鉛鋅礦渣污染脅迫下苦楝光合-CO2響應(yīng)過程及其模擬

易玄凱，康 慧，何志祥，黃鑫浩，朱 凡，

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

鉛鋅工業(yè)的高速發(fā)展促使礦產(chǎn)資源大量開采，形成大面積的礦渣廢棄地，導(dǎo)致周圍地區(qū)土壤環(huán)境惡化，從而影響植物生長(zhǎng)，危害人類健康[1]。為了改善土壤重金屬污染問題，植物修復(fù)技術(shù)因其低成本、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在工礦業(yè)廢棄地被廣泛應(yīng)用[2-3]。

光合作用是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，目前重金屬對(duì)葉片光合作用的影響已有較多研究，結(jié)果表明，重金屬脅迫下植物光合效率顯著下降[4]。研究者發(fā)現(xiàn)重金屬顯著影響植物葉片光化學(xué)效率、電子傳遞速率以及光系統(tǒng)II 反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)和功能[5]。Bernardini 等[6]研究表明，Pb 和Zn 均影響蘆葦?shù)墓夂夏芰?，但Zn 比Pb 影響更嚴(yán)重，陳良華等[7]發(fā)現(xiàn)Cd 脅迫下，美洲黑楊雌、雄株凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、光系統(tǒng)II（PSII）最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、最大電子傳遞速率等光合參數(shù)均不同程度下降。在碳同化過程中，CO2是個(gè)關(guān)鍵因子，大氣中CO2到達(dá)葉綠體羧化位點(diǎn)除了會(huì)受到氣孔導(dǎo)度和葉肉組織的阻力外，還會(huì)受到酶活性等生理生化過程的影響。Zhou 等[8]在研究Pb 對(duì)刺槐幼苗光合功能的影響表明，氣孔導(dǎo)度是影響光合作用最主要的因素，Ahmad 等[9]研究表明高濃度Pb 對(duì)玉米光合速率的影響是非氣孔限制。由此可見，重金屬對(duì)碳同化過程的影響是由何種限制主導(dǎo)，目前仍不明確。

許多學(xué)者將直角雙曲線模型[10]、Michaelis-Menten 模型[11]和直角雙曲線修正模型[12]等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜕Ｐ椭袘?yīng)用最為廣泛的FvCB 模型[13]用于研究水分脅迫、磷供給、干旱和溫度脅迫等條件對(duì)光合作用的影響[14-15]，但將這些模型應(yīng)用于研究重金屬脅迫下植物CO2響應(yīng)過程的模擬以及模型的適用性還未見相關(guān)研究報(bào)道。

苦楝Melia azedarach是楝科落葉喬木植物，是南方地區(qū)常見鄉(xiāng)土樹種，對(duì)土壤要求不嚴(yán)格，耐貧瘠，抗SO2，生長(zhǎng)迅速。研究表明，苦楝在鹽、低溫、干旱、鎘脅迫等條件下，具有一定的耐受性[16-17]。研究者發(fā)現(xiàn)一些木本樹種如櫸樹、欒樹等在鉛鋅脅迫下均具有一定的耐受性[18]，但關(guān)于鉛鋅脅迫下苦楝光合作用-CO2的響應(yīng)還未見相關(guān)研究報(bào)道。本研究以2年生苦楝的實(shí)生苗為研究對(duì)象，測(cè)定其在鉛鋅礦渣與土壤不同質(zhì)量比混合梯度下的光合作用-CO2響應(yīng)曲線，使用Michaelis-Menten 模型、直角雙曲線模型、直角雙曲線修正模型和FvCB 生化模型進(jìn)行模擬，明確鉛鋅脅迫下苦楝CO2響應(yīng)過程的變化規(guī)律，分析不同CO2響應(yīng)模型擬合鉛鋅脅迫下苦楝CO2響應(yīng)過程及參數(shù)的適用性，同時(shí)定量分析光合作用下碳同化過程，為科學(xué)指導(dǎo)苦楝在鉛鋅礦渣廢棄區(qū)的植物修復(fù)提供參考，同時(shí)為不同CO2響應(yīng)模型的適用性評(píng)價(jià)提供試驗(yàn)證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料與設(shè)計(jì)

