大氣CO2倍增條件下冬小麥氣體交換對(duì)高溫干旱及復(fù)水過程的響應(yīng)

郭麗麗 張茜茜 郝立華 喬雅君 陳文娜 盧云澤李 菲 曹 旭 王清濤 鄭云普

1河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院, 河北邯鄲 056038； 2河北雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境局, 河北雄安 071700； 3河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院,河北邯鄲 056038

自18世紀(jì)中后期西方工業(yè)革命以來, 大量化石燃料的使用、森林的砍伐以及土地利用方式的轉(zhuǎn)變, 導(dǎo)致大氣CO2濃度平均每年增加約2 μmol mol-1[1]。目前, 大氣CO2濃度已經(jīng)超過400 μmol mol-1, 預(yù)計(jì)21世紀(jì)末將繼續(xù)升高至800μmol mol-1[2]。與此同時(shí), 由于大氣CO2濃度升高導(dǎo)致的溫室效應(yīng)引起全球范圍內(nèi)的氣候變暖, 到本世紀(jì)末全球的平均氣溫將升高 1.4℃～5.8℃[3]。另外, 氣候變暖將進(jìn)一步影響到全球的降水分配格局, 從而使季節(jié)性降水分布不均勻,致使區(qū)域性的極端干旱事件頻繁發(fā)生[4]。以往的氣候模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明, 大氣 CO2濃度升高將增加中高緯度地區(qū)的干旱程度和發(fā)生極端干旱事件的次數(shù)[5], 且高溫“熱浪”事件的發(fā)生頻率及范圍日益增加[6]。因此, 深入探討植物對(duì)CO2濃度倍增、高溫和水分等多個(gè)環(huán)境因素的協(xié)同響應(yīng)機(jī)理有助于提高生態(tài)過程模型的模擬精度, 以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來全球氣候變化對(duì)不同類型生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響, 尤其是直接關(guān)系到人類糧食安全的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的相關(guān)研究備受學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

冬小麥(Triticum aestivumL.)為一種廣泛分布的C3物種, 也是世界上許多國家或地區(qū)最重要的糧食作物之一。作為中國北方地區(qū)普遍種植的關(guān)鍵糧食作物, 冬小麥在華北平原區(qū)的種植面積高達(dá)總耕地面積的 40%[7]。然而,由于華北處于溫帶季風(fēng)氣候區(qū), 在冬小麥生長關(guān)鍵期的降水量較少, 僅依靠降水遠(yuǎn)不能滿足該區(qū)域冬小麥生長的水分供給, 且中國北方水資源相對(duì)緊缺, 灌溉用水嚴(yán)重不足[7]。以往研究結(jié)果表明, 水分脅迫誘導(dǎo)葉片氣孔關(guān)閉,限制 CO2擴(kuò)散過程(氣孔限制)和抑制光化學(xué)反應(yīng)過程(非氣孔限制)來降低光合速率, 并最終影響植物正常生長和發(fā)育[8-9]。通常, 區(qū)域干旱伴隨著高溫天氣同時(shí)出現(xiàn), 導(dǎo)致植物氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率升高, 凈光合速率降低, 從而造成農(nóng)作物的大面積減產(chǎn)[10]。然而, 增加大氣CO2濃度可以緩解干旱和高溫對(duì)植物關(guān)鍵生理生化過程的不利影響,主要是由于提高 CO2濃度對(duì)植物產(chǎn)生的“施肥效應(yīng)”不僅抑制呼吸過程、增加Rubisco酶羧化效率、提高光合速率[11], 同時(shí)還能夠降低氣孔導(dǎo)度、減少水分蒸發(fā), 從而提高作物的水分利用效率和糧食產(chǎn)量[10]。另外, 華北平原糧食產(chǎn)區(qū)臨時(shí)性干旱出現(xiàn)的頻率增加, 但干旱期持續(xù)時(shí)間較短, 水分脅迫時(shí)常被階段性降雨所解除[12]。以往的相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn), 適度水分脅迫對(duì)植物的影響在復(fù)水后能夠得到一定的恢復(fù), 甚至可能產(chǎn)生超補(bǔ)償現(xiàn)象[13]。因此, 在CO2濃度倍增和高溫條件下研究水分脅迫及復(fù)水過程對(duì)冬小麥生理生態(tài)過程的影響機(jī)理有助于為氣候變化背景下華北農(nóng)田的經(jīng)營和管理提供決策依據(jù)。此外, 盡管由大氣 CO2濃度升高導(dǎo)致的區(qū)域性高溫和干旱事件可能會(huì)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng), 但以往大多數(shù)研究主要關(guān)注 CO2濃度升高、干旱、高溫單一或多因素環(huán)境因子對(duì)作物生理生化過程及產(chǎn)量的影響機(jī)理[14-18],以至于目前關(guān)于 CO2濃度倍增、高溫、干旱及其復(fù)水過程對(duì)農(nóng)作物水分利用效率和糧食產(chǎn)量產(chǎn)生交互影響的潛在機(jī)理仍不清楚[8,19], 亟待從葉片氣孔形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、氣孔空間分布格局、氣體交換效率等方面深入剖析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)未來氣候變化(大氣 CO2濃度升高、高溫、干旱及其復(fù)水過程)的生理響應(yīng)機(jī)制。

