降水和氮沉降對內(nèi)蒙古半干旱草地羊草和大針茅葉片碳交換的影響

張曉琳， 翟鵬輝， 黃建輝

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學， 山西 太谷 030801； 2. 中國科學院植物研究所， 北京 100093)

水分是限制植物代謝活動最重要的因素，降水格局變化是全球氣候變化研究中的重要內(nèi)容，有報道指出中國北方地區(qū)的年降雨量在2070-2100年間可能會增加30%[1]。降雨量改變將對植物個體生長以及葉片水平碳循環(huán)產(chǎn)生很大的影響，尤其是在受水分限制嚴重的半干旱地區(qū)[2-3]。降雨的改變不僅改變物種的物候及壽命[4]，而且能夠影響植物葉片光合生理特性，大多數(shù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)降雨增加會促進植物葉片光合速率[5-7]。降雪也是降水的重要形式，雖然中國北方地區(qū)的降雪量少，但持續(xù)時間可能長達5個月以上。據(jù)報道北半球高緯度地區(qū)變暖以及海冰融化引起水汽增加，導致我國北方地區(qū)降雪量增加[8-9]。近年來有關(guān)降雪對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響逐漸引起了國內(nèi)外學者的重視，但這些研究多數(shù)集中在高緯度或者高海拔地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)[10-11]，關(guān)于溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)的研究相對較少，尤其是對植物葉片水平碳交換的影響更是有待于進一步加強。

氮是影響植物生長至關(guān)重要的因素，有研究發(fā)現(xiàn)在過去的五十年全球氮沉降有明顯的增加，而且在未來將持續(xù)增加[12]。氮沉降增加將影響生態(tài)系統(tǒng)的各個過程，尤其是對葉片水平碳交換過程有至關(guān)重要的作用[13]。有關(guān)氮沉降的研究逐漸展開，大部分研究發(fā)現(xiàn)氮沉降提高葉片水平碳交換，但也有研究發(fā)現(xiàn)氮沉降對葉片水平碳交換作用較弱甚至起到抑制作用[14-15]。因此，氮沉降對植被葉片水平碳交換是如何影響的需要進一步研究。

為研究植物葉片碳交換是如何響應(yīng)全球降水格局變化和氮沉降的增加，本研究利用已經(jīng)建立的氮、水添加平臺，選取內(nèi)蒙古錫林郭勒典型草原為研究對象，針對該草地群落兩個優(yōu)勢物種羊草(Leymuschinensis)和大針茅(Stipagrandis)探討以下問題：(1)增水的方式不同即春季增雪和夏季增雨，羊草和大針茅的葉片碳交換的響應(yīng)是否相同？(2)施氮處理下，羊草和大針茅的葉片碳交換的響應(yīng)機制是什么？本實驗通過春季增雪、夏季增雨和施氮處理，研究羊草和大針茅的葉片碳交換的響應(yīng)機制，對揭示未來全球變化背景下降水與氮沉降增加對草地植被的影響及其響應(yīng)機制具有重要作用。

1 材料與方法

1.1 實驗地概況:

本實驗地點位于內(nèi)蒙古草原錫林河流域，中國科學院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站附近(116°40′ E，43°33′ N，海拔1 251 m)。該地區(qū)年均溫約0.4℃，年均降水量334.7 mm，其中降雨占91.9%，降雪占8.1%；2010年11月到2011年10月總降水量231.7 mm，其中降雨占86.2%，降雪占13.8%[16]。土壤類型屬于栗鈣土，pH值在6.6～8.0之間[17]。植被類型屬于溫帶典型草原，主要植物有羊草(LeymuschinensisTzvel.)，大針茅(StipagrandisSmirn.)，西伯利亞羽茅(AchnatherumsibiricumKeng)，冰草(AgropyroncristatumGaertn.)和糙隱子草(CleistogenessquarrosaKeng)等。

1.2 實驗設(shè)計

本研究采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，包括模擬降水和氮沉降兩種因素，其中降水處理包括增加降雪和降雨。本實驗共設(shè)6個處理：對照(無增水無施氮，N0W0)，春季增雪(N0W1)，夏季增雨(N0W2)，施氮(N1W0)，施氮并春季增雪(N1W1)，施氮并夏季增雨(N1W2)。各處理設(shè)3個重復(fù)，共計18個樣方，樣方面積大小為25 m2(5 m × 5 m)，樣方間過道大于1 m。

