高大氣CO2濃度下遮陰對(duì)小麥葉片氣孔特性及光合特性的影響

于顯楓　張緒成　方彥杰　王紅麗　侯慧芝　馬一凡　趙記軍

摘要：以高大氣CO2濃度和遮陰為處理手段，研究高大氣CO2濃度和遮陰對(duì)小麥葉片光合生理的影響。結(jié)果表明，與全光照相比，遮陰使小麥葉片的氣孔長度增加了22.93%和10.23%，而氣孔寬度減小了30.00%和30.22%，氣孔面積降低了17.99%和18.11%，周長增加了16.80%和6.85%，氣孔密度降低了6.61%和23.78%，氣孔指數(shù)降低了5.99%和14.23%。與正常大氣CO2濃度相比，高大氣CO2濃度使小麥葉片的氣孔面積增加了1.91%和1.95%，使全光照處理的小麥葉片的氣孔密度降低了14.33%；使遮陰處理的小麥葉片的氣孔密度增加了5.00%。與全光照相比，遮陰使小麥葉片的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率降低了56.11%、53.21%和40.57%、49.27%，而光合速率沒有得到提高，這可能是小麥葉片對(duì)高大氣CO2濃度發(fā)生了“光適應(yīng)”。與正常大氣CO2濃度相比，高大氣CO2濃度降低了小麥葉片的氣孔導(dǎo)度。小麥葉片的氣孔長度和寬度與光合速率有顯著相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：高大氣CO2濃度；氣孔特性；光合特性

中圖分類號(hào)：S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-1463（2017）06-0031-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.06.011

Effects of Shading on Stomatal and Photosynthetic Characteristics of Spring Wheat Under Elevated Atmospheric CO2 Concentration

YU Xianfeng 1， 2， ZHANG Xucheng 1， 2， FAN Yanjie 1， 2， WANG Hongli 1， 2， HOU Huizhi 1， 2， MA Yifan 1， 2， ZHAO Jijun 3

（1. Institute of Dryland Farming，Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China； 2. Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland of Gansu Province， Lanzhou Gansu 730070， China； 3. Gansu Agriculture Environment Protection Station， Lanzhou Gansu 730000，China）

Abstract：Effects of shading and elevated atmospheric CO2 concentration on leaf photosynthetic physiology are investigated using shading and elevated atmospheric CO2 concentration treatments. The result shows that compared with normal sunlight condition， shading treatments increased stomata length by 22.93% and 10.23%， decreased stomata width by 30.00% and 30.22%， decreased stomatal area by 17.99% and 18.11%， increased circumference by 16.80% and 6.85%， decreased stomata density by 6.61% and 23.78%， and decreased stomatal index by 5.99% and 14.23%， under normal and elevated atmospheric CO2 concentration， respectively. Compared with normal atmospheric CO2 concentration， elevated atmospheric CO2 concentration increased stomatal area by 1.91% and 1.95%， decreased stomata density by 14.33% under sunlight condition while increased by 5.00% with shading treatment. Compared with sunlight condition， shading decreased stomatal conductance by 56.11% and 53.21% and transpiration rate by 40.57% and 49.27% under normal and elevated CO2 concentration， respectively. However， the treatments have no effects on photosynthetic rate， which is probably due to the occurrence of “l(fā)ight adaptation” under elevated CO2 concentration. Compared with normal atmospheric CO2 concentration， elevated CO2 concentration decreased stomatal conductance of wheat. Leaf pore length and blades width of wheat are significantly correlated with the rate of photosynthesis.

Key words： Elevated atmospheric CO2 concentration； Stomatal characteristics； Photosynthetic characteristics

光照是植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)。植物90%以上的干物質(zhì)來自光合作用，光合作用是植物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的基礎(chǔ)。研究CO2濃度和光強(qiáng)變化對(duì)植物光合生理的影響，有利于認(rèn)識(shí)作物對(duì)全球生態(tài)變化的生理響應(yīng)機(jī)制。氣孔是控制CO2和水分進(jìn)出植物體的通道，是植物體與外界氣體交換和水分蒸騰的重要門戶[1 ]。氣孔對(duì)大氣CO2濃度升高的反應(yīng)不僅表現(xiàn)在生理過程的變化，也表現(xiàn)在形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)上的改變[2 ]。CO2濃度的升高會(huì)使植物葉片的氣孔關(guān)閉，造成植物葉片氣孔導(dǎo)度和密度的降低[3 ]。同時(shí)葉片氣孔導(dǎo)度的降低會(huì)使CO2進(jìn)入植物葉肉細(xì)胞的阻力增加，在光合作用的過程中，氣孔阻力的強(qiáng)弱，氣孔導(dǎo)度的大小對(duì)胞間CO2濃度、光合速率、蒸騰速率和水分利用效率等方面都有非常明顯的影響。

