海岸带强劲的海风往往使沙质地表上的沙粒移动造成沙埋胁迫^[1]。沙埋不仅抑制植物的生长和生存，降低海岸沙地生物多样性，而且沙埋还掩埋公路毁坏农田。同时人为对海岸资源的无序索取使海滨生态系统平衡变得脆弱。恢复滨海沙滩生态环境维护生态系统平衡已受到许多发达国家和我国沿海地区的高度重视^[2]。选择合适的海岸耐沙埋先锋植物、揭示其耐沙埋适应机制将有助于筛选抗沙埋植物和海岸沙地植被的重建。

目前关于沙生植物抗沙埋生理生态学机理研究，已有许多报道。人们研究了长期沙埋对植物解剖结构的影响^[3-4]，及短期沙埋胁迫下植物幼苗抗逆生理响应^[5],更多的则集中在沙埋胁迫下植物幼苗的存活、生长、繁殖、生物量和养分分配^[6-10],还有少量沙埋对植物生存、株高、光合蒸腾特性及其相互关系的研究报道^[11-15]。研究发现，适度沙埋不仅有利于沙生植物的生长和繁殖^[8-10]，而且沙埋可增加植物叶水势、叶片含水量和气孔导度、并引起植物光合速率和蒸腾速率的上升^[11]。随着沙埋深度的增加，差巴嘎蒿幼苗^[12]、沙米和虫实^[13-14]、樟子松幼树^[15]、榆树^[3]叶片光合速率、气孔导度和蒸腾速率下降，并与其存活率下降和株高生长受抑呈正相关。沙埋胁迫下，植物维护较高的光合速率是其快速生长、摆脱沙埋、维护生存的关键。上述关于沙埋胁迫下植物生长与光合代谢关系的研究多集中于内陆干旱沙漠地区小半灌木和沙生植物，而对海岸沙地沙生植物研究较少。另外,一些研究发现，放牧后沙生冰草(Agropyrondesertorum)和羊茅(Festucaovina)等叶片Pn显著高于未放牧采食植株上的同龄叶片^[16]。放牧可使牧草生长加速，牧草产量提高，并认为这是牧草对丢失叶片做出的自身补偿效应,这也是被采食后植物产生的应激适应性反应,是被采食后植物产生的受益结果^[17-18]。沙埋后部分被埋枝叶无法行光合作用是否会引发植物补偿生长、叶片光合特性的改变是否与植株补偿生长有关，目前国内外尚未见报道。而研究沙埋过程中植物光合特性的变化不仅可以揭示沙埋胁迫在植物碳代谢和能量分配改变中的作用，以及植物对沙埋造成损伤的快速补偿机理和快速恢复生长策略，对揭示沙生植物适应极端环境的生理调控机理也具有重要意义。

单叶蔓荆(Vitexrifolia var. Simplicafolia .)为马鞭草科(Verbenaceae)牡荆属(Vitex Linn)落叶小灌木，其不惧沙埋，其发达的根系，匍匐茎着地部分生须根特性使其能很快覆盖地面，在固定沙地、防止风沙流动、维护沙滩环境中是一种优良的地被植物^[19]。其抗沙埋机理及在沙岸沙地土壤改良中作用引起人们的重视。目前人们已从不同程度沙埋胁迫过程中，单叶蔓荆叶片抗氧化酶活力和渗透调节物含量变化^[20]、单叶蔓荆匍匐茎生长和不定根生成^[21]、以及匍匐茎和枝叶中物质转移和碳水化合物转化^[22]等方面研究了其耐沙埋机理，并发现适度沙埋下匍匐茎顶部快速生长、不定根形成在抗沙埋中起关键作用。由于光合作用是植物构建细胞和组织的物质材料来源，也是沙埋下植物快速生长的能量和物质供体。但迄今为止，人们尚不了解沙埋下单叶蔓荆的存活和快速生长是否与其光合蒸腾特征的改变相关，以及植物补偿生长在沙埋后植物持续生存中的作用。

本文拟通过在自然条件下，对沙埋过程中土壤温度和湿度的测定，以及单叶蔓荆叶片FW和DW、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度日变化分析，以揭示沙埋过程中叶片光合作用变化与其耐沙埋的关系，及能量和物质平衡在其适应沙埋中作用，为海岸带自然沙地种群的科学管理提供依据。

