蘭州北山不同海拔3種典型綠化樹種光合特性研究

劉旻霞，于瑞新，穆若蘭，夏素娟

西北師范大學地理與環(huán)境科學學院，甘肅 蘭州 730070

植物作為整個碳循環(huán)過程的紐帶，對生態(tài)系統(tǒng)碳固定、水平衡以及養(yǎng)分動態(tài)等各方面都起著至關重要的作用，光合作用是植物生長發(fā)育的基礎，其對環(huán)境變化較為敏感（王海珍等，2017；劉旻霞等，2020）。海拔梯度由于包含了溫度、濕度、光照等環(huán)境因子的劇烈變化，這些因子的變化極易影響高山植物的葉片形態(tài)和光合作用，因此成為研究植物在生理格局變化的理想?yún)^(qū)域（李鑫豪等，2019）。植物的光合生理特性在一定程度上能夠體現(xiàn)其對生境的響應情況，光合-光響應曲線反映了植物光合速率與光照強度的相關關系，通過曲線可得出植物表觀量子效率（AQE）、光補償點（LCP）、最大凈光合速率（Pnmax）、光飽和點（LSP）和暗呼吸速率（Rd）等重要光合參數(shù)（陳曉英等，2020），這些參數(shù)有助于了解光合作用中植物利用光強的能力及其對生境的適應情況，對于研究植物的光合生理特性、生長情況具有重要意義（姬明飛等，2013）。海拔變化作為體現(xiàn)植物生境空間異質性的重要方面，隨著海拔升高，植物會進行一系列功能性狀及生理生態(tài)的變化如：植株矮化，葉面積減小，氣孔密度增加，葉片氮含量增加，光合潛力增大等以適應高海拔環(huán)境。相關研究也相繼展開，如韋玉等（2014）應用直角雙曲線修正模型擬合分析不同海拔高度矮嵩草（Kobresia humilis）的光合響應差異，發(fā)現(xiàn)生長于高海拔地區(qū)的矮嵩草具有較高的 LSP和LCP，表現(xiàn)出對高海拔良好的適應性。高成杰等（2015）研究發(fā)現(xiàn)高海拔地區(qū)滇重樓（Pairs polyphylla）花萼對光強的適應范圍較大；低海拔地區(qū)滇重樓花萼Pnmax和LSP顯著低于葉片，AQE高于葉片，對光強的適應范圍較小，對弱光的利用能力更高。樊瑩（2019）在對長白山不同海拔下的樹種研究發(fā)現(xiàn)，白樺（Betula platyphylla）幼樹的Rd隨海拔高度的增加而增加，而花揩槭（Acer ukurunduense）幼樹和紫椴（Tilia amurensis）幼樹的Rd沒有顯著的海拔差異。