春季增雪始于2010年，每年3月初將雪加入到增雪樣方中，增雪量為25 mm雪水當量；同年進行夏季增雨，從6月15日到8月中旬，每周一次，每次10 mm，共10次，增雨總量為100 mm。施氮始于2009年，每年7月初將尿素施入施氮樣方中，施氮量為10 g·m-2。

1.3 取樣與測定

1.3.1光響應(yīng)曲線的測定 在實驗樣地中設(shè)置固定樣方(1 m×1 m)，各樣方分別選擇具有代表性的5株羊草和5叢大針茅植株并進行標記，每次選擇1株或叢完整的葉片用于光響應(yīng)曲線的測定。在自然狀態(tài)下，利用便攜式光合作用測量系統(tǒng)LI-6400(Li-Cor Inc.,Lincoln,NE,USA)，連接紅藍光源探頭，設(shè)定光照強度由高到低分別為2000，1500，1200，1000，800，500，300，200，150，100，50，20，0 μmol · m-2· s-1，測定葉片光合速率。于2011年7月中旬到9月底測定羊草和大針茅光響應(yīng)曲線，測定時間為增雨處理后的第5-6 d，半月1次，共計5次。

為研究增水和施氮對羊草和大針茅的影響，分別測定其光響應(yīng)曲線，根據(jù)公式計算得到最大光合速率(Amax)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、最大表觀量子效率(AQE) 和呼吸速率(Rd)[18-19]：

Pn代表凈光合速率(μmol CO2· m-2· s-1)，AQE代表最大表觀量子效率(mol CO2· mol-1photons)，PAR代表光合有效輻射(μmol · m-2· s-1)，Amax代表最大光合速率(μmol CO2· m-2· s-1)，k代表凸性系數(shù)(0

1.3.2葉綠素含量的測定 利用便攜式葉綠素儀SPAD-502Plus(Konica Minolta Sensing，INC．)測定羊草和大針茅葉綠素含量。在測定光合速率的同時監(jiān)測其葉綠素含量，重復(fù)5次取其平均值，計為該葉片的葉綠素含量。

1.3.3土壤含水量和土壤溫度的測定 每次測定羊草和大針茅光合速率時，同時監(jiān)測土壤含水量和土壤溫度。利用土壤水分速測儀TDR-200 (Spectrum Technologies Inc.,Plainfield,IL,USA) 監(jiān)測土壤含水量，連接10 cm探針，測量固定樣方中部土壤體積含水量(V/V,%)。利用智能數(shù)字測溫儀TH-212(北京海創(chuàng)科技有限公司，北京，中國)監(jiān)測土壤溫度，測量固定樣方15 cm土壤溫度(oC)。

1.4 統(tǒng)計分析

用三因素重復(fù)測定方差分析法(Three-way repeated ANOVA)分析取樣時間、增水(春季增雪或夏季增雨)和施氮及其交互作用對羊草和大針茅最大光合速率、光飽和點、光補償點、最大表觀量子效率、呼吸速率、氣孔導度、葉綠素含量以及土壤含水量和土壤溫度的影響。利用線性或非線性回歸法分析羊草和大針茅的最大光合速率與光合有效輻射為2000 μmol · m-2· s-1下的氣孔導度、葉綠素含量、土壤含水量和土壤溫度之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 增水和施氮對羊草和大針茅光響應(yīng)的影響

羊草和大針茅光響應(yīng)曲線的結(jié)果顯示，隨著光合有效輻射增加，兩種植物凈光合速率呈現(xiàn)飽和性響應(yīng)特征，先快速增加，然后增長減緩，最終趨于逐漸飽和(圖1a和c)。

圖1 羊草(a和b)和大針茅(c和d)的光響應(yīng)曲線和最大光合速率的均值圖Fig.1 Mean light response curves and the maximum photosynthesis of L. chinensis (a and b) and S. grandis (c and d)注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P < 0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at the 0.05 level,the same as below

通過光響應(yīng)曲線，我們進一步計算了羊草和大針茅最大光合速率、光飽和點、光補償點、最大表觀量子效率和呼吸速率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)夏季增雨顯著提高了羊草最大光合速率22.8%，一定程度上提高大針茅最大光合速率8.3%，但對以上其它光合作用特性參數(shù)影響不顯著，而春季增雪僅顯著降低大針茅呼吸速率23.4%，對以上各參數(shù)的作用均不顯著(圖1b和d，圖2，表1和2)。