1 试验材料与方法 1.1 研究区自然概况

本次试验于2011和2012年的6月到9月在烟台市夹河桥东部海岸沙地进行。烟台市地处山东半岛中部，位于东经119°34′—121°57′，北纬36°16′—38°23′。该地区属于温带季风气候，年平均降水量为651.9mm，主要集中在7—8月，占年降雨量的49%；年平均气温11.8℃，最热月为8月(24.6℃)，历年极端最高气温38.4℃，土壤pH为4.22—6.79。海岸沙地土壤多为风沙土。年平均风速内陆地区3—4m/s，沿海地区4—6m/s。研究区天然群落以耐沙埋植物为主，主要有单叶蔓荆(V. trifolia.) 、筛草(Carex kobomugi Ohwi)和砂引草(Messerschmidia sibirica Linn.)和滨麦(Leymus mollis(Trin.) Hara)等。

1.2 试验材料

由于处于营养期生长的植物，其根茎叶发育最快，对外界环境变化反应最敏感，故本研究以烟台夹河桥东部海岸沙地自然生长处于营养生长的单叶曼荆为试验材料。同时，由于海岸沙地自然生长的单叶蔓荆株型大小不一,为了了解不同大小个体单叶蔓荆对沙埋的响应差异，分别选小株型(幼株)(株高15cm)和大株型(成株)(株高30cm)单叶蔓荆为试验材料，进行沙埋处理。

1.3 沙埋处理

沙埋处理过程包括：(1)去除沙埋试验地上的杂草，并对试验地做标记。 (2)对试验地上所选取的待测沙埋幼株和成株挂标签。 (3)根据成株高度(约30cm)，将其分为3段： 1/3段(0—1/3)、 2/3段(1/3—2/3)、顶部(2/3-顶部)，并用记号笔在植株近地表处、株高1/3处、株高2/3处做标记。同时将植株各段的一对对生叶片作标记，其中一片用于测定叶片鲜重(FW)和干重(DW)，另一片用于光合特性测定。植株各段标记的目的用于检测在沙埋过程中沙埋厚度是否改变。最后进行沙埋处理，同法标记幼株。(4)不同厚度沙埋处理试验设计，对幼株沙埋处理设对照(不进行沙埋处理)、轻度沙埋(1/2株高)、重度沙埋(全埋)；成株沙埋处理设：对照组、轻度沙埋(沙埋至株高的1/3处)；中度沙埋(沙埋至2/3处)、重度沙埋(完全沙埋)。(5)沙埋处理，即将分别剪成高为30cm(重度沙埋)、20 cm(中度沙埋)和10cm(轻度沙埋)的纸盒子围成面积约为1—2 m²的方框。按沙埋厚度选取纸盒方框将所选植株框起，然后收集远处地表的干沙向选定的方框内覆盖干沙至与框同高，同时，一边覆沙，一边尽量将叶片摆放自然，以达到模拟自然沙埋的状态。沙埋后将纸盒方框除去，沙埋区域周围再补充少量干沙，使其与地面间成斜坡状，和自然沙地成一体。每个沙埋处理至少包括20株标记的植物，每个处理重复3次。采用同样方法对幼株进行沙埋处理，只是将纸盒子分别做成高8cm和16 cm。

1.4 叶片FW和DW的测定

生长势是反应沙埋植物生长状况的重要指标之一。在沙埋之前、沙埋第5天和第10天，分别从不同沙埋处理标记的成株和幼株中随机采集标记的对生叶，带回实验室用烘干法测定叶片FW和DW。

1.5 光合特性分析

在沙埋处理的第5天和第7天，分别用Li-6400光合仪开放式气路系统连续两天进行光合测定。由于沙埋后沙下叶片处于黑暗潮湿环境光合受抑，在沙埋10d后脱落，对植株持续生长贡献不大，故本研究仅对不同厚度沙埋下沙上叶片的光合特性做了测定。具体测定方法是，从不同厚度沙埋处理的沙上各段标记的叶片中选取5片健康向阳面的叶片用快速测定法测定光合作用日变化，即每叶片连续读取5组数据。每一时间的测定结果由5片叶子的25组数据求平均得到。从06：00至18：00，每隔2 h测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Cond)。同时用缓冲瓶控制CO₂浓度相对稳定。

1.6 数据处理

试验数据采用3个以上重复的平均值±标准差(mean±SD)，用SPSS 11.5软件进行数据分析。

2 结果与分析 2.1 不同厚度沙埋下不同土层土壤含水量及温度的变化

不同厚度沙埋处理5d 和10d，由于受太阳辐射的影响，不同厚度沙埋下，表土层土壤含水量最低(表 1)和温度最高(40℃)(表 2)。随着沙埋厚度增加，原表土层土壤含水量显著增加，而土壤温度明显降低(28℃)。与对照土壤表土层相比(沙埋5 d)，轻度、中度和重度沙埋下，原表土层土壤含水量分别增加4.3倍、15倍和26倍；原表土层土壤温度分别降低了31%、39%和50%。而且同一植株沙埋处理后，沙上叶片处于高温干旱环境，沙下叶片则处于低温和湿润环境。

