水分是植物进行光合作用的重要环境和原料,土壤水分不足或过多都会影响植物的光合作用^[1]。植物光合生理过程对土壤水分有限缺水有一定的适应性和抵抗性,光合生理活性并非在土壤水分充足时最高,而是在适度的水分亏缺范围之内。这一范围因植物种类及其生理生态特性的不同而异^[2-3]。光照为光合作用的进行提供能量保证,光强过低或过高都会明显影响植物的光合作用效率^[4],例如植物在强光下会发生光抑制,导致光化学效率降低而对光合作用产生限制作用。光响应过程的测定与模拟分析是植物光合生理生态学研究的重要方法之一^[5],可以获得最大光合速率、表观量子效率、饱和光强、光补偿点和暗呼吸速率等光合生理参数^[6-7],有助于了解植物光合机构的运转状况以及对光的适应性等特征^[8-9]。准确测量低光强下植物的光响应,有助于深入了解光合作用的量子效率及其变化状况,常用的方法是对弱光下(PAR≤200μmol m^-2 s^-1)光响应测量数据进行直线回归分析^[10]。

在黄土高原地区,干旱缺水是最突出的生态问题,土壤水分亏缺是影响植物光合作用、水分代谢以及物质转运等生理活性、制约植物生产与植被恢复的关键因素^[11];强光胁迫也是经常发生的逆境^[12],也是影响植物光合生理过程以及水分利用效率的重要因素^[13]。因此,研究植物光响应过程与土壤水分的关系,对深入了解植物的抗旱生理生态特性及其栽培环境要求具有理论与实践意义。

黄刺玫(Rosa xanthina L.)为蔷薇科蔷薇属有刺落叶灌木,是我国北方山地丘陵地带(秦岭—淮河以北)广泛分布的次生植被之一^[14],有较强的生态适应性、抗逆性以及水土保持等生态功能,在黄土高原等生态脆弱地区的植被建设中具有较大的开发潜力和应用价值。迄今为止,已有报道对黄刺玫的根系结构及固土作用^[15]、群落结构及生态适应^[16]、叶片形态及解剖结构^[17]、光合作用特性等方面^[12]进行了研究,但对黄刺玫在黄土高原等干旱生境下光合作用对土壤水分的响应关系以及土壤水分效应等级划分等问题,还缺乏深入研究和认识。本文在半干旱黄土丘陵沟壑区,采用野外盆栽控水试验,测定黄刺玫叶片在不同土壤水分含量下的光响应过程。研究目的：1)探讨黄刺玫光合作用对土壤水分和光照的响应特征及其定量关系;2)基于光合生理数据尝试划分黄刺玫光合作用的土壤水分效应等级。为深入认识黄刺玫抗旱的光合生理特性和水分利用特性提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

研究区位于山西省中阳县的圪针耳小流域(37°09′51″—37°11′58″N,110°58′41″—111°01′55″E),海拔1400—1600m ^[18],属黄河中游的典型黄土丘陵沟壑区,暖温带亚干旱区大陆性季风气候,多年平均降水量518.6mm,多集中在7—9月份(占全年降水量的70％以上),多年平均蒸发量1019.7mm ^[19]。多年平均气温6—10℃,极端最高气温35.6℃(1994年6月16日),极端最低气温-24.3℃(1980年1月30日),无霜期120—200d,≥10℃年积温达3000℃以上^[20]。研究区属于森林草原灌丛植被区,小流域内乔木树种主要有刺槐(Robinia pseudoacacia)、白榆(Ulmus pumila)、油松(Pinus tabulaeformis)、侧柏(Platycladus orientalis)、丁香(Syringa oblata),灌木主要有黄刺玫(Rosa xanthina L.)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、大果榆(Ulmus macrocarpa),草本植物以菊科和禾本科为主,菊科篙属居多;土壤主要为灰褐性土^[21]。

