在自然界，水通常是限制植物生长的重要因子。水分亏缺严重影响着植物的形态结构、光合生长和代谢水平(Seki et al.，2007)，但植物也进化出了复杂的感知、响应和适应水分亏缺的机制。在干旱半干旱地区，有许多植物经过长期的自然选择和协同进化已经形成了许多响应水分亏缺的适应机制和策略(Bacelar et al.，2006;Dichio et al.，2006)。由于气候变化导致降水格局变化，未来干旱可能会加剧。如何使植物更好地应对干旱已成为当前急需解决的问题之一，而解决这些问题则需要对植物的耐旱机制、对干旱的响应和适应性等有更深入全面的了解。

胡杨(Populus euphratica)是我国首批确定的388种珍稀濒危植物中的渐危种，也是全世界最急需优先保护的林木基因资源之一。近50年来我国一半以上面积的天然胡杨林消失，作为干旱区荒漠河岸林的建群种和优势种，胡杨林的衰退不仅引发了许多生态环境问题，而且由于每一个物种都是一个基因库，物种的大量减少和生态系统的大规模破坏，必将导致遗传多样性的急剧丧失。在年降水量17.4～42.0 mm、年蒸发量(潜势)2 500～3 000 mm的塔里木河下游，水分缺乏是限制胡杨生长的主要因素。国内外有关成年胡杨光合作用等生理特性对干旱胁迫的响应研究较多(苏培玺等，2003;陈亚鹏等，2011;朱成刚等，2011)，但针对胡杨幼株的研究相对较少。李志军等(2009)发现胡杨幼株在持续重度或轻度干旱胁迫下，随着干旱胁迫时间的延长胡杨幼株光系统Ⅱ(Photosystem Ⅱ，PSⅡ)原初光能转换效率并非持续下降，而是略有上升，但具体原因尚不知晓。在盆栽控制试验条件下，不同土壤水分条件下胡杨幼株的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率日变化曲线均呈单峰型，峰值时间均出现在12:00(李菊艳等，2009)。但这些研究均是依据Hsiao(1973)划分的干旱胁迫土壤含水量阈值来进行的干旱胁迫控制试验，试验期间土壤含水量始终保持在某一固定干旱胁迫水平。但是，在自然环境下土壤含水量是动态变化的，对于塔里木河依水而生的胡杨而言，极少量降雨对胡杨幼株的生长发育微不足道，洪水漫溢是其生存发展的所需水分关键来源之一，而一次漫溢或灌溉后土壤中水分含量随时间推移逐渐减少。在这样一个渐进式土壤干旱过程中，胡杨幼株生理会产生怎样的响应?土壤渐进式干旱多长时间后胡杨幼株生理受到伤害?这些问题至今尚没有解答。本研究以塔里木河下游2年生胡杨幼株为对象，进行自然环境条件下盆栽胡杨幼株水分控制试验，揭示胡杨幼株对土壤渐进式干旱的生理响应，解析极端环境下胡杨幼株适应干旱的机制，为生态用水有限的干旱区胡杨的保护以及退化生态系统的恢复提供理论依据。

塔里木河下游(87.5636°—88.4583°E，39.5°—40.5869°N)地处欧亚大陆腹地，远离海洋，四周高山环绕，属大陆性暖温带、极端干旱沙漠性气候。该区降水稀少、蒸发强烈、温差大，多风沙、浮尘天气，日照时间长，光热资源丰富。年降水量17.4～42.9 mm，年蒸发量2 671.4～2 902.2 mm，全年相对湿度40%～50%，年平均气温10.6～11.5 ℃，全年日照时数3 000 h左右，年均太阳总辐射量1 740 kWh·m^-2，全年无霜期187～214天。干旱指数为16～50，自北向南、自西向东增大。塔里木河下游的天然植物主要有胡杨、多枝柽柳(Tamarix ramosissima)和芦苇(Phragmites australis)等。

