高溫干旱復(fù)合脅迫對楊樹幼苗葉經(jīng)濟(jì)譜性狀的影響

朱嘉馨, 吳永波, 劉 璇

(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院;2.江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第5次評估報告繼續(xù)指出，全球氣候變暖毋庸置疑.1880—2012年全球平均溫度已上升了0.85 ℃[1].水是受氣候變化影響最直接的因子之一，全球氣候變暖勢必會加劇水資源在時間和空間上分配的不均，導(dǎo)致某些區(qū)域水資源更加匱乏[2].而北半球高緯度地區(qū)由于溫度升高更快，因此這些區(qū)域生物受到影響最大[3].

葉經(jīng)濟(jì)譜是一系列相互聯(lián)系、協(xié)同變化的功能性狀組合[4]，它作為葉片水平上的權(quán)衡策略譜，可量化植物功能性狀間的關(guān)系.它可以詮釋植物在不同生境下的資源權(quán)衡策略，進(jìn)而體現(xiàn)葉片化學(xué)(如含氮量)、結(jié)構(gòu)(如比葉重)、生理性狀(如光合性能)間的協(xié)調(diào)關(guān)系[5].葉經(jīng)濟(jì)譜為更好理解植物在全球氣候變化的情況下，對環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制提供了依據(jù)[6].目前對植物葉經(jīng)濟(jì)譜的研究多集中于高溫[7]或干旱[8-9]單一脅迫，對于兩種脅迫之間相互作用的研究很少[10].而自然環(huán)境中高溫和干旱往往同時發(fā)生形成復(fù)合脅迫，復(fù)合脅迫對植物的影響不能簡單地由單一脅迫的疊加進(jìn)行推論.

楊樹有著生長周期短、成材早、產(chǎn)量高、易更新等優(yōu)點(diǎn)，是我國最主要的速生木材之一[11].南林895楊(Populus×euramericana‘Nanlin895’)具有速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，在我國黃淮、江淮及長江中下游地區(qū)廣泛種植.本試驗研究高溫與干旱復(fù)合脅迫對南林895楊幼苗葉經(jīng)濟(jì)譜性狀的影響，為預(yù)測全球氣候變暖背景條件下南林895楊生長與分布的變化提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2016年7月20日至9月20日在FYS-8智能氣候室(相對濕度60%，最大光合有效輻射為1 800 μmol·m-2·s-1)內(nèi)進(jìn)行.試驗材料為2015年12月扦插的一年生南林895楊幼苗，試驗用盆規(guī)格為內(nèi)徑30 cm，高25.7 cm.

試驗設(shè)置3個水分梯度，分別為田間持水量的75%(D0)、55%(D1)和35%(D2).同時以大氣溫度T0為基準(zhǔn)，設(shè)置3個溫度處理，分別為環(huán)境溫度(T0)、(環(huán)境溫度+2) ℃(T1)、(環(huán)境溫度+4) ℃(T2).設(shè)置不同水分和溫度梯度的交互試驗，共9組處理，分別為T0D0、T0D1、T0D2、T1D0、T1D1、T1D2、T2D0、T2D1、T2D2，每組處理設(shè)置4個重復(fù)，共36盆，其中T0D0為對照(CK).試驗期間每天上午6∶00采用稱重法對整盆植物進(jìn)行水分補(bǔ)充，確保土壤含水率在控制條件下，同時模擬自然光照，調(diào)節(jié)光照量，于每日6∶00打開光照，18∶00關(guān)閉光照.試驗期間，智能氣候室設(shè)置的環(huán)境溫度隨大氣溫度實(shí)時變化，大氣溫度最高值出現(xiàn)于7月31日，為35 ℃，大氣溫度最低值出現(xiàn)于9月18日，為26 ℃，整個脅迫期間平均溫度為31 ℃.

