冠層高度對毛竹葉片光合生理特性的影響

曹永慧，周本智*，王小明，顧連宏

(1 中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所,國家林業(yè)局錢江源森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站,浙江富陽 311400; 2 美國橡樹嶺國家實驗室環(huán)境科學部，田納西州，橡樹嶺 37831)

冠層高度對毛竹葉片光合生理特性的影響

曹永慧1，周本智1*，王小明1，顧連宏2

(1 中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所,國家林業(yè)局錢江源森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站,浙江富陽 311400; 2 美國橡樹嶺國家實驗室環(huán)境科學部，田納西州，橡樹嶺 37831)

借助LI-6400便攜式光合作用系統(tǒng)，研究了冠層高度對不同林齡毛竹(Phyllostachyspubescens)葉片光合生理特性和水分利用效率(WUE)的季節(jié)性影響，為促進毛竹林碳匯能力和生產力提升的林分結構調整等可持續(xù)栽培技術提供理論依據。結果表明:(1)出筍期，不同竹齡毛竹葉片凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)的日均值呈現出冠層上部小于冠層下部的梯度變化趨勢，且2a生毛竹不同冠層Pn日均值大于3a生毛竹；孕筍行鞭期，不同林齡毛竹各時間點Pn值和日均值、以及2年生毛竹各時間點的Tr值均為冠層上部大于冠層下部。各生長季節(jié)，不同林齡毛竹個體葉片的氣孔導度(Gs)均與Tr的變化趨勢一致。(2)2年生毛竹各季節(jié)僅冠層上部葉片會出現“光合午休”，而3年生毛竹僅于出筍期時各冠層葉片出現“光合午休”現象。(3)出筍期毛竹葉片WUE日均值隨著冠層高度增加而增加，這種變化趨勢不受竹齡影響；而孕筍行鞭期，僅2年生毛竹葉片WUE日均值隨著冠層高度增加而下降。不同冠層高度的孕筍行鞭期毛竹葉片WUE日均值都顯著高于出筍期；冠層高度對毛竹葉片氣體交換特性和WUE的影響受生長發(fā)育關鍵期的季節(jié)因素影響，且毛竹葉片WUE與Gs之間存在負相關關系，其不受毛竹個體年齡和葉片冠層高度影響。(4)不同生長季節(jié)各冠層葉綠素a/b值均隨著冠層高度下降而降低，不同林齡毛竹葉片葉綠素含量基本隨著冠層自上而下呈逐漸增加的趨勢。各生長季節(jié)，不同林齡個體葉片氮素含量、比葉重隨冠層高度垂直變化趨勢與葉片Pn日均值的垂直變化趨勢一致。研究認為，毛竹不同冠層部位葉片通過改變形態(tài)、氮素含量來適應不同生長季節(jié)生長環(huán)境的變化，以便充分利用光能提高光合能力。

毛竹；光合作用；蒸騰作用；水分利用效率；冠層高度；季節(jié)差異；日變化

竹子廣泛分布于東南亞、非洲和拉丁美洲。竹林具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務功能，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。中國是竹林分布面積最大、竹資源種類最豐富的國家之一，在竹子生產和利用方面有著悠久的歷史[1]。中國約有500個竹種，從竹子分布、竹材價值和其他經濟價值方面來論，毛竹(Phyllostachyspubescens)是最重要的竹種[2-3]。近年來，隨著全球氣候變化和森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)領域研究的深入，毛竹經營面積迅速增加，毛竹產業(yè)實現蓬勃發(fā)展。中國現有毛竹經營面積超過400萬hm2，占世界總量的90%以上[4-7]。毛竹林碳儲量達到約611.15 Tg，約占全國森林總碳儲量的7.8%[3]。

毛竹作為重要固碳樹種，生長迅速，每年的生物量積累非常巨大。其生長很獨特，從幼筍出土至長成幼竹只需短短幾個月的時間即完成稈行生長，可迅速生長達到樹冠(通常>10 m)[8]；這是因為竹叢具有發(fā)達的鞭根系統(tǒng)，這使新老竹之間可通過鞭根系統(tǒng)實現碳和養(yǎng)分運輸互連[9]。我們早期研究表明，在9月份不同的光合有效輻射(PAR)條件下，3年生竹子冠層上部和中部葉片的凈光合速率(Pn)顯著高于冠層下部的[10]。然而，在重要的生長時期，毛竹葉片固碳能力、蒸騰速率和水分利用效率的時空動態(tài)變化仍在很大程度上存在不確定性，這在出筍期和莖稈伸長期尤其明顯[11]。毛竹發(fā)筍成竹主要在3月底到5月初這個階段完成。在毛竹出筍后的幼竹生長發(fā)育過程中，其葉片尚未展開，葉片光合功能尚未完善，此時光合同化物主要靠母竹供給，可見這段時間內毛竹母竹個體的光合作用能力大小直接影響了筍期幼竹快速生長、持續(xù)獲取養(yǎng)分的水平。孕筍行鞭期也是竹子生長發(fā)育的重要階段，一般從10月下旬開始至12月中旬結束。此時，毛竹發(fā)達鞭根系統(tǒng)對營養(yǎng)物質和水分需求旺盛，對土壤條件依賴比較強。竹林地形復雜，灌溉困難，因此，在秋季和冬季出現的季節(jié)性干旱會阻礙竹子生長，在有限的水資源條件下，提高竹林水分利用效率是提高竹林生產力水平的關鍵。

