CN102598986A - 一种采用铈改善干旱环境下高羊茅叶绿素荧光动力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用铈改善干旱环境下高羊茅叶绿素荧光动力的方法，它是将高羊茅种子播于草坪建植的园土上，100-200g园土含有硝酸铈200mg/Kg～800mg/Kg，然后3个星期后开始测量正常供水下的叶绿素荧光动力学参数；然后控制水分，使得水分含量达到中度干旱胁迫程度，7d后再一次测量叶绿素荧光动力学参数；再控制水分达到重度干旱胁迫，在重度干旱胁迫下7d后最后一次测量叶绿素荧光动力学参数。植物叶绿素荧光动力学一种新型、快速、简便、精确且植株整体无损伤检测植物光合作用生理状况的新技术。

Description

一种采用铈改善干旱环境下高羊茅叶绿素荧光动力的方法

技术领域

本发明涉及稀土铈在城市草坪建植技术领域中的应用，特别是涉及采用铈改善干旱环境下高羊茅叶绿素荧光动力的方法。

背景技术

草坪作为一个生态系统，它是一个庞大的碳源贮存库，世界上草地土壤每年可以吸收沉积0.01~0.3Gt碳。因此减少了空气中CO₂，在一定程度上减轻温室效应。其次，草坪所形成的致密的地表覆盖层和草根层具有良好的防治土壤侵蚀的作用；草坪还可以减少地表的日温差，因此可以有效地减轻土壤因“冻胀”而引起的土壤崩落。草坪有巨大飘尘吸附能力，可以有效防止二次扬尘，还可以减少风速，防止起尘等。草坪具有吸附空气中CO₂、SO₂及NO₂等有毒害的气体等。草坪还具有吸附尘埃的能力，因此草坪具有净化空气，减少污染的能力。城市草坪是人类文明的产物，它既可以美化环境，草坪特殊的静怡姿态和明丽的色调给人以回归自然之感，给人以精神陶冶。

城市人工草坪不像天然草地那样耐旱，尤其是耐渴能力很差。草坪根系较浅，不足以在土壤中吸收足够的水分，只能靠人工浇灌。在旱季草坪每天要浇一次水，即使在雨季，每月至少也要浇两次水。一旦缺水会导致草坪生长不良。尤其是在我国北方城市，每年要消耗大量的水，年灌水量大约为0.6~1.0 m³/m²。所以草坪水分管理的高成本往往使得我国北方城市草坪水分不足，使得草坪的质量下降，长期供水不足，草坪就会慢慢的退化，从而导致草坪失去了原有的价值和功能，这个时候人们的选择只能是放弃草坪。因此，在人类面临水资源匮乏的今天，水资源的调配与利用将是草坪建植和管理上人们面临的最大挑战。

稀土元素应用于大田作物，增加种子活力，促进植物生长；增加农作物产量，大量的研究还表明稀土元素有利于增加植物体内抗氧化酶的活性， 大大提高植物的抗逆能力。通过长期稀土农用基础理论研究表明：稀土元素可以提高作物的叶绿素含量、增强光合作用，促进根系的发育、增加根系对养分的吸收。稀土还能促进种子萌发、增加种子萌发率、促进幼苗生长。