有研究表明，遮陰影響植物光合特性，提高了葉片的凈光合速率，降低了植物的光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)[4 - 5 ]，同時(shí)也改變了植物葉片解剖結(jié)構(gòu)。高大氣CO2濃度下遮陰，對(duì)植物葉片的氣孔特性及光合特性的影響相關(guān)報(bào)道甚少。我們利用開頂式氣室模擬大氣CO2濃度升高，測定了遮陰條件下小麥葉片的光合參數(shù)及氣孔參數(shù)，探討高大氣CO2濃度下遮陰對(duì)小麥葉片氣孔及光合的影響，有待于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)作物對(duì)高大氣CO2濃度升高的生理響應(yīng)機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

指示春小麥品種為寧春4號(hào)，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所提供。供試土壤為黃麻土，含有機(jī)質(zhì)13.20 g/kg、全氮1.11 g/kg、水解氮為118.43 mg/kg，田間持水量為23.76 %。大田開頂式氣室，氣室面積8.4 m2（2.8 m×3.0 m），高2.5 m。該氣室利用換氣扇將新鮮空氣從外部吸入，用8根輸氣管道在距地面30 cm處將CO2均勻地分布于整個(gè)室內(nèi)，并通過頂部開放處將CO2排出，進(jìn)行空氣和CO2循環(huán)。CO2濃度升高系統(tǒng)由一個(gè)與CO2濃度監(jiān)測儀（ADC Ltd，UK）相連接的壓縮CO2鋼瓶（液態(tài)CO2，純度為99.99%，核工業(yè)504工廠提供）組成。監(jiān)測儀通過控制閥門24 h監(jiān)視和調(diào)節(jié)CO2濃度變化，并將換氣扇電源與控制閥門相連，使CO2供氣與空氣循環(huán)同步進(jìn)行，室內(nèi)風(fēng)速小于0.5 m/s。氣室內(nèi)光源為自然光，溫度通過頂部氣體流通和換氣扇氣體交換控制在外界溫度±1.5 ℃內(nèi)，對(duì)照氣室內(nèi)的平均溫度和相對(duì)濕度分別為28.1 ℃/20.3 ℃（晝/夜）和42.4%/67.9%（晝/夜），溫度范圍為15.3～33.5 ℃（晝）和8.5～25.8 ℃（夜）；處理氣室內(nèi)的平均溫度和相對(duì)濕度分別為28.3 ℃/20.4 ℃和42.6%/68.1%（晝/夜），溫度范圍為16.2～34.1 ℃（晝）和8.5～26.1 ℃（夜）。

1.2 試驗(yàn)方法

于2010年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)部西北作物抗旱栽培與耕作重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)場進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。供試土壤先過30目篩，裝入高38 cm、上下內(nèi)徑分別為25 cm和20 cm的陶瓷盆，每盆裝風(fēng)干土7 kg。采用2因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)（表1），利用開頂式培養(yǎng)室模擬大氣CO2濃度升高，在小麥全生育期進(jìn)行大氣CO2濃度處理。設(shè)置CO2濃度分別為400 μmol/mol（正常大氣CO2濃度）和760 μmol/mol（升高大氣CO2濃度）。光照強(qiáng)度分別為自然光照（全光照）和自然光照的60%（遮陰），用黑色尼龍網(wǎng)遮陰，使遮陰處理的光照強(qiáng)度為自然光照的60%±5%。每處理10次重復(fù)，共計(jì)40盆。處理土壤氮肥施用量為N 0.2 g/kg土，磷肥施用量為P2O5 0.08 g/kg土。

1.3 試驗(yàn)條件控制

將籽粒飽滿、大小基本一致、子葉完整的小麥種子用3%的雙氧水消毒5 min后，用去離子水洗凈，于4月1日播種，4葉期每盆定植15株。肥料作為底肥一次施入，在小麥生長的全生育期進(jìn)行CO2濃度處理，水分控制在田間持水量的85%，每天用稱重法確定水分補(bǔ)充量，直到7月1日收獲小麥。在抽穗期進(jìn)行各參數(shù)的測定。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

1.4.1 光合參數(shù)的測定 在小麥抽穗期選擇晴天，用6400型光合作用測定系統(tǒng)（Li-Cor， USA）于 8：30～11：30時(shí)測定小麥功能葉光合速率[Pn， μmol/（m2·s）]、氣孔導(dǎo)度[Gs， mol/（m2·s）]、蒸騰速率H2O[Tr， mmol/（m2·s）]、胞間CO2濃度[Ci， mol/（m2·s）]。