太陽光輻射通量從植物冠層上部到下部是指數式衰減，引起了冠層空氣溫度和濕度的相應變化。葉片的形態(tài)結構、葉綠素含量、氮素含量以及光合速率等光合生理特性會對不同冠層高度外界環(huán)境條件的改變發(fā)生響應。因此，太陽光輻射通量勢必會造成植物葉片水分利用效率的晝夜和季節(jié)變化。迄今為止，很少有學者針對不同年齡毛竹或不同冠層高度毛竹葉片的光合固碳能力和水分利用效率開展研究，對于毛竹關鍵生長發(fā)育期間冠層水平葉片光合作用的研究報道更少[4,11-12]。有研究表明毛竹碳固定峰值分別出現在6月和11月[11]，然而目前對毛竹關鍵生長期出筍期(5月)和孕筍行鞭期(12月)的碳固定能力研究較少。因此，本試驗借助毛竹林內自行設計搭建的30 m高的綜合觀測鐵塔，以毛竹不同年齡個體為研究對象，在毛竹關鍵發(fā)育階段(5月上旬和12月上旬)，對其不同冠層高度水平的葉片光合作用、水分利用效率和葉片形態(tài)、生理特性進行了原位比較研究，旨在闡明冠層高度對毛竹葉片光合生理特性潛在影響及其葉片水分利用效率對氣孔導度的響應特性，為毛竹林林分結構調整、高效栽培等科學經營方式的深入研究提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)自然概況

本研究在國家林業(yè)局錢江源森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站廟山塢輔站進行，其位于浙江杭州西郊富陽區(qū)境內(119°56′～120°02′ E，30°03′～30°06′N)。該區(qū)域地形屬浙西低山丘陵區(qū)天目山系余脈，屬于中亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫16.1 ℃(最高氣溫40.2 ℃，最低氣溫-14.4 ℃)，多年平均降水量1441.9 mm。土壤屬于酸性紅壤。

1.2 試驗材料與樣地設置

試驗區(qū)毛竹林為20世紀60年代種植，處于粗放經營的自然更新林。本試驗在自然生長毛竹人工林內構建一座30 m高的綜合觀測塔。2年生和3年生毛竹個體隨機分布在鐵塔周圍。本研究在觀測鐵塔周圍隨機選取3塊面積為400 m2(20 m×20 m)的人工毛竹林標準樣地，樣地坡度20°左右，坡向正南，海拔169 m。采用每木檢測的方法分別測定樣地內竹株的胸徑和竹高。樣地內竹林密度為3 875株·hm-2，郁閉度0.95，竹株胸徑分布在4.0～13.6 cm之間，平均胸徑為9.8 cm，平均竹高13.2 m。林下幾乎沒有灌木和草本，但地表覆蓋一定的凋落物，平均厚度約2.0 cm。每2年劈山1次，不施肥，不翻耕，只采挖春筍。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 光合氣體交換參數 本試驗分別于不同年齡毛竹各選取3株個體進行氣體交換參數日變化進程測定。測定和采樣時間分別為2013年5月上旬(出筍期)和12月上旬(孕筍行鞭期)。測定選擇天氣晴朗的條件下進行，每個樣株分別在不同冠層高度各隨機選取3片長勢相同、充分展開的向陽葉片(每個葉片重復測定3個數據，最終取平均值)。采用 LI-6400 便攜式光合測定系統(tǒng)(LI-COR, Lincoln, USA)從 8:00 ～18:00 每2 h測定1次，每個測定重復3次。為了使測定具有可比性，所有毛竹樣株的葉片氣體交換參數測定盡量在同一天內同一時間范圍內完成；測定好一個樣株的不同冠層部位的第一片樣葉后，再測定另外樣株的不同冠層部位第一片樣葉；然后馬上依次開始各樣株不同冠層部位的第二和第三片樣葉的測定，最終取各參數重復測定的平均值作為該參數各時間點值。不同參數各時間點的測定值取平均值作為該參數日平均值(表1)。儀器自動記錄凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)等數值。光合參數測定時，CO2濃度以當地環(huán)境CO2濃度(400 μmol·mol-1)為基準，氣體流量控制在0.5 L·min-1，相對濕度為60%±4%，樣品室葉片溫度在出筍期(5月上旬)和孕筍行鞭期(12月上旬)分別控制在(20± 3)℃和(15± 3)℃。然后利用公式(Pn/Tr)計算瞬時水分利用效率(WUE)。