本研究在湖南省長(zhǎng)沙市中南林業(yè)科技大學(xué)溫室進(jìn)行。土壤均采自于中南林業(yè)科技大學(xué)校園內(nèi)5～10 cm 表層土，無重金屬污染歷史，采回的土壤經(jīng)過風(fēng)干后過5 mm×5 mm 的篩，去除根、石頭等雜物備用。鉛鋅礦渣采自湖南郴州一鉛鋅尾礦地。將土壤與鉛鋅礦渣按不同質(zhì)量比混合設(shè)置成不同鉛鋅污染梯度（配置比例見表1）。將配好的污染土壤裝入盆中（內(nèi)口徑25.4 cm，高19.7 cm），每盆裝10 kg。將2017年購(gòu)買的2年生苦楝實(shí)生苗栽植于塑料盆中，每盆移栽一株生長(zhǎng)健康、大小均勻的苦楝，每種污染水平均設(shè)置5 盆重復(fù)，共15 盆，同時(shí)設(shè)置不摻鉛鋅礦渣的土壤栽植苦楝幼樹作為對(duì)照（CK），5 盆重復(fù)。所有盆栽種植于2018年7月，進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。

表1 不同污染梯度鉛鋅礦渣污染土壤配方（質(zhì)量比）Table 1 Mixed gradient of lead-zinc（Pb-Zn） residual tailing and soils (Mass ratio)

1.2 CO2 響應(yīng)曲線的測(cè)定

2018年7—9月，采用美國(guó)Li-cor 6400（LICOR,Lincoln,USA）選擇在完全晴朗天氣的8:00—11:00 測(cè)定CO2響應(yīng)曲線，測(cè)試之前，每盆供試苗木光誘導(dǎo)30 min，直到光合速率和氣孔導(dǎo)度相對(duì)穩(wěn)定后，利用光合作用儀6400 液化鋼瓶控制參比室中CO2濃度依次為400、300、250、200、150、50、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600 μmol·mol-1，光強(qiáng)調(diào)制至1 000 μmol·m-2·s-1。每盆植物選擇從植物頂端向下數(shù)第2、3 分支、生長(zhǎng)狀態(tài)良好、長(zhǎng)勢(shì)相同且朝向一致的3 片完全展開葉，避開選擇老葉與嫩葉，每次測(cè)量時(shí)盡量選擇每株植物上的同一葉片。

1.3 CO2 響應(yīng)模型的擬合

1.3.1 直角雙曲線模型

直角雙曲線模型數(shù)學(xué)表達(dá)式[10]為：

式中：Pn為凈光合速率；Ci為胞間CO2濃度；α為植物光合作用-CO2響應(yīng)曲線（Pn-Ci曲線）在Ci=0 時(shí)的斜率，即初始斜率，也稱初始羧化效率；Pnmax為最大凈光合速率，即光合能力；Rp為光呼吸速率。

1.3.2 Michaelis-Menten 模型

M-M 模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式[11]為：

式中：Pn、Ci、Pnmax和Rp的定義與（1）式相同，K為Michaelis-Menten 常數(shù)。

1.3.3 直角雙曲線修正模型

直角雙曲線修正模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式[12]為：

式中：Pn、Ci、Pnmax、Rp和α與（1）式相同，b和c為系數(shù)（單位為μmol·m-2·s-1）。

1.3.4 FvCB 模型

FvCB 模型是1980年Farquhar 等提出的C3植物光合生化模型[13]，由3 個(gè)子模型構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)植物碳同化過程3 個(gè)限制階段：Rubisco 酶活性限制、RuBP 再生速率限制和磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)（TPU）速率限制階段。模型中的參數(shù)Vcmax反映光合系統(tǒng)中Rubisco 酶最大羧化能力，Jmax反映光合電子傳遞鏈的最大電子傳遞能力，決定了RuBP 的再生能力，Tp反映磷酸丙糖的合成能力，gm反映CO2擴(kuò)散阻力對(duì)光合作用的限制。

當(dāng)光合作用受Rubisco 酶活性限制時(shí)，凈光合速率（Ac）為：

式中：Vcmax為Rubisco 酶最大羧化速率；Kc為RuBP 酶羧化反應(yīng)米氏常數(shù)（經(jīng)驗(yàn)值為 27.238 Pa）；Ko為RuBP 酶氧化反應(yīng)米氏常數(shù)（經(jīng)驗(yàn)值為16 582 Pa）；O為氧氣濃度（經(jīng)驗(yàn)值為21 220 Pa）；Rd為光下暗呼吸速率。

