水碳控制條件對(duì)閩楠葉片氣孔特征和氣體交換參數(shù)的影響

賈劍波，劉文娜，文仕知，王忠誠(chéng)?

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，410004，長(zhǎng)沙；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

自工業(yè)革命以來(lái)，大氣CO2濃度的增加引起降雨量、降雨特性的顯著變化，進(jìn)而對(duì)土壤侵蝕類(lèi)型、過(guò)程及分布等有顯著的影響[1-2]。植被恢復(fù)措施是水土流失治理中的主要措施之一，而植物生理參數(shù)的變化是研究水土保持植被恢復(fù)的關(guān)鍵[3]。植物蒸騰與光合作用是植被與大氣界面間能量與質(zhì)量交換的2個(gè)最基本的生理生態(tài)學(xué)過(guò)程，兩者均通過(guò)葉片氣孔調(diào)節(jié)CO2和水汽通量來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]；因此，氣孔自身的特征變化直接決定著植物的蒸騰和光合作用[5]。已有研究表明，部分植物在脅迫環(huán)境下，氣孔的數(shù)量與分布與自然狀態(tài)下比有明顯差異，這種差異直接影響CO2和水汽的交換過(guò)程[6]。目前單一環(huán)境因子對(duì)氣孔特征的影響已有大量報(bào)道，而多因子交互作用(如環(huán)境CO2濃度與土壤體積含水梯度交互作用)對(duì)氣孔的影響研究較少。

閩楠(Phoebebournei)作為我國(guó)南方的珍稀物種，其對(duì)生長(zhǎng)立地穩(wěn)定性要求較高[7]，因此如何調(diào)節(jié)閩楠蒸騰與光合作用來(lái)適應(yīng)立地環(huán)境的變化，是目前亟待解決的問(wèn)題。筆者探究全球氣候變化下不同土壤體積含水量、CO2濃度對(duì)閩楠葉片氣孔特征和氣體交換參數(shù)的影響，進(jìn)而揭示閩楠葉片氣孔對(duì)CO2濃度增加和/或干旱化等全球環(huán)境變化產(chǎn)生的綜合響應(yīng)，為進(jìn)一步探討全球氣候變化下閩楠植物葉片碳-水耦合關(guān)系與變化過(guò)程提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于湖南會(huì)同森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站，位于湖南省懷化市會(huì)同縣廣坪鎮(zhèn)境內(nèi)，海拔300～500 m之間，屬于中亞熱帶東南季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫16.3～17.7 ℃。年均降水量為1 600～1 900 mm。主要成土母巖以砂巖、頁(yè)巖、碳質(zhì)板巖為主，土層深厚肥沃，有機(jī)質(zhì)含量高。境內(nèi)森林茂盛，物種多樣，以閩楠木居多，植被蓋度超過(guò)90%。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料及處理

2016年3月開(kāi)始試驗(yàn)，為保證成活率和長(zhǎng)勢(shì)均勻，從研究站苗圃?xún)?nèi)隨機(jī)挑選長(zhǎng)勢(shì)和大小一致的5年生幼樹(shù)(5年生的幼樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)達(dá)到最優(yōu))32株進(jìn)行盆栽培養(yǎng)(表1)。盆栽尺寸一致，且每盆中僅栽植一棵幼樹(shù)。所用的土壤均取自研究站林地內(nèi)。

控制試驗(yàn)是在高照度恒溫恒濕模擬生長(zhǎng)箱(FH-230, Taiwan Hipoint Corporation, Kaohsiung City, Taiwan)內(nèi)進(jìn)行的。根據(jù)研究區(qū)平均水熱條件(平均大氣CO2濃度380×10-6～420×10-6；平均土壤含水量為22.0%，土壤密度為1.40 g/m3)，培養(yǎng)箱溫度設(shè)置為晝(25±0.5)℃(07：00—17：00)/夜(20±0.5)℃(17：00—翌日07：00)，光照強(qiáng)度800 μmol/(m2·s)，相對(duì)濕度60%～75%。將盆栽平均分配到8個(gè)高照度恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進(jìn)行30 d的適應(yīng)性預(yù)培養(yǎng)(共8個(gè)，每個(gè)培養(yǎng)箱中放4盆作為重復(fù))，并保持培養(yǎng)箱內(nèi)CO2濃度400×10-6和土壤含水量20.0%恒定。根據(jù)課題組前期的經(jīng)驗(yàn)[8]，預(yù)培期結(jié)束后將8個(gè)培養(yǎng)箱按照CO2濃度梯度400×10-6、500×10-6、600×10-6、800×10-6和土壤含水量梯度14%～16%(干旱處理)和25%～27%(田間持水量處理)進(jìn)行正交組合，共8個(gè)處理。在處理過(guò)程中，在盆栽中插入土壤含水量監(jiān)測(cè)5TE探頭，連接數(shù)據(jù)采集器EM50，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄土壤水分，保證水分在設(shè)定范圍內(nèi)。其他條件保持不變，連續(xù)培養(yǎng)1個(gè)生長(zhǎng)季，至閩楠幼樹(shù)長(zhǎng)出新葉。