1.3.2 光合色素含量和葉形態(tài)參數 每次光合參數測量結束后，測定所用葉片做標記后放入存儲袋帶回室內用于葉綠素含量、葉氮含量和葉片面積測定。其中，葉片面積測定利用掃描儀(CB50EJ，Cambridge，UK)掃描后再用Delta-T Scan(CB50EJ，Cambridge，UK)軟件計算實際的葉面積，最后按照實際葉面積計算樣品實際的各項生理指標；光合色素含量按照李合生的方法[13]測定，每個處理取葉片樣品0.1～0.2 g，按照丙酮和乙醇1∶1的比例混合浸泡提取，重復3次；提取葉片色素后，用分光光度計測定吸光度值，計算葉綠素(Chl a、Chl b)含量和類胡蘿卜素(Cars)的含量，最終取3次重復測定數據的平均值。從同樣的每株植物上按照不同冠層部位，分別采集30片完全展開的健康葉片，分為3份，分別用千分尺測量葉片厚度并稱取鮮重，用掃描儀CB50EJ測定葉片面積，然后帶回實驗室用烘箱烘干(105 ℃下殺青30 min，然后80 ℃連續(xù)烘干至恒重)，稱量烘干重，然后計算比葉干重(LMAdw，葉干重/葉面積)和比葉鮮重(LMAfw，葉鮮重/葉面積)，取3次重復測定的平均值。試驗同時，不同年齡植株另外分別在冠層部位取若干數量葉片帶回實驗室，用烘箱烘干并磨碎過100目篩，然后經濃硫酸-過氧化氫溶液消煮，消煮液采用Foss 凱氏定氮儀葉片全氮含量(Nmass)。

1.4 數據處理

毛竹葉片的光合色素、葉形態(tài)參數和光合參數之間的差異，采用Excel 2007進行數據處理，各參數以平均值加減標準誤(mean±SE)表示。氣體交換參數的計算運用Photosynthesis Assistants軟件。

2 結果與分析

2.1 冠層高度對毛竹個體光合氣體交換參數和水分利用效率的影響

2.1.1 凈光合速率 毛竹個體凈光合速率(Pn)日變化存在季節(jié)差異和冠層高度差異(圖1)。出筍期，冠層上部葉片Pn日變化在不同年齡毛竹個體間均呈明顯的“雙峰”曲線，第一個峰值3a生個體比2a生個體提早在10:00左右出現，第二個峰值均出現在15:00左右；冠層下部葉片Pn日變化在2a生毛竹個體呈明顯的“單峰”曲線，而在3a生個體呈明顯的“雙峰”曲線(圖1，A)；同時，不同竹齡個體葉片Pn日均值均表現出冠層上部<冠層下部的垂直變化趨勢，即Pn日均值隨著冠層高度增加而下降(表1)，且2a生毛竹個體不同冠層Pn日均值顯著大于3a生毛竹個體(P<0.05)。孕筍行鞭期，3a生毛竹個體不同冠層葉片Pn日變化均呈明顯的“單峰型”曲線，而2a生毛竹個體冠層上部葉片Pn日變化為“雙峰型”曲線，下部葉片Pn日變化基本為“單峰型”曲線；在這個生長季節(jié)，3a和2a生毛竹個體冠層葉片Pn峰值多在12:00左右出現，2a生毛竹個體冠層上部葉片“光合午休”現象亦在12:00左右出現(圖1，B)；與出筍期不同，孕筍行鞭期不同年齡(無論竹齡大小)毛竹一天內各時間點冠層上部葉片Pn值均大于冠層下部葉片，即Pn日均值隨著冠層高度增加而增加(表1)，且相同冠層3年生毛竹個體葉片的Pn日均值較高。方差分析結果(表1)顯示，無論那個生長季節(jié)，毛竹個體葉片Pn日均值在相同竹齡個體的不同冠層之間以及相同冠層部位不同竹齡個體之間差異均達顯著水平(P<0.05)。

2.1.2 蒸騰速率 圖2，A顯示，在出筍期，2a、3a生毛竹個體冠層上部和下部葉片蒸騰速率(Tr)日變化亦均表現出明顯的“雙峰型”曲線，2a生個體各冠層葉片Tr值第一次峰值均出現在12:00左右，3a生個體第一次峰值則比2a生個體提早出現；2a、3a生毛竹個體葉片各時間點Tr值和Tr日均值同樣表現出冠層上部小于冠層下部的垂直變化趨勢，即不同竹齡個體葉片Tr日均值隨著冠層高度增加而下降，且Tr日均值隨冠層垂直梯度變化比Pn日均值更顯著(表1)。方差分析結果(表1)顯示，出筍期毛竹個體葉片Tr日均值在相同竹齡不同冠層之間差異達顯著水平(P<0.05)。從圖2，B可知，在孕筍行鞭期，3a生毛竹個體冠層上部和下部葉片Tr日變化均呈明顯的“單峰型”曲線，峰值點在12:00左右出現，各時間點Tr值在冠層葉片間差異較??；同期2a生毛竹個體冠層下部葉片Tr日變化為“單峰型”曲線，冠層上部葉片則為“雙峰型”曲線，且冠層上部葉片各時間點Tr值大于冠層下部葉片；在孕筍行鞭期，2年生毛竹個體Tr日均值隨著冠層高度增加而增加，而3年生毛竹個體隨冠層增加略微下降(表1)。Tr日均值在相同冠層部位不同竹齡個體之間差異均達顯著水平(P<0.05)。

