼苗的生长对土壤水分有一定的需求。复水后逐渐恢复并超过对照，复水72 h出现了下降的趋势，说明侧柏幼苗PSⅡ反应中心因土壤干旱胁迫而遭到破坏，光合速率降低，复水后幼苗能及时调整自身光保护机制，使其逐渐恢复。这一结果与蒙祖庆等[31]对油菜(BrassicanapusL.)叶绿素荧光参数的响应和王振夏等[32]对枫杨(PterocaryastenopteraC. DC.)幼苗经土壤湿干交替变化叶绿素荧光的响应结果一致。

植物非光化学淬灭NPQ对植物光合机构免受破坏起到了积极的作用。试验结果表明，侧柏幼苗NPQ随着土壤干旱胁迫程度的加剧呈现逐渐上升的趋势，其中87.84%与对照差异不显著，其他处理与对照差异显著。在复水后有缓慢的下降趋势。而在复水2 h和复水24 h经过重度胁迫40%处理的侧柏幼苗NPQ依然在上升，这可能是由于重度胁迫使侧柏幼苗光保护机制破坏严重，复水后没有及时恢复，或者幼苗NPQ对复水响应比较缓慢的原因，这一结果还有待验证。复水48 h之后幼苗NPQ开始逐渐降低，说明不同程度的土壤干旱胁迫对侧柏幼苗NPQ有明显的影响，随着复水的进行，各处理及时恢复。

植物叶片的叶绿素荧光参数是研究植物抗逆性的可靠指标，能快速有效地反映植物对土壤水分变化的响应，本试验侧柏幼苗经60 d不同程度土壤干旱胁迫后，通过增加热耗散(NPQ)与降低原初光能转换效率(Fv/Fm)和相对光合电子传递速率(ETR)来实现对PSⅡ反应中心的保护。有学者[18]研究发现生长盛期侧柏光合速率、蒸腾速率随着土壤干旱胁迫程度的加剧逐渐降低，复水72 h后光合速率的恢复度呈现出轻度胁迫处理大于重度胁迫，蒸腾速率在土壤相对含水量为52.16%的处理恢复度最大为0.69。而侧柏幼苗叶绿素荧光参数在复水后得到恢复，所有处理在复水48 h出现补偿效应，说明侧柏幼苗经过不同程度土壤干旱胁迫后，对光合机构造成了一定的破坏，但由于侧柏耐旱性较强，前期干旱胁迫对其没有造成不可逆的破坏，通过后期复水的进行得到恢复，并出现补偿现象。

3.2 结 论

经过不同程度土壤干旱胁迫60 d的侧柏幼苗，Fv/Fm随着土壤干旱胁迫程度的增大呈现先降后升再降的趋势，但不同程度土壤干旱胁迫对侧柏幼苗Fv/Fm影响较小，复水后得到了补偿，在复水24 h和48 h各胁迫程度出现了补偿现象，其中87.84%的处理在复水24 h比对照升高了4.5%，与对照差异显著，出现超补偿现象。Yield随着胁迫程度的加剧而下降，复水后Yield不断升高，在复水48 h出现了超补偿现象，复水72 h开始缓慢下降。在重度胁迫的条件下，侧柏幼苗ETR急剧下降，40%的处理比对照降低了4.5%，与对照差异显著。复水后逐渐恢复并超过对照，复水72 h出现了下降的趋势。NPQ随着干旱胁迫程度的增加呈现上升的趋势，复水后有了缓慢的下降，而在复水2 h和24 h经过重度胁迫(40%)的侧柏幼苗NPQ依然在上升，复水48 h开始缓慢下降。说明不同程度的土壤干旱胁迫对侧柏幼苗PSⅡ反应中心有一定的损伤，降低了PSⅡ原初光能转化效率，抑制PSⅡ反应中心的光化学活性，进而破坏了侧柏幼苗光合作用的原初反应过程。但这种破坏是可以通过复水来弥补的。因此侧柏幼苗PSⅡ能够耐受较长时间的干旱胁迫，从而为侧柏能在逆境条件下更好的生长提供技术支撑。