2.2 不同厚度沙埋对单叶蔓荆叶片生长和物质积累的影响

海岸沙地单叶蔓荆枝条高度不同，为了了解不同株高的单叶蔓荆对沙埋的生理响应差异，本研究分别分析了成株和幼株在沙埋过程中叶片的FW和DW的变化(表 3,表 4)。结果表明，与对照相比，轻度(幼株和成株)和中度(成株)沙埋处理均使沙上叶片FW和DW增高，重度沙埋(幼株和成株)使叶片FW和DW下降(表 3，表 4)。例如，轻度沙埋5 d和10 d中，幼株沙上叶片FW分别较对照增加11%和12%；DW较对照增加27% 和36%；成株沙上顶部叶片FW分别较对照增加27%和29%；DW较对照增加23% 和27%、中部叶片FW和DW较对照增加，但增加幅度较顶部叶片低。中度沙埋5 d和10 d，成株沙上顶部叶片FW分别较对照增加21%和24%；DW较对照增加16% 和23%。幼株和成株顶部叶片FW和DW与对照差异显著(P<0.05)。同时沙埋使沙下叶片FW和DW下降，并低于对照。

另外研究发现，沙埋处理10 d后，沙上株高增加并高于对照，但沙下植株叶片变灰、变黄、变软，尤其是重度沙埋处理下叶片均变软、变黄、最后脱落。

2.3 不同厚度沙埋下单叶蔓荆叶片净光合速率(Pn)的变化

由于受沙埋影响单叶蔓荆植株沙上叶片浓绿而光滑，沙下叶片变软变黄。为此，本研究仅测定了沙上叶片的光合特性，因为沙上叶片的光合作用是单叶蔓荆能否在沙埋后继续生长和存活的能量和物质来源。

结果表明，单叶蔓荆无论是沙埋与否，其叶片光合作用日变化趋势均呈现双峰曲线，即在8:30和13:30时各出现一个峰值(高峰期)，在中午11:30时，Pn下降(低谷期)(图 1)。但对照组植株不同部位叶片Pn存在差异，其中幼株和成株均表现出上部叶片Pn高于下部叶片(图 1)。例如，成株在两个光合高峰期，顶部叶片Pn分别较中部高11%和18%，较基部叶片高35% 和28%；在光合低谷期，顶部叶片Pn分别较中部和基部叶片Pn高15%和20%。同样，幼株顶叶在光合高峰期较基部叶片高63%和39%，在低谷期较基部叶39%。结果表明，正常情况下，单叶蔓荆植株顶部叶片Pn高于下部。

与对照相比，沙埋明显提高了沙上叶片Pn(图 1)。成株在轻度和中度沙埋下，顶部叶片Pn在两个高峰期分别较对照高13% 和24%、10% 和9%(图 1)。幼株在轻度沙埋下在高峰期顶部叶片Pn较对照高10% 和8%。但在光合低谷期，成株和幼株顶部叶片Pn增加较少并与对照差异不显著。同时，与成株对照中部叶片相比，其在轻度沙埋下，中部叶片Pn增高，在高峰期较对照增加17% 和62%，在低谷期较对照高37%(图 1)。相比之下，沙埋处理下，成株Pn增幅大于幼株，中部叶片Pn增幅大于顶部。

2.4 不同厚度沙埋下单叶蔓荆叶片蒸腾速率的变化

无论沙埋还是未沙埋的单叶蔓荆叶片Tr日变化与其光合日变化曲线相同，均为双峰型(图 2)。即随早晨气温增高叶片Tr快速增高，并在8:30 左右达到第1个峰值，然后在气温持续升高到最高时，叶片Tr降入低谷；随着午后气温的下降而又再次升高，在13:30 上升并持续到15:30 左右达到第2个高峰。同样，植株上不同部位叶片Tr值有所不同，上部叶片Tr高于下部叶片(图 2)。如，在高峰期，成株顶部叶片Tr较中部叶片高43%和70%，较基部叶片高29%和10%。