1.2 測定指標(biāo)與方法

2016年9月20日上午10∶00用LI-6400XT便攜式光合儀測定楊樹葉片的凈光合速率(photosynthetic rate,Pn)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,Gs)和蒸騰速率(transpiration rate,Tr)等參數(shù)，重復(fù)3次取平均值.采樣進(jìn)行比葉重(leaf mass per area,LMA)、葉周長面積比、全氮(total nitrogen,TN)含量與碳氮比(carbon nitrogen ratio,C/N)的測定.用LI-3000型葉面積儀測量葉面積，葉片置于紙上勾出邊界，掃描到CAD測量周長，得出葉周長面積比.將葉片洗凈后置于105 ℃烘箱中殺青30 min，80 ℃烘至恒重，稱干重，由葉片干重/葉面積得出比葉重.將殺青后的葉片80 ℃連續(xù)烘48 h，而后研磨過2 mm篩，稱取3～5 mg用錫紙包樣，用PE-2400元素分析儀測定全氮與碳氮比.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理并作圖，采用SPSS Stastics 19.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫干旱復(fù)合脅迫對楊樹幼苗光合性能的影響

2.1.1 對Pn的影響 如圖1所示，復(fù)合脅迫下，楊樹幼苗Pn下降，且隨著脅迫強(qiáng)度增加Pn下降幅度越大，與T0D2相比，T1D2、T2D2分別下降了49.26%、89.03%.Pn最低值出現(xiàn)在T2D1處理，僅為0.599 μmol·m-2·s-1，其次為T2D2(0.623 μmol·m-2·s-1).干旱單因素脅迫即環(huán)境溫度(T0)下，Pn呈D1>D2>D0；高溫單因素脅迫即田間持水量75%(D0)下，Pn表現(xiàn)為T0>T1>T2.方差分析結(jié)果顯示，Pn在高溫干旱復(fù)合脅迫下差異顯著(P<0.05)，隨著脅迫溫度的升高，不同水分梯度間差異顯著性消失，此時高溫在復(fù)合脅迫中起主導(dǎo)作用.

2.1.2 對Gs的影響 氣孔是植物吸收CO2和蒸騰失水的通道，Gs對水分脅迫最敏感，干旱單因素脅迫(T0處理)下，Gs下降，最低值出現(xiàn)在D2，顯著低于對照(P<0.05).高溫單因素脅迫(D0處理)時，Gs呈T1>T0>T2，T2處理僅為T0的27.98%.復(fù)合脅迫下，T1D2>T1D1>T2D1>T2D2，Gs呈現(xiàn)出下降的趨勢，且隨著脅迫強(qiáng)度的增加，下降幅度越大.T2D2處理降到最低，僅為0.058 mol·m-2·s-1(圖2).

2.1.3 對Ci的影響 如圖3所示，在D1、D2處理下，Ci受Pn和Gs影響，表現(xiàn)為上升趨勢，但幅度較小.同一溫度梯度下，Ci在D1處理時最高，最高值出現(xiàn)在T2D1處理，為224.111 μmol·mol-1.高溫干旱復(fù)合脅迫下，Ci差異顯著(P<0.05)，隨著脅迫溫度的升高，干旱脅迫之間逐漸由差異不顯著變?yōu)轱@著(P<0.05)，說明高溫加劇了干旱對Ci的影響.

不同大寫字母表示相同水分梯度不同脅迫溫度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同脅迫溫度不同水分梯度間差異顯著(P<0.05).圖1 高溫干旱復(fù)合脅迫下南林895楊幼苗Pn的變化Fig.1 Changes of photosynthetic rate of Nanlin 895 poplar seedlings under combined elevated temperature and drought stress

不同大寫字母表示相同水分梯度不同脅迫溫度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同脅迫溫度不同水分梯度間差異顯著(P<0.05).圖2 高溫干旱復(fù)合脅迫下南林895楊幼苗Gs的變化Fig.2 Changes in stomatal conductance of young seedlings of Nanlin 895 under combined elevated temperature and drought stress