表1 三因素重復(fù)測定方差分析取樣時間、增水(春季增雪或夏季增雨)和施氮及其交互作用對羊草光合作用生理指標的檢驗結(jié)果(F和P值)Table 1 Results (F and P-values) of three-way repeated ANOVA analysis on effects of sampling date, water addition including spring snow or summer water addition,N addition (N),and their interactions on the photosynthetic physiological characteristics of L. chinensis

表2 三因素重復(fù)測定方差分析取樣時間、增水(春季增雪或夏季增雨)和施氮及其交互作用對大針茅光合作用生理指標的檢驗結(jié)果(F和P值)Table 2 Results (F and P-values) of three-way repeated ANOVA analysis on effects of sampling date, water addition including spring snow or summer water addition,N addition (N),and their interactions on the photosynthetic physiological characteristics of S. grandis

另外，在增雪處理下，施氮對羊草和大針茅所有光合作用參數(shù)均沒有顯著影響；在增雨處理下，施氮顯著提高羊草光補償點99.6%和呼吸速率37.3%，對羊草和大針茅其它光合作用指標影響均不顯著。夏季增雨與施氮的交互作用僅顯著提高了羊草的光補償點，但春季增雪或夏季增雨和施氮對羊草和大針茅各參數(shù)指標的交互作用均不顯著。隨著時間變化，以上各指標變化顯著，僅春季增雪處理下施氮對羊草最大表觀量子效率和夏季增雨對羊草最大光合速率的作用隨時間變化顯著。

圖2 羊草和大針茅光飽和點(a)、光補償點(b)、最大表觀量子效率(c)、呼吸速率(d)均值Fig.2 Mean values of light saturation points (LSP,a),light compensation points (LCP,b),the maximum appearent quatum efficiency (AQE,c) and respiration rate (d) of L. chinensis and S. grandis

2.2 增水和施氮對羊草和大針茅氣孔導度和葉綠素含量的影響

氣孔導度和葉綠素含量是決定葉片光合作用變化的重要因素。通過對監(jiān)測到的氣孔導度和葉綠素含量進行分析，發(fā)現(xiàn)春季增雪一定程度上降低大針茅葉綠素含量7.2%，但對羊草葉綠素含量、羊草和大針茅氣孔導度的影響均不顯著；夏季增雨一定程度上提高了羊草氣孔導度32.8%，提高大針茅氣孔導度24.9%，但對葉綠素含量的作用均不顯著(圖3a和c，表3)。

在增雪處理下，施氮顯著提高羊草葉綠素含量19.7%，但對大針茅葉綠素含量、羊草和大針茅氣孔導度的影響均不顯著；在增雨處理下，施氮顯著提高羊草葉綠素含量17.2%，對大針茅葉綠素含量、羊草和大針茅氣孔導度作用均不顯著；春季增雪與施氮對大針茅的氣孔導度的交互作用顯著，夏季增雨與施氮對羊草和大針茅氣孔導度和葉綠素含量不存在顯著交互作用。隨著時間變化，以上各指標變化顯著，僅春季增雪并施氮處理對大針茅葉綠素含量的作用隨時間變化顯著。

2.3 增水和施氮對土壤含水量和土壤溫度的影響

土壤含水量和土壤溫度是影響植物生長最重要的非生物因子。本研究結(jié)果顯示，夏季增雨顯著提高土壤含水量35.3%，降低了土壤溫度3.5%，但春季增雪和施氮對土壤含水量和土壤溫度的影響均不顯著，春季增雪或夏季增雨與施氮對土壤含水量和土壤溫度也不存在顯著的交互作用(圖4a和c，表4)。隨著時間變化，土壤含水量和土壤溫度變化顯著。夏季增雨處理對土壤含水量和土壤溫度的作用，春季增雪處理下施氮對土壤含水量的作用，均隨時間變化顯著(表4)。

表3 三因素重復(fù)測定方差分析取樣時間、增水(春季增雪或夏季增雨)和施氮及其交互作用對羊草和大針茅氣孔導度和葉綠素含量的檢驗結(jié)果(F和P值)Table 3 Results (F and P-values) of three-way repeated ANOVA analysis on effects of sampling date, water addition including spring snow or summer water addition,N addition (N),and their interactions on the stomatal conductance and leaf Chlorophyll content of L. chinensis and S. grandis