然而，沙埋处理不仅使沙上叶片Tr增加，而且使第2个高峰出现时间推后(图 2))。成株在轻度和中度沙埋下，顶部叶片Tr在两个高峰期较对照分别增加了33% 和72%、 22% 和25%；在低谷期较对照分别增加270% 和122%。幼株在轻度沙埋下顶叶Tr在高峰期分别增加54%和91%，在低谷期增加388%。成株和幼株顶部叶片Tr与对照差异显著(P<0.05)。并且幼株顶部叶片日间Tr高于成株，但两者差异不显著。研究表明，沙埋可提高了沙上叶片日间Tr。

2.5 不同厚度沙埋下单叶蔓荆叶片气孔导度(Gs)的变化

单叶蔓荆成株和幼株日间叶片Gs的变化模式与Pn相同,均为双峰型(图 3)。一天中叶片较大的Gs出现在气温相对较凉爽8:30 和15:30，而在中午气温最高时降低至最低，但与Pn日变化模式不同的是，Pn的第2个峰值出现在13:30，而Gs出现在15:30。另外，成株和幼株均表现出不同部位叶片Gs值有所不同，上部叶片Gs高于下部叶片，但差异不显著。而且成株和幼株间叶片Gs差异也不显著。研究表明，正常情况下植株顶部叶片具有较高的Gs。

不同厚度沙埋均使沙上顶部叶片Gs增加(图 3)。成株在轻度和中度沙埋下，顶部叶片Gs在两个高峰期Gs较对照分别增加了55% 和27%、41%和18%，在低谷期较对照增加113%和293%；幼株在轻度沙埋下，在高峰期顶部叶片Gs较对照分别增加了78% 和27%，在低谷期较对照分别增加和367%。不同厚度沙埋使沙上顶部叶片Gs增加并与对照差异显著(P<0.05)，而且幼株顶部叶片日间Gs高于成株，两者差异显著(P<0.05)。同一植株，在轻度沙埋下，顶部和中部叶片Gs均增高，但增加幅度顶叶大于中部叶片(图 3)。研究表明，不同厚度沙埋均使植株顶部叶片Gs增高并与对照差异显著(P<0.05)。沙埋提高了沙上叶片气孔导度。

3 讨论

叶片是光合作用的主要器官、是能量的转换器、是植物生长的功能单位。叶片的光合特性及光合能力易受环境的影响，并通过其与环境的相互作用而影响着叶的结构性状和功能性状。但是结构性状在特定环境下相对稳定，而功能性状，如光合速率、气孔导度、和蒸腾速率则随着环境变化相对变化较大^[23]。

结果表明，单叶蔓荆叶片日间光合曲线为为“双峰型”，沙埋并未改变其光合曲线模式模式，但却提高了沙上叶片，尤其是顶部叶片Pn(图 1)、Tr(图 2)、Gs(图 3)，导致沙上叶片，尤其是顶叶FW和DW(表 3，表 4)增加。沙埋后沙上叶片FW和DW的增加与Pn的提高呈正相关。也就是说，沙埋通过提高沙上未遭遇沙埋叶片的光合能力维护其物质生产而快速生长和适应沙埋环境。该研究结果与其他研究者的结果一致，如樟子松幼树在轻度沙埋胁迫下(低于株高以上2cm的沙埋)可以导致其幼树Pn、Tr、Gs呈显著增加，在中度(50%株高沙埋)沙埋处理的植株，其叶片Pn、Tr、Gs增加幅度最大^[15]。沙米在轻度沙埋下，其幼苗的高生长和存活率也与Pn、Tr、Gs增加呈正相关^[14]。同样，差巴嘎蒿在轻度沙埋下，株高没有抑制，并且叶片Pn、Tr、Gs较高，随着沙埋深度增加叶片Pn、Tr、Gs呈下降趋势^[12]。研究指出，适度沙埋胁迫下，植物幼苗的高生长和存活与其Pn、Tr、Gs呈正相关^[14-15]。适度沙埋导致沙埋后植株生长加快，物质积累加速的原因可能是，其一，对单叶蔓荆而言，其植株上部叶片的光合能力较强，下部老叶光合能力较弱(图 1)。而轻度和中度沙埋常常并未伤害到光合作用较强的顶部叶片，因此植株仍具有恢复生长的能力。另外遭遇沙埋的老叶在黑暗中无法行光合作用，其老叶中存贮的碳水化合物向沙上叶片转移可为沙上叶片的生长提供能量物质。其二，沙埋诱发单叶蔓荆植株补偿生长。沙埋后沙上叶片维持较高的Pn，积累较多的干物质是植物对沙埋响应做出的补偿生长。这种补偿生长产生的原因可能有内因和外因。