當(dāng)光合作用受RuBP 再生速率限制時(shí)，凈光合速率（Aj）為：

式中：J為PS Ⅱ電子傳遞速率。

J與最大電子傳遞速率（Jmax）關(guān)系常用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行描述：

式中：θ為非直角雙曲線函數(shù)曲率（經(jīng)驗(yàn)值為1）；I2為PS Ⅱ吸收的有效光輻射。

式中：PAR 為光合有效輻射；α1為葉片的光吸收系數(shù)（經(jīng)驗(yàn)值為0.85）；fⅡ?yàn)楣饽茉诠庀到y(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)Ⅱ（PS Ⅱ）中分配的比例（經(jīng)驗(yàn)值為0.5）；ΦPSⅡmax為最大PS Ⅱ光化學(xué)效率（經(jīng)驗(yàn)值為1）。

當(dāng)光合作用受磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)速率限制時(shí)，凈光合速率（Ap）為：

式中：Tp為磷酸丙糖的最大轉(zhuǎn)運(yùn)速率。

葉肉阻力（rm）為：

式中：Ci為胞間CO2濃度。

1.4 光合限制值的計(jì)算

目前的光合研究中將光合限制主要簡(jiǎn)化分為三大限制：氣孔限制（SL）、葉肉導(dǎo)度限制（MCL）和生化限制（BL），根據(jù)Grassi 和Magnani 的光合限制值定量分析方法[19]，光合速率的變化主要受到gs、gm和Vcmax的影響：

而各部分限制值的計(jì)算公式分別為：

式中：gsc是氣孔對(duì)CO2的導(dǎo)度，經(jīng)驗(yàn)值為gs/1.6，?Pn/?CC用Pn/CC曲線CC濃度為50～100 μmol·mol-1時(shí)的曲線斜率表示。gtot為總導(dǎo)度，計(jì)算公式為：

光合參數(shù)的相對(duì)變化值計(jì)算公式為：

1.5 相對(duì)生長(zhǎng)率的測(cè)定

根據(jù)干重?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算日相對(duì)生長(zhǎng)率（Relative growth rate，RGR）：

式中：m2為收獲時(shí)整株干質(zhì)量，m1為處理前整株干質(zhì)量，t為處理時(shí)間393 d。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

將測(cè)量數(shù)據(jù)分別以胞間CO2濃度（Ci）為橫軸、凈光合速率（Pn）為縱軸，繪制光合作用-CO2響應(yīng)曲線（Pn-Ci曲線）。根據(jù)曲線實(shí)測(cè)點(diǎn)估計(jì)最大凈光合速率（Pnmax），并利用線性回歸的方法估算CO2飽和點(diǎn)（Cisat）和CO2補(bǔ)償點(diǎn)（Cic），并將其作為實(shí)測(cè)參考值與不同模型的擬合值進(jìn)行對(duì)比，分析各模型擬合效果。

CO2響應(yīng)過程的模擬采用葉子飄的光合計(jì)算軟件進(jìn)行擬合分析，同時(shí)，將CO2響應(yīng)曲線測(cè)量數(shù)據(jù)上傳http://leafweb.ornl.gov/Pages/LeafWeb.aspx 自動(dòng)分析系統(tǒng)進(jìn)行FvCB 生化模型分析，光合生理生化參數(shù)的擬合參考Gu 的方法[20]。不同質(zhì)量比鉛鋅礦渣處理下參數(shù)間的差異顯著性采用Duncan’s 多重比較法，不同濃度不同處理時(shí)間的差異顯著性采用雙因素方差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。對(duì)不同質(zhì)量比鉛鋅礦渣處理下苦楝的相對(duì)生長(zhǎng)速率（RGR）、最大羧化效率（Vcmax）、最大電子傳遞速率（Jmax）、磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)速率（Tp）和葉肉導(dǎo)度（gm）進(jìn)行PCA 分析。以上所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖均在SPSS 20.0、Excel 2016、SigmaPlot 12.5 和Origin 9.1 中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛鋅脅迫下3 種模型的適用性

