貴州喀斯特森林三種植物對(duì)不同坡位環(huán)境的光合生理響應(yīng)

邢德科，吳沿友，付為國，杭紅濤，趙玉國，吳沿勝

( 1. 教育部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境生物科技研究中心，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，貴陽 550002 )

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貴州喀斯特森林三種植物對(duì)不同坡位環(huán)境的光合生理響應(yīng)

邢德科1，吳沿友2*，付為國1，杭紅濤2，趙玉國1，吳沿勝1

( 1. 教育部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境生物科技研究中心，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，貴陽 550002 )

該研究以貴州普定喀斯特森林中、下坡位生長的構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、樸樹(Celtissinensis)和光滑懸鉤子(Rubustsangii)為材料，通過對(duì)碳酸酐酶(CA)活性、光合作用日變化、凈光合速率對(duì)CO2與光的響應(yīng)曲線、葉綠素?zé)晒馓匦砸约胺€(wěn)定碳同位素組成等指標(biāo)的測定，進(jìn)而對(duì)比分析三種植物不同的光合生理響應(yīng)特性。結(jié)果表明：構(gòu)樹光合作用過程的無機(jī)碳源既可來自大氣中的CO2，也可以在氣孔部分閉合的情況下利用細(xì)胞內(nèi)的HCO3-，下坡位的構(gòu)樹較高的CA活性使其利用HCO3-的效率會(huì)更高，并能在較低光強(qiáng)下具有較高的光能利用效率。這可能與下坡位的構(gòu)樹具有較高的CA活性有關(guān)，對(duì)下坡位具有更好的適應(yīng)性。樸樹光合無機(jī)碳的同化能力最低，且光合無機(jī)碳源較單一，主要利用大氣CO2，其較慢的生長速率使其對(duì)無機(jī)碳的需求最低，且能保持較穩(wěn)定的無機(jī)碳同化速率。相對(duì)來說，中坡位的樸樹具有相對(duì)較高的凈光合速率和光能利用效率，對(duì)中坡位表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。光滑懸鉤子主要利用大氣中的CO2進(jìn)行光合作用。中坡位的光滑懸鉤子具有較強(qiáng)的光能利用效率，并表現(xiàn)出較高的凈光合速率，光滑懸鉤子對(duì)中坡位同樣表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。該研究結(jié)果為喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)植被重建過程中樹種的選擇及合理配置提供了科學(xué)依據(jù)。

植被恢復(fù)，碳酸酐酶，表觀量子效率，羧化效率，穩(wěn)定碳同位素組成

貴州碳酸鹽巖面積達(dá)13 × 104km2，占全省土地總面積的73%，是我國喀斯特地貌最發(fā)育的省份，同時(shí)也是土壤侵蝕嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，而碳酸鹽巖山區(qū)土壤侵蝕主要發(fā)生在山坡，是一種選擇性的侵蝕過程(白占國等，1998)。該區(qū)面臨著經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的雙重壓力(王世杰，2002)。由于喀斯特生境巖石裸露率高、土壤淺薄、土被不連續(xù)、干濕頻繁交替等特點(diǎn)，使喀斯特山區(qū)的植被恢復(fù)非常困難(朱守謙，2003)。因此，開展該森林植被對(duì)喀斯特生境的適應(yīng)性研究，可為喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)現(xiàn)存森林保護(hù)與嚴(yán)重退化區(qū)植被重建過程中樹種的選擇及合理配置提供科學(xué)依據(jù)(曠遠(yuǎn)文等，2010)。

在喀斯特適生植物的光合無機(jī)碳利用過程中，CA發(fā)揮著舉足輕重的作用。CA是一種含鋅金屬酶，廣泛存在于動(dòng)物、植物、原核細(xì)菌與真核細(xì)菌中，參與各種生理過程，催化細(xì)胞中HCO3-向CO2和H2O的轉(zhuǎn)化(Badger & Price,1994；Sasaki et al,1998)。不同抗旱植物CA活性在干旱逆境下有不同的靈敏度和柔韌性，CA活性越高，植物轉(zhuǎn)化利用HCO3-的能力越強(qiáng)(Xing & Wu, 2012)。植物光合作用過程中同化利用的無機(jī)碳源一旦發(fā)生變化，其穩(wěn)定碳同位素組成(δ13C)會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。在光合作用一定的情況下，植物同化利用無機(jī)碳源的δ13C值越偏負(fù)，其葉片的δ13C值會(huì)相應(yīng)地變得更為偏負(fù)，反之葉片的δ13C值就越偏正(Wu & Xing, 2012)。植物穩(wěn)定碳同位素組成的變化已被成功地應(yīng)用于光合作用的研究中，δ13C的測定可用于追蹤光合作用過程中無機(jī)碳源的代謝途徑(Motomura et al, 2008；Tcherkez et al, 2009)。