蘭州市位于我國西北部，是我國向西開放及一帶一路上的節(jié)點城市。蘭州北山地處黃土高原溝壑區(qū)，屬于典型的溫帶大陸性氣候，自然生態(tài)環(huán)境脆弱，面臨著植被破壞、水土流失等一系列嚴峻的問題。蘭州北山人工林生態(tài)系統(tǒng)對蘭州市城市生態(tài)環(huán)境有著舉足輕重的影響，但由于造林成活率低，植被稀疏，水土流水嚴重，現(xiàn)已成為黃河的主要沙源區(qū)之一。為更好地恢復與重建該地區(qū)生態(tài)環(huán)境，關鍵是要對植樹造林工程中樹種的生理特性有更深刻的認識，從而在未來植樹造林中合理選擇綠化樹種、提高植被成活率。側柏（Platycladus orientalis）、山桃（Prunus davidiana）和甘蒙檉柳（Tamarix austromongolica）具有生長速度快，耐鹽堿、耐貧瘠等特點，為干旱半干旱、黃土高原及山坡的主要水土保持林和造林樹種。本研究通過直角雙曲線修正模型對蘭州北山典型綠化樹種側柏、山桃和甘蒙檉柳的光響應曲線進行擬合，對3種綠化樹種的Pnmax、AQE、LSP、LCP、Rd及WUE等參數(shù)比較，闡明其對不同海拔的響應策略，以期為蘭州北山營建生態(tài)林和綠化建設提供實踐指導，以選擇出適應不同生境的最優(yōu)樹種，為黃土高原半干旱區(qū)植物的栽培、提高植被成活率提供理論基礎和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省蘭州市北山九州臺，坐標為 35°58′54″— 36°10′20″N ， 103°41′65″—103°52′47″ E，氣候屬于北溫帶半干旱氣候，受大陸季風性氣候的影響，該地區(qū)干燥少雨，年均降雨量211 mm，蒸發(fā)量1446 mm，晝夜溫差大，年均氣溫 5—9 ℃，土壤為黃土母質上發(fā)育起來的灰鈣土，有機質含量在 5—15 g·kg?1之間，pH 8—9（劉旻霞等，2020）。區(qū)內造林樹種主要有：刺槐（Robinia pseudoacacia）、側柏、山桃、甘蒙檉柳、油松（Pinus tabulaeformis）、檸條（Caragana korshinkii）、紅砂（Reaumurta soongorica）和新疆楊（Populus alba）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇及樣品確定

本研究于2018年7月上旬，應用GPS準確定位并選取海拔為 1600、1800、2000 m的 3個樣區(qū)（表 1），每個樣區(qū)內分別設置 3個 30 m×30 m的樣地，每個樣地間相隔距離50 m，樣地內植被均為人工林，樹齡大約15年左右，每個樣地選取生長狀況相似，無病蟲害的側柏、山桃和甘蒙檉柳各5株，每株分別選取東、西、南、北 4個方位中上層受光方向一致，葉位相同、長勢相近、生長健康的 3片葉子進行光響應曲線的測定。測量中葉片面積小于葉室面積的葉片，將其裝入自封袋后帶回實驗室，用掃描儀（CanoScan LiDE 120，Japan）掃描，利用Image J軟件進行計算。

表1 樣區(qū)植被概況Table 1 Survey of Vegetation in Sample plot

1.2.2 光合速率-光響應曲線的測定

采用Li-6400XT（Li-COR6400Inc. USA）便攜式光合測定儀對植物光合-光響應曲線進行測定。選擇晴朗無風的天氣于09:00—11:30之間測定 3個樹種的凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、胞間 CO2濃度（Intercellular CO2concentration，Ci）、氣孔導度（Stomatal conductance，Gs）等光合指標。測定前對每個葉片進行充分的光誘導，設置光照強度梯度為：2000、1800、1500、1200、1000、800、500、200、150、100、50、0 μmol·m?2·s?1。測定時在每個設置的光合有效輻射下適應3 min。設置流速為500 μmol·s?1，安裝配套儀器 CO2鋼瓶，設定葉室CO2摩爾分數(shù)為 (400±5) μmol·mol?1，葉溫為(25±1) ℃，相對濕度變化范圍為55%左右。用直角雙曲線修正擬合光響應曲線，得到一系列光合參數(shù)，進行分析后，計算水分利用效率 (water use efficiency, WUE)=Pn/Tr，氣孔限制值Ls=1?Ci/Ca。

1.2.3 環(huán)境因子的測定

使用儀器 JZ-RHXL3SD溫濕度記錄儀，DP-GH光合有效輻射記錄儀、測量樣區(qū)內大氣溫度（Atmospheric temperature，Ta）、空氣相對濕度（Relative air humidity，RH）、光合有效輻射（Photosynthetically active radiation，PAR）等環(huán)境因子。選前3天內沒有發(fā)生降雨的天氣進行土壤采集，在每個樣地內按照對角線取樣法用直徑為5 cm的土鉆取大約1000 g左右的土壤樣品（土層厚度為0—20 cm），混合均勻后裝入自封袋，通過烘干法（Gardener，1986）測定土壤含水率（Soil moisture content，SMC）。