控制试验于2010年4—8月在塔里木河下游生态与植被恢复监测试验站进行。因胡杨1年生幼苗株高5～10 cm，且侧枝、叶片较少，不能满足监测及分析所需的样品要求，因此供试胡杨为采自塔里木河下游的2年生实生幼株。幼株冠幅、根幅、苗高、根长、基径均匀，平均株高约51.9 cm。试验容器为直径30 cm、高50 cm的圆柱形PVC管，底部用塑料托盘承接，栽培基质为取自当地弃荒农田的土壤，用量统一为填充至距PVC管顶端6～7 cm处，目的是便于灌溉，土壤密度为1.024 g·cm^-3，土壤田间持水量为29.47%，土壤有机质含量为16.33±1.69 g·kg^-1，全氮、全磷和全钾含量分别为1.05±0.12，0.99±0.11和17.7±0.41 g·k^g-1，有效氮、有效磷和有效钾含量分别为71.68±29.72，86.38±18.96和222.62±43.75 mg·kg^-1，pH值为7.74±0.12，总盐含量为2.97±0.05 g·kg^-1。于2010年4月7日进行胡杨幼株移栽，每盆种植1株，共计24盆，试验期间用纯净水浇灌，在干旱处理前每次每盆的灌溉量相同，试验期间未施用任何肥料。考虑到过早干旱对胡杨幼株生长不利，故选择移栽3个月后生长良好的12株幼株进行水分控制试验，其中干旱处理的幼株为6株，干旱处理期间无降雨。试验从2010年7月18日开始至8月6日结束，其中干旱处理采取饱和灌溉后使水分自然下降的方法进行，对照则采用每隔2～3天从表面灌水至田间持水量的(灌溉至水分自PVC管底部自然渗漏)方式进行。试验期间分别在停灌6，15和21天时随机监测干旱处理和对照组中胡杨幼株的生理指标，因每株至少测试3片叶子，测试需花费一定的时间。为了保证监测时间的一致性，分别在干旱处理和对照组中随机各选3株进行监测，包括叶片水势、气孔导度和叶绿素荧光参数，以7月18日饱和灌溉前所监测的各项指标为基准(对照中胡杨幼株各指标的监测均在每次灌水前测定)。试验结束后用铝盒按0～10，10～20，20～30和30～40 cm分层采集土样，现场称质量后用烘干法测土壤含水量。

叶绿素荧光数据采用便携式调制叶绿素荧光仪(MINI PAM，德国WALZ公司)获得。在天气晴朗时选取3～5株进行活体测定，试验监测时间为8:00—20:00，每隔2 h测定1次，每次测量10个叶片。每次测量选取数量相当的叶片，尽量摊开使其均匀分布夹于叶夹内。测量光选用光强＜0.1 μmol·m^-2 s^-1的红光，饱和脉冲由内置卤光灯提供，光强＞10 000 μmol·m^-2 s^-1，作用时间为0.8 s，在每个选取的固定时段进行胡杨叶片光适应下稳态荧光和光适应最大荧光的测定;胡杨叶片暗适应下的初始荧光和最大荧光值于每天黎明前6:00和正午12:00用黑布遮光暗适应20 min后分别测定。另外测定光适应下的初始荧光、实际量子产量(φ_PSⅡ)、光化学猝灭系数(q_p)和非光化学猝灭系数(q_N)(朱成刚等，2011)。

在测量叶绿素荧光的同一天，摘取测定叶绿素荧光植株上的叶片3片，采用露点水势仪(HR-33T，美国WESCOR公司)进行叶水势测定，6:00时测定的叶水势为清晨水势。气孔导度用AP4型(Delta-T，英国)植物动态气孔计测定。试验期间用SPAC生态环境监测系统和小型微气象站监测环境气象因子，如气温、相对湿度(ICT，澳大利亚)。光合有效辐射则用便携式调制荧光仪测定。

利用SPSS 13.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比较采用LSD分析(显著性水平设定为P=0.05)。分析前对所有数据进行方差齐性检验以确保数据分析有效。应用Sigmaplot12.0软件进行数据处理和制图。

对7月18日及停灌6，15和21天时的光合有效辐射和气温的平均值分别进行分析(图 1)，结果表明试验期间试验站白天光合有效辐射呈单峰曲线变化，峰值出现在16:00。试验期间白天8:00—20:00气温始终高于20 ℃，早上升高较快，但晚上下降较慢，至20:00时气温仍较高，16:00—18:00是一天中气温较高的时段。

	图 1 光合有效辐射和气温日变化 Fig. 1 Diurnal changes of photosyntheticallyactive radiation and air temperature