構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)為蕁麻目?？坡淙~喬木，擁有較高的自然生長速率，相比于?？浦械钠渌锓N，構(gòu)樹對(duì)各種不利環(huán)境具有更好的適應(yīng)能力，喜光、耐干旱瘠薄，能生長于水邊，多生于石灰?guī)r山地，也能在酸性土及中性土上生長，廣泛分布于中國南北各地(Wu & Xing, 2012；葉波等，2014)，是喀斯特石漠化地區(qū)植被恢復(fù)的先鋒樹種之一。構(gòu)樹還有較強(qiáng)的HCO3-利用能力(吳沿友等，2011)，得益于其較高的CA活性，在高重碳酸鹽處理下的構(gòu)樹利用HCO3-的份額達(dá)30%(Wu & Xing, 2012)。樸樹(Celtissinensis)則為蕁麻目榆科落葉喬木，喜光照、微耐蔭、喜溫暖氣候和粘質(zhì)壤土，pH在4.5～7.5范圍內(nèi)生長良好，抗旱力強(qiáng)、也耐水濕和瘠薄、耐寒(任叔輝，2007)。樸樹有很好的經(jīng)濟(jì)、藥用與環(huán)保價(jià)值，廣泛分布于江蘇、安徽、山東、河南等省區(qū)，在以落葉闊葉林為主要植被類型的南京地區(qū)，樸樹是主要的建群種之一(高邦權(quán)和張光富，2005)。光滑懸鉤子(Rubustsangii)是薔薇科懸鉤子屬的攀援灌木，喜光、耐旱，適應(yīng)性強(qiáng)，多分布在400～1 500 m的向陽山坡，對(duì)土壤要求不嚴(yán)，pH值5.5～7.5均可生長(李志琴，2010)。懸鉤子屬植物具有很高的開發(fā)利用價(jià)值，是良好的水土保持及生態(tài)造林樹種，全國各地均有分布(王浩波等，2009)。構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子都能在喀斯特地區(qū)正常生長，并能很好地適應(yīng)該區(qū)的異質(zhì)性環(huán)境。然而，樸樹和光滑懸鉤子在喀斯特異質(zhì)性環(huán)境下的不同光合生理響應(yīng)特性卻仍未可知。

為了更深入了解喀斯特適生植物的不同適應(yīng)性特征，并據(jù)此針對(duì)不同環(huán)境合理配置植被構(gòu)成，結(jié)合喀斯特地區(qū)高pH、高重碳酸鹽以及山區(qū)“天無三日晴”的陰濕氣候等蔭生環(huán)境特點(diǎn)，同時(shí)考慮到植物光合生理對(duì)高pH及重碳酸鹽的響應(yīng)特性可用于分析不同適生植物的不同無機(jī)碳利用特性，以及適生植物對(duì)不同喀斯特環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)弱的比較，因此，本研究以構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子為材料，通過測定中坡位及下坡位兩種不同環(huán)境下三種植物的CA活性、光合作用日變化、凈光合速率對(duì)CO2濃度及光合有效輻射強(qiáng)度的響應(yīng)曲線、葉綠素?zé)晒馓匦砸约胺€(wěn)定碳同位素組成等指標(biāo)，探討三種植物對(duì)喀斯特環(huán)境的光合生理響應(yīng)特點(diǎn)，分析其不同適應(yīng)性特征，為喀斯特生態(tài)脆弱地區(qū)適生植物的選擇以及合理配置提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