1.2.4 光響應曲線擬合模型

采用直角雙曲線修正模型對光響應曲線進行擬合。

式中：

Pn——凈光合速率；

I——光合有效輻射；

α——光響應曲線的初始斜率；

Pnmax——最大凈光合速率；

Rd——暗呼吸速率。

γ——光飽和項，其值為α/Pnmax。

1.2.5 資源利用效率的計算

水分利用效率公式（Water use efficiency，WUE，μmol·mmol?1），根據(jù) Medrano et al.（2015）提出的公式計算：

光能利用效率（Light use efficiency，LUE，mol·mol?1）公式為：

式中：

PPFD——光合有效輻射（μmol·m?2·s?1）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究通過Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行分析處理，用SPSS 17.0軟件擬合光響應曲線及其光合參數(shù)以及對數(shù)據(jù)進行顯著性分析，用 Origing 17.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同海拔環(huán)境因子的變化

樣區(qū)內環(huán)境因子日均值如表 2，隨著海拔由1600 m升高至2000 m過程中，PAR有顯著差異（P<0.05），呈不斷增強的趨勢。Ta、RH、Ts和 SMC均隨海拔的上升而下降，除Ts外，3種環(huán)境因子均有顯著差異。其中Ta由23 ℃降低至19 ℃，RH降低幅度較大，由51%降低至43%、Ts降低了約0.5 ℃，SMC降低了約21%。

表2 樣區(qū)內環(huán)境因子Table 2 Environmental factors in the sample area

2.2 不同海拔3種綠化樹種Pn的光響應變化

通過直角雙曲線修正模型對不同海拔下3樹種光合作用的光響應曲線進行擬合，相關性均達到顯著水平（P<0.001）。圖1可以看出，3樹種Pn均隨PAR的增加而升高，而后逐漸趨于平穩(wěn)。低光輻射下不同的海拔梯度Pn的光響應變化趨勢一致，隨著光合輻射的增強，高海拔梯度Pn的光響應變化高于低海拔處的光響應變化，且3樹種均呈現(xiàn)出高海拔具有較高的Pn，表明海拔對側柏、山桃和甘蒙檉柳光合速率影響較大。

圖1 不同海拔Pn對光的響應Fig. 1 Response of Pn to light at different altitudes

3樹種光響應參數(shù)在不同海拔呈顯著差異（P<0.05），側柏、山桃和甘蒙檉柳的Pnmax隨海拔的升高均呈增大趨勢；山桃和甘蒙檉柳的LSP隨海拔增加而上升，在海拔2000 m處達到最大，而側柏LSP在1600 m處達到最大；3樹種的LCP和 Rd隨海拔升高均呈現(xiàn)降低趨勢；側柏、山桃和甘蒙檉柳的AQE均表現(xiàn)為海拔2000 m最高，1600 m處最低（表3）。

表3 不同海拔側柏、山桃和甘蒙檉柳的光合參數(shù)變化Table 3 Photosynthetic parameters of of P. orientalis, P. davidiana and T. austromongolica at different altitudes

2.3 不同海拔3種樹種的光合生理指標

圖2表明，不同海拔下，側柏、山桃和甘蒙檉柳葉片Tr和Gs均呈現(xiàn)出隨PAR增加而上升的趨勢，分別在 PAR 大于 1273、1562、1816 μmol·m?2·s?1時，Tr和Gs趨于穩(wěn)定。當側柏、山桃和甘蒙檉柳的 PAR 值分別由 0 μmol·m?2·s?1增大至光飽和點過程中，3樹種的Ci呈現(xiàn)出下降趨勢，而Ls呈現(xiàn)出上升趨勢。在 PAR 值為 400 μmol·m?2·s?1之前，Ci下降幅度極大，超過 400 μmol·m?2·s?1后，Ci下降緩慢。在光飽和點處，Ci達到最小值。1600 m和1800 m處，3樹種Ci達到最低點后，有緩慢上升的趨勢，此時表現(xiàn)出明顯的光抑制現(xiàn)象。在海拔2000 m處，植物擁有較大的Tr、Gs和Ci以抵抗高溫等不良環(huán)境。3樹種平均Tr、Gs和Ci由大到小為：山桃>甘蒙檉柳>側柏。