随着停灌时间增加，干旱处理土壤含水量不断下降，但下降幅度逐渐减小。以灌溉后田间持水量29.47%为参照，在停灌前期(0～6天)，干旱处理表层(0～10cm)土壤含水量大幅下降，深层土壤含水量略有降低;在停灌中期(7～15天)，表层(0～10 cm)土壤含水量降幅减小，但深层(30～40 cm)土壤水分含量降幅加大;在停灌后期(16～21天)，表层和深层(0～10和30～40 cm)土壤水分降幅趋缓且一致，但表层(0～10 cm)土壤含水量比深层低。方差分析表明，在各土层，停灌6天时的土壤含水量与停灌21天时的差异显著(P＜0.05，n=3)(图 2)。

	图 2 干旱处理土壤含水量变化 Fig. 2 Soil water content changes of drought treatment

在停灌6，15和21天后，干旱处理土壤的相对含水量(土壤含水量与田间持水量之比)在0～10cm土层分别为54.25%，25.31%和19.41%，在10～20 cm土层分别为67.39%，29.48%和23.18%，在20～30 cm土层分别为69.76%，33.69%和28.61%，在30～40 cm土层分别为87.75%，37.87%和31.56%。将各土层土壤含水量进行加权平均后分析0～40 cm土层的相对含水量，结果表明在停灌6，15和21天后干旱处理土壤的相对含水量分别为69.79%，31.59%和25.69%。通常认为土壤相对含水量在60%～70%时为轻度干旱胁迫，40%～60%时为中度干旱胁迫，40%以下为重度干旱胁迫(Hsiao，1973)。由此可知，在塔里木河下游炎热的夏季，在无降雨情况下，一次饱和灌溉经过6天后(0～10和30～40 cm土层除外)，盆栽胡杨幼株的土壤水分已处于轻度干旱胁迫水平，15天后则下降到重度干旱胁迫水平，21天后仍在重度干旱胁迫水平。

与对照相比，干旱处理胡杨幼株叶片清晨水势随着停止灌溉时间的延长而线性下降(图 3)。2个处理清晨水势之间的差异随着停灌时间的延长而加大，其中停灌3天后，干旱处理叶水势较对照降低0.31MPa，经过15天后，干旱处理叶水势较对照降低了1.84 MPa。由此可知，在土壤含水量从田间持水量逐渐下降至重度干旱胁迫水平的过程中，胡杨幼株清晨水势持续下降至-4.6 MPa。

	图 3 清晨水势变化 Fig. 3 Predawn water potential changes

由图 4可知，在8:00—20:00时段，胡杨幼株叶片气孔导度日变化趋势随着停灌时间的增加而发生了改变。土壤干旱不仅使胡杨幼株气孔导度日变化趋势发生改变，而且降低了胡杨幼株叶片的气孔导度。对照中生长在良好水分条件下的胡杨幼株气孔导度的日变化呈先增加后降低的波动下降趋势，最大值出现在12:00。停灌15天后则一直处于下降趋势;在21天时胡杨幼株叶片气孔导度变化不大。方差分析表明，在停灌15天后，在每一监测时刻(早8:00除外)干旱处理胡杨幼株气孔导度显著低于对照(P＜0.05，n=3);在停灌21天后，在每一监测时刻干旱处理胡杨幼株气孔导度也显著低于对照(P＜0.05，n=3)(图 4)。这一方面表明土壤渐进式干旱降低了胡杨幼株的气体交换能力，另一方面也表明持续土壤重度干旱可能损伤了胡杨幼株的气孔，因为在21天时胡杨幼株叶片早8:00时气孔导度与其他时间的相近，表明此时胡杨幼株叶片气孔已因干旱受损而开闭不再敏感，导致气孔导度无明显的日变化趋势。由此可知，胡杨幼株通过降低气孔导度以适应土壤含水量渐进式下降，但当土壤含水量持续保持在重度干旱胁迫水平时，胡杨幼株因气孔受损而使得其通过叶片气孔调节来适应干旱的能力有限，即在土壤水分持续严重不足情况下，气孔因受伤害而使得气孔调节不再成为胡杨幼株适应干旱的主要方式。