3a-d 和3a-u分別表示3年生個體冠層的下部和上部葉片，而2a-d 和2a-u分別表示2年生個體冠層的下部和上部葉片；下同圖1 出筍期(A)和孕筍行鞭期(B)毛竹不同竹齡和冠層葉片凈光合速率(Pn)日變化特征3a-d and 3a-u stand for lower (d) and upper (u) canopy leaves of 3 years old (3a) plant ,while 2a-d and 2a-u stand for leaves of 2 years old (2a) plant; The same as below.Fig.1 The diurnal and seasonal change of net photosynthetic rate (Pn) in leaves of P.pubescens during the culm elongation period(A) and shoot development period(B)

圖2 出筍期(A)和孕筍行鞭期(B)毛竹不同冠層葉片蒸騰速率(Tr)日變化Fig.2 The diurnal and seasonal transpiration rate (Tr) change for different canopy leaves of P.pubescens during the culm elongation period (A) and shoot development period (B)

表1 不同冠層高度毛竹個體葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和瞬時水分利用效率(WUE)日均值比較

注：表中數值為平均值±標準偏差，同列不同字母表示不同竹齡和冠層處理下某指標在0.05水平差異顯著(P<0.05)；下同

Note: Data in the table are means ± SD. The results with same normal letters in the same column are not significantly different at 0.05 level among different canopies and ages of bamboo. The same as below

圖3 出筍期(A)和孕筍行鞭期(B)毛竹不同冠層葉片氣孔導度(Gs)日變化Fig.3 Stomatal conductance (Gs) for 1 year-old leaves of 2 and 3 year-old P. pubescens among different canopy layers during the culm elongation period(A) and shoot development period(B)

2.1.3 氣孔導度 在出筍期，不同竹齡毛竹不同冠層葉片氣孔導度(Gs)日變化趨勢與其Tr日變化一致；3a、2a生毛竹冠層下部和上部葉片Gs日變化均呈明顯的“雙峰型”曲線，峰值出現時間與蒸騰速率一致，且冠層下部葉片Gs值各時間點均高于冠層上部(圖3，A)。不同竹齡個體Gs日均值冠層下部均顯著高于上部(P<0.05)(表1)。圖3，B顯示，在孕筍行鞭期，2a生個體不同冠層Gs日變化均呈“雙峰型”曲線，峰值均在10:00和14:00左右出現，且其冠層上部葉片各時間點Gs值均大于冠層下部葉片；與2a生個體不同，3a生個體不同冠層葉片Gs日變化為“單峰型”曲線，峰值在12:00左右出現，其各時間點Gs值在冠層之間差異較小。但2a生個體Gs日均值為冠層上部顯著大于下部，且相同冠層不同竹齡個體之間差異顯著(P<0.05)(表1)。綜上所述，無論哪一個生長季節(jié)，不同竹齡毛竹個體葉片Gs與Tr變化趨勢一致；出筍期毛竹冠層上部太陽輻射和溫度增加迅速，導致葉片自我保護性關閉，進而降低氣孔導度。

2.1.4 水分利用效率 在出筍期，不同竹齡個體一天內各時間點葉片水分利用效率(WUE)值均隨著時間進程逐漸下降，傍晚時回升；各時間點WUE值基本表現出冠層上部高于下部的垂直變化趨勢，且冠層差異在午后時間段更為明顯；相同冠層高度，葉片各時間點WUE表現為3年生高于2年生個體的趨勢(圖4，A)。同時，不論竹齡大小，毛竹WUE日平均值隨著冠層高度增加而增加(表1)。這是由于出筍期不同竹齡個體葉片的Pn和Tr日均值隨著冠層高度增加而下降，且Tr日均值隨冠層垂直梯度變化比Pn日均值更顯著，因此在Pn和Tr的雙重影響下，WUE日均值隨著冠層高度增加而增加，但冠層之間差異較小。與出筍期WUE日變化明顯不同，孕筍行鞭期各時間點WUE值隨著時間進程逐漸上升，3年生毛竹個體各時間點WUE值為冠層上部略高于下部，而2年生毛竹正好相反(圖4，B)。同時，3年生毛竹個體WUE日均值隨冠層高度增加而增加，但差異不顯著，而2年生毛竹WUE值隨著冠層高度增加而下降，且冠層差異較顯著；在相同冠層高度，冠層上部3年生毛竹個體的WUE值明顯高于2年生毛竹個體的，而冠層下部則相反(表1)。這是因為孕筍行鞭期，與Pn日均值垂直梯度變化不同，2年生毛竹個體Tr日均值受冠層高度影響顯著，而3年生毛竹個體則冠層之間差異較小，即Pn和Tr日均值將限制瞬時WUE值變化。另外，不論冠層高度如何，毛竹各生長季節(jié)葉片WUE日均值都為孕筍行鞭期顯著高于出筍期。氣孔導度(Gs)表示植物氣孔的開張程度，它反映植物蒸騰耗水的大小。對葉片WUE日均值與Gs日均值之間相關性分析結果(表5)表明，不論哪個生長季節(jié)，不同竹齡個體不同冠層的葉片WUE與Gs之間存在顯著負相關系。