圖2 不同光照強度下側柏、山桃和甘蒙檉柳的光合生理指標Fig. 2 Photosynthetic physiological indexes of P. orientalis, P. davidiana and T. austromongolica under different light intensity

2.4 3種樹種光能、水分利用效率比較

LUE是反映植物生長發(fā)育的重要生理指標。由圖3可以看出，側柏、山桃和甘蒙檉柳在低光強（PAR<100 μmol·m?2·s?1）條件下，隨著 PAR的升高，LUE快速上升并達到峰值；此后 LUE逐漸下降。不同海拔梯度上3個樹種的LUE均表現(xiàn)出2000 m>1800 m>1600 m。其中，山桃LUE最大，甘蒙檉柳次之，側柏最小。3樹種的WUE分別在 PAR 小于 525、870、450 μmol·m?2·s?1光強下，WUE顯著增加，隨著PAR的增加，WUE逐漸趨于平緩。表明側柏、山桃和甘蒙檉柳WUE對 PAR 的適應范圍分別在 525—2000 μmol·m?2·s?1、870—2000 μmol·m?2·s?1和 450—2000 μmol·m?2·s?1之間，可以看出甘蒙檉柳對PAR的適應范圍更大。側柏和甘蒙檉柳呈現(xiàn)出在2000 m處具有較低的WUE，而在1600 m處具有較高的WUE。山桃整體表現(xiàn)出在海拔1800 m處WUE較高（圖3）。

圖3 不同光照強度下側柏、山桃和甘蒙檉柳的資源利用效率Fig. 3 Resource utilization efficiency of P. orientalis, P. davidiana and T. austromongolica under different light intensity

2.5 側柏、山桃和甘蒙檉柳生理生態(tài)因子的相關性分析

側柏、山桃和甘蒙檉柳生理生態(tài)因子顯示出不同的差異性。生態(tài)因子中，PAR、Ta、Ca和RH之間存在緊密聯(lián)系。其中，側柏和山桃的 Pn與PAR呈現(xiàn)顯著正相關，甘蒙檉柳Pn與Ts呈極顯著正相關關系。生理因子中，側柏、山桃和甘蒙檉柳Pn均與LUE、WUE呈現(xiàn)顯著正相關關系，且相關系數(shù)均在0.6以上（表4）。

表4 側柏、山桃及甘蒙檉柳生理生態(tài)因子間的相關性分析Table 4 Correlation analysis of physiological and ecological factors of P. orientalis, P. davidiana and T. austromongolica

2.6 3種樹種生理生態(tài)因子的線性回歸分析

方程 (a) 可以看出，側柏Pn隨著 LUE、PAR的升高表現(xiàn)出增大的趨勢。方程 (b) 可知，LUE和Tr影響山桃的Pn。方程 (c) 表明，甘蒙檉柳隨Tr的增大表現(xiàn)出升高趨勢。