关于稀土元素的应用，现有文献有关于铈对酸雨胁迫下大麦种子萌发的影响的报道，还有硝酸铈对水稻种子活力和萌发期间酶活性的影响报道等文献，它们均属于农作物学科，但有关采用铈改善干旱条件下高羊茅叶绿素荧光动力方法的研究尚未见到报道。另外也有文献有报道“有稀土在草地生产中的作用”，所属的专业领域为畜牧学科，草地生产专业，涉及到的饲草或牧草与草坪无关。其中的草地指的是能进行放牧、割草发展畜牧业的土地（或地段），其目的为人们生活提供肉、奶、毛等畜产品的。草坪所属的专业领域为园艺学科，观赏园艺专业，指的是用于城市绿化、并为城市提供生态服务的。草坪与草地有着本质的差别的。草坪植物在幼苗期的根系活力较弱，地上部生长缓慢，而草坪植物这种前期生长较弱的特性，往往使草坪植物在生长前期与杂草的竞争中处于劣势地位，这样的结果可导致草坪建植失败；另外，这种情况在干旱缺水的环境条件下，草坪植物在生长前期与杂草的竞争中处于劣势的现象尤为突出；这直接影响到草坪植物的成活率；这也是草坪建植应用在实践中的最大困难，即草坪建植经历技术“瓶颈”制约的问题所在。本发明人于2006年12月05日，申请了“硝酸铈在草坪建植技术中的应用(2006101298780)”重点公开了硝酸铈在提高种子活力方面的应用，在此基础上本发明人又进一步研究了采用铈改善干旱环境下高羊茅叶绿素荧光动力的方法。

发明内容

本发明公开了一种采用铈改善高羊茅叶绿素荧光动力的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）将高羊茅种子播于草坪建植的园土上，100-200g园土含有硝酸铈200 mg/Kg～800 mg/Kg，播种初期，充分浇水，保证种子能顺利萌发和幼苗初期的生长；

（2）然后3个星期后开始测量正常供水下的叶绿素荧光动力学参数；然后控制水分，使得水分含量达到中度干旱胁迫程度，7d后再一次测量叶绿素荧光动力学参数；再控制水分达到重度干旱胁迫，在重度干旱胁迫下7d后最后一次测量叶绿素荧光动力学参数。

其中所述的胁迫程度定量给水指的是：采用称重法控制正常供水为70～80％（重量）的田间最大持水量，中度为55～65％（重量），重度为35～50％（重量）；

（3）培养的条件为：在湿度为68%～78%，白天进行光照，温度为22～26℃，夜间温度为18～22℃，培养40～60天，光照强度为800 μmol m^-2s^-1—900 μmol m^-2s^-1；

（4）草坪植物建植过程中按通常草坪植物的管理要求进行；待高羊茅生长到40天至50天，采用美国生产的Li-6400 光合仪测量，测量的前一天把草坪植物放置到暗室，暗12 h以上，然后在暗室里测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm），经光照活化以后用Li-6400测定Fo’、Fm’、Fv/Fm、 Fm’、F0’、Fv’/Fm’、ETR、ΦPSⅡ、qP及qN指标。

其中高羊茅种子的播种密度为35.0g/m²-45.0g/m²。

其中硝酸铈重量为500mg/Kg。

本发明所述的水胁迫指的是：中度胁迫为55～65% MFC，重度胁迫为35～50% MFC 。

本发明所述的稀土铈为硝酸铈，分子式为：Ce(NO₃)₃·6H₂O。

本发明所述干旱程度的控制采用称重法。

本发明更加详细的制备方法如下：

本发明利用叶绿素荧光技术从光系统Ⅱ的活性上探讨了铈对干旱胁迫下草坪植物光合作用的影响。植物叶绿素荧光动力学一种新型、快速、简便、精确且植株整体无损伤检测植物光合作用生理状况的新技术。

材料与方法

 1.1 实验材料

本实验选用我国北方比较常见多年生高羊茅( Festuca arundinacea L.)为实验材料。采用土培的方法培养植物，用一次性塑料杯加140g烘干的园土，每杯播种草坪草种100粒。稀土铈为硝酸铈，分子式为：Ce(NO₃)₃·6H₂O。

1.2 实验方法

(1) 实验处理

草坪植物的培养采用土培的方式，塑料杯内加140g烘干的园土，按照铈元素含量为0、200、500、800 mg·Kg^-1的四个水平，每个水平3次重复。草坪植物在人工气候箱内培养，光照时间为8：00am至19：30pm，温度为25℃，相对湿度设为45%至60%。实验过程中采取称重控水的方法，干旱胁迫强度设为，对照为70～80%的田间最大持水量（Max Field Capacity 简称：MFC），中度为55～65% MFC，重度为35～50% MFC。播种开始正常供水，然后3个星期后开始测量正常供水下的叶绿素荧光动力学参数；然后控制水分，使得水分含量达到中度干旱胁迫程度，7 d后再一次测量叶绿素荧光动力学参数；再控制水分达到重度干旱胁迫，在重度干旱胁迫下7d后最后一次测量叶绿素荧光动力学参数。