普定縣位于貴州省中部安順市西北部，105°27′49″～105°58′51″ E、26°9′36″～26°31′42″ N，東西長51.4 km，南北寬40 km，海拔1 100～1 600 m，屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候，季風(fēng)交替明顯，氣候溫和，年均降雨量1 390 mm，年均氣溫在15.1 ℃左右。全縣喀斯特地貌廣泛發(fā)育，碳酸鹽巖出露面積占全縣國土面積的79.2%，土壤以石灰土和黃壤為主，分別占土壤總面積的63.7%和20.1%。普定縣植被類型豐富多樣，但由于自然和人為雙重因素的影響，該縣土壤侵蝕嚴(yán)重，裸露和半裸露石山連片出現(xiàn)，在多數(shù)地區(qū)植被退化嚴(yán)重(曠遠(yuǎn)文等，2010)。研究區(qū)的土壤為石灰土，微生物活動(dòng)較強(qiáng)，易于有機(jī)質(zhì)的降解(田麗艷等，2013)。采樣點(diǎn)位于陽面的中(海拔1 300 m)、下(海拔1 190 m)坡位，兩種坡位環(huán)境下的土壤均呈現(xiàn)弱堿性，HCO3-濃度在0.5 mmol·L-1左右。中坡位的光合有效輻射強(qiáng)度平均為202 μmol·m-2·s-1，最高達(dá)570 μmol·m-2·s-1；而下坡位平均為155 μmol·m-2·s-1，最高達(dá)350 μmol·m-2·s-1。兩種坡位環(huán)境下的大氣CO2濃度均為398 μmol·mol-1左右。中坡位的空氣相對(duì)濕度平均為23.9%，而下坡位平均為31.1%。

1.2 材料

供試材料為處于遮蔭環(huán)境下生長的成熟期的3～5年生的構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子的植物葉片。以兩種不同坡位環(huán)境作為對(duì)比，并分別對(duì)應(yīng)選取各自環(huán)境下生長的三種植物進(jìn)行測定，每種環(huán)境下每種植物各隨機(jī)選取5棵進(jìn)行試驗(yàn)，每棵植物每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測定5次。將每種環(huán)境下每種植物根系周圍重復(fù)3次采集的土樣各自風(fēng)干、研磨后按相同比例混勻，過0.25 mm篩后再分成3份，重復(fù)3次測定各自環(huán)境的理化性質(zhì)，對(duì)比分析兩種環(huán)境下土壤理化性質(zhì)的差異。

1.3 方法

1.3.1 土壤pH和HCO3-濃度的測定土壤pH用電極法測定，水土比為5∶1；HCO3-濃度采用中和滴定法測定，各指標(biāo)重復(fù)測定3次。

1.3.2 光合作用日變化用便攜式光合測量系統(tǒng)Li-6400(LI-COR, Lincoln, NE, USA)測定三種植物第4片完全展開葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)與蒸騰速率(E)的日變化，各指標(biāo)重復(fù)測定5次。

水分利用效率通過方程式(1)計(jì)算獲得：

WUE=Pn/E

(1)

式中，Pn是凈光合速率，E是蒸騰速率。

1.3.3 凈光合速率對(duì)CO2響應(yīng)曲線的測定用便攜式光合測量系統(tǒng)Li-6400(LI-COR, Lincoln, NE, USA)測定三種植物第4片完全展開葉的凈光合速率對(duì)CO2的響應(yīng)曲線，重復(fù)測定5次，據(jù)此擬合直角雙曲線方程(2)，再通過方程計(jì)算Amax、CE以及Rp：

(2)

式中，Ci為胞間CO2濃度(μmol·mol-1)，Amax為CO2飽和時(shí)的凈光合速率，Rp為葉片的光呼吸速率，羧化效率(CE)為曲線的起始斜率。用于測定CO2濃度梯度為400、300、200、100、50、100、200、300、400、600、800、 1 000、1 200、1 500、1 800 μmol·mol-1。葉室光合有效輻射與溫度分別設(shè)定為1 000 μmol·m-2·s-1和18 ℃。

1.3.4 凈光合速率對(duì)光響應(yīng)曲線的測定用便攜式光合測量系統(tǒng)Li-6400(LI-COR, Lincoln, NE, USA)測定三種植物第4片完全展開葉的凈光合速率對(duì)光的響應(yīng)曲線，重復(fù)測定5次，利用CO2控制系統(tǒng)將CO2濃度設(shè)定為400 μmol·mol-1，溫度為18 ℃，利用人工光源控制葉室內(nèi)的光合有效輻射，用于測定的光合有效輻射強(qiáng)度的梯度為2 000、1 750、1 500、1 250、1 000、800、600、400、200、150、120、100、80、60、40、20、0 μmol·m-2·s-1。采用非直角雙曲線方程(3)對(duì)該響應(yīng)曲線先進(jìn)行擬合，再通過方程計(jì)算Pmax、Q以及Rd：

(3)

式中，Pmax為光飽和時(shí)的凈光合速率，Rd為葉片的暗呼吸速率，表觀量子效率(Q)為曲線的起始斜率，I為光合有效輻射強(qiáng)度，K為反映光響應(yīng)曲線彎曲程度的曲角參數(shù)。