式中：

Y1、Y2、Y3——側柏、山桃和甘蒙檉柳的Pn；

X1——光合有效輻射PAR；

X2——相對濕度RH；

X3——空氣溫度Ta；

X4——土溫 Ts；

X5——土壤含水率SMC；

X6——氣孔導度Gs；

X7——蒸騰速率Tr；

X8——水分利用效率WUE；

X9——光能利用效率LUE。

3 討論

3.1 不同海拔下 3種樹種的光響應曲線及參數(shù)分析

光合-光響應曲線是理解植物光化學效率的重要方式，曲線的參數(shù)能夠反映植物光合作用機制對環(huán)境的響應。Pnmax代表植物葉片的最大光合能力，一定程度上反映了植物的遺傳特性和對環(huán)境的適應能力，其值越大，表明其光合作用潛力越大。側柏、山桃和甘蒙檉柳的 Pnmax隨海拔的升高均呈增大趨勢，反映了植物在相對高海拔梯度上具有最大的光合能力，是植物對環(huán)境長期適應的結果（范秀華等，2012）。其中甘蒙檉柳的最大光合能力優(yōu)于側柏和山桃。LSP能夠反映植物對強光的利用能力，本研究中山桃和甘蒙檉柳的 LSP隨海拔增加呈現(xiàn)上升趨勢，表明山桃和甘蒙檉柳對強光照的適應能力較好。原因是隨海拔的升高，植物體內類胡蘿卜素含量顯著增加（Liu et al.，2020）。類胡蘿卜素不僅可以吸收和傳遞光能，而且能夠通過一些熱耗散機制如葉黃素循環(huán)等來消耗多余的光能以避免光合機構的損傷（孫小玲等，2010）。側柏的LSP呈一定的降低趨勢（表 3），表明側柏對強光的耐受能力相對較弱。通常植物具有較高的 AQE和較低的LCP，表明其對弱光的利用能力較強（Joseph et al.，2005；Wang et al.，2021），即具有較強的耐蔭性。3樹種不同海拔下的LCP均隨海拔升高呈現(xiàn)降低趨勢，LCP較低及LSP較高的植物對光環(huán)境的適應性強（郭春燕等，2013），說明海拔升高，樹種對干旱環(huán)境適應能力增強。本研究中，3樹種的AQE均隨海拔的升高而升高，這是由于光合作用中的關鍵酶Rubisco是一個調節(jié)光合作用和光呼吸的雙功能酶（Quimado et al.，2021）。有研究表明，降低空氣中的O2濃度或提高CO2濃度會促進植物Rubisco酶的活性和數(shù)量，從而使AQE升高（潘璐等，2014）。植物葉片Rd是光強為0時的光合速率，較低的Rd可以降低呼吸作用對光合產(chǎn)物的消耗，有利于干物質的積累（Chen et al.，2011）。側柏、山桃和甘蒙檉柳的 Rd在海拔梯度上呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，均隨海拔的升高而降低，其原因可能是溫度限制了植物的生理活性，從而減少對于能量的需求，使Rd下降。

3.2 海拔梯度上3種樹種氣體交換參數(shù)分析

在PAR逐漸增強的過程中，3樹種的Tr和Gs顯著增加，其原因是植物在進行光合作用過程中對水分及礦物質營養(yǎng)元素的需求會增加，因此需要蒸騰作用將營養(yǎng)物質傳輸?shù)街参锼璧母鱾€部位（劉旻霞等，2020）。而Ci的光響應則相反，隨著PAR的增強，Pn快速增加，消耗 CO2量較大，導致 Ci顯著下降，這時植物通過調節(jié)氣孔來限制光合作用，達到最大CO2同化量與最小水分散失量（荊天，2015）。當PAR超過光飽和點LSP，Ci趨于穩(wěn)定且略呈上升趨勢，Ls呈略微下降趨勢，光合作用的主導限制因素由氣孔限制轉變?yōu)榉菤饪紫拗疲≧en et al.，2020），植物逐漸出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。側柏、山桃和甘蒙檉柳葉片 Tr和Gs都呈現(xiàn)出海拔升高而上升的趨勢，這是由于高海拔地區(qū)的低氣壓環(huán)境增加了氣體分子擴散能力，以及通過增加葉片氣孔密度導致Gs增加，植物通過調節(jié)氣孔的大小控制植物吸收 CO2和散失水分，所以 Tr、Ci與 Gs變化趨勢一致，也隨著海拔的增加而增加。