本文利用人工氣候箱控制不同 CO2濃度、高溫和水分條件, 以盆栽冬小麥為試材探討 CO2濃度倍增條件下高溫干旱及復(fù)水過程對(duì)冬小麥氣孔結(jié)構(gòu)特征(氣孔密度、氣孔面積、氣孔形狀指數(shù)等)及空間分布格局、氣體交換參數(shù)的影響機(jī)制。研究結(jié)果不僅為預(yù)測(cè)未來 CO2濃度升高和高溫干旱條件下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力及其服務(wù)功能變化提供數(shù)據(jù)支撐, 而且為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氣候變化適應(yīng)性對(duì)策的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年在河北工程大學(xué)農(nóng)業(yè)水土資源綜合管理與調(diào)控實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行盆栽試驗(yàn), 盆栽容器為底部打孔的塑料水桶(桶高27 cm, 桶口面積531 cm2, 桶底面積380 cm2), 且保證桶內(nèi)土壤水分飽和后能夠由桶底順暢滲出。盆栽土壤為0～20 cm耕層的黃壤土混合營養(yǎng)土(配比2∶1), 土壤容重為1.58 g cm-3, 田間持水量為52%, 含有機(jī)質(zhì)5.26 g kg-1、全氮0.68 g kg-1、全磷0.57 g kg-1、有效磷20 mg kg-1、速效鉀58 mg kg-1, 土壤陽離子代換量為15.50 cmol kg-1。冬小麥生長期內(nèi)不再追施其他肥料。選用華北地區(qū)普遍種植的冬小麥(Triticum aestivumL.)品種石麥15, 于3月22日播種, 隨后6 d內(nèi)(3月28日)冬小麥幼苗全部出土。待幼苗生長到三葉一心(4月6日, 即播種后15 d)時(shí)定苗, 按大田常規(guī)播種密度450萬株hm-2的標(biāo)準(zhǔn)折算, 每盆定株24棵。各處理對(duì)冬小麥的分蘗影響不大, 且進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示在冬小麥生長期內(nèi)各處理之間的分蘗數(shù)差異不顯著(P＞0.05)。