(2)指标测定

采用美国生产的Li-6400 光合仪测量，测量的前一天把草坪植物放置到暗室，暗适应一夜（12 h以上）以后，然后在暗室里测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）。经光照活化以后用Li-6400测定Fo’、Fm’、Fv/Fm、 Fm’、F0’、Fv’/Fm’、ETR、ΦPSⅡ、qP及qN等指标。

结果与分析

2.1 稀土铈对干旱胁迫下草坪植物Fv/Fm的影响

Fv/Fm 是PSⅡ最大光化学量子产量，反映PSⅡ中原初光能转化效率（张守仁，1999）。干旱胁迫造成了高羊茅Fv/Fm 下降，干旱胁迫程度越大，Fv/Fm值越低(图1)，高羊茅重度干旱胁迫下Fv/Fm比对照下降1.8%。对高羊茅Fv/Fm的影响无规律性，但在中度胁迫与重度胁迫下，Fv/Fm 都随着铈浓度的增加而增加，重度胁迫下，800 mg·Kg^-1处理比0 mg·Kg^-1增加了2.6%。可见，稀土铈能明显促进高羊茅的Fv/Fm，缓解干旱胁迫造成的Fv/Fm下降。

2.2稀土铈对干旱胁迫下草坪植物Fv’/Fm’的影响

Fv’/Fm’表示有效光化学量子产量，它反映了开放的光系统Ⅱ反应中心实际原初光能捕获效率（张守仁，1999）。干旱胁迫均能造成高羊茅的Fv’/Fm’下降，重度干旱胁迫下均比对照下降了16.3%（图2）。稀土铈能促进高羊茅在正常供水下的Fv’/Fm’，并且随着铈浓度的增加而增加，800 mg·Kg^-1比对照增加了6.6%，但差异不显著（P>0.05）。总之，稀土铈对高羊茅的Fv’/Fm’无显著影响。

2.3 稀土铈对干旱胁迫下草坪植物ΦPSⅡ的影响

干旱胁迫均造成了高羊茅的ΦPSⅡ下降，高羊茅在重度干旱胁迫下， ΦPSⅡ均比对照下降了14.5%（图3）。稀土铈在一定程度上能促进高羊茅的ΦPSⅡ，但在正常供水与重度干旱胁迫下都不明显，在中度干旱胁迫下，铈能够明显促进高羊茅的ΦPSⅡ。中度干旱胁迫下，高羊茅以800 mg·Kg^-1处理最好同比高于0 mg·Kg^-1处理36.8%。可见，稀土铈能缓解一定程度上的干旱造成的ΦPSⅡ下降。

2.4 稀土铈对干旱胁迫下草坪植物ETR的影响

ETR表示表观光合电子传递速率（陈建明等，2006）。干旱胁迫造成了高羊茅的ETR下降，并且随着干旱程度的增加，降低的幅度越大，重度干旱胁迫下，分别比对照下降了47.4%和20.7%（图4）。稀土铈对高羊茅ETR的影响没有明显规律性，但在正常供水与中度干旱胁迫下均以800 mg·Kg^-1的处理较高，在重度胁迫下是以200 mg·Kg^-1相对较高。