1.4.2 氣孔參數(shù)的測定 選取健康的小麥葉片，用脫脂棉拭去葉片下表皮灰塵，涂一層薄薄的指甲油。待其自然風(fēng)干后，用透明膠粘取指甲油，粘在載玻片上，置于顯微鏡下觀測。

氣孔密度的觀測：在光學(xué)顯微鏡的目鏡中放入目鏡測微尺，放大倍數(shù)10 x。計(jì)算每幅圖片上的氣孔個(gè)數(shù)，取平均值，除以圖片面積，統(tǒng)計(jì)1 mm2葉片上的氣孔數(shù)目，即為氣孔密度（個(gè)/mm2）。

氣孔指數(shù)的計(jì)算：統(tǒng)計(jì)氣孔密度的同時(shí)，計(jì)算同一圖片上表皮細(xì)胞的數(shù)目。氣孔指數(shù)計(jì)算公式為I=（S）/（S+E）×100。式中：I為氣孔指數(shù)，S為一定面積內(nèi)氣孔的數(shù)目，E為相同面積內(nèi)表皮細(xì)胞的數(shù)目。

氣孔形態(tài)特征的觀測：氣孔大小的觀測在16×40倍顯微鏡下進(jìn)行，每份選10個(gè)視野，每視野測1次。測量的氣孔長度是氣孔器中啞鈴形體的長度，氣孔寬度是垂直于啞鈴形體的氣孔器的最寬值。計(jì)算氣孔的周長、面積。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS12.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二因素方差分析，并用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 高大氣CO2濃度和遮陰對(duì)小麥葉片氣孔特征參數(shù)的影響

與全光照相比，遮陰使小麥葉片的氣孔長度增加了22.93%、10.23%，氣孔寬度減小了30.22%、30.00%（表2）；且差異顯著。與正常大氣CO2濃度相比，高大氣CO2濃度使全光照處理的小麥葉片的氣孔長度和寬度分別減小了3.33%，5.59%；而遮陰處理的小麥葉片的氣孔長度增加了8.05%，而寬度減小了5.88%。與全光照相比，遮陰使小麥葉片的氣孔面積降低了17.99%、18.11%，氣孔周長增加了16.80%和6.85%；與正常大氣CO2濃度相比，高大氣CO2濃度使小麥葉片的氣孔面積增加了1.91%、1.95%，而使全光照處理的小麥葉片的氣孔周長減小2.25%，使遮陰處理的小麥葉片的氣孔周長增加了7.14%。與全光照相比，遮陰使小麥葉片的氣孔密度降低了6.61%、23.78%，氣孔指數(shù)降低了5.99%、14.23%；與正常大氣CO2濃度相比，高大氣CO2濃度使全光照處理的小麥葉片的氣孔密度降低了14.33%、使遮陰處理的小麥葉片的氣孔密度增加了5.00%。與全光照相比，遮陰使小麥葉片的氣孔指數(shù)降低了5.98%、14.22%。說明小麥葉片的氣孔長度和寬度與大氣CO2濃度有負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣孔密度有正相關(guān)的關(guān)系。隨著大氣CO2濃度升高，氣孔長度和寬度降低，而氣孔密度增大。

2.2 高大氣CO2濃度和遮陰對(duì)小麥葉片光合參數(shù)的影響

與正常大氣CO2濃度相比，高大氣CO2濃度降低了小麥葉片的氣孔導(dǎo)度。與全光照相比，遮陰降低了小麥葉片的氣孔導(dǎo)度。全光照下，小麥葉片光合速率基本一致；而遮陰條件下，高大氣CO2濃度使小麥葉片的光合速率升高，且達(dá)顯著水平（圖1）。這可能是小麥葉片對(duì)高大氣CO2濃度發(fā)生了“光適應(yīng)”。隨著高濃度CO2處理時(shí)間的延長，小麥葉片適應(yīng)后出現(xiàn)光合下調(diào)現(xiàn)象，即光合作用恢復(fù)到原來的水平甚至下降。這是由于光合產(chǎn)物碳水化合物供大于求，導(dǎo)致終產(chǎn)物反饋抑制，源—庫失調(diào)引起光合作用受阻。供大于求的直接原因可能是模擬實(shí)驗(yàn)的種植空間太小，限制了根系生長，使光合產(chǎn)物得不到及時(shí)分配或轉(zhuǎn)移。與正常大氣CO2濃度相比，高大氣CO2濃度使小麥葉片的氣孔導(dǎo)度降低了6.32%和12.12%，沒有顯著性差異。與全光照相比，遮陰使小麥葉片的氣孔導(dǎo)度降低了56.11%和53.21%，差異達(dá)顯著水平。與正常大氣CO2濃度相比，全光照下，高大氣CO2濃度下小麥葉片的蒸騰速率降低了6.69%；而遮陰條件下，高大氣CO2濃度下小麥葉片的蒸騰速率升高了9.30%。與全光照相比，遮陰使小麥葉片的蒸騰速率降低了40.57%和49.27%。說明遮陰降低了小麥葉片的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，而高大氣CO2濃度下小麥葉片的光合速率沒有改變，發(fā)生了光適應(yīng)現(xiàn)象。