采用 4個(gè)可以準(zhǔn)確控制 CO2濃度的大型人工氣候箱(高1830 cm×寬1798 cm×深 675 cm)對(duì)冬小麥進(jìn)行光照培養(yǎng), 植株冠層的光照強(qiáng)度為1000 μmol m-2s-1, 光照周期為8：00-20：00, 相對(duì)濕度控制為60%～70%。各人工氣候箱均獨(dú)立配備一套 CO2濃度自動(dòng)控制系統(tǒng), 能夠準(zhǔn)確控制箱內(nèi) CO2濃度(控制精度約為±10 μmol mol-1)。設(shè)置對(duì)照(CO2濃度為 400 μmol mol-1, 溫度為 21℃/16℃, 水分為75%～80%田間持水量)、CO2濃度倍增E (CO2濃度為800μmol mol-1, 溫度為 21℃/16℃, 水分為 75%～80%田間持水量)、高溫干旱復(fù)合處理HD (CO2濃度為400 μmol mol-1,溫度為 26℃/21℃, 水分為 45%～50%田間持水量)、CO2濃度倍增下高溫干旱復(fù)合處理EHD (CO2濃度為800 μmol mol-1, 溫度為26℃/21℃, 水分為45%～50%田間持水量)。為避免人工氣候箱自身差異對(duì)研究結(jié)果的影響, 在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)每周對(duì)人工氣候箱和冬小麥植株進(jìn)行隨機(jī)調(diào)換。將盆栽塑料桶內(nèi)盛滿混合營養(yǎng)土, 放入水盆中浸泡5 min,以確保桶內(nèi)盆栽土壤充分吸收水分, 利用重量法控制土壤水分進(jìn)行干旱處理。對(duì)于干旱處理, 約1周時(shí)間土壤水分達(dá)到目標(biāo)含水量即 45%～50%田間持水量。另外, 試驗(yàn)進(jìn)行水分處理后, 每2 d稱重一次, 土壤水分達(dá)到下限時(shí),補(bǔ)足到上限。由于本研究主要探討 CO2濃度和高溫干旱復(fù)合處理對(duì)冬小麥營養(yǎng)生長階段葉片結(jié)構(gòu)和功能的影響,故播種前并未對(duì)冬小麥的種子進(jìn)行春化處理, 且幼苗在整個(gè)營養(yǎng)生長期內(nèi)沒有經(jīng)歷冬眠過程。待冬小麥在不同CO2濃度和高溫干旱復(fù)合處理下60 d后進(jìn)行復(fù)水處理, 保證每個(gè)處理的土壤含水量均達(dá)到田間持水量的 100%, 隨后進(jìn)行氣孔特征和氣體交換參數(shù)的測(cè)量及數(shù)據(jù)分析。

1.2 印記法氣孔取樣及測(cè)量

隨機(jī)從每株上選取 3個(gè)葉片, 利用無色透明的指甲油涂于冬小麥葉片遠(yuǎn)軸面和近軸面的中部, 采集氣孔印記樣品。在裝備有照相機(jī)的顯微鏡(DM2500, Leica Corp, Germany)下觀察葉片印跡并照相。隨機(jī)選擇3個(gè)不同的顯微視野, 每個(gè)視野下拍4張照片, 即得到12張氣孔的顯微照片, 再選取5張來計(jì)算氣孔密度。利用Auto CAD 2010軟件分別測(cè)量氣孔的長度、氣孔寬度、氣孔周長、氣孔面積以及氣孔形狀指數(shù)。氣孔形狀指數(shù)是指通過計(jì)算單一氣孔形狀與相同面積的圓之間的偏離程度, 當(dāng)氣孔的形狀為圓形時(shí), 形狀指數(shù)為1； 即氣孔的形狀越扁長, 則氣孔形狀指數(shù)就越大。

式中,S為葉片氣孔形狀指數(shù),A表示氣孔面積,P表示氣孔周長。

1.3 氣孔的空間分布格局分析

隨機(jī)選取4個(gè)光學(xué)顯微照片(放大5倍)用于分析不同處理?xiàng)l件對(duì)葉片氣孔空間分布格局的影響。在本項(xiàng)分析中,認(rèn)為每個(gè)氣孔都是葉片表面上分布的單點(diǎn), 氣孔開口的最中間位置為該單點(diǎn)的位置。首先利用空間分布軟件Arc GIS 10.0將照片進(jìn)行數(shù)字化處理, 得到每個(gè)氣孔的坐標(biāo)值。再運(yùn)用空間統(tǒng)計(jì)分析方法Ripley’sK方程對(duì)表征氣孔分布狀況的點(diǎn)進(jìn)行空間分析[16]。Ripley’sK方程是一個(gè)分布累加的函數(shù), 該函數(shù)利用所有單點(diǎn)距離的二階矩陣探究這些點(diǎn)在不同尺度上的二維空間分布格局。分析結(jié)果由Lhat(d)值來表達(dá)。