由表2可知，在處理L1、L2、L3 和對(duì)照CK中，直角雙曲線模型和M-M 模型擬合得到的最大凈光合速率（Pnmax）分別為29.80、24.15、23.94 和34.95 μmol·m-2s-1，均顯著高于實(shí)測(cè)值，在CK、L1和L2 中，CO2飽和點(diǎn)（Cisat）顯著低于實(shí)測(cè)值，L3中CO2飽和點(diǎn)顯著高于實(shí)測(cè)值，但是CO2補(bǔ)償點(diǎn)（Cic）在所有處理中與實(shí)測(cè)值無顯著差異。直角雙曲線修正模型擬合得到的數(shù)據(jù)在最大凈光合速率、CO2補(bǔ)償點(diǎn)的擬合上與實(shí)測(cè)值無顯著差異性，且擬合系數(shù)R2達(dá)到了0.99以上，表明擬合的可靠性很高。因此，采用直角雙曲線修正模型對(duì)于擬合各濃度鉛鋅脅迫下苦楝光合作用-CO2響應(yīng)曲線最為適宜。

表2 鉛鋅礦渣各質(zhì)量比下光合作用-CO2響應(yīng)參數(shù)值與模型擬合值?Table 2 CO2 parameters responses of different models under different Pb-Zn treatments

由圖1可知，從曲線整體上看，直角雙曲線模型與M-M 模型擬合曲線完全重合，在CK、L1、L2 和L3 的CO2響應(yīng)曲線初始階段（Ci＜600 μmol·mol-1），3 種模型都具有較好的擬合效果，擬合值與實(shí)測(cè)值無顯著差異。但隨著胞間CO2濃度的上升，凈光合速率上升的幅度減小，模型擬合值與實(shí)測(cè)值之間開始出現(xiàn)明顯的差異，直角雙曲線修正模型的擬合效果相對(duì)直角雙曲線模型和M-M 模型較好。在高濃度胞間CO2濃度下（Ci＞1 200 μmol·mol-1），凈光合速率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，直角雙曲線模型和M-M模型不能有效模擬此現(xiàn)象，但直角雙曲線修正模型卻能很好地?cái)M合此現(xiàn)象，模型擬合值與實(shí)測(cè)值無顯著差異。

圖1 各質(zhì)量比鉛鋅礦渣下3 種CO2 響應(yīng)模型對(duì)光合速率-CO2 響應(yīng)曲線的擬合Fig.1 Simulated A/Ci curves of three models under different Pb-Zn tailing treatments

2.2 鉛鋅脅迫下苦楝光合作用CO2 響應(yīng)過程特征參數(shù)的響應(yīng)

采用直角雙曲線修正模型對(duì)苦楝CO2響應(yīng)過程模擬，結(jié)果（表3）表明，在鉛鋅礦渣處理30 d 和90 d，苦楝初始羧化效率（CE0）、最大凈光合速率（Pnmax）和光呼吸速率（Rp）均隨著鉛鋅質(zhì)量比的升高而顯著降低。處理30 d 時(shí)，CO2飽和點(diǎn)（Cisat）和CO2補(bǔ)償點(diǎn)（Cic）并無顯著變化，但處理90 d，隨著鉛鋅質(zhì)量比的升高Cisat顯著降低，Cic顯著升高。在不同處理時(shí)間比較中發(fā)現(xiàn)，除CE0無顯著變化，其余參數(shù)均表現(xiàn)為處理90 d 顯著低于處理30 d。雙因素方差分析表明，鉛鋅質(zhì)量比和處理時(shí)間的交互效應(yīng)對(duì)CE0和Rp有顯著的影響，對(duì)Amax、Cisat和Cic無顯著交互效應(yīng)影響。

2.3 鉛鋅脅迫下苦楝葉片氣體交換參數(shù)的響應(yīng)

由表4可見，與CK 相比，L1、L2、L3 處理水平下苦楝葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）均顯著降低，表現(xiàn)為L(zhǎng)3＜L2＜L1＜CK，而胞間CO2濃度（Ci）表現(xiàn)為顯著升高。在不同處理時(shí)間比較中發(fā)現(xiàn)，L2、L3 水平下Pn、Gs、Tr在處理90 d 顯著低于處理30 d，Ci處理90 d 顯著高于處理30 d。雙因素方差分析表明，處理水平與時(shí)間的交互效應(yīng)對(duì)Pn、Gs和Tr有顯著影響，對(duì)Ci無顯著交互效應(yīng)影響。

表3 鉛鋅礦渣處理下直角雙曲線修正模型擬合參數(shù)?Table 3 Fitted parameters of modified rectangular hyperbolic model on day 30 and day 90 under different Pb-Zn tailing treatments