1.2 试验材料与水分控制

在2011年4月上旬,利用生长势和大小规格基本一致的3年生黄刺玫,进行盆栽试验植株培育,共栽植培育6株(每盆1株),盆栽土壤取自研究区内的林地,每个花盆(内径 38cm,深 45cm) 装 20kg 土壤,试验期间栽培基质保持自然肥力,不施肥。用环刀法测得盆栽土壤容重在1.34g/cm³,田间持水量为23.4%。于7月上旬开始进行土壤控水处理和光响应数据观测(试验盆栽长期埋于土壤中,使盆内土壤与田间土壤同温)。采用人工给水后通过自然耗水的方法获取盆栽土壤的不同含水量。具体方法是：在试验观测前2d灌足水使土壤水分饱和,以后不再浇水使土壤自然干旱。期间,采用烘干法测定土壤质量含水量(MWC,%),用MWC与田间持水量的比值求得土壤相对含水量(RWC,%)。土壤灌水处理2d后获得初期土壤含水量(MWC为22.7%,RWC为96.9%),进行第1次光响应数据测定;其后每2d测定1次(晴天日测定,降雨天顺延)。试验共测定8个土壤含水量系列数据,其MWC(RWC)为22.7%(96.9%)、19.0%(81.2%)、15.6%(66.5%)、12.7%(54.3%)、10.4%(44.6%)、8.5%(36.2%)、7.0%(29.9%)和5.8%(24.8%)。在试验观测期间,搭建简易遮雨棚,在降雨时覆盖塑料薄膜,防止雨水对土壤水分处理的干扰。另外,在花盆上覆盖黑色塑料网,以防止阳光直射表层土壤和水分过量蒸发。

1.3 光响应过程的测定

从培育的6盆植株中选用生长健壮的3株(每盆1株)作为观测植株,在每一观测植株的中部选定生长发育完好的3个复叶并做好标记,利用每一复叶顶部的小叶作为样本叶片,量测叶面积后进行光响应过程测定。试验观测应用英国PPS公司生产的CIRAS-2型光合作用系统(2台),在典型晴天下进行,每个土壤水分处理水平下测定一天(共测定8d),每天测定时间在8:30—11:00,每次测定选定的相同叶片(重复3次计数)。测定时,叶室的空气温度26—28℃、相对湿度(58±4.0)%、CO₂浓度(360±3.0)μmol/mol(使用液态CO₂钢瓶控制),利用人工光源(LED)控制光合有效辐射强度(PAR;μmol m^-2 s^-1)在2000、1700、1400、1100、800、500、300、200、150、120、100、70、50、30、20、0μmol m^-2 s^-1共16个光强水平。每个光强下控制测定时间120s。仪器自动记录净光合速率(P_n,μmol m^-2 s^-1)、PAR、蒸腾速率(T_r,mmol m^-2 s^-1)、气孔导度(G_s,mmol m^-2 s^-1)、胞间CO₂浓度(C_i,μmol/mol)等生理参数。用公式计算叶片(瞬时)水分利用效率(WUE,μmol/mmol)和气孔限制值(L_s)^[22]。

1.4 数据处理与分析

绘制不同土壤水分下黄刺玫P_n对PAR的响应曲线(图 1),依据实测数据点的走势估计饱和光强(LSP,μmol m^-2 s^-1)和最大净光合速率(P_nmax,μmol m^-2 s^-1) ^[23-25]。对弱光下光响应数据进行线性回归^{[10, 26-27]},求得PAR≤200μmol m^-2 s^-1时的光合量子效率(Φ,mol·mol^-1)、光补偿点(LCP,μmol m^-2 s^-1)和暗呼吸速率(R_d,μmol m^-2 s^-1)(表 1),分析其对土壤水分的响应关系。

利用光合作用测定参数P_n、L_s、C_i和T_r、WUE的光响应曲线,求得各个参数在不同RWC下测定的饱和光强范围内的平均值,绘制各个参数平均值与RWC的关系曲线(图 2),分析不同光合作用参数对土壤水分的响应特征和定量关系。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD),在5%水平上对不同土壤水分处理的测定结果进行差异显著性检验。

2 结果 2.1 不同土壤水分下黄刺玫光合作用的光响应

由图 1和表 1看出,黄刺玫叶片P_n在不同土壤水分下的光响应过程具有明显差别。表现为在较低光强(PAR≤200μmol m^-2 s^-1)时,不同土壤水分下的P_n均随PAR的增加而迅速上升,而后逐渐缓慢升高至最大净光合速率(P_nmax),对应出现饱和光强(LSP);之后的光响应过程因土壤水分含量不同而出现较大差别。在RWC为36.2%—81.2%范围时,不同RWC下的LSP差别不大,在1100—1400μmol m^-2 s^-1之间;LSP以上的P_n随PAR的增加变化不大,基本稳定在较高(接近P_nmax)的水平。但RWC超出36.2%—81.2%范围时,黄刺玫的LSP会发生明显降低,至1100μmol m^-2 s^-1以下;LSP以上的P_n也会随PAR的增加而有明显下降。