式中, Lhat(d)表示最小鄰域距離；K(d)為任何個(gè)體在一定空間尺度內(nèi)對(duì)其他個(gè)體的期望值；d為空間尺度。

當(dāng)分布格局為隨機(jī)分布時(shí), 所有的d值到 Lhat(d)距離均相等。為了確定95%的可信任區(qū)間, 采用蒙特卡洛算法模擬隨機(jī)分布點(diǎn)1000次。假如葉片表面的氣孔在給定尺度d下為隨機(jī)分布, 則計(jì)算出來的值應(yīng)該位于95%可信任區(qū)間之內(nèi)。假如值大于95%可信任區(qū)間, 則氣孔在該尺度簇狀分布, 當(dāng)該值小于95%可信任區(qū)間時(shí), 氣孔在該尺度下為規(guī)則分布[16]。

1.4 光合氣體交換參數(shù)的測(cè)定

利用 Li-6400XT便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)(Li-COR Inc.Lincoln, Nebraska, USA)分別測(cè)定冬小麥復(fù)水前(0 h)及復(fù)水后2、4、6、8、10和12 h的葉片氣體交換參數(shù)即凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。與光合測(cè)定系統(tǒng)配套的2 cm × 3 cm標(biāo)準(zhǔn)氣室可以獨(dú)立控制光合光量子通量密度(PPFD)、CO2濃度、葉片溫度以及氣室濕度, 測(cè)量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)氣室參數(shù)設(shè)定為葉室內(nèi)PPFD 1000 μmol m-2s-1PAR, CO2濃度為 400 μmol mol-1, 葉片溫度25℃。利用公式WUE =Pn/Tr計(jì)算葉片尺度上的水分利用效率。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

不同處理對(duì)冬小麥產(chǎn)生影響的各個(gè)指標(biāo)利用單因素或多因素方差分析的統(tǒng)計(jì)方法, 再使用Duncan’s Multiple Range Test比較不同處理間的顯著性差異(P＜0.05)。本研究的統(tǒng)計(jì)分析均利用SPSS 13.0 (Chicago, IL)軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣孔形態(tài)特征及其空間分布格局

與對(duì)照相比, E顯著減小近軸面的氣孔寬度和氣孔形狀指數(shù)(P＜0.05)； 同樣, HD也導(dǎo)致近軸面氣孔長度、寬度、周長、面積和形狀指數(shù)的降低(P＜0.05), 但卻顯著增加氣孔密度(P＜0.05)。高CO2濃度導(dǎo)致高溫干旱下葉片近軸面氣孔密度、寬度和形狀指數(shù)的降低(P＜0.05), 但氣孔長度、周長和面積顯著增加(P＜0.05)。與對(duì)照相比, EHD導(dǎo)致近軸面氣孔密度顯著增加(P＜0.05), 而氣孔寬度、面積和形狀指數(shù)顯著減小(P＜0.05)。E顯著增加遠(yuǎn)軸面氣孔密度和形狀指數(shù)(P＜0.05), 但并未對(duì)氣孔長度、寬度、周長和面積產(chǎn)生明顯影響。然而, HD導(dǎo)致遠(yuǎn)軸面氣孔密度顯著增加 33%, 氣孔周長減少 8% (P＜0.05)。E顯著提高氣孔長度 13%, 從而增加氣孔周長和面積 16%和 20% (P＜0.05),暗示E可能緩解高溫干旱對(duì)氣孔造成的影響。與對(duì)照相比,EHD提高近軸面的氣孔密度45% (P＜0.05), 對(duì)氣孔長度、寬度、周長、面積和形狀指數(shù)沒有產(chǎn)生影響。