表1 閩楠幼樹(shù)基本生長(zhǎng)狀況Tab.1 Growth status of Phoebe bournei

2.2 葉片氣孔特征值以及氣體交換參數(shù)測(cè)定

為分析葉片氣孔的特征指標(biāo)，于2016年8月采新葉進(jìn)行測(cè)定。摘取8種處理下的閩楠葉片(在每株冠層中部取葉3片，每種處理共12片)經(jīng)過(guò)生物制片處理方法[9]制作成閩楠葉片樣品，在電子顯微鏡(S-3400H)下觀(guān)測(cè)拍照400倍數(shù)和2 500倍數(shù)下葉片氣孔數(shù)量和氣孔張開(kāi)程度，具體操作方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，觀(guān)測(cè)結(jié)果取平均值。同時(shí)，利用Li-6400光合儀(Li-COR, USA)，對(duì)每株閩楠的冠層中部葉片(3～5片)的光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度等指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)3 d測(cè)定，每天觀(guān)測(cè)時(shí)間為09：00，觀(guān)測(cè)結(jié)果取平均值，同時(shí)計(jì)算植物葉片水分利用效率。如下：

式中：W為植物葉片水分利用效率，%；Pn為光合速率，μmol/(m-2·s)，Tr為蒸騰速率，μmol/(m2·s)。

利用EXCEL 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖，利用SPSS 17.0進(jìn)行相關(guān)性分析和方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水碳控制條件對(duì)葉片氣孔密度及分布的影響

不同CO2濃度和水分梯度組合條件下對(duì)閩楠葉片氣孔密度影響較大(圖1)。CO2濃度對(duì)氣孔密度產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)。CO2濃度的升高引起葉片氣孔的數(shù)量的下降(R2=0.94)，CO2濃度在400×10-6條件下氣孔數(shù)量最多，當(dāng)CO2濃度升高到800×10-6時(shí)，氣孔數(shù)量平均降低30.08%。同時(shí)，干旱處理下，回歸方程的斜率更大，說(shuō)明干旱處理下氣孔密度對(duì)CO2濃度的響應(yīng)更敏感。不同水分梯度對(duì)氣孔密度沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)，表明氣孔密度對(duì)土壤水分差異的響應(yīng)低于對(duì)CO2濃度的響應(yīng)；但氣孔密度呈現(xiàn)田間持水處理高于干旱脅迫的趨勢(shì)，并且CO2濃度越高，不同水分梯度下氣孔密度的差異越大。

圖1 不同水碳控制下閩楠葉片氣孔密度變化Fig.1 Leaf stomatal density change of Phoebe bournei under different water-carbon control

在電鏡下觀(guān)察閩楠葉片氣孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)完整葉尖部、中部和尾部3個(gè)部位的氣孔密度不均勻，存在顯著性差異(P<0.05)(表2)。從尖部到尾部的位置，氣孔密度逐漸增大，但變化的幅度逐漸降低。隨著CO2濃度的升高，3個(gè)部位都表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，氣孔密度和CO2濃度之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。水分梯度對(duì)閩楠葉片氣孔分布的影響表現(xiàn)為：尖部和尾部的氣孔密度在田間持水量下高于干旱條件下，而CO2濃度較低時(shí)，中部的氣孔密度在干旱條件下高于田間持水量。同時(shí)，隨著CO2濃度的升高，水分梯度對(duì)氣孔分布的影響逐漸增大。

表2 不同水碳控制下閩楠葉片中葉尖、葉中、葉尾氣孔密度比較Tab.2 Stomatal density in the leaf apex, middle and tail of Phoebe bournei under different water-carbon control Stomatas/m2

3.2 水碳控制條件對(duì)葉片氣孔開(kāi)閉程度的影響

利用400倍數(shù)和2 500倍數(shù)下電鏡觀(guān)察閩楠?dú)饪椎慕Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)(圖2)。閩楠?dú)饪捉Y(jié)構(gòu)由兩個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成，氣孔在正常狀況下張開(kāi)時(shí)，氣孔形狀呈現(xiàn)矩形，氣孔平均長(zhǎng)度在14～18 μm之間，平均寬度在4～5 μm之間。