1.3.6 δ13C測定植物的第1片完全展開葉被用于δ13C的測定，重復(fù)測定5次。植物葉片經(jīng)烘干、粉碎、過篩后，稱取一定量轉(zhuǎn)化成供質(zhì)譜儀分析的CO2氣體；在MAT-252質(zhì)譜儀(Mat-252, Finnigan MAT, Germany)上進(jìn)行測定，測量精度為小于±0.2‰。分析結(jié)果以δ13CPDB表示。

1.3.7 CA活性植物第4、第5片完全展開葉被用于CA活性測定，每種植物重復(fù)5次。稱取植物葉片0.1～0.2 g，放到預(yù)冷的研缽中，先迅速加入液氮，再加入3 mL 10 μmol·L-1巴比妥鈉緩沖液(含巰基乙醇50 μmol·L-1，pH 8.3)進(jìn)行研磨，取研磨液倒入5 mL的離心管中，離心管置于冰浴中20 min后，在12 000 ×g離心5 min，取上清液，冷藏待用。

CA活性測定采用改進(jìn)的pH計(jì)法(Wu et al, 2011)。保持反應(yīng)系統(tǒng)在0～2 ℃，取待測上清液50～1 000 μL，加入到含4.5 mL的巴比妥鈉緩沖液(20 μmol·L-1，pH8.3)的反應(yīng)容器中，迅速加入3 mL預(yù)冷的(0～2 ℃)飽和CO2蒸餾水，用pH電極監(jiān)測反應(yīng)體系pH值變化，記下pH值下降一個(gè)單位(如pH值從8.2到7.2)所需的時(shí)間(記為t)，同時(shí)記錄在酶失活條件下pH值下降一個(gè)單位所需的時(shí)間(記為t0)，酶的活力用WA(U·g-1FW)表示。

WA=t/t0-1

(4)

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件及Excel軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法)及做圖。

2　結(jié)果與分析

2.1 三種植物光合參數(shù)的日變化

在中坡位，構(gòu)樹的Pn日變化呈現(xiàn)雙峰趨勢，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在12:00和15:00，分別為9.67和10.21 μmol·m-2·s-1，樸樹的Pn則表現(xiàn)出隨時(shí)間變化逐漸下降的趨勢，9:00時(shí)的Pn最高，為5.55 μmol·m-2·s-1，光滑懸鉤子的Pn日變化大致表現(xiàn)為單峰曲線，最高值出現(xiàn)在14:00，為6.71 μmol·m-2·s-1，構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子的日平均Pn分別為5.87、3.38與4.00 μmol·m-2·s-1(圖1)。在下坡位，構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子的Pn日變化都表現(xiàn)為單峰曲線，構(gòu)樹和光滑懸鉤子的最高值都出現(xiàn)在13:00，分別為8.44和5.34 μmol·m-2·s-1，樸樹的最高值則出現(xiàn)在12:00，為5.64 μmol·m-2·s-1，構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子的日平均Pn分別為3.98、2.01與3.15 μmol·m-2·s-1。

在中坡位，構(gòu)樹的Gs日變化也呈現(xiàn)出雙峰趨勢，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在11:00和15:00，分別為0.08和0.05 mol·m-2·s-1，樸樹的Gs在9:00～15:00間變化相對(duì)較為穩(wěn)定，其值在0.03～0.04 mol·m-2·s-1之間波動(dòng)，從16:00開始下降為0.01 mol·m-2·s-1，光滑懸鉤子的Gs日變化表現(xiàn)為單峰曲線，峰值出現(xiàn)在11:00，為0.06 mol·m-2·s-1，構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子的日平均Gs分別為0.04、0.03與0.03 mol·m-2·s-1。在下坡位，構(gòu)樹的Gs則隨時(shí)間變化而逐漸減小，9:00時(shí)的Gs最高，為0.06 mol·m-2·s-1，樸樹和光滑懸鉤子的Gs日變化則都表現(xiàn)為單峰曲線，最高值分別出現(xiàn)在12:00和11:00，分別為0.03和 0.05 mol·m-2·s-1。構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子的日平均Gs分別為0.03、0.02與0.03 mol·m-2·s-1。

三種植物在中坡位及下坡位兩種環(huán)境下的WUE日變化均出現(xiàn)雙峰趨勢。在中坡位，構(gòu)樹的兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在9:00和12:00，樸樹出現(xiàn)在9:00和13:00，光滑懸鉤子則出現(xiàn)在9:00和14:00，構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子的日平均WUE值分別為6.04、4.20與4.37 mmol·mol-1。在下坡位，構(gòu)樹的兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在13:00和16:00，樸樹出現(xiàn)在12:00和15:00，光滑懸鉤子則出現(xiàn)在9:00和13:00，構(gòu)樹、樸樹和光滑懸鉤子的日平均WUE值分別為5.05、3.26與4.17 mmol·mol-1。