不同大寫字母表示相同水分梯度不同脅迫溫度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同脅迫溫度不同水分梯度間差異顯著(P<0.05).圖3 高溫干旱復(fù)合脅迫下南林895楊幼苗Ci的變化Fig.3 Changes of Intercellular CO2 concentration of Nanlin 895 poplar seedlings under combined elevated temperature and drought stress

2.1.4 對Tr的影響 Tr大小反映植物耗水情況，是體現(xiàn)植物光合性能的重要指標(biāo).由圖4可知，同一水分梯度下，除D0處理外，其他處理Tr先升高后降低，在T1D2處理達(dá)到最高，為6.884 mmol·m-2·s-1.相比T0處理，T2處理的Tr分別降低了43.07%(D0)、42.70%(D1)、33.00%(D2)，T2處理的Tr為T1處理的62.64%(D0)、39.75%(D1)、31.93%(D2).T0、T2處理下，Tr表現(xiàn)為D0>D1>D2， T1處理下，Tr表現(xiàn)為D2>D1>D0.復(fù)合脅迫下，T1D2>T1D1>T2D1>T2D2，Tr在T2D2降到最低，為2.198 mmol·m-2·s-1.方差分析結(jié)果表示，高溫干旱復(fù)合脅迫下差異顯著(P<0.05)；隨著干旱脅迫的加劇，高溫脅迫間差異顯著(P<0.05)，隨著高溫脅迫的加劇，干旱脅迫間差異顯著性消失，說明復(fù)合脅迫中高溫為主要影響因子.

不同大寫字母表示相同水分梯度不同脅迫溫度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同脅迫溫度不同水分梯度間差異顯著(P<0.05).圖4 高溫干旱復(fù)合脅迫下南林895楊幼苗Tr的變化Fig.4 Changes of transpiration rate of Nanlin 895 poplar seedlings under combined elevated temperature and drought stress

2.2 高溫干旱復(fù)合脅迫對楊樹幼苗LMA與葉周長面積比的影響

由圖5A可知，高溫單因素脅迫(D0處理)，LMA下降，這可能是因為葉面積增大，葉片變薄.干旱單因素脅迫(T0處理)，LMA上升，在D2處理達(dá)到最高，為11.851 mg·cm-2，顯著高于對照(P<0.05)，上升了50.51%.復(fù)合脅迫下，LMA下降，在T2D2降到最低，為5.319 mg·cm-2，顯著低于對照(P<0.05)，不同脅迫溫度間均差異顯著(P<0.05).

高溫或干旱單因素脅迫都使葉周長面積比上升，但二者略有不同(圖5B).高溫單因素脅迫下(D0處理)升高的幅度較為平緩，T2比T1升高了8.05%，干旱單因素脅迫下(T0處理)升高幅度明顯， D2比D1升高了18.55%.但在重度脅迫T2D2時降低，與T2D1相比差異顯著(P<0.05)，下降了21.36%，說明高溫干旱之間呈拮抗作用，高溫脅迫抵消了一部分干旱脅迫的影響.

不同大寫字母表示相同水分梯度不同脅迫溫度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同脅迫溫度不同水分梯度間差異顯著(P<0.05).圖5 高溫干旱復(fù)合脅迫下南林895楊幼苗LMA、葉周長面積比的變化Fig.5 Changes of the specific leaf weight and the ratio of leaf perimeter to area of the Nanlin 895 poplar seedlings under combined stressof elevated temperature and drought

2.3 高溫干旱復(fù)合脅迫對楊樹幼苗葉片TN含量與C/N的影響

高溫單因素脅迫下(D0處理)，TN含量呈先下降后升高趨勢(圖6A)，干旱單因素脅迫(T0處理)，TN含量呈下降趨勢.高溫干旱復(fù)合脅迫下，TN含量升高后趨于平緩，最大值出現(xiàn)在T1D2處理，達(dá)3.28%，顯著高于對照(P<0.05)，說明高溫干旱復(fù)合脅迫會增加葉片TN含量.