對(duì)冬小麥氣孔空間分布格局分析的結(jié)果顯示, 無論是對(duì)照、E還是HD處理下冬小麥近軸面和遠(yuǎn)軸面氣孔均在小尺度范圍內(nèi)為規(guī)則分布(近軸面＜ 130 μm, 遠(yuǎn)軸面＜170 μm), 而在大尺度范圍內(nèi)(近軸面＞ 200 μm, 遠(yuǎn)軸面＞230 μm)呈現(xiàn)隨機(jī)分布的特征(圖1)。同時(shí), 在小尺度范圍內(nèi)冬小麥遠(yuǎn)軸面上的氣孔分布比其在近軸面的分布更規(guī)則, 即不同處理?xiàng)l件時(shí)相同空間尺度上氣孔在遠(yuǎn)軸面分布的 Lhat(d)(均值 -5.3)比近軸面更小(均值 -3.9), 尤其是 E下葉片遠(yuǎn)軸面和近軸面的 Lhat(d)分別為-8.0和-5.4(圖1)。盡管氣孔最規(guī)則分布的空間尺度在近軸面(90 μm)和遠(yuǎn)軸面(60 μm)存在差異, 但不同處理并沒有對(duì)冬小麥葉片近軸面和遠(yuǎn)軸面氣孔最規(guī)則分布的空間尺度產(chǎn)生明顯影響(圖 1)。另外, 不同處理?xiàng)l件時(shí)氣孔分布格局由規(guī)則分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)分布的空間尺度在近軸面(120 μm)和遠(yuǎn)軸面(170 μm)之間也存在明顯的差異。此外, 與對(duì)照相比, E增加了氣孔近軸面規(guī)則程度, 而HD對(duì)氣孔規(guī)則程度沒有產(chǎn)生顯著影響, 同時(shí), E并未對(duì)高溫干旱下氣孔規(guī)則產(chǎn)生影響。相反, 與對(duì)照相比, E導(dǎo)致遠(yuǎn)軸面氣孔規(guī)則程度降低, 而遠(yuǎn)軸面氣孔規(guī)則程度未受 HD的影響, 但EHD的葉片遠(yuǎn)軸面氣孔規(guī)則程度降低。

2.2 氣體交換參數(shù)

冬小麥的凈光合速率(Pn)在E (0 h)條件下比對(duì)照提高18%, 但HD (0 h)處理導(dǎo)致Pn下降69%； 同時(shí), EHD處理下, 提高 CO2濃度能夠輕度緩解高溫干旱對(duì)Pn的影響,但仍然較對(duì)照低54% (圖2)。復(fù)水后, 隨著時(shí)間的推移, E和HD處理的Pn均迅速升高, 而EHD條件下冬小麥葉片Pn升高較緩慢(圖2)。另外, 對(duì)照組在復(fù)水后2 h快速上升,6 h后降低, 但隨后呈上升趨勢(shì), 并在12 h后葉片的Pn達(dá)到最大； E處理下的葉片Pn在復(fù)水后4 h達(dá)到28 μmol m-2s-1, 6 h后Pn迅速下降, 但隨著時(shí)間的推移, 葉片的Pn整體呈上升趨勢(shì), 且都顯著高于復(fù)水前。HD處理下Pn與對(duì)照組復(fù)水結(jié)果相似, 也在2 h后迅速上升, 但在6 h降低,其后隨時(shí)間的延長而上升, 然而復(fù)水過程并沒有使HD出現(xiàn)補(bǔ)償效應(yīng)(圖2)； 此外, 在EHD處理下Pn緩慢上升, 并在12 h達(dá)到最大值, 并高于HD處理, 表明提高CO2濃度能緩解高溫干旱對(duì)Pn的傷害(圖2)。

氣孔導(dǎo)度(Gs)在E (0 h)出現(xiàn)降低趨勢(shì), 但較對(duì)照差異并不顯著； 而HD (0 h)導(dǎo)致Gs顯著下降,Gs值接近0, 下降幅度為82% (圖3)。EHD (0 h)處理下的Gs增加了83%,但仍較對(duì)照減小67% (圖3)。復(fù)水后, 對(duì)照組葉片Gs在復(fù)水2 h后迅速增大, 其后波動(dòng)上升, 并在復(fù)水12 h后達(dá)到最大值0.87 mmol m-2s-1, 而E導(dǎo)致Gs在4 h達(dá)到最大值0.97 mmol m-2s-1(圖3)。在HD處理下, 復(fù)水2 h后葉片Gs升高, 并隨著復(fù)水時(shí)間的推移整體呈上升趨勢(shì)。