3.3 3種樹種的光能、水分利用效率比較

LUE是表征植物固定太陽能效率的指標，指植物通過光合作用將所截獲/吸收的能量轉化為有機干物質的效率，是植物光合作用的重要概念（Wang et al.，2021）。本研究中隨著海拔升高3樹種光合潛力增大，其原因是高海拔植物光合機構通過增加LUE來減少過剩光能對光合器官的光抑制和光破壞，以適應多變的生存環(huán)境。3樹種LUE表現(xiàn)為：山桃最大，甘蒙檉柳次之，側柏最小，表明山桃可以更有效地利用光能，從而轉化為干物質。植物WUE是植物生長發(fā)育所需最佳水分供應的重要指標之一，3樹種WUE在PAR的較大范圍內都能夠維持較高的水平，其中甘蒙檉柳表現(xiàn)出對PAR的適應范圍更大，表明甘蒙檉柳對光的適應生態(tài)幅度較寬。從海拔上來看，側柏和甘蒙檉柳表現(xiàn)為 WUE隨著海拔的升高而降低，而山桃整體表現(xiàn)出在海拔1800 m處WUE較高。原因可能是高海拔地區(qū)植物受到更多的干旱、光合輻射強、低溫等環(huán)境脅迫，側柏和甘蒙檉柳提高WUE以抵御環(huán)境脅迫。

3.4 3種綠化樹種生理生態(tài)因子之間的關系

植物光合作用過程受生理因子和生態(tài)因子的共同影響，在相同的環(huán)境條件下，不同植物表現(xiàn)出的光合作用動態(tài)變化的原因不同（徐春華等，2015）。本研究中影響3樹種光合作用的各因子存在著明顯的差異。側柏和山桃的PAR、Tr對Pn的影響較大，原因是PAR是植物光合作用的動力，一方面可以影響葉面溫度，促進水分的蒸發(fā)，另一方面，影響氣孔的開放，從而影響植物的氣體交換，加速植物的光合速率；WUE與PAR、Ta、Ts、Pn呈正相關，與RH、SMC、Tr、Gs呈負相關，表明隨PAR和Ta的升高，植物的Pn增強，使得WUE不斷增大，隨著植物Tr增大，植物通過氣孔散失水分，導致WUE減小。甘蒙檉柳的Ts對Pn的影響較大，有研究表明（范愛武等，2004），土溫對根系生長、代謝具有很大影響，過高或過低的土溫會抑制葉片中淀粉的降解和轉運以及糖和蛋白質之間的轉化，從而影響植物葉片的光合作用及生長。本研究中，山桃和甘蒙檉柳的WUE與Pn的相關性較強，表明植物的Pn越高，樹種消耗相同的水分所產(chǎn)生的干物質就越多。

綜上所述，本研究通過對蘭州北山3種綠化樹種的光響應曲線及其參數(shù)進行研究，發(fā)現(xiàn)在蘭州南北兩山多年的生態(tài)恢復過程中，側柏耐陰性較強且對光強的適應范圍不廣，適合栽培在低海拔地區(qū)；山桃可以很好利用光能，但其抗旱性能較差；甘蒙檉柳在較大的PAR范圍內可以保持良好的 WUE，并且其對光能的適應范圍較廣，可以大面積栽培。該研究結果可為今后該地區(qū)乃至西北干旱區(qū)半干旱區(qū)人工造林樹種的優(yōu)選及生態(tài)環(huán)境的恢復提供參考依據(jù)。

4 結論

（1）海拔對側柏和山桃的Pn影響較大；而對甘蒙檉柳的影響較小。

（2）隨海拔梯度的升高，3種樹種在海拔2000 m處具有較高的Pnmax和AQE，而在海拔1600 m處具有較高的 LCP及 Rd。除側柏外，山桃和甘蒙檉柳的LSP隨海拔增加呈現(xiàn)上升趨勢。

（3）高海拔 3種樹種的光合機構通過增加LUE來減少過剩光能對光合器官的光抑制和光破壞，從而適應多變的生存環(huán)境；高海拔生境植物受到更多的干旱、光輻射、低溫等環(huán)境脅迫，側柏和甘蒙檉柳提高WUE以抵御環(huán)境脅迫。

（4）PAR、Tr對側柏和山桃Pn的影響較大；Ts對甘蒙檉柳Pn的影響較大。