由圖6B可知，C/N變化趨勢與TN含量相反.高溫單因素脅迫(D0處理)，C/N呈T1>T0>T2，干旱單因素脅迫(T0處理)，C/N升高.復(fù)合脅迫下，C/N呈T1D1>T2D1>T2D2>T1D2，最小值出現(xiàn)在T1D2處理，為12.843，最大值出現(xiàn)在T1D1，為16.270.

不同大寫字母表示相同水分梯度不同脅迫溫度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同脅迫溫度不同水分梯度間差異顯著(P<0.05).圖6 高溫干旱復(fù)合脅迫下南林895楊幼苗葉片TN含量、C/N的變化Fig.6 Changes of the leave nitrogen contents and carbon-nitrogen ratio of the Nanlin 895 poplar seedlings under combined stress of elevated temperature and drought

2.4 相關(guān)性與方差分析

對南林895楊幼苗葉經(jīng)濟(jì)譜的各項指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，由表1可知，Pn與Ci、Gs、LMA、C/N存在顯著正相關(guān)(P<0.05)，與TN含量存在顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05).Tr與Ci呈顯著正相關(guān)(P<0.05).Gs與LMA呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與C/N呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01).LMA與C/N存在顯著正相關(guān)(P<0.05)，與TN含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05).C/N與TN含量存在顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05).

1)*表示P<0.05的顯著水平,**表示P<0.01的極顯著水平.

方差分析結(jié)果表明(表2)，Pn、Tr、Ci、Gs、LMA、C/N和TN含量受溫度影響極顯著(P<0.01)，Tr、Ci、C/N、TN含量和LMA受土壤水分影響顯著(P<0.05)，Pn、Tr、Ci、LMA、C/N和TN含量受溫度和土壤水分雙因素影響極顯著(P<0.01).

表2 南林895幼苗在不同處理下葉經(jīng)濟(jì)譜指標(biāo)的方差分析1)Table 2 Variance analysis on leaf economic spectrum indexes under different stress of elevated temperature and drought in Nanlin 895 poplar seedlings

1)T:溫度處理，W:土壤水分處理，T×W:土壤溫度水分復(fù)合作用；*表示P<0.05的顯著水平,**表示P<0.01的極顯著水平.

3 討論與結(jié)論

葉片作為進(jìn)行光合作用的載體，是植物可塑性最大、對環(huán)境脅迫最敏感的器官[12-13].本研究顯示，高溫干旱復(fù)合脅迫對南林895楊光合指標(biāo)影響較大.氣孔是植物吸收CO2和蒸騰失水的通道，當(dāng)植物受到干旱脅迫時，會通過調(diào)整氣孔開度減少植物水分散失并維持一定光合作用[14].當(dāng)南林895楊幼苗受到干旱脅迫時，氣孔關(guān)閉以減少蒸騰失水，使得CO2進(jìn)入葉片受阻，表現(xiàn)為Ci下降，CO2供應(yīng)不足，進(jìn)而導(dǎo)致Pn降低，此時氣孔因素是影響南林895楊幼苗光合性能降低的主導(dǎo)因素.這與蒙祖慶[15]、趙麗英[16]等研究結(jié)果一致.有研究表明，適度高溫會促進(jìn)光合性能上升[17].而在本研究中，Pn隨高溫脅迫加劇而下降，與前人研究結(jié)果不同，可能因為測量時已處于脅迫中后期，表現(xiàn)為高溫單因素脅迫下，Pn下降，Gs與Ci變化一致，呈先上升后下降的趨勢，Tr降低.楊樹幼苗在輕度高溫脅迫下通過氣孔調(diào)節(jié)來降低葉面溫度[18].復(fù)合脅迫下，Pn、Gs、Tr均下降，且隨著復(fù)合脅迫強(qiáng)度加劇下降幅度增大，指標(biāo)數(shù)值比高溫或干旱單因素脅迫時更低，與葉波[19]、梁嘉熒[20]等研究結(jié)果一致.說明高溫脅迫和干旱脅迫對南林895楊幼苗Pn、Gs、Tr的影響產(chǎn)生疊加作用.Ci在復(fù)合脅迫下略微上升，因為Pn下降，CO2利用率降低，同時光呼吸增強(qiáng)，葉肉間CO2積累[21]，此時光合性能降低是受非氣孔因素和氣孔因素共同作用的結(jié)果.