與對(duì)照相比, 冬小麥的蒸騰速率(Tr)在E (0 h)條件下降低, 但差異并不顯著； 而HD使Tr顯著降低69% (圖4)。在EHD處理下, CO2濃度倍增導(dǎo)致高溫干旱復(fù)合處理下葉片的Tr值增加, 增幅為57%, 但仍顯著低于對(duì)照51% (圖4)。另外, 復(fù)水2 h后, 對(duì)照組葉片Tr迅速增大, 隨著時(shí)間的推移,Tr始終在緩慢上升, 并在復(fù)水后12 h達(dá)到最大值。而E導(dǎo)致葉片的Tr在復(fù)水4 h后達(dá)到最大值, 且整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 并在復(fù)水12 h后與對(duì)照組相近(圖4)。此外, 復(fù)水后HD處理葉片的Tr值上升, 6 h后呈下降趨勢(shì), 但其后隨著時(shí)間的推移,Tr值上升(圖4)。在EHD處理下, 復(fù)水后CO2濃度倍增使高溫干旱復(fù)合處理葉片的Tr值迅速升高, 并隨著時(shí)間的推移,Tr值始終呈上升趨勢(shì), 在12 h后達(dá)到最大值。

表1 CO2濃度倍增下高溫干旱對(duì)冬小麥葉片氣孔參數(shù)的影響Table 1 Effects of the combined stress of high temperature and drought on stomatal parameters of winter wheat under doubling CO2 concentration

圖1 大氣CO2濃度倍增下高溫干旱處理對(duì)冬小麥葉片近軸面(a)和遠(yuǎn)軸面(b)氣孔空間分布格局影響Fig. 1 Effects of the combined stress of high temperature and drought on spatial distribution pattern of stomata on the adaxial (a) and abaxial (b) leaf surface of winter wheat under doubling CO2 concentration

圖 2 大氣 CO2濃度倍增下高溫干旱及復(fù)水對(duì)冬小麥凈光合速率的影響Fig. 2 Effects of the combined stress of warming and drought as well as re-watering on the net photosynthetic rate of winter wheat under doubling CO2 concentration

圖 3 大氣 CO2濃度倍增下高溫干旱及復(fù)水對(duì)冬小麥氣孔導(dǎo)度的影響Fig. 3 Effects of the combined stress of high temperature and drought as well as re-watering on stomatal conductance of winter wheat under doubling CO2 concentration

圖 4 大氣 CO2濃度倍增下高溫干旱及復(fù)水對(duì)冬小麥蒸騰速率的影響Fig. 4 Effects of the combined stress of high temperature and drought as well as re-watering on transpiration rate of winter wheat under doubling CO2 concentration

與對(duì)照(0 h)相比, E(0 h)導(dǎo)致葉片的水分利用效率(WUE)增加30%； HD (0 h)減少了葉片WUE, 但差異不顯著(圖 5)； 然而, 提高 CO2濃度對(duì)高溫干旱處理(0 h)的葉片WUE并沒有產(chǎn)生顯著影響(圖5)。復(fù)水后, 對(duì)照組的葉片WUE在4 h后迅速上升, 隨著時(shí)間的推移, 葉片WUE整體呈上升趨勢(shì)。然而, E在復(fù)水后2 h, 葉片WUE迅速下降, 并隨著時(shí)間的推移, 葉片WUE呈下降趨勢(shì)(圖5)。復(fù)水2 h后, HD使葉片WUE上升, 然而, 隨著時(shí)間的推移, 葉片WUE迅速下降, 并在復(fù)水6 h后葉片WUE達(dá)到最小值(圖5)。復(fù)水后, CO2濃度倍增使高溫干旱復(fù)合處理下的葉片WUE顯著下降, 并在復(fù)水后6 h達(dá)到最低, 隨著時(shí)間的推移, 葉片WUE呈上升趨勢(shì)(圖5)。

3 討論

圖 5 大氣 CO2濃度倍增下高溫干旱及復(fù)水對(duì)冬小麥水分利用效率的影響Fig. 5 Effects of the combined stress of high temperature and drought as well as re-watering on water use efficiency of winter wheat under doubling CO2 concentration