2.5 稀土铈对干旱胁迫下草坪植物光化学淬灭（qP）的影响的影响

qP表示光化学淬灭，它反映了Q_A的还原状态，qP越大表明，光系统Ⅱ的电子传递活性越大（陈建明等，2006）。干旱胁迫明显抑制了高羊茅的光化学淬灭，在重度胁迫下，高羊的光化学淬灭下降了38.1%（图5）。而稀土铈则增加了高羊茅的光化学淬灭，稀土铈对高羊茅光化学淬灭也有一定的促进作用，在不同的供水水平下，其影响不尽一致，在正常供水下，高羊茅光化学淬灭先上升后下降，500 mg·Kg^-1处理最高，比对照增加了4.1%，但差异不显著（P>0.05）；中度干旱胁迫时，高羊茅光化学淬灭表现是，低浓度铈在一定程度上抑制了光化学淬灭，高浓度则有促进作用，800 mg·Kg^-1处理下最高，同比0 mg·Kg^-1增加了13.8%；而在重度干旱胁迫下，则是200 mg·Kg^-1处理表现出较高的光化学淬灭。总之，稀土铈能促进高羊茅光化学淬灭，缓解干旱胁迫造成的负面作用。

2.6 稀土铈对干旱胁迫下草坪植物非光化学淬灭（qN）的影响qN表示非光化学淬灭，它反映的是光系统Ⅱ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的光能部分（张守仁，1999）。干旱胁迫造成了高羊茅非光化学淬灭的减少，在重度干旱胁迫下，高羊茅qN比对照下降了518.5%，高羊茅下降显著（图6）。高羊茅在正常供水条件下，稀土铈对其qN的影响无明显规律，在800 mg·Kg^-1处理表现出较高的qN； 在中度与重度干旱胁迫下，随着铈浓度的增加，qN先下降后上升，也都是800 mg·Kg^-1处理下的qN最高。                                                                                                            

3 结论

本实验研究了稀土铈和干旱胁迫两因素作用下高羊茅的叶绿素荧光动力学特征。实验结果表明，在干旱胁迫下高羊茅光系统Ⅱ的最大光化学量子产量（Fv/Fm）、有效光化学量子产量（Fv’/Fm’）均呈下降趋势，但未和对照产生明显差异。而外源铈能够促进高羊茅的Fv’/Fm’，在正常供水条件下是随着铈浓度的增加而增加，但在干旱胁迫下则无明显规律。对草坪植物实际光化学效率（ΦPSⅡ）的测定结果表明，随着干旱程度的加深，ΦPSⅡ下降就越明显，重度干旱胁迫下高羊茅下降了4.5%；外源铈则能促进草坪植物的ΦPSⅡ，中读干旱胁迫下效果最明显，高羊茅的qP下降了38.1%，qN下降了18.5%；外源铈对高羊茅的qP有一定的促进作用，高羊茅则无明显的规律性，但800 mg·Kg^-1处理的qP值最高；在干旱胁迫下，高羊茅的qN均随着铈用量的增加先下降后上升，800 mg·Kg^-1处理有较高的qP。

附图说明:

图1 不同浓度铈对干旱胁迫下草坪植物Fv/Fm的影响；

图2 不同浓度铈对干旱胁迫下草坪植物Fv’/Fm’的影响；

图3 不同浓度铈对干旱胁迫下草坪植物ΦPSⅡ的影响；

图4 不同浓度铈对干旱胁迫下草坪植物ETR的影响；

图5 不同浓度铈对干旱胁迫下草坪植物光化学淬灭的影响；

图6 不同浓度铈对干旱胁迫下草坪植物非光化学淬灭的影响。

具体实施方式

下面结合实施例说明本发明，这里所述实施例的方案，不限制本发明，本领域的专业人员按照本发明的精神可以对其进行改进和变化，所述的这些改进和变化都应视为在本发明的范围内，本发明的范围和实质由权利要求来限定。硝酸铈有市售，其他所用到的试剂也有市售。

实施例1

（1）将高羊茅种子播于草坪建植的园土上，140g园土含有硝酸铈500 mg/Kg，播种密度为35.0g/m²，播种初期，充分浇水，保证种子能顺利萌发和幼苗初期的生长；