圖中放大倍數(shù)為2 500倍，長(zhǎng)度標(biāo)尺為2 μm，工作電壓5 kV，工作距離為9 mm。Magnification from left to right is 2 500 times, length scale 2 μm, working voltage 5 kV, working distance 9 mm. 圖2 閩楠?dú)饪讖堥_(kāi)示意圖Fig.2 Sizes of stomata opening in Phoebe bournei

不同CO2濃度和水分梯度組合條件下對(duì)氣孔開(kāi)閉程度的影響見(jiàn)圖3。CO2濃度對(duì)氣孔開(kāi)閉程度的影響不顯著(P>0.05)，葉片的氣孔張開(kāi)比例隨CO2濃度升高而逐漸降低，但降低的幅度不大。在干旱處理?xiàng)l件下，CO2濃度每升高100×10-6，氣孔張開(kāi)的比例減少2%～4%，田間持水量條件下表現(xiàn)出相同的規(guī)律，但CO2濃度與氣孔張開(kāi)程度的斜率低于干旱處理。而水分梯度對(duì)氣孔開(kāi)閉程度產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)。在干旱處理?xiàng)l件下，氣孔張開(kāi)程度比例變化在15%～30%之間，田間持水量條件下在40%～50%之間。這是由于充足水分供給下有更多的氣孔會(huì)張開(kāi)，以增加植物的蒸騰量來(lái)降低葉水勢(shì)，而干旱處理下的氣孔張開(kāi)比例很小，是因?yàn)橹参餅榱吮ＷC體內(nèi)水分，減小水分的散失而降低了蒸騰速率，可見(jiàn)氣孔張開(kāi)程度對(duì)水分供給的敏感性很高。

圖3 不同水碳控制下閩楠葉片氣孔張開(kāi)程度Fig.3 Opening extent of stomata of Phoebe bournei under different water-carbon control

3.3 水碳控制條件對(duì)閩楠葉片氣孔導(dǎo)度的影響

通過(guò)對(duì)氣孔導(dǎo)度測(cè)定(圖4)可知，氣孔導(dǎo)度的變化范圍為0.01～0.07 mmol/(m2·s)。通過(guò)方差分析，不同水分梯度下氣孔導(dǎo)度存在顯著性差異(P<0.05)，田間持水量條件下的氣孔導(dǎo)度均高于干旱處理，干旱條件下氣孔導(dǎo)度小于0.02 mmol/(m2·s)，而田間持水量條件下的氣孔導(dǎo)度均高于0.04 mmol/(m2·s)。由此說(shuō)明，隨著土壤水分增加，葉片水勢(shì)減小，進(jìn)而導(dǎo)致葉片氣孔導(dǎo)度增大。

圖4 不同水碳控制下閩楠葉片氣孔導(dǎo)度變化Fig.4 Leaf stomatal conductance of Phoebe bournei under different water-carbon control

干旱處理?xiàng)l件下，氣孔導(dǎo)度與CO2濃度回歸分析的斜率低于田間持水量條件下，氣孔導(dǎo)度隨CO2濃度變化波動(dòng)較平緩，總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。氣孔導(dǎo)度隨著CO2濃度的升高而減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(R2=0.99)。CO2濃度每升高100×10-6，氣孔導(dǎo)度降低10%～17%。在田間持水量處理?xiàng)l件下，氣孔導(dǎo)度同樣表現(xiàn)出隨著CO2濃度的升高而降低的規(guī)律，且降低的程度較大，CO2濃度每升高100×10-6，變化的范圍為8%～23%。

3.4 水碳控制條件對(duì)葉片氣體交換參數(shù)的影響

不同CO2濃度和水分梯度組合條件下，凈光合反應(yīng)速率、蒸騰速率、水分利用效率和胞間CO2濃度見(jiàn)表3。CO2濃度與葉片氣體交換參數(shù)相關(guān)性顯著(P<0.05)，其中，干旱處理下，凈光合反應(yīng)速率、水分利用效率和胞間CO2濃度隨CO2濃度的升高而顯著增加，呈正相關(guān)關(guān)系，而蒸騰速率卻表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。田間持水量處理下葉片氣體交換參數(shù)隨CO2濃度的變化相同。不同CO2濃度的凈光合速率、蒸騰速率、水分利用效率和胞間CO2濃度和存在顯著性差異(P<0.05)，而不同水分梯度下4個(gè)葉片氣體交換參數(shù)的差異性不顯著(P>0.05)。