圖4 出筍期(A)和孕筍行鞭期(B)毛竹不同冠層葉片水分利用效率(WUE)日變化Fig.4 Water use efficiency (WUE) for 1 year-old leaves of 2 and 3 year-old P. pubescens among different canopy layers during the culm elongation period(A) and shoot development period(B)

圖5 出筍期(A)和孕筍行鞭期(B)毛竹不同冠層葉片氣孔導度(Gs)與瞬時水分利用效率(WUE)相關性Fig.5 The linear relationship between stomatal conductance (Gs) and WUE of P. pubescens among different canopy layers during the culm elongation period (A) and shoot development period (B)

2.2 冠層高度對毛竹個體葉片光合色素含量的影響

葉綠素含量可以作為反映植物衰老狀況和光合能力的一個重要指標，在一定程度上葉綠素含量的高低會直接影響植物葉片捕獲光的能力。如表2所示，在出筍期間，3年生和2年生毛竹個體不同冠層葉片葉綠素a/b值基本都隨著冠層高度下降而降低；但葉綠素含量隨冠層高度變化受竹齡影響，即3年生毛竹個體葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量均隨著冠層高度下降而呈增加趨勢，但2年生毛竹個體葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量則隨著冠層高度下降呈降低的趨勢；不同林齡毛竹葉綠素含量不同，其中3年生毛竹個體冠層上部葉片除了葉綠素a/b值外，其葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量均不同程度低于2年生毛竹個體，而其冠層下部葉片葉綠素含量均高于2年生個體，但差異不顯著(表2)。由于葉綠素a/b值能反映植物耐陰能力大小，而3年生毛竹個體冠層上部葉片的葉綠素a/b值明顯高于2年生的，說明出筍期3年生毛竹個體冠層上部葉片利用弱光的能力強于2年生毛竹。

同時，表2還顯示，在孕筍行鞭期，不同林齡毛竹個體葉片葉綠素含量隨著冠層高度的垂直變化而不同，3年生和2年生毛竹個體冠層上部葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)含量均不同程度低于冠層下部葉片，即隨著冠層自上而下逐漸增加；與出筍期一致，葉綠素a/b值隨冠層高度自上而下逐漸降低。綜上所述，各生長季節(jié)，不同林齡毛竹葉綠素a/b值隨冠層高度自上而下逐漸降低，而葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)含量則基本隨冠層高度下降而增加；說明各生長季節(jié)，毛竹個體不同冠層部位葉片捕獲光能的能力基本表現出冠層上部低于下部的趨勢，但其冠層上部葉片利用弱光的能力高于冠層下部葉片。

2.3 冠層高度對毛竹個體葉片比葉重和葉氮含量的影響

出筍期不同林齡毛竹個體葉片比葉重大小(LMA)基本表現出冠層下部高于冠層上部的趨勢，僅2年生個體冠層差異顯著(P<0.05，圖6,A)；而孕筍行鞭期則表現出冠層上部高于冠層下部的相反趨勢，且相同年齡個體的冠層差異較顯著，不同年齡個體的相同冠層之間差異也較明顯(P<0.05，圖6,B)。不同生長季節(jié)均是3年生毛竹個體各冠層葉片LMA值較高。同時，在出筍期，不同林齡毛竹個體單位重量葉片氮素含量(Nmass)與LMA值一致，亦表現出冠層下部高于冠層上部趨勢，冠層差異顯著(P<0.05，圖7,A)；在孕筍行鞭期，2年生毛竹個體葉片Nmass冠層變化趨勢同出筍期，即表現出冠層下部高于冠層上部趨勢，而3年生毛竹個體葉片Nmass與LMA變化類似，亦隨冠層高度增加而增加，即冠層下部顯著低于冠層上部(P<0.05，圖7,B)。另外，與LMA變化不同，在不同生長季節(jié)，毛竹不同林齡個體各冠層葉片Nmass值均以2年生個體較高。以上結果說明出筍期，毛竹葉片通過增加冠層下部葉片比葉重和單位重量氮素含量來提高冠層下部的光合速率；孕筍行鞭期，冠層上部葉片葉綠素含量較低，其通過增加單位面積葉片重量和單位重量氮素含量來增加光能吸收，增加凈光合速率，進而提高水分利用效率。

表2 出筍期和孕筍行鞭期毛竹不同冠層葉片葉綠素含量垂直變化

圖6 出筍期(A)和孕筍行鞭期(B)2年生和3年生毛竹不同冠層葉片比葉重(LMA)的變化Fig.6 Leaf mass per area (LMA) for 1 year-old leaves of 2 and 3 year-old P. pubescens among different canopy layers during the culm elongation period (A) and shoot development period (B)

圖7 出筍期(A)和孕筍行鞭期(B)2年生和3年生毛竹不同冠層葉片氮素含量(Nmass)的變化Fig.7 Leaf nitrogen content per mass (Nmass) for 1 year-old leaves of 2 and 3 year-old P. pubescens among different canopy layers during the culm elongation period (A) and shoot development period (B)