氣孔是植物同外界環(huán)境進(jìn)行水分和氣體交換的重要門戶, 葉片上氣孔對(duì)開口大小、數(shù)量及其分布狀況的調(diào)節(jié)功能是植物適應(yīng)環(huán)境、抵御外界脅迫的一項(xiàng)重要機(jī)制[16]。本研究結(jié)果顯示, 增加 CO2濃度導(dǎo)致冬小麥遠(yuǎn)軸面氣孔密度增加, 氣孔長度減小。然而, 近軸面氣孔密度卻沒有顯著影響, 但氣孔寬度顯著減少從而導(dǎo)致氣孔形狀指數(shù)降低, 表明冬小麥葉片的遠(yuǎn)軸面和近軸面對(duì) CO2濃度的響應(yīng)并不完全一致, 存在明顯的差異。另外, HD導(dǎo)致近軸面和遠(yuǎn)軸面氣孔密度均顯著增加, 但僅近軸面氣孔長度、寬度、面積和周長均顯著減少, 遠(yuǎn)軸面沒有顯著變化, 表明冬小麥葉片近軸面氣孔對(duì)高溫干旱復(fù)合處理的響應(yīng)可能比遠(yuǎn)軸面更加敏感。在EHD處理下CO2濃度倍增導(dǎo)致高溫干旱復(fù)合處理下冬小麥遠(yuǎn)/近軸面的氣孔長度、周長和面積均顯著增加, 表明提高 CO2濃度在一定程度上緩解了高溫干旱復(fù)合處理對(duì)氣孔特征的負(fù)效應(yīng)[20-23]。此外,植物葉片的氣體交換過程不僅受氣孔大小和氣孔密度的影響, 而且還與氣孔的空間分布格局緊密相關(guān)[24]。以往的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn), 陸生植物葉片的氣孔起初并不是隨機(jī)分布而是規(guī)則分布, 從而確保水分丟失和碳同化之間的最佳平衡狀態(tài)[25]。更為有趣的是, 許多植物在面臨干旱、高溫和CO2濃度升高等外界環(huán)境脅迫時(shí)會(huì)將氣孔的分布格局調(diào)整成簇狀分布, 從而降低葉片的氣體交換效率[18,25]。本研究結(jié)果顯示, E導(dǎo)致近軸面氣孔分布更加規(guī)則, 但遠(yuǎn)軸面氣孔分布規(guī)則程度降低, 表明冬小麥近軸面比遠(yuǎn)軸面具有更高的氣體交換效率, 即近軸面的氣孔空間分布格局對(duì)提高葉片氣體交換效率貢獻(xiàn)更大。另外, 提高 CO2濃度對(duì)高溫干旱復(fù)合處理下近軸面氣孔分布沒有顯著影響, 反而降低遠(yuǎn)軸面的氣孔分布的規(guī)則程度, 表明在高CO2濃度條件下葉片遠(yuǎn)軸面的氣孔分布狀況對(duì)高溫干旱的響應(yīng)更為敏感。