圖 1　中坡位與下坡位三種植物的光合特性日變化A. 凈光合速率; B. 氣孔導(dǎo)度; C. 水分利用效率。Fig. 1　Diurnal changes of photosynthetic traits of three plant species on the middle slope and lower slopeA. Net photosynthetic rate (Pn); B. Stomatal conductance (Gs); C. Water-use efficiency (WUE).

2.2 三種植物光合作用對(duì)CO2濃度的響應(yīng)

由表1可知，在下坡位生長的構(gòu)樹和光滑懸鉤子的CE、Rp和Amax都顯著高于中坡位，而樸樹的CE、Rp和Amax則沒有顯著差異。在中坡位，光滑懸鉤子的CE顯著高于樸樹和構(gòu)樹，后兩者則不存在顯著差異；構(gòu)樹的Rp則顯著高于樸樹和光滑懸鉤子；而樸樹和光滑懸鉤子的Amax則顯著高于構(gòu)樹。在下坡位，三種植物的CE、Rp和Amax大小均依次為光滑懸鉤子>構(gòu)樹>樸樹。

2.3 三種植物光合-光響應(yīng)的特性

由表2可知，在中坡位，三種植物的Q大小依次為樸樹>光滑懸鉤子>構(gòu)樹，構(gòu)樹的Rd與光滑懸鉤子沒有顯著差異，兩者均小于樸樹，樸樹的Pmax與光滑懸鉤子沒有顯著差異，兩者均小于構(gòu)樹。在下坡位，三種植物的Q大小依次為樸樹>構(gòu)樹>光滑懸鉤子，光滑懸鉤子的Rd與樸樹無顯著差異，兩者均大于構(gòu)樹，而光滑懸鉤子的Pmax與構(gòu)樹沒有顯著差異，兩者大于樸樹。構(gòu)樹在下坡位的Q和Rd分別大于其各自在中坡位的Q和Rd，兩種環(huán)境下生長的構(gòu)樹的Pmax則沒有顯著差異，樸樹在下坡位的Pmax以及光滑懸鉤子在下坡位的Q分別小于其各自在中坡位的值，光滑懸鉤子在下坡位的Rd和Pmax則均大于其各自在中坡位的值。

表 1　三種植物凈光合速率對(duì)CO2濃度響應(yīng)曲線的特征參數(shù)

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=5)后面字母表示在同一顯著水平(P≤0.05)，通過單因素方差分析與t檢驗(yàn)對(duì)同一列數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。下同。

Note: Mean ± SE(n=5) followed by different letters in the same row differ significantly (P≤0.05), according to one-way ANOVA and t test. The same below.

表 2　三種植物凈光合速率對(duì)光合有效輻射響應(yīng)曲線的特征參數(shù)

2.4 三種植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的比較

由表3可知，中坡位的樸樹擁有最高的Fo值，下坡位的構(gòu)樹則擁有最高的Fv/Fm與Fv/Fo值。在中坡位，ΦPSⅡ值大小均依次為構(gòu)樹>樸樹>光滑懸鉤子。在下坡位，ΦPSⅡ值大小均依次為構(gòu)樹>光滑懸鉤子>樸樹。構(gòu)樹在下坡位的Fo值小于中坡位，其余熒光參數(shù)值則沒有顯著差異。樸樹在下坡位的Fo和ΦPSⅡ值均小于中坡位。光滑懸鉤子在下坡位的ΦPSⅡ值顯著高于中坡位。

表 3　三種植物的初始熒光、PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率、PSⅡ潛在活性與PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率

2.5 三種植物葉片的δ13C和CA活性

樸樹的δ13C值最高，整體上較為偏正，且中坡位與下坡位生長的樸樹葉片的δ13C值之間無顯著差異(表4)。相對(duì)于樸樹來說，構(gòu)樹葉片的δ13C值較為偏負(fù)，下坡位生長的光滑懸鉤子葉片的δ13C值最低，中坡位生長的構(gòu)樹和光滑懸鉤子葉片的δ13C值都比下坡位生長的構(gòu)樹和光滑懸鉤子葉片的δ13C值要高。構(gòu)樹葉片的CA活性顯著高于樸樹和光滑懸鉤子，而下坡位生長的構(gòu)樹葉片的CA活性又顯著高于中坡位。樸樹和光滑懸鉤子葉片的CA活性均很難被檢測到。