3 討 論

3.1 冠層高度對毛竹個體光合氣體交換參數和水分利用效率的影響

碳增益與水分損耗的比率(水分利用效率)是生態(tài)系統(tǒng)功能的一個重要特征，而生態(tài)系統(tǒng)功能又是全球水、能量和碳循環(huán)的核心[14-15]。因此，提高植物水分利用效率及其植物對水分可利用效率下降的應對能力已經成為重要的科學議程[16]。氣孔最終控制了植物葉片和環(huán)境之間所有氣體通量的95%。由此可見，氣孔在減少水分流失中發(fā)揮重要調節(jié)作用。葉片與大氣之間的氣體交換是通過氣孔控制吸收二氧化碳進行光合作用和蒸騰作用，進而決定了植物生產力及其水分利用效率[17]。太陽光輻射通量從植物冠層上部到下部是指數式衰減，引起了冠層空氣溫度和濕度的相應變化，從而導致不同冠層水平葉片凈光合速率的顯著差異。因此，太陽光輻射通量勢必會造成植物(竹子)葉片水分利用效率的晝夜和季節(jié)變化。

毛竹是重要的固碳樹種，經營面積迅速增加。近年來，隨著全球氣候變化和森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)領域越來越多的研究，毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)領域研究日益豐富。冠層導度是確定冠層蒸騰作用和光合作用的關鍵參數，為了探索由于竹林擴張造成的陸地碳水循環(huán)的潛在變化，日本學者將冠層導度這個參數用于日本西部地區(qū)毛竹的研究，發(fā)現與具有高葉面積指數的針葉林相比，毛竹林具有更高的蒸騰速率和光合作用能力，因此竹林替代針葉林后會使森林生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)發(fā)生較大變化[18]。然而，他們的研究依賴于林冠層蒸騰作用間接評價的液流通量方法。本研究采用了LI-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)，借助30 m梯度觀測鐵塔直接測定分析評估毛竹林冠層光合作用和蒸騰作用的晝夜與季節(jié)變化，以及氣孔導度和水分利用效率之間的關系，獲取的數據更直接，更接近竹林自然生長狀態(tài)。

Wen 等[11]研究報道5年生毛竹個體固碳能力顯著高于3年生和當年生新竹，并研究和比較了3個林齡段毛竹個體葉片的最大凈光合速率，但沒有報道不同冠層葉片氣孔導度和蒸騰速率對葉片水分利用效率的影響。本研究在對不同林齡毛竹個體葉片凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率日變化和季節(jié)變化比較分析的基礎上，探討了在不同冠層高度毛竹葉片氣孔導度對葉片水分利用效率的影響。

不同于落葉樹種，毛竹不是年年換葉，而是每2年換1次葉(新竹在出筍當年完成放葉和展葉)。通常，每年換葉期有2個峰值，分別發(fā)生在春季(4月至5月)和秋末(11月)[19]。Ge 等[20]也報道毛竹林大小年的年總凋落物含量和年內凋落物第一次峰值均存在顯著差異。本研究中試驗毛竹林年齡結構組成主要以2年生和3年生毛竹個體為主。因此，在毛竹出筍期和孕筍行鞭期這兩個重要生長期，2年生和3年生個體的葉片水分利用效率和氣孔導度的變化格局從林地生產力提升和碳固定能力方面值得研究和探討。本研究通過比較毛竹個體葉片水分利用效率的季節(jié)變化發(fā)現，無論冠層高度，孕筍行鞭期毛竹葉片水分利用效率日均值顯著高于出筍期；在孕筍行鞭期，3年生毛竹個體葉片日平均水分利用效率隨著冠層高度增加而增加，而2年生毛竹個體變化則相反，且這種水分利用效率隨冠層梯度的變化格局不同于出筍期。這表明不同生長季節(jié)毛竹不同冠層高度葉片具有不同的水分利用策略，尤其在毛竹換葉期間；孕筍行鞭期的毛竹個體年齡結構組成將對葉片光合作用和水分利用效率大小有較大限制作用。然而，目前毛竹葉片水分利用效率受生長季節(jié)和竹齡影響的機制尚且不清楚，今后仍需進一步研究。

氣孔調節(jié)對植物功能維持至關重要，尤其在水分供應有限時[16]。一般研究認為，具有較低氣孔導度的葉片往往具備較高的水分利用效率，但這是以降低凈光合速率和植物緩慢生長為代價的[17]。本研究也發(fā)現不論毛竹個體年齡和冠層高度，其葉片水分利用效率與氣孔導度之間均存在較顯著的負相關性；同時，在毛竹不同的生長季節(jié)，不同林齡毛竹個體可以通過調整不同林冠層葉片的氣孔導度和蒸騰速率來提高葉片水分利用效率，從而有利于高效的光合作用和干物質積累。在毛竹孕筍行鞭期，降水量較低，溫度適中，這些環(huán)境條件有利于氣孔調節(jié)，降低蒸騰作用，提高凈光合速率，達到較高的水分利用效率。然而，毛竹在出筍期表現出較低的水分利用效率和凈光合速率，表明了水分脅迫可能造成毛竹葉片光合能力明顯下降，而氣孔控制是影響其光合作用的主要因素。另外，與前人研究結果[21]相似，本研究也發(fā)現出筍期毛竹冠層上部葉片氣孔導度的下降會導致葉片蒸騰減少。由此可見，在此生長旺季為毛竹提供及時灌水可能會增加其筍產量。