2.3 高大氣CO2濃度和遮陰條件下小麥葉片氣孔特性與凈光合速率的相關(guān)性

從表3可知，遮陰條件下，小麥葉片的光合速率與氣孔長度呈極顯著正相關(guān)；全光照條件下，高大氣CO2濃度處理小麥葉片的光合速率與氣孔長度呈極顯著負(fù)相關(guān)，正常大氣CO2濃度處理的小麥葉片的光合速率與氣孔長度呈顯著正相關(guān)。遮陰條件下，高大氣CO2濃度處理的小麥葉片的光合速率與氣孔寬度呈顯著負(fù)相關(guān)，而正常大氣CO2濃度則呈極顯著正相關(guān)；正常光照條件下，高大氣CO2濃度處理的小麥葉片的光合速率與氣孔寬度呈顯著正相關(guān)，而正常大氣CO2濃度無相關(guān)性。遮陰條件下，高大氣CO2濃度處理的小麥葉片的光合速率與氣孔密度呈顯著正相關(guān)，而正常大氣CO2濃度下處理的小麥葉片的光合速率與氣孔密度無相關(guān)性；全光照條件下正常大氣CO2濃度處理的小麥葉片的光合速率與氣孔密度呈極顯著正相關(guān)性，而高大氣CO2濃度處理的小麥葉片的光合速率與氣孔密度無相關(guān)性。全光照下，正常大氣CO2濃度處理的小麥葉片的光合速率與氣孔導(dǎo)度呈極顯著負(fù)相關(guān)性，其他處理無相關(guān)性。

2.4 高大氣CO2濃度和遮陰條件下氣孔特性間的相關(guān)性

從圖2可以看出氣孔特性間的相關(guān)性，從而推導(dǎo)出①氣孔長度與氣孔密度之間的相關(guān)方程。ATS為Y=-2.479 3X+108.56，R2=0.226 2*；ATC為Y=0.138 4 X + 44.699，R2=0.011 6；ETS為Y= 0.414 8X+ 43.778，R2=0.072 5；ETC為Y=2.389 8X+ 1.193，R2=0.323 4*；②氣孔長度與氣孔寬度之間的相關(guān)方程。ATS為Y=-0.025X+4.022 3，R2= 0.005 5；ATC為Y=0.040 5X+1.638 7，R2=0.050 4；ETS為Y=0.146 3X+1.094 4，R2=0.049 6；ETC為Y=0.492 9X-6.959 5，R2=0.1671*；③氣孔寬度與氣孔密度之間的相關(guān)方程。ATS為Y=3.938X+ 52.813，R2=0.064 8；ATC為Y=1.613 1X+43.654，R2=0.051 3；ETS為Y=0.417 4X+49.54，R2=0.031 7；ETC為Y=1.643 5X+48.524，R2=0.028 1。

遮陰條件下，高大氣CO2濃度處理的小麥葉片的氣孔長度與氣孔密度呈顯著正相關(guān)，而全光照條件下，正常大氣CO2濃度處理的小麥葉片的氣孔長度與氣孔寬度呈顯著正相關(guān)；其它處理無相關(guān)性。遮陰條件下，高大氣CO2濃度處理的小麥葉片的氣孔長度與氣孔寬度、氣孔寬度與氣孔密度呈顯著正相關(guān)性；其它處理無相關(guān)性。

3 小結(jié)與討論

研究結(jié)果表明，高大氣CO2濃度使小麥葉片的氣孔長度和寬度都減小了3.33%～5.59%、氣孔面積增加了1.91%～1.95%、氣孔密度降低了6.61%～23.78%，氣孔導(dǎo)度降低了6.32%～12.12%。說明高大氣CO2濃度使小麥葉片的氣孔數(shù)量減小了，氣孔面積卻增大了。高大氣CO2濃度下，并沒有增加小麥葉片的凈光合速率，小麥葉片對(duì)高大氣CO2濃度發(fā)生“光適應(yīng)”現(xiàn)象。高大氣CO2濃度下，氣孔長度和寬度都與光合速率有顯著相關(guān)性，而氣孔密度和導(dǎo)度與光合速率沒有相關(guān)性。分析以上結(jié)果，植物一旦生長在高CO2濃度環(huán)境中，葉片的外部形態(tài)及其氣體交換等將受到顯著影響。