表 4　三種植物葉片的穩(wěn)定碳同位素組成和碳酸酐酶活性

3　討論

在喀斯特地區(qū)生長的植物因?yàn)榻?jīng)常遭受各種各樣的逆境而造成Gs的減小或關(guān)閉，氣孔阻力增加，使得大氣中的CO2通過自由擴(kuò)散的方式進(jìn)入植物細(xì)胞間隙變得更為困難。在該地區(qū)干旱或者高重碳酸鹽等逆境脅迫下，受氣孔部分閉合的影響，進(jìn)入植物葉片細(xì)胞的CO2濃度降低，導(dǎo)致細(xì)胞中的激活而升高。本研究中，三種植物的氣孔均出現(xiàn)不同HCO3-向CO2和H2O的轉(zhuǎn)化，經(jīng)此誘導(dǎo)，CA活性將被程度部分閉合現(xiàn)象，然而作為喀斯特適生植物，因?yàn)闃?gòu)樹本身擁有較高的CA活性，且容易在喀斯特逆境(干旱或高重碳酸鹽等逆境脅迫)下被激活，高效催化轉(zhuǎn)化細(xì)胞內(nèi)的HCO3-為H2O和CO2，彌補(bǔ)因?yàn)镚s減小或關(guān)閉而造成的碳源和水源的不足，維持構(gòu)樹光合作用的正常進(jìn)行(Wu & Xing, 2012)，而樸樹和光滑懸鉤子因?yàn)榛钚暂^難被檢測到，并因此被視為沒有CA活性，無法被激活。所以構(gòu)樹表現(xiàn)出比樸樹和光滑懸鉤子更強(qiáng)的光合效率，樸樹受氣孔限制最明顯，其光合效率也最低。中坡位的日均光合有效輻射強(qiáng)度高于下坡位，考慮到三種植物均具有喜光性，所以三種植物在中坡位的日均光合效率都較高。下坡位生長的構(gòu)樹比中坡位生長的構(gòu)樹擁有更高的CA活性，其催化轉(zhuǎn)化細(xì)胞內(nèi)的HCO3-為H2O和CO2的效率也更高，更能彌補(bǔ)中午因環(huán)境變化引起Gs減小而導(dǎo)致的水分不足，所以與中坡位生長的構(gòu)樹不同的是，下坡位生長的構(gòu)樹沒有出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象可能與此有關(guān)。樸樹則屬于慢生樹種，光合效率也較低，所以樸樹對(duì)CO2或者H2O的需求相對(duì)較低，兩種環(huán)境下樸樹均沒有出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象，說明中午環(huán)境的變化沒有造成樸樹光合作用過程中H2O和CO2的不足。此外，與下坡位相比，中坡位的構(gòu)樹和樸樹擁有平均較高的水分利用效率，那么中坡位的構(gòu)樹和樸樹在同樣單位水分損失的情況下能夠獲取固定更多的無機(jī)碳。光滑懸鉤子的枝葉生有皮刺，在干旱環(huán)境下具有減小水分散失的功能，其Gs不會(huì)隨中坡位空氣相對(duì)濕度的減小而降低，并能保持較為穩(wěn)定的WUE。

CE可以反映葉片對(duì)進(jìn)入細(xì)胞間隙CO2的同化狀況，CE越高，說明光合作用對(duì)CO2的利用就越充分(葉子飄和于強(qiáng)，2008)。下坡位的構(gòu)樹和光滑懸鉤子在氣孔導(dǎo)度較小，無機(jī)碳源受限的情況下，都能夠高效利用從大氣進(jìn)入細(xì)胞間隙的CO2或者是通過自身呼吸而產(chǎn)生的CO2。光呼吸產(chǎn)生的CO2可被光合作用回收利用(Loreto et al, 2001)。下坡位生長的光滑懸鉤子通過光呼吸而為光合作用提供CO2的能力比中坡位高，同時(shí)也高于構(gòu)樹和樸樹。這可能與中坡位光滑懸鉤子增大的Gs有關(guān)，氣孔打開有利于大氣中CO2進(jìn)入細(xì)胞間隙，光呼吸就可能會(huì)受到抑制。葉片暗呼吸是植物分解有機(jī)物并釋放能量的過程(張富華等，2014)，構(gòu)樹和光滑懸鉤子在中坡位的Rd均低于各自在下坡位的值，可能與中坡位擁有較高的日均光合有效輻射強(qiáng)度有關(guān)，增強(qiáng)的光合有效輻射強(qiáng)度對(duì)暗呼吸產(chǎn)生了一定程度上的抑制。樸樹擁有平均較高的Rd，不利于有機(jī)物的累積和生物量的增加。Q則可以反映植物在遮蔭環(huán)境下對(duì)光能的利用效率(葉子飄和于強(qiáng)，2008)，遮蔭環(huán)境對(duì)樸樹光能利用效率的影響不大，構(gòu)樹則在低光強(qiáng)下體現(xiàn)出較高的光能利用效率。