	图 4 叶片气孔导度日变化 Fig. 4 Diurnal changes of stomatal conductance

1)叶片PSⅡ的实际量子产量(φ_PSⅡ)实际量子产量(φ_PSⅡ)为PSⅡ电子传递量子产量，可反映PSⅡ反应中心的实际光能转化效率。由图 5可知，胡杨幼株叶片φ_PSⅡ存在明显的日变化。因光合有效辐射在不同监测时间存在差异，为尽量消除这种差异可能导致的误差，均采用同一时间的胡杨叶片φ_PSⅡ值进行不同处理间的比较。土壤干旱对胡杨幼株叶片φ_PSⅡ有影响，停灌15天后，干旱处理胡杨幼株叶片φ_PSⅡ显著低于对照(P ＜0.05，n=3);停灌21天后，8:00，10:00和12:00时干旱处理胡杨幼株叶片φ_PSⅡ显著低于对照(因仪器问题其他时间胡杨幼株叶片实际量子产量值未能监测获得)。8:00，10:00和12:00时干旱处理停灌21天后胡杨幼株叶片的φ_PSⅡ比停灌15天低，但二者之间差异不显著(图 5)。这表明在土壤渐进式干旱过程中，水分亏缺对胡杨幼株叶片PSⅡ的实际量子产量有较大影响。在停灌15天时对照和干旱处理胡杨幼株叶片在8:00和20:00时的φ_PSⅡ值相近，且均具有“U”型变化趋势，这一方面表明无论是否受到干旱胁迫，胡杨幼株叶片实际光合效率均会发生明显的“午休”现象(图 5)，但土壤水分含量高低并不是“午休”的直接原因，“午休”可能与较高的光合有效辐射、气温有关;另一方面，停灌15天后胡杨幼株实际光合效率与水分良好胡杨幼株相似的“U”型日变化趋势，尤其20:00时叶片φ_PSⅡ能够基本恢复到8:00时的水平，表明胡杨幼株光合结构没有因土壤干旱而被损伤或严重损伤。

	图 5 叶片PSⅡ实际量子产量日变化 Fig. 5 Diurnal changes of actual photochemicalquantum yield of PSⅡ

2)光化学猝灭系数(q_p)和非光化学猝灭系数(q_N)因仪器原因导致停灌21天后的叶绿素荧光特性指标未能测定，所以仅对比分析15天后干旱处理与对照胡杨幼株叶片光化学猝灭系数与非光化学猝灭系数间的差异。结果表明，在停灌15天后，除了20:00外，其他时间干旱处理胡杨幼株叶片光化学猝灭系数(q_p)显著低于对照(P＜0.05，n=3)，而非光化学猝灭系数(q_N)则是干旱处理显著高于对照(P＜0.05)(10:00和20:00除外)。另外，干旱处理胡杨幼株叶片光化学猝灭系数的“U”型日变化与对照的相似，最小值均出现在14:00，最大值则分别在8:00和20:00(图 6)，但是，与对照相比，干旱处理胡杨幼株光化学猝灭系数的日变幅(最大值与最小值之差)比较大，这说明停灌15天后土壤重度干旱可能已使胡杨幼株光合结构的活性不够稳定。

	图 6 光化学猝灭系数与非光化学猝灭系数日变化 Fig. 6 Diurnal changes of leaf qp and qN

干旱条件下植物能够维持较高的水势能力是植物抗旱性的一个重要机制(曾凡江等，2005)。在干旱胁迫下，植物能够通过降低叶片水势来调节体内的水势梯度从而增加其吸水能力(司建华等，2008)。核桃(Juglans regia)和柿树(Diospyros kaki)在严重的干旱胁迫下仍能够保持较高的叶水势，而皂荚(Gleditsia sinensis)和黑枣(Diospyros lotus)在同样的条件下叶水势则比较低(史胜青等，2009)。清晨水势反映植物水分的恢复状况，可用于判断植物水分的亏缺程度(Fu et al.，2006)。本研究中，胡杨幼株清晨叶水势随着土壤含水量的降低一直处于下降趋势，这表明土壤渐进式干旱导致胡杨幼株从土壤或相邻细胞吸收的水分减少，但这种下降仅表明这一时期的土壤含水量不是胡杨幼株保持良好水势的最佳水平，不代表在此时期胡杨幼株已遭受干旱胁迫，因为胡杨幼株对其体内水分变化也具有一定的适应调节能力。此外，有研究提出-6.5MPa是判断成年胡杨生长是否遭受干旱胁迫的一个重要水势值(Fu et al.，2006)，而本研究中胡杨幼株在停灌15天后的清晨水势为-4.60 MPa，这也表明在此时期尚未受到干旱胁迫。因此，在土壤渐进式干旱的15天内，胡杨幼株体内水势变化可能是对土壤水分变化的适应性反应，此时期内胡杨幼株尚未因土壤干旱而受到伤害。