表4 三因素重復(fù)測定方差分析取樣時間、增水包括春季增雪或夏季增雨和施氮及其交互作用對土壤含水量和土壤溫度的檢驗結(jié)果(F和P值)Table 4 Results (F and P-values) of three-way repeated ANOVA analysis on effects of sampling date,water addition including spring snow addition and summer water addition,N addition (N),and their interactions on soil moisture (SM,V/V %) and soil temperature (ST,℃)

2.4 羊草和大針茅最大光合速率與氣孔導度、葉綠素含量和非生物因子的關(guān)系

氣孔導度較低時，羊草和大針茅最大光合速率隨葉片氣孔導度增加快速增加；當氣孔導度增加到一定程度時，羊草和大針茅最大光合速率增加速率逐漸下降，最終呈現(xiàn)一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)；氣孔導度對羊草和大針茅最大光合速率變化的解釋度分別為84%和89%(圖3b)。隨著葉綠素含量增加，羊草和大針茅最大光合速率呈線性增加，其中對羊草和大針茅最大光合速率變化的解釋度分別為24%和54%(圖3d)。

圖3 羊草和大針茅氣孔導度和葉綠素含量均值與其最大光合速率的關(guān)系圖Fig.3 Mean values of the stomatal conductance (Gsat) and leaf Chlorophyll content and their relationships with the maximum photosynthesis (Amax) of L. chinensis and S. grandis

羊草和大針茅最大光合速率與土壤含水量之間的關(guān)系顯示，隨著土壤含水量增加，羊草和大針茅最大光合速率均呈線性增加(圖4b)，水分對羊草和大針茅最大光合速率變化的解釋度分別為85%和60%。羊草和大針茅最大光合速率與土壤溫度之間的關(guān)系顯示，隨著土壤溫度增加，羊草和大針茅最大光合速率指數(shù)增加(圖4d)，溫度對羊草最大光合速率的解釋度為57%，對大針茅的解釋度為69%，表明內(nèi)蒙古草原地區(qū)對植物光合作用特性影響的同時受水分和溫度的影響。

3 討論

3.1 增水對羊草和大針茅光合生理特征的影響

水分是限制植物生長和養(yǎng)分循環(huán)過程的重要因素，尤其是干旱、半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)。關(guān)于水分是如何影響植物葉片光合生理特性的研究，大部分結(jié)果表明增水促進光合能力，主要歸因于其直接促進植物的生理活動或者通過提高微生物活性使得土壤中營養(yǎng)元素更易被植物吸收[20]。

首先，水分供給變化將改變植物葉片氣孔導度和葉綠素含量[21-22]，從而影響植物光合生理特性。氣孔被認為是植物與外界環(huán)境進行CO2及其他氣體交換的主要通道，外界環(huán)境對碳交換過程的影響主要通過調(diào)節(jié)氣孔導度大小影響CO2吸收和水分耗散間的權(quán)衡達成的[23]。增水，尤其是夏季增雨，通過提高羊草和大針茅氣孔導度，增加CO2吸收，促進胞間CO2濃度增加，促進其最大光合速率。由于水分是電子傳遞過程中不可或缺的供體，增水提高了羊草和大針茅的電子傳遞速率[24]，從而增加了植物葉片光合作用能力。本研究結(jié)果也顯示，春季增雪降低了大針茅葉綠素含量使得其光合能力降低，但同時降低大針茅的呼吸作用，導致大針茅最大光合速率的響應(yīng)不顯著。春季增雪對羊草光合生理特性的響應(yīng)不顯著，主要原因可能是春季增雪后經(jīng)過較長時間的干旱狀態(tài)，使得增雪引起的短期土壤增加水分很快由于強烈的蒸發(fā)而消失，對植物生長的影響很小，表現(xiàn)在對植物氣孔導度等植物生理特性沒有顯著的影響。有研究發(fā)現(xiàn)不同降雪量大小對植物生長有至關(guān)重要的作用[16,25]，但是由于本實驗中年降雪量小，可能導致降雪量變化對葉片水平碳循環(huán)效果不顯著。本研究表明增水對植物葉片碳交換的影響，主要通過改變氣孔導度影響植物自身生理特性和光合能力，與葉綠素含量的變化關(guān)系較弱，從一定程度上表明水分對該地區(qū)草地植物的調(diào)控主要通過改變植物的氣孔導度實現(xiàn)。