以往大量研究結(jié)果表明, CO2濃度升高可以增加凈光合速率, 同時(shí)降低氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率[26], 從而提高水分利用效率[27-28]。本研究結(jié)果表明, E不僅提高冬小麥的光合速率, 而且降低氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率, 從而提高葉片尺度的水分利用效率。本研究中 CO2濃度增加導(dǎo)致冬小麥氣孔開度的減小, 直接解釋了降低氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率, 提高水分利用效率的原因。此外, 高溫和干旱兩個(gè)環(huán)境因子對(duì)植物造成的傷害具有疊加效應(yīng), 且植物基因和代謝途徑對(duì)高溫干旱處理的響應(yīng)也不同于單一脅迫[29-30]。干旱或高溫脅迫通常降低光合反應(yīng)效率的原因主要由部分氣孔關(guān)閉而導(dǎo)致的氣孔限制和光合反應(yīng)位點(diǎn)同化能力的下降所引起的非氣孔限制[26]。本研究結(jié)果顯示, 高溫干旱(HD)導(dǎo)致葉片光合速率嚴(yán)重下降, 氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著降低, 表明HD處理下氣孔限制是光合速率下降的主導(dǎo)因素。同時(shí), 在HD處理下冬小麥葉片的氣孔長度、寬度、面積和周長均顯著減少, 表明高溫干旱復(fù)合處理下的氣孔限制主要是由氣孔開度的減小而引起的。另外, 以往研究結(jié)果表明提高 CO2濃度會(huì)導(dǎo)致植物氣孔導(dǎo)度降低,蒸騰速率減小, 隨之減少水分消耗[31]。因此, 提高CO2濃度可以緩解干旱脅迫, 提高植物對(duì)干旱的適應(yīng)能力[32]。然而, 值得注意的是升高溫度會(huì)增加氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率,增加土壤蒸散, 從而導(dǎo)致總耗水量增加[15]。本研究結(jié)果顯示, 高溫干旱處理下提高CO2濃度(EHD)導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度增大, 從而增加冬小麥的凈光合速率, 表明高CO2濃度在一定程度上緩解高溫干旱對(duì)冬小麥的傷害程度。本研究中,EHD處理下CO2濃度倍增導(dǎo)致高溫干旱時(shí)冬小麥遠(yuǎn)/近軸面的氣孔長度、周長和面積均顯著增加, 但氣孔在近軸面的分布狀況沒有變化, 甚至遠(yuǎn)軸面的氣孔分布規(guī)則程度降低, 暗示提高 CO2濃度對(duì)高溫干旱處理的補(bǔ)償效應(yīng)主要通過調(diào)整氣孔的形態(tài)特征來實(shí)現(xiàn), 而并非由氣孔在葉片上空間分布格局的變化而決定。

植物在高溫或干旱脅迫下其體內(nèi)的水分運(yùn)輸系統(tǒng)會(huì)通過自身的調(diào)節(jié)來保障植物正常的生長發(fā)育[33]。以往的研究發(fā)現(xiàn), 植物在長期的適應(yīng)和進(jìn)化過程中, 不僅逐漸形成了對(duì)干旱、缺氧、冷、熱等各種逆境的抵抗能力, 并且在逆境狀況得以改善時(shí)其氣體交換功能和生長發(fā)育過程還能在一定程度上得到恢復(fù), 甚至還可以達(dá)到或超過未經(jīng)脅迫或傷害下的情形, 從而彌補(bǔ)逆境造成的傷害, 即表現(xiàn)出明顯的補(bǔ)償或超補(bǔ)償效應(yīng)[10]。本研究結(jié)果顯示, 復(fù)水后不同處理?xiàng)l件下冬小麥葉片光合氣體交換參數(shù)均有所升高, 尤其是在E處理下, 凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率在復(fù)水 4 h后均高于對(duì)照, 表明在水分充足條件下,提高 CO2濃度對(duì)小麥葉片光合速率產(chǎn)生一定的“施肥”效應(yīng), 該結(jié)論與Wu 等[34]的研究結(jié)果一致。然而, 在復(fù)水2 h后, HD處理導(dǎo)致Pn、Gs和Tr增加, 但隨后氣體交換參數(shù)的變化均不明顯, 這可能是由于高溫干旱處理已經(jīng)導(dǎo)致葉片光合反應(yīng)位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞[35], 故復(fù)水并不能對(duì)冬小麥結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng), 這可能是由于復(fù)水時(shí)間較短(僅幾個(gè)小時(shí)), 葉片的氣孔密度、氣孔長度及其空間分布格局不可能在較短時(shí)間做出調(diào)整,而只能依靠氣孔開口寬度的變化響應(yīng)環(huán)境的短期變化；由此看來, 氣孔通過調(diào)整開口寬度提高葉片氣體交換效率的能力非常有限。此外, 本研究中發(fā)現(xiàn) EHD處理在復(fù)水后葉片光合氣體交換參數(shù)沒有顯著變化, 這也暗示高溫干旱處理導(dǎo)致植物光合反應(yīng)位點(diǎn)同化能力的喪失[36]。