表4 鉛鋅礦渣處理下氣體交換參數(shù)Table 4 The variation of gas exchange parameters on day 30 and day 90 under different lead-zinc tailing treatments

2.4 鉛鋅脅迫下苦楝葉片碳同化過程生化因子的響應(yīng)

如圖2所示，與CK 相比較，處理30 d 和90 d 下，苦楝葉片最大羧化效率（Vcmax）、最大電子傳遞速率（Jmax）、磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)速率（Tp）和葉肉細(xì)胞導(dǎo)度（gm）均隨著處理水平的升高顯著下降。L1、L2、L3 不同水平處理90 d 的Vcmax、Jmax、Tp和gm均顯著低于30 d。雙因素方差分析表明，鉛鋅礦渣處理濃度、處理時(shí)間交互作用對(duì)苦楝Vcmax、Jmax、Tp和gm均有顯著的影響。

2.5 鉛鋅脅迫下苦楝葉片光合限制

為評(píng)估鉛鋅脅迫下苦楝光合限制因素，運(yùn)用光合限制值定量分析，結(jié)果（表5）表明，苦楝光合速率降低由生化限制（BL）、氣孔限制（SL）和葉肉導(dǎo)度限制（MCL）共同導(dǎo)致。其中，苦楝光合下降的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為BL＞SL＞MCL，BL貢獻(xiàn)率大于40%，SL介于10%～20%之間，MCL小于10%。隨著不同處理水平中土壤質(zhì)量比的降低，BL、SL先上升到峰值后有所下降，MCL逐漸升高，但不會(huì)超過BL、SL。

2.6 鉛鋅脅迫下苦楝的相對(duì)生長(zhǎng)速率

從圖3可以看出，隨著土壤中鉛鋅礦廢渣質(zhì)量比的增加，苦楝的相對(duì)生長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)，即L3＜L2＜L1＜CK，且差異性顯著（P＜0.05）。與對(duì)照相比，L1 水平下苦楝的相對(duì)生長(zhǎng)率下降了1.7%，L2 水平下下降了26.08%，L3 水平下下降了37.58%。

2.7 鉛鋅脅迫下苦楝葉片碳同化過程主成分分析

為更好地分析鉛鋅礦渣污染和碳同化過程生化因子以及苦楝葉片相對(duì)生長(zhǎng)速率RGR 的關(guān)系，進(jìn)行了主成分分析。從圖4可以看出，根據(jù)提取的主成分個(gè)數(shù)一般要求累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的原則，共提取了2 個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)96.3%。其中第1 主成分（PC1）的方差貢獻(xiàn)率為 83.7%，第2 主成分（PC2）為12.6%。結(jié)果表明，相對(duì)生長(zhǎng)速率RGR、Tp、Jmax、gm、Vcmax均分布在PC1 軸的正方向上，但gm、Vcmax還分布在PC2 軸的負(fù)方向上。可見，RGR 受碳同化過程中Tp、Jmax影響大于gm、Vcmax。從鉛鋅污染水平的點(diǎn)在影響因子箭頭及其延長(zhǎng)線的投影點(diǎn)可以看出，污染水平越高，與RGR、Tp、Jmax、gm、Vcmax呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明隨著污染水平的增高，苦楝的RGR和碳同化過程抑制更厲害。

圖2 鉛鋅礦渣處理對(duì)生化參數(shù)的影響。Fig.2 The variation of biochemical parameters under different Pb-Zn tailing treatments

表5 不同鉛鋅處理水平和處理時(shí)間下苦楝光合限制率?Table 5 The percent of photosynthesis limitation parameters under different Pb-Zn tailing treatments

圖3 不同鉛鋅處理水平苦楝相對(duì)生長(zhǎng)速率Fig.3 The variations of relative growth rate under different Pb-Zn tailing treatments

圖4 苦楝的相對(duì)生長(zhǎng)速率與生化因子的主成分分析Fig.4 Principal component analysis for CO2 assimilation under different Pb-Zn tailing treatments