干旱胁迫影响植物气孔导度，而H₂O的气孔扩散速率是CO₂的1.56倍，水分散失对气孔的依赖大于光合作用对气孔的依赖(赵平等，2000)。当植物缺水时会导致气孔关闭，从而避免因继续大量失水而造成伤害。猴面包树(Adansonia digitata)幼株在遭受2周的干旱后叶片气孔导度下降约80%(DeSmedt et al.，2012)，油橄榄(Olea europaea)2个品种‘Chemlali’和‘Chetoui’的幼株在停灌30天后气孔导度下降约50%(Guerfel et al.，2009)。与这些研究结果相似，本研究中胡杨幼株气孔导度也因土壤干旱而下降。但是在8:00和20:00时，停灌15天后干旱处理胡杨幼株气孔导度与对照处理的差距较小，而在12:00—16:00期间的差距较高，这表明胡杨幼株的气孔导度不仅受到土壤含水量的影响，同时也可能受其他因素如气温和空气相对湿度等的影响，土壤干旱与大气干旱的协同作用可能对胡杨幼株气孔的伤害更大。因此，即使在同一天的不同时刻，胡杨幼株气孔因土壤干旱所受到的限制或伤害也会不同，但这尚需进一步研究。此外，与停灌21天后相比，停灌15天后胡杨幼株叶片气孔导度日变化存在较为明显的波动，这表明在停灌15天后胡杨幼株气孔尚能保持正常的开闭功能，15天的渐进式土壤干旱尚未对胡杨幼株气孔造成伤害。

光合作用作为植物最基本的生命活动，对水分胁迫非常敏感。干旱胁迫主要损伤光合器官的PSⅡ(Jeyaramraja et al.，2005;Hirondelle et al.，2007)。叶绿素荧光参数是评估PSⅡ状态良好与否的指标。在逆境条件下，当光能吸收量超过光化学反应的利用量且过剩光能得不到耗散时，就会引起光合机构的破坏，其原初损伤部位在PSⅡ上(White et al.，1999)，PSⅡ通过主动调节电子传递速率和光化学效率，以响应CO₂同化能力降低，并以热耗散形式避免或减轻过剩光能对其系统的损伤(张亚娟等，2011)，而且通过降低光能吸收能力以保持PSⅡ效率可防止氧化损伤，植物因此可适应更长期的干旱和强辐射(Baquedano et al.，2006)。油橄榄品种‘Chemlali’和‘Chetoui’幼株的实际光量子产量和化学猝灭系数均因土壤水分亏缺而下降(Guerfel et al.，2009)。本研究中，与对照相比，停灌15天后干旱处理胡杨幼株叶片实际光量子产量、光化学猝灭系数显著下降，非光化学猝灭系数显著增加，这表明胡杨幼株的光合作用因土壤水分严重不足而受到抑制。但是，8:00和20:00时胡杨幼株叶片PSⅡ实际量子产量、光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数在干旱处理和对照之间差异较小，这表明在停灌15天后胡杨幼株叶片光合结构并未因土壤干旱而受到不可逆的伤害。另外，在16:00时胡杨幼株叶片PSⅡ实际量子产量、光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数在干旱处理和对照之间差距最大，这表明可能有其他因素(如大气干旱等)协同土壤干旱对胡杨光合作用产生了影响。

在植物生长发育过程中，干旱是各种环境胁迫中最普遍的逆境因子之一。干旱胁迫发生的时间取决于土壤持水能力、环境条件、植物生长期及植物种类。在极端干旱、炎热的7月的塔里木河下游，盆栽胡杨幼株在饱和灌溉仅仅过了15天后，土壤含水量即处于重度干旱胁迫水平，由此可推知在土壤质地、植物等条件相同的情况下，与其他地区相比，极端干旱区土壤更易处于水分亏缺状态，这也意味着极端干旱区植物因土壤干旱而受到胁迫伤害的机率相对比较高。本研究中，虽然停灌15天后土壤含水量就处于重度干旱胁迫水平，但叶水势、气孔导度及实际量子产量等指标均表明胡杨幼株在15天的渐进式干旱过程中并未因土壤干旱而受到伤害，在这15天内胡杨幼株自身生理代谢尚能适应土壤水分的变化，但当土壤渐进式干旱持续21天后，胡杨幼株气孔就因干旱胁迫而受到伤害。