补偿生长的内因是由于沙埋导致植株下部叶片处于沙下黑暗、缺O₂和CO₂的环境中，无法进行光合作用导致植株能量的收入降低，引发植株能量和物质代谢失衡，从而诱发植株启动生长补偿机制，以尽快恢复能量代谢平衡以维持生存。因为在植物生长中，能量代谢是植物代谢的重要组成部分。在一种环境中，植物如不能有效利用光能而积累能量满足呼吸和生长的需求，那么它就无法生存^[24]。一些研究发现，放牧或摘除部分叶片后，植物会通过动用它的所有营养源以补偿它的生长所需的营养亏缺并调整生理反应以维持持续生长的过程^{[17-18, 25-26]}。另外研究还发现，牧草采食后，再生生长主要依靠贮藏的非结构性碳水化合物，以及光合作用固定的C^[27-28]。对单叶蔓荆沙埋胁迫下匍匐茎中碳水化合物变化的研究发现，在轻度和中度沙埋处理中没被沙埋的匍匐茎顶部生长快，且非结构性碳水化合物含量增加，结构性碳水化合物含量降低，沙埋部位枝叶茎中结构性碳水化合物含量较多，非结构性碳水化合物含量较少，沙埋后沙埋部位结构性碳水化合物的分解是匍匐茎不定根生长的能量来源^[22]。为此，受沙埋的植株可能首先将沙下部分茎叶中碳水化合物转移至沙上或将纤维素转化为可溶性糖或淀粉作为能量用于呼吸消耗。另外通过提高沙上叶片光合速率和能量合成能力以弥补沙下叶片无法行光合作用所带来的损失。沙埋胁迫下，植株提高碳水化合物转移和转化能力、提高光能转化和能量合成能力以维护能量和物质代谢平衡可能是单叶蔓荆适应沙埋维持生长的生理适应对策。

补偿生长的外因是沙埋,它使单叶蔓荆植株所处环境改变。研究表明，与对照大气温度(40℃)相比，沙埋后沙下植株叶片处于低温(28℃)、土壤湿润条件下(表 1，表 2)。因此沙埋使同株沙上和沙下叶片处于不同环境。沙埋使沙上叶片与地表面距离缩短，受地面热辐射作用叶片温度增高，同时由于沙埋使植株部分处于沙下低温和湿润环境中使植株整体水分丢失小于对照。有研究报道，沙蒿(Artemsia interarugolica)在土壤干旱时光合速率下降，在晴天土壤湿润时，空气温度控制着叶片的光合速率^[28]。荒漠植物白麻随着土壤含水量的减小叶片Pn随之减小^[29]。一些研究发现，沙生植物C4梭梭和沙拐枣在干旱时Pn下降，在雨后湿润条件下这种植物Pn日变化呈“单峰型”^[30]。因此，沙埋后植株沙上部分处于高温和沙下部分处于潮湿环境从而导致在中午时沙上叶片Tr和Gs明显高于对照(图 2,图 3)。沙埋后沙上叶片Tr和Gs增加，既有利于植株水分蒸腾维护水分循环，还有利于叶片CO₂吸收和叶片光合速率的提高。可见沙埋后沙上高温和沙下的潮湿环境是植株沙上叶片Gs和Tr增加的主要环境因子，也是沙埋后叶片Pn(图 1)增高、叶片FW和DW(表 3,表 4)增加的环境诱导因子。

总之，在正常情况下，单叶蔓荆顶部叶片光合能力较强，下部老叶光合能力较弱。由于适度沙埋并未伤及植株上部叶片，因此，植株仍具有较强的恢复生长的能力而适应沙埋。另外，处于沙下黑暗中的叶片，一方面将其叶中能量物质转移至沙上为沙上叶片生长提供能量。另一方面，由于被沙埋叶片在黑暗中无法进行光合作用引起植株能量收入降低导致能量平衡失衡，而诱发植株补偿生长，导致沙上叶片Pn增加，这是引起植物自身补偿生长的内因。而沙埋后改变了植株生存环境，使植株上部处于高温环境，下部处于低温潮湿环境导致沙上叶片Tr、Gs、Pn提高，这是诱发植物补偿生长的外因。因此，适度沙埋胁迫下单叶蔓荆通过提高未受沙埋叶片光合速率弥补受沙埋叶片无法行光合作用带来的物质和能量损失。沙埋胁迫激活单叶蔓荆体内补偿生长机制在其维持能量和物质代谢平衡适应沙埋中起重要作用，其较强的能量自我调节能力和生理可塑性是单叶蔓荆适应沙埋的关键。