PSⅡ反應(yīng)中心的活性能夠通過Fo的值來反映，F(xiàn)o值的增加說明PSⅡ反應(yīng)中心活性降低(孫曉方等，2008)，本研究結(jié)果表明，與下坡位相比，中坡位的構(gòu)樹和樸樹的PSⅡ反應(yīng)中心發(fā)生一定程度的失活，而三種植物Fv/Fm、Fv/Fo值的變化各自都不顯著，說明兩種環(huán)境下三種植物的光合結(jié)構(gòu)都未受損傷。而中坡位的樸樹和下坡位的光滑懸鉤子較高的ΦPSⅡ值則有利于提高光能的轉(zhuǎn)化效率，為暗反應(yīng)的光合同化積累更多所需的能量，以促進(jìn)碳同化的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和有機(jī)物的積累(羅青紅等，2006)。

WUE的增加以及海拔的升高都會(huì)引起δ13C值的增加(Farquhar & Richards,1984；楊成等，2007)，然而中坡位構(gòu)樹的δ13C值并未顯著高于下坡位。據(jù)分析，下坡位的構(gòu)樹具有顯著較高的CA活性，這有利于構(gòu)樹在氣孔部分閉合碳源受限的情況下更加高效地利用細(xì)胞內(nèi)的HCO3-，而喀斯特地區(qū)土壤中的HCO3-的δ13C值比大氣CO2的δ13C值更為偏正(Clark & Fritz, 1997)，所以對(duì)HCO3-的高效利用使得下坡位構(gòu)樹的δ13C值并沒有變的明顯偏負(fù)。樸樹的光能利用效率及光合能力不受坡位環(huán)境變化的影響，且其光合作用過程中的無機(jī)碳源只能來自大氣中的CO2，海拔的升高和WUE的增加并未引起樸樹δ13C值的變化，這可能與其穩(wěn)定的CO2固定及同化效率有關(guān)，且作為慢生樹種，樸樹在光合作用的過程中發(fā)生的穩(wěn)定碳同位素分餾效應(yīng)也最小。光滑懸鉤子在中坡位的δ13C值比下坡位顯著偏正，在WUE較為穩(wěn)定的情況下，主要是受海拔升高的影響，那么下坡位過于偏負(fù)的δ13C值可能還受其它無機(jī)碳源的影響。據(jù)研究，CO2釋放點(diǎn)靠近葉綠體內(nèi)側(cè)，且沒有邊界層、氣孔以及細(xì)胞壁的限制，因此，光呼吸產(chǎn)生的CO2極易被光合作用重新利用(Loreto et al, 2001)，但經(jīng)過光合作用過程中同位素的分餾作用，穩(wěn)定碳同位素組成將變得比大氣CO2的δ13C值更為偏負(fù)，如果光呼吸產(chǎn)生的CO2被光滑懸鉤子的光合過程重新利用后，其葉片的δ13C值就將變得更為偏負(fù)，關(guān)于這方面的推測有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