在一定光强(PAR≥300μmol m^-2 s^-1)下,黄刺玫叶片P_n对RWC的变化表现出一定的阈值响应(图 1)。即RWC在24.8%—66.5%时,P_n随RWC的增加逐渐增大,在RWC为66.5%时达到最大值;此后的P_n随RWC的增加而逐渐减小。在RWC为36.2%—81.2%范围内,黄刺玫P_n水平相对较高(图 1),例如在RWC为36.2%下测定的P_nmax均在其最大值(RWC为66.5%时)的70%以上;在此RWC范围内,黄刺玫的光合量子效率(Φ)和暗呼吸速率(R_d)也都有较高水平(在RWC为66.5%时出现最大值),不同RWC下Φ和R_d测量值在各自最大值的68%和77.6%以上(表 1)。

上述结果表明,黄刺玫的光合生理活性在RWC为36.2%—81.2%范围内具有较高水平,在RWC为66.5%时水平最高,在土壤水分过多或过少(即RWC＜36.2%或＞81.2%)时均会发生明显降低。

2.2 黄刺玫光合作用特征参数与土壤水分的关系

由图 2看出,黄刺玫叶片P_n、T_r、WUE、Φ、C_i和L_s对RWC的变化都有一定的响应关系。当RWC在44.5%—81.2%时,P_n、Φ和T_r都表现出较高水平;其中RWC为66.5%时的P_n和Φ达到最大值,是对光合作用有效性最高的土壤水分临界值(图 2),RWC为81.2%时的T_r具有最大值,是对蒸腾作用有效性最高的土壤水分临界值(图 2)。当RWC在36.2%—66.5%时,WUE表现出较高水平;其中在RWC为44.5%时达到最大值,是对水分利用有效性最高的土壤水分临界值(图 2)。当RWC＜36.2%时,随土壤含水量降低,黄刺玫的C_i显著上升(图 2),而P_n和L_s明显下降(图 2);由此,根据光合作用气孔限制理论^{[22, 28]}可判断知,土壤干旱至RWC为36.2%左右,是黄刺玫光合作用限制的主要原因由气孔因素转变为非气孔因素的土壤水分临界值。

依据黄刺玫光合生理参数与土壤水分的定量关系(图 2),将叶片P_n、Φ、T_r、WUE最大时的RWC(即有效性最高的RWC临界值)和C_i转折值对应的RWC(即光合作用限制由气孔因素转变为非气孔因素的RWC临界值)作为分界点(表 2),进行土壤水分阈值划分,提出黄刺玫光合作用的土壤水分效应等级(表 3)。其中,“产”的高低指叶片净光合速率(P_n)和光合量子效率(或量子产额Φ)的高低,而“效”的高低则指叶片水分利用效率(WUE)的高低。即当RWC低于36.2%时,因土壤水分亏缺严重,黄刺玫光合作用发生非气孔限制(光合机构受到伤害),其P_n、Φ和WUE水平都很低(图 2和表 3),属“低产低效”等级。在RWC为36.2%—44.5%时,黄刺玫叶片WUE水平较高,达到其最高水平(RWC为44.5%时)的87%以上,但P_n和Φ水平较低,故属于“低产高效”等级。当RWC在44.5%—81.2%时,黄刺玫的P_n和Φ维持在较高水平,达到其最大值(RWC为66.5%时)的78%和68%以上;其中RWC在44.5%—66.5%时,WUE也具有较高水平,达到最大值(RWC为44.5%时)的79%以上,故此水分范围为“高产高效”等级;而RWC为66.5%—81.2%时,黄刺玫的WUE有所下降至中等水平,在其最高水平的65.4%—87.3%之间,为“高产中效”等级。当RWC超过81.2%时,黄刺玫叶片的P_n、Φ和WUE都会明显下降至很低的水平,则处于“低产低效”等级。