氣孔是植物葉片與外界氣體交換和水分散失的主要通道，是影響植物光合和蒸騰作用的因素之一[6 ]。各種環(huán)境因子（如光照、溫度、CO2濃度和水分條件）的變化，都會(huì)導(dǎo)致氣孔數(shù)量的變化。研究發(fā)現(xiàn)隨CO2濃度的升高，植物葉片的氣孔密度有明顯的下降趨勢(shì)[7 ]；還有報(bào)道認(rèn)為不變或相反，Beerling 和 Royer[8 ] 認(rèn)為銀杏的氣孔參數(shù)與大氣CO2濃度有負(fù)相關(guān)關(guān)系，而Ryle & Stanley[9 ]發(fā)現(xiàn)黑麥草的氣孔密度并不隨 CO2濃度而改變。

植物氣孔參數(shù)的變化不僅與大氣CO2濃度有關(guān)，還受到許多其它因素的影響，其中光照就是影響植物葉片形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)和光合生理特性的一個(gè)非常重要的生態(tài)因子。大多數(shù)研究認(rèn)為植物在全光照下的氣孔密度高于遮陰處理[10 - 11 ]，與我們的研究結(jié)果一致，遮陰降低了小麥葉片的氣孔密度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率。主要因?yàn)槿庹障職鉁馗?、土壤水分含量低，小麥葉片氣孔密度大，但氣孔小，氣孔導(dǎo)度低，氣孔限制值高，蒸騰作用減弱，減少了蒸騰失水量，但不利于光合作用的進(jìn)行。強(qiáng)光下氣孔密度的提高可能導(dǎo)致光合的上升，但同時(shí)強(qiáng)光還可能引起氣孔開度的減小，最終表現(xiàn)為蒸騰較小。徐坤[12 ]、韋海建等[13 ]對(duì)生姜和三葉草的生長特性的研究表明，在相同土壤水分條件下，遮光會(huì)使葉片氣孔密度降低，氣孔面積減小，這也與我們的研究結(jié)果一致。劉悅 秋等[14 ]發(fā)現(xiàn)在遮陰條件下異株蕁麻的氣孔導(dǎo)度明顯下降，遮陰程度越高，氣孔導(dǎo)度越低。這個(gè)結(jié)果在我們的研究中也得到了證實(shí)，遮陰處理下小麥葉片氣孔面積、氣孔指數(shù)降低，而氣孔周長增加。較強(qiáng)光照下小麥葉片氣孔密度較高的原因可能是高光強(qiáng)促進(jìn)了氣孔發(fā)生分化，或者是強(qiáng)光高溫導(dǎo)致一定程度的干旱而使氣孔密度上升，進(jìn)而影響到光合上升，同時(shí)導(dǎo)致氣孔開度減小，最終表現(xiàn)為蒸騰較小。

就氣孔本身的特征而言，大量研究結(jié)果認(rèn)為，氣孔密度可能與氣孔長度、寬度及葉面積有關(guān)。馬之勝等[15 ]對(duì)桃亞屬6個(gè)植物種的葉片研究后發(fā)現(xiàn)，氣孔密度與氣孔長、寬均呈顯著負(fù)相關(guān)，這與葡萄、柑橘、梨和蘋果上的結(jié)果是一致，氣孔密度大時(shí)氣孔開度就小，說明葉片進(jìn)行光合作用等生理活動(dòng)需一定數(shù)量的氣孔面積；桃品種的氣孔長度、寬度與果實(shí)大小均呈極顯著相關(guān)，氣孔長度和寬度與葉面積也呈極顯著或顯著相關(guān)。然而，張紀(jì)英等[16 ]對(duì)幾種落葉果樹不同種間的氣孔密度與長度進(jìn)行相關(guān)分析后，認(rèn)為兩者沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。本研究表明，氣孔寬度與氣孔密度沒有相關(guān)性，遮陰條件下，氣孔長度與氣孔密度、寬度呈顯著的正相關(guān)性。氣孔密度和光合速率呈顯著正相關(guān)性，與氣孔導(dǎo)度呈顯著負(fù)相關(guān)性。

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（本文責(zé)編：陳 珩）