LMA是葉經(jīng)濟(jì)譜中最基礎(chǔ)的葉功能性狀，可以定量測定光合產(chǎn)物在單位面積的投入，是反映植物生態(tài)策略的重要指標(biāo).高溫單因素脅迫下，南林895楊幼苗LMA下降，因為高溫使葉面積增大，葉片變??；干旱單因素脅迫下，LMA上升，因為干旱導(dǎo)致葉片各組織細(xì)胞和結(jié)構(gòu)改變[22]，使葉片小而厚，細(xì)小的葉片可減少水分蒸發(fā)，葉片越厚儲存水和養(yǎng)分能力越強(qiáng).這與龔春梅[23]、厲廣輝[24]等研究結(jié)果一致.高溫或干旱單因素脅迫均使葉周長面積比增大，但機(jī)理不同.楊樹葉片在逆境脅迫下葉緣發(fā)生改變，導(dǎo)致葉片周長面積變化.高溫使葉面積增大，干旱會減小葉面積，因此周長面積比增大可能因為葉周長增加，或葉面積下降，或兩者共同作用.高溫干旱復(fù)合脅迫下，LMA和周長面積比下降，說明在LMA和周長面積比指標(biāo)中，高溫和干旱脅迫之間呈拮抗作用.本研究結(jié)果表明，C/N和TN含量呈完全相反的動態(tài)變化.干旱單因素脅迫下，隨脅迫程度的加劇，TN含量下降而C/N升高.因為干旱脅迫下含氮量下降，導(dǎo)致LMA升高，TN含量降低，這與許振柱[25]研究結(jié)果相似.高溫單因素脅迫下，TN含量先下降后升高，C/N先升高后下降.這是因為輕度高溫脅迫影響根系對氮的吸收和植物對氮的同化利用[26].高溫、干旱單因素脅迫下C/N變化由TN含量的變化而導(dǎo)致.高溫干旱復(fù)合脅迫下，TN含量升高而C/N下降，可能因為復(fù)合脅迫下葉片凋落造成含氮量增加，以及干旱加劇了高溫脅迫的作用.

光合作用、LMA、TN含量作為葉經(jīng)濟(jì)譜的衡量指標(biāo)，三者存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系.葉片中氮是合成葉綠素和有關(guān)蛋白的重要成分[27]，植物生長發(fā)育中，葉片利用氮進(jìn)行光合作用，并將固定的能量輸送給根及其他器官[28].因此，葉片中氮濃度降低會導(dǎo)致光合作用電子傳遞能力及分配到Rubisco及類囊體的氮顯著下降，引起光合能力下降[20].LMA是衡量葉片光合作用性能的一個參數(shù).在本研究中，高溫干旱復(fù)合脅迫下，LMA和Pn同時下降，LMA與Pn存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與Edwards[29]研究結(jié)果相似，體現(xiàn)了植物抵御逆境的權(quán)衡策略，脅迫下減少單位面積投入成本.LMA和TN含量存在顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，也是植物對逆境脅迫的權(quán)衡調(diào)控.通過降低LMA提高TN含量來提高光合能力.

復(fù)合脅迫和單一脅迫對植物的影響存在差異，復(fù)合脅迫對植物的影響不能簡單地由單一脅迫的疊加進(jìn)行推論.在本研究中，相較于高溫或干旱單因素脅迫，在復(fù)合脅迫下南林895楊幼苗Pn、Tr、Gs下降更顯著，高溫干旱呈協(xié)同作用，Ci上升，高溫干旱呈拮抗作用.復(fù)合脅迫中，LMA、C/N有所下降，TN含量上升.綜合來看，高溫干旱復(fù)合脅迫對楊樹幼苗的影響最大，其中，高溫占主導(dǎo)作用.