表3 不同水碳控制下閩楠?dú)怏w交換參數(shù)Tab.3 Gas exchange parameter of Phoebe bournei under different water-carbon control

4 討論

4.1 水碳控制條件對(duì)葉片氣孔特征的影響

植物葉片氣孔特征對(duì)碳、水環(huán)境改變的響應(yīng)目前還未有一致結(jié)論[11-12]。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤體積含水量相同時(shí)，高CO2濃度下，閩楠葉片氣孔數(shù)量減少，同時(shí)氣孔張開(kāi)受到抑制，這種響應(yīng)關(guān)系在土壤受到干旱脅迫時(shí)更加敏感。這與Rogiers等[13]的研究結(jié)果一致；但徐文鐸等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度使得銀杏(Ginkgobiloba)幼葉氣孔參數(shù)減少，而對(duì)成年葉片氣孔參數(shù)有增加作用。這說(shuō)明植物葉片的氣孔參數(shù)變化與大氣CO2濃度增加之間的關(guān)系是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，除受葉片生長(zhǎng)發(fā)育階段的影響外，還與光照、溫度、水分等環(huán)節(jié)因子有密切關(guān)系。任昱等[15]探究了人工增雨對(duì)干旱地區(qū)白刺(Nitrariatangutorum)葉片氣孔特征的影響，發(fā)現(xiàn)土壤水分的有效性是影響葉片氣孔特征的重要因素。本文中，在土壤水分受到脅迫時(shí)，閩楠植物葉片氣孔數(shù)量和張開(kāi)程度均降低，且CO2濃度越高，二者的降低程度越大。

4.2 水碳控制條件對(duì)葉片氣體交換參數(shù)的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，葉片凈光合反應(yīng)速率、蒸騰速率、水分利用效率和胞間CO2濃度對(duì)CO2濃度的響應(yīng)強(qiáng)烈，高CO2濃度提高了Pn和Ci，但是降低了Tr，進(jìn)而降低了氣孔導(dǎo)度，但同時(shí)提高了水分利用效率，這與徐輝等[16]的研究結(jié)果一致。而曹恭祥等[17]認(rèn)為CO2濃度與光合速率的響應(yīng)關(guān)系中存在閾值現(xiàn)象，當(dāng)CO2濃度為600×10-6時(shí)，可使得光合速率達(dá)到峰值，蒸騰速率較低，從而獲得較高的水分利用效率。本研究中，水分梯度對(duì)葉片各氣體交換參數(shù)響應(yīng)較弱，表現(xiàn)為干旱脅迫條件下抑制葉片的蒸騰速率，而凈光合速率較高；因此，水分利用效率較高。王榮榮等[18]在研究酸棗光合參數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤含水量在58%～80%時(shí)，其光合生理活性較高，利于酸棗苗木生長(zhǎng)，與筆者研究結(jié)果一致。筆者僅探究水碳控制條件對(duì)閩楠葉片氣孔特征及光合參數(shù)等的影響，全球氣候變化下，溫度增加、洪澇災(zāi)害頻發(fā)、土壤蒸發(fā)加劇等一系列環(huán)境因子的改變均會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)、光合作用、蒸騰作用等產(chǎn)生一定的影響，其表現(xiàn)形式、作用機(jī)制等都是目前亟待解決的問(wèn)題。

5 結(jié)論

1)CO2濃度對(duì)閩楠葉片氣孔密度產(chǎn)生顯著影響，高CO2濃度引起閩楠葉片尖部、中部和尾部的氣孔密度下降，且干旱脅迫下這種響應(yīng)更加敏感。氣孔密度對(duì)土壤水分梯度的響應(yīng)低于對(duì)CO2濃度的響應(yīng)。

2)閩楠葉片氣孔張開(kāi)程度和氣孔導(dǎo)度對(duì)土壤水分響應(yīng)的敏感性高于CO2濃度。CO2濃度越高，氣孔張開(kāi)程度和氣孔導(dǎo)度越低，而田間持水量處理下葉片氣孔張開(kāi)程度和氣孔導(dǎo)度遠(yuǎn)高于干旱處理。

3)CO2濃度與閩楠葉片凈光合反應(yīng)速率、蒸騰速率和水分利用效率呈指數(shù)關(guān)系，且在田間持水量處理下，三者對(duì)CO2濃度的響應(yīng)比干旱脅迫下更迅速，而水分梯度對(duì)葉片各氣體交換參數(shù)響應(yīng)較弱。