（2））然后3个星期后开始测量正常供水下的叶绿素荧光动力学参数；然后控制水分，使得水分含量达到中度干旱胁迫程度，7d后再一次测量叶绿素荧光动力学参数；再控制水分达到重度干旱胁迫，在重度干旱胁迫下7d后最后一次测量叶绿素荧光动力学参数。其中所述的胁迫程度定量给水指的是：采用称重法控制正常供水为70％（重量）的田间最大持水量，中度胁迫为55％（重量），重度胁迫为40％（重量）；

（3）培养的条件为：在湿度为68%%，白天 进行光照，温度为22℃，夜间温度为18℃，培养40天，光照强度为800 μmol m^-2s^-1；

（4）草坪植物建植过程中按通常草坪植物的管理要求进行；待高羊茅生长到40天，剪取叶片进行测定。采用美国生产的Li-6400 光合仪测量，测量的前一天把草坪植物放置到暗室，暗12 h以上，然后在暗室里测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm），经光照活化以后用Li-6400测定Fo’、Fm’、Fv/Fm、 Fm’、F0’、Fv’/Fm’、ETR、ΦPSⅡ、qP及qN指标。

实施例2

（1）将高羊茅种子播于草坪建植的园土上，180g含有硝酸铈300 mg/Kg，播种密度为45.0g/m播种初期，充分浇水，保证种子能顺利萌发和幼苗初期的生长；

（2）然后3个星期后开始测量正常供水下的叶绿素荧光动力学参数；然后控制水分，使得水分含量达到中度干旱胁迫程度，7d后再一次测量叶绿素荧光动力学参数；再控制水分达到重度干旱胁迫，在重度干旱胁迫下7d后最后一次测量叶绿素荧光动力学参数。

其中所述的胁迫程度定量给水指的是：采用称重法控制正常供水为80％（重量）的田间最大持水量，中度为55％（重量），重度为35％（重量）；

（3）培养的条件为：在湿度为78%，白天 进行光照，温度为22℃，夜间温度为22℃，培养60天，光照强度为900 μmol m^-2s^-1；

（4）草坪植物建植过程中按通常草坪植物的管理要求进行；待高羊茅生长到50天，剪取叶片进行测定，采用美国生产的Li-6400 光合仪测量，测量的前一天把草坪植物放置到暗室，暗12 h以上，然后在暗室里测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm），经光照活化以后用Li-6400测定Fo’、Fm’、Fv/Fm、 Fm’、F0’、Fv’/Fm’、ETR、ΦPSⅡ、qP及qN指标。

Claims (3)

1. 采用铈改善高羊茅叶绿素荧光动力的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）将高羊茅种子播于草坪建植的园土上，100-200g园土含有硝酸铈200 mg/Kg～800 mg/Kg，播种初期，充分浇水，保证种子能顺利萌发和幼苗初期的生长；

（2）然后3个星期后开始测量正常供水下的叶绿素荧光动力学参数；然后控制水分，使得水分含量达到中度干旱胁迫程度，7d后再一次测量叶绿素荧光动力学参数；再控制水分达到重度干旱胁迫，在重度干旱胁迫下7d后最后一次测量叶绿素荧光动力学参数；

其中所述的胁迫程度定量给水指的是：采用称重法控制正常供水为70～80％（重量）的田间最大持水量，中度为55～65％（重量），重度为35～50％（重量）；

（3）培养的条件为：在湿度为68%～78%，白天进行光照，温度为22～26℃，夜间温度为18～22℃，培养40～60天，光照强度为800 μmol m^-2s^-1—900 μmol m^-2s^-1；

（4）草坪植物建植过程中按通常草坪植物的管理要求进行；待高羊茅生长到40天至50天，采用美国生产的Li-6400 光合仪测量，测量的前一天把草坪植物放置到暗室，暗12 h以上，然后在暗室里测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm），经光照活化以后用Li-6400测定Fo’、Fm’、Fv/Fm、 Fm’、F0’、Fv’/Fm’、ETR、ΦPSⅡ、qP及qN指标。

2.权利要求1所述的方法，其中高羊茅种子的播种密度为35.0g/m²-45.0g/m²。

3.权利要求1所述的方法，其中硝酸铈重量为500mg/Kg。

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