4　結(jié)論

三種植物對(duì)不同的喀斯特坡位環(huán)境具有不同的適應(yīng)特點(diǎn)及無機(jī)碳利用特性。構(gòu)樹光合作用過程中所利用的無機(jī)碳源既可以來自大氣中的CO2，亦可以在氣孔部分閉合的情況下利用細(xì)胞內(nèi)的HCO3-，下坡位的構(gòu)樹較高的CA活性使得其利用HCO3-的效率也會(huì)更高，并能在光強(qiáng)相對(duì)較低的情況下具有較高的光能利用效率，這與喀斯特適生植物最重要的一個(gè)適應(yīng)性特征-較高的CA活性相一致。構(gòu)樹對(duì)下坡位具有相對(duì)較好的適應(yīng)性。樸樹緩慢的生長速度以及無機(jī)碳同化利用效率，使樸樹對(duì)無機(jī)碳源的需求最低，且能保持較穩(wěn)定的光合效率，但樸樹光合作用過程中的無機(jī)碳來源較單一，主要利用大氣中的CO2。中坡位的樸樹具有相對(duì)較高的凈光合速率和光能利用效率，所以樸樹較適合生長在中坡位環(huán)境。光滑懸鉤子主要利用大氣中的CO2進(jìn)行光合作用。下坡位的光滑懸鉤子擁有較高的呼吸速率，能更加有效地分解有機(jī)物并釋放能量。但中坡位的光滑懸鉤子表現(xiàn)出較高的凈光合速率和光能利用效率。因?yàn)楣饣瑧毅^子的枝葉具有皮刺，能有效保持水分，所以中坡位相對(duì)較低的空氣相對(duì)濕度也不會(huì)影響光滑懸鉤子的PSⅡ的活性、氣孔開度以及WUE。同時(shí)考慮到兩種環(huán)境下的大氣CO2濃度無顯著差別，而中坡位的光合有效輻射強(qiáng)度顯著較高，所以選擇中坡位作為光滑懸鉤子的適宜種植環(huán)境。

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Photosynthetic physiological response of three plant species to different slope environments in karst forest of Guizhou, China

XING De-Ke1, WU Yan-You2*, FU Wei-Guo1, HANG Hong-Tao2,ZHAO Yu-Guo1, WU Yan-Sheng1

( 1. Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Institute of Agricultural Engineering, JiangsuUniversity, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China；2.ResearchcenterforEnvironmentalBio-ScienceandTechnology,StateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences, Guiyang 550002, China )

In order to gain a better understanding on the different adaptive characteristics of karst plants and to develop reasonable vegetation we studied the carbonic anhydrase (CA) activity, diurnal variation of photosynthesis, response curves of net photosynthetic rate of CO2concentration and light intensity, chlorophyllafluorescence parameters and stable carbon isotope composition ofBroussonetiapapyrifera,CeltissinensisandRubustsangiiwhich grew in the middle and lower slopes of the karst forest in Puding County, Guizhou Province. Their different photosynthetic physiological response of the three species were also analyzed. The results indicated that in the photosynthesis,B.papyriferacould utilize the atmospheric CO2and the intracellular HCO3-through the catalysis conversion by CA when the stomatal conductance decreased. With higher activity of CA,B.papyriferagrowing in the lower slope had higher HCO3-utilization efficiency. Besides,B.papyriferagrowing in the lower slope exhibited higher light utilization efficiency under low light intensity, which might be attributed to its higher CA activity in the lower slope.B.papyriferashowed better adaptability to lower slope compared to middle slope. The photosynthetic inorganic carbon assimilation efficiency ofC.sinensiswas the lowest, which only used the atmospheric CO2as inorganic carbon resource for the photosynthesis. Since the growth rate ofC.sinensiswas very slow, the requirement for inorganic carbon was the lowest, and it could maintain the stable inorganic carbon assimilation rate.C.sinensisgrowing in the middle slope exhibited higher net photosynthetic rate and light utilization efficiency, and it showed better adaptability to the middle slope compared to lower slope.R.tsangiimainly utilized the atmospheric CO2in the photosynthesis process. The light utilization efficiency and net photosynthetic rate ofR.tsangiiin the middle slope were higher.R.tsangiiexhibited better adaptability to middle slope. The results provide a scienti-fic basis for reasonably selecting and designing plant species during the revegetation process in the karst ecologically vulnerable forest region.

revegetation, carbonic anhydrase, apparent quantum efficiency, carboxylation efficiency, composition of stable carbon isotope

10.11931/guihaia.gxzw201507030

2015-11-27

2015-12-28

國家自然科學(xué)基金青年基金(31301243)；貴州省社會(huì)發(fā)展攻關(guān)項(xiàng)目(黔科合SY [2010]3043)；江蘇大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金(13JDG030)[Supported by the National Natural Science Foundation of China (31301243); the Brainstorm Project on Social Development of Guizhou Province (SY [2010]3043); the Research Foundation for Introduce Talents of Jiangsu University (13JDG030)]。

邢德科(1983-)，男，河南南陽人，博士，助理研究員，主要從事植物逆境生理生態(tài)方面的研究，(E-mail) xingdeke@ujs.edu.cn。

吳沿友，博士，研究員，研究方向?yàn)榄h(huán)境地球化學(xué)，(E-mail) wuyanyou@mail.gyig.ac.cn。

Q945.1, S945.79

A

1000-3142(2016)10-1147-09

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