早期的試驗表明，沒有其它限制因素時，植物葉片光合速率與氣孔導度密切相關[22]。另有研究強調了氣孔導度對木材產量的影響[17]。較低的氣孔導度通過限制二氧化碳擴散到葉片而限制葉片同化速率。一般情況下，植物由于具有較高的氣孔導度和較大的同化速率，在最佳生長條件下生長較快，但它們通常具有較低的水分利用效率[17]。本研究發(fā)現，在不同生長期，毛竹冠層葉片平均凈光合速率始終隨著氣孔導度增加而增加。這意味著生產實踐中我們可根據竹林年齡結構組成對毛竹林分密度進行合理調整，獲得更好的冠層結構和冠長，以更好捕獲光照，提高葉片光合作用效率，進一步提高林分生產力。

Wen 等[11]發(fā)現毛竹個體碳固定峰值一般在9～11月，因此延緩竹子鉤梢至12月，在減少雪壓的同時可以增加竹子碳匯能力。然而，我們的調查數據顯示，12月初毛竹個體葉片仍具有較高的碳吸收和水分利用效率。

迄今為止，評估氣孔行為對光合碳增益影響的研究大多數主要集中在影響光合作用的氣孔導度的穩(wěn)態(tài)測量方面。然而，這些研究沒有考慮到野外現場動態(tài)情況，其野外光波動水平是影響氣孔行為主要變化的環(huán)境因素之一。在本研究中，我們試圖通過水分利用效率的季節(jié)變化和梯度變化來探討毛竹葉片氣孔行為對不同冠層梯度內光環(huán)境變化的應對能力，旨在確定和探討不同生長季節(jié)不同年齡個體毛竹葉片的氣孔行為變化及其對冠層高度的響應特征，為在不影響同化速率的情況下進一步提高水分利用效率奠定理論基礎。

3.2 冠層高度對毛竹個體葉片光合色素含量的影響

葉片中光合色素含量是反映植物光合能力的一個重要參數，環(huán)境因子的改變會引起光合色素含量的變化，進而引起光合性能的改變。光合色素尤其是葉綠素，在植物的光合作用中對光能的吸收、傳遞和轉化起著極為重要的作用。葉綠素含量的多少在一定程度上影響植物的光合速率。不少學者研究了竹類植物葉綠素含量的動態(tài)變化，并發(fā)現其與光合作用的變化規(guī)律具有密切的相關性[23-24]。受太陽活動影響，樹冠不同部位葉片接受到的光照存在差異，使得葉綠素含量等葉片生理特性發(fā)生改變。何春霞等[25]研究發(fā)現，樹冠受光最弱的東向方位葉片葉綠素含量最高。本研究發(fā)現，不同林齡毛竹個體葉片葉綠素含量隨冠層高度的垂直變化特征亦存在差異，且冠層差異受生長季節(jié)影響。在孕筍行鞭期，不同林齡毛竹葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)含量均隨著冠層自上而下呈現逐漸增加的垂直變化趨勢，與何春霞等[25]研究結論一致，反映出不同冠層部位毛竹葉片捕獲光能的能力呈現冠層上部低于冠層下部的趨勢。而在出筍期，3年生個體其含量隨著冠層高度下降而增加，2年生個體反之，表明該季節(jié)毛竹葉片葉綠素含量隨著冠層高度垂直變化受竹齡影響。研究發(fā)現葉綠素a/b值基本都隨著冠層高度下降而降低，說明不同生長季節(jié)不同林齡毛竹個體利用弱光能力均以冠層上部葉片較強?？梢姡癫煌挲g個體在不同生長季節(jié)可通過調節(jié)不同冠層部位葉片葉綠素含量來提高葉片捕獲光能的能力，進而有利于各生長季節(jié)光合作用的正常、高效進行，促進干物質的積累。

3.3 冠層高度對毛竹個體葉片比葉重和葉氮含量的影響

比葉重(LMA)是重要的葉片碳經濟性狀，顯著地影響著葉片光合能力。多數情況下，LMA隨光強的增加而增大[25]。與蔭蔽環(huán)境下葉片相比，處于較高光照條件下的葉片具有較大的比葉重和單位面積光合能力[26]。隨林冠層密度增加，受上部葉片影響，下部葉片變得更加的蔭蔽，植株表現出適應性反應，即分配較少干物質和較小的光合能力給下部葉片，相對較多干物質和光合能力分配給光照條件比較好的上部葉片[27]。何春霞等[25]研究發(fā)現，LMA大小與受光強大小一致，即南向方位葉片LMA最大，而東向方位葉片LMA最小。但本研究發(fā)現毛竹冠層葉片LMA大小隨冠層高度的變化受生長季節(jié)影響，即出筍期冠層上部葉片LMA小，而孕筍行鞭期冠層上部葉片LMA則高于下部的。