圖4 土壤含水量和土壤溫度均值及其與羊草和大針茅最大光合速率的關(guān)系圖Fig.4 Mean values of soil moisture (V/V,%) and soil temperature and their relationships of the maximum photosynthesis (Amax) on L. chinensis and S. grandis

其次，增水提高土壤含水量和降低土壤溫度，通過改善土壤微環(huán)境，提高微生物的活性，促進物質(zhì)循環(huán)過程，增強植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，促進植物生長，增加羊草和大針茅光合生理特性。另外，有研究表明羊草適宜水肥條件好的環(huán)境，而大針茅在干旱和養(yǎng)分脅迫的條件下更具競爭力[18]，因此由于2011年降水量過低，導致即使增加100 mm降水，夏季增水樣方的年降水量剛剛達到多年降水均值水平，所以對大針茅來講只是一定程度增加葉片碳交換，而羊草對水分響應(yīng)更敏感，所以增水作用更顯著。

3.2 施氮對羊草和大針茅光合生理特性的影響

氮素是形成葉綠素的重要營養(yǎng)元素，直接或間接影響著植物的光合生理特性，進而影響植物的生長。普遍認為施氮通過影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)[26]，改變?nèi)~綠素含量合成，進而影響植物對大氣CO2的羧化能力[22]，從而改變植物對光的競爭能力，最終影響植物的生長發(fā)育[27-28]。但本研究發(fā)現(xiàn)在增雪或者增雨處理下，施氮對羊草和大針茅最大光合速率的影響均不顯著，主要可能有以下原因：(1)施氮僅在增雨處理下提高了羊草的呼吸速率和光飽和點，但對羊草和大針茅光響應(yīng)曲線其它參數(shù)指標影響不顯著；(2)施氮對羊草和大針茅氣孔導度的影響不顯著，意味著進入葉片的CO2濃度和水分流失的平衡不變；(3)施氮提高羊草葉綠素含量，但對大針茅葉綠素含量的影響不顯著，說明羊草的大氣CO2羧化能力提高而針茅的大氣CO2羧化能力不變，導致羊草對光的競爭能力提高而大針茅對光的競爭能力不變；(4)施氮對土壤含水量和土壤溫度影響不顯著，對植物的生長以及羊草和大針茅光合生理特性的影響較弱。說明氮素對植物的最大光合速率的影響共同決定于羊草和大針茅自身光合生理特性的響應(yīng)情況和外界環(huán)境的變化，從一定程度上表明氮素對該地區(qū)草地植物的影響主要通過改變?nèi)~片葉綠素含量和植物呼吸速率實現(xiàn)。

大量研究發(fā)現(xiàn)，氮素對碳循環(huán)的影響依賴于外界降水量的大小[16,29]，該年度降水量相對較低(較多年降水量均值低103 mm)，導致氮素對葉片水平碳循環(huán)的作用較弱。另外，羊草和大針茅對氣孔導度、葉綠素含量、土壤含水量和土壤溫度的相關(guān)解釋度說明，在增水和施氮處理下，羊草和大針茅葉片碳交換的響應(yīng)同時受自身光合生理特性和環(huán)境因素的影響。

4 結(jié)論

在該半干旱草原，水分和氮素對于植物葉片碳交換的影響主要通過改變羊草和大針茅自身的光合生理特性，進而改變其光合能力、影響其碳交換來實現(xiàn)。增水主要能調(diào)節(jié)氣孔導度、改變?nèi)~片胞間CO2濃度和內(nèi)部水分，進而影響植物的最大光合速率。同時，增水通過改變土壤含水量和土壤溫度，間接影響植物光合速率，改變?nèi)~片碳交換。施氮對羊草和大針茅最大光合速率的影響均不顯著，主要歸因于施氮增加葉片葉綠素含量提高光合能力的同時，提高了植物呼吸速率，最終導致葉水平碳交換對氮素響應(yīng)不顯著。本研究說明降水和氮沉降改變對植物葉片碳交換的影響同時受植物本身光合生理特性和土壤微環(huán)境的影響。