3 结论与讨论

植物叶片水平的水分利用效率(WUE,即叶片P_n与T_r比值)的变化是植物抗旱策略的重要组成部分^[29]。相关研究表明,在水分胁迫环境下,植物可以通过合理协调碳同化速率(P_n)和蒸腾耗水速率(T_r)之间的关系,从而调节WUE的变化,以保持植物生长与水分消耗的平衡^{[12, 29-30]},气孔因素(如气孔导度G_s或气孔限制值L_s)的变化起着重要的调节作用。本试验发现(图 2),黄刺玫的WUE能够在较低土壤含水量(RWC为36.2%—66.5%)下维持较高水平,其中在RWC为44.5%时水平最高。在此土壤水分范围内,随着RWC的减少,黄刺玫叶片P_n与T_r降低,但其气孔限制值(L_s)增大和胞间CO₂浓度(C_i)减小,这说明气孔因素的变化是导致P_n与T_r均降低的主要原因^[31]。即黄刺玫在较低的土壤水分下(RWC在36.2%—66.5%),可以通过减小气孔开度或关闭部分气孔等途径,调节叶片吸收CO₂和散失水分(P_n与T_r)的比例关系,在限制CO₂供应降低P_n的同时,更大程度的降低T_r,从而维持较高的WUE,实现气孔对水分利用的优化调节。但这种调节作用有一定的土壤水分亏缺限度,即当RWC低于36.2%继续减小时,黄刺玫叶片P_n和WUE均大幅度降低,蒸腾耗水大幅度减少,以保持体内水分,这是对干旱环境的一种适应^[30],同时L_s减小和C_i增大(图 2),表明此时P_n下降的主要原因已由气孔因素转变为非气孔因素,即土壤水分亏缺导致黄刺玫的光合机构和CO₂同化机能受到破坏^[12]。由此认为,RWC在36.2%左右是黄刺玫叶片具有气孔调节作用所允许的土壤水分最大亏缺程度。

光合量子效率或量子产额(Φ)反映了植物在弱光下吸收、转换和利用光能能力^[32],光合作用光抑制的一个显著特征就是Φ的降低^[10]。Φ的理论值为0.125,因受多种内部生理和外部环境因素的影响,实际测定的Φ值要小于理论值,其值越大,表明植物对弱光的利用效率越高,影响植物Φ的外界环境因素主要有光照、温度、水分等^[33-34]。本研究发现,黄刺玫Φ的变化与土壤水分有一定的定量关系,Φ的变化范围在0.023—0.052之间。在RWC为66.5%时,黄刺玫叶片的Φ达到最大值,同时具有最高的净光合速率(图 2),表现出较强的光能利用能力。当RWC在54.3%—66.5%之间时,Φ保持在较高水平,达到最适土壤水分下的91%以上;但超出此水分范围,Φ显著下降(P<0.05)。这说明土壤水分亏缺和过多都会导致黄刺玫Φ的降低^{[10, 35]},即叶片对弱光的吸收、转换和利用光能的能力受到显著的影响。相关研究也得出了相似的结论。例如有研究表明,随土壤水分含量的降低,沙木蓼^[36]、灰叶胡杨^[37]的Φ均不断下降;在连续降雨几天后,菠菜叶片的Φ也降低,其原因与低渗条件下膨胀的叶绿体内NADP⁺还原严重受阻有关^[10];桃树Φ的降低主要是PSⅡ电子传递速率的下降或RuBP生成速率的降低^[38];淹水胁迫后,兔眼越橘的Φ降低,主要是由于碳同化速率的下降^[35]。但土壤水分导致黄刺玫Φ降低的原因还需要进一步研究。

在以往的研究中,常采用田间水分常数、土壤水势或根系吸水函数等方法表述土壤中不同含量水分被植物吸收利用的难易或有效程度^[39],但其难以反映水分有效性与植物生长或生理过程的关系^[40]。本研究基于植物生理学原理和方法,利用光合生理参数与土壤水分定量关系(表 1和图 2),探讨了不同含量土壤水分对黄刺玫光合作用的等级划分问题,明确了土壤水分分级标准的生理学意义(表 2和表 3)。从其实践意义分析,在黄土高原等干旱缺水问题比较突出的地区,农林业生产管理应以有效提高植物的水分利用效率为核心^[41],较高的叶片水分利用效率和光合速率是植物高效用水的基础^[42]。由此认为,在半干旱黄土区,黄刺玫生长比较适宜的土壤水分应在“高产高效”或“高产中效”等级范围,即相对含水量(RWC)在44.5%—66.5%或66.5%—81.2%之间(表 3)。其中,当RWC为66.5%时,黄刺玫叶片同时具有最高的水分利用效率和净光合速率,可认为是黄刺玫最适宜的土壤水分,可称之为“最优产效”等级。

本研究土壤水分效应等级划分是基于夏季 (即8月份)黄刺玫光合作用与土壤水分关系的观测结果,因而具有一定的时效性。植物光合作用等生理过程还受植物生长节律、不同季节以及环境因子变化的影响，因此,关于黄刺玫在其他季节或月份等不同时期光合作用与土壤水分的关系,以及土壤水分效应等级划分问题,还需要进一步研究。