另外，氮素是植物生長的主要限制因子之一。大量研究表明，葉氮含量(Nmass)的高低直接決定著葉片光合能力高低[28]。冠層葉片氮含量的垂直梯度分布是植物冠層重要、普遍特征之一。單位面積葉片氮素的垂直分布梯度變化，被看作是碳同化過程中植物優(yōu)化氮素利用的可塑性反應。目前對毛竹冠層高度對葉片氮素分配影響研究報道較少。本研究發(fā)現，無論生長季節(jié)，不同林齡毛竹個體葉片氮素含量隨冠層高度變化與比葉重梯度變化趨勢一致；且不同林齡毛竹個體葉片氮素含量和比葉重隨冠層高度垂直變化趨勢基本與葉片凈光合速率日均值的冠層梯度變化趨勢較為一致。上述結果說明毛竹不同冠層部位葉片通過改變形態(tài)、氮素含量來適應不同生長季節(jié)生長環(huán)境的變化，以便充分利用光能提高光合能力。

綜上所述，毛竹冠層高度對葉片的光合生理特性的影響有顯著差異，且受生長季節(jié)的影響。冠層頂部葉片在出筍期受高溫、強光照的環(huán)境影響，其葉片Tr減慢，但其WUE增加。毛竹出筍期冠層下部葉片比葉重、葉氮素含量、葉綠素含量均較高，因此其冠層下部光合能力也較高；而在孕筍行鞭期，毛竹冠層下部葉片在比葉重、葉氮素含量較低的情況下，則通過增加下部葉片葉綠素含量來保持該季節(jié)光合能力。這些差異在一定程度上是毛竹對外界變化環(huán)境適應的結果。迄今為止，對于毛竹關鍵生長發(fā)育期間冠層水平葉片光合作用的研究報道較少。因此，今后有待加強毛竹冠層內葉片生理特性指標梯度分布及其對毛竹冠層光合能力和生產力提升的潛在影響研究。

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(編輯:裴阿衛(wèi))

Effects of Canopy Height on Photosynthetic Physiology Characteristics ofPhyllostachyspubescensLeaves

CAO Yonghui1, ZHOU Benzhi1*, WANG Xiaoming1, GU Lianhong2

(1 Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Qianjiangyuan Forest Ecosystem Research Station, State Forestry Administration, Fuyang, Zhejiang 311400, China; 2 Environmental Sciences Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA 37831)

The carbon sequestration ability, water use efficiency (WUE) and other photosynthetic physiology characteristics for different aged ofPhyllostachyspubescensindividuals were analyzed at two canopy layers with a LI-6400 portable photosynthesis system. The results showed that: (1) the daily average net photosynthetic rate (Pn) and the transpiration rate (Tr) ofP.pubescenswere lower for upper canopy leaves than those of lower canopy leaves regardless of bamboo age during the culm elongation period. During the shoot development period, the upper canopy leaves had a higherPnvalue at each time point and a higher daily averagePnthan that of the lower canopy leaves regardless of bamboo age. Meanwhile, theTrvalue for upper canopy leaves of 2 year-old bamboo was higher at each time point than that for lower canopy leaves. The vertical change of stomatal conductance (Gs) for different age groups was consistent with that ofTr, regardless of the growing season. (2) A reduction of photosynthesis at noon was observed at different canopy layers of 3 year-old bamboo and the upper canopy of 2 year-old bamboo during the culm elongation period, while it only occurred in the upper canopy of 2 year-old bamboo during the shoot development period. (3) The daily average ofWUEin the culm elongation period increased along with canopy height regardless of age. While, the daily average ofWUEdecreased with increasing canopy height during the shoot development period for 2 year-old individuals. So, the canopy height had obvious effects on bamboo leaf photosynthesis andWUE, which also impacted by growing seasons. There was negative relationship betweenGsandWUEfor bamboo with all ages and canopy layers. We wanted to explore the variable stomata behavior of moso bamboo at different ages during its important growing seasons and in order to improvingWUEand lay the foundation for further mechanistic research on water use strategy for bamboo. (4) The chlorophyll a/b values decreased with the decrease of canopy height in different growing seasons. While the chlorophyll content of all ages of bamboo was increased with the decrease of canopy height. The vertical variation of leaf nitrogen content and leaf mass per area within canopy was consistent with that of leaf net photosynthetic rate regardless of the growing seasons. The results indicated that the leaf morphology and nitrogen content in the different canopies could change with the growth environment in different growing seasons, and make full use of light energy to improve the photosynthetic capacity. Our data could provide a scientific basis for developing sustainable cultivation technologies and enhancing moso bamboo timber production and carbon sequestration.

Phyllostachyspubescens; photosynthesis; transpiration; water use efficiency; canopy height; seasonal variation; diurnal variation.

1000-4025(2016)11-2256-11

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.11.2256

2016-05-09;修改稿收到日期:2016-11-16

浙江省自然科學基金項目(LY13C160002)；國家自然科學基金(31600503)；國家林業(yè)局948項目(2014-4-57)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項(RISF2013002)；中國林業(yè)科學研究院基本科研業(yè)務費專項資金項目——海內外杰出學者講習計劃(CAFYBB2011007)

曹永慧(1977-)，女，博士，助理研究員，主要從事植物生理生態(tài)學研究。E-mail:fjcyh77@sina.com

*通信作者:周本智，研究員，博士生導師，主要從事森林生態(tài)結構與功能研究。E-mail:benzhi_zhou@126.com

Q945.78

A