3 討 論

3.1 鉛鋅脅迫下CO2 響應(yīng)模型適用性

光合作用-CO2響應(yīng)曲線的擬合是研究植物CO2響應(yīng)過程的重要手段，直角雙曲線模型和Michaelis-Menten 模型是處理分析光合作用-CO2響應(yīng)曲線的常用方法，從理論上可以通過擬合CO2響應(yīng)過程得出其特征參數(shù)，反映植物CO2的響應(yīng)過程。但研究發(fā)現(xiàn)，植物的凈光合速率不能隨著CO2濃度的增長(zhǎng)而無限增加，而上述兩模型是沒有極點(diǎn)的漸近線形式，因而其模擬的精確度受到極大地限制，無法準(zhǔn)確擬合嚴(yán)重環(huán)境脅迫下植物的CO2響應(yīng)數(shù)據(jù)[12]。本研究中，直角雙曲線模型和Michaelis-Menten 模型對(duì)鉛鋅脅迫下苦楝CO2響應(yīng)數(shù)據(jù)的模擬與實(shí)測(cè)值存在明顯差異，具體表現(xiàn)在對(duì)CE0、Pnmax的嚴(yán)重高估和對(duì)Cisat的嚴(yán)重低估，這與前人在溫度、干旱等脅迫下的研究相一致[14-15]。而葉子飄建立的直角雙曲線修正模型由于對(duì)直角雙曲線模型公式求一階導(dǎo)數(shù)得出極值，克服了上述模型的局限性，可以準(zhǔn)確地模擬苦楝CO2響應(yīng)過程中的CO2抑制現(xiàn)象，各項(xiàng)特征參數(shù)與實(shí)測(cè)值十分接近，決定系數(shù)達(dá)到0.99 以上。因此，在模擬分析不同質(zhì)量比鉛鋅礦渣污染土壤脅迫下苦楝CO2響應(yīng)過程變化中，直角雙曲線修正模型具有較高的準(zhǔn)確性和適用性。

3.2 鉛鋅處理抑制苦楝CO2 響應(yīng)過程

CO2響應(yīng)曲線反映了植物光合速率隨CO2濃度變化而變化的規(guī)律，可作為評(píng)價(jià)植物光合能力的重要依據(jù)。植物對(duì)CO2的響應(yīng)過程會(huì)受到環(huán)境脅迫條件的干擾，并表現(xiàn)在植物內(nèi)部一系列生理變化上[21]。如干旱、高溫、強(qiáng)光及O3濃度升高等脅迫條件下，植物的光合潛能、CO2與光能利用能力、光合電子傳遞等均發(fā)生顯著變化[22-23]。本研究應(yīng)用直角雙曲線修正模型對(duì)苦楝CO2響應(yīng)過程擬合結(jié)果表明，鉛鋅礦渣的處理對(duì)苦楝CO2響應(yīng)過程產(chǎn)生了顯著的影響，礦渣處理水平越高，時(shí)間越久，參數(shù)變化幅度就越大，如CO2補(bǔ)償點(diǎn)（Cic）的顯著升高，最大凈光合速率（Pnmax）、CO2飽和點(diǎn)（Cisat）、初始羧化效率（CE0）和光呼吸速率（Rp）的顯著降低，這與之前的研究結(jié)果相一致，表明鉛鋅脅迫導(dǎo)致苦楝葉片CO2的利用能力下降，可有效利用PAR 范圍變窄，同時(shí)初始羧化效率的下降可能是鉛鋅導(dǎo)致葉綠體CO2濃度下降，或Rubisco 酶活性下降。另外植物在脅迫環(huán)境下降低Cisat或提高Cic也是為保證植物光合作用能夠運(yùn)行[15]。

植物體90%～95%的干物質(zhì)來自于光合器官的光合作用。本研究中，鉛鋅脅迫下植株生長(zhǎng)受到抑制，這與其葉片光合能力的改變有關(guān)[4,6,18]。本研究發(fā)現(xiàn)鉛鋅脅迫下苦楝葉片凈光合速率（Pn）顯著降低，而且胞間CO2濃度（Ci）顯著升高，說明非氣孔限制是光合速率降低的主要原因[13]。

非氣孔限制導(dǎo)致的光合速率降低與碳同化能力的障礙密切相關(guān)[24]，同時(shí)也包括葉肉層對(duì)CO2傳輸?shù)淖璧K作用[19,25]。首先碳同化能力主要受到酶活性變化的影響，在研究中發(fā)現(xiàn)，鉛鋅脅迫顯著降低了Rubisco 酶羧化效率，這說明Rubisco 酶活性下降，同時(shí)Jmax下降有可能是光合酶活性（如景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶，果糖-1,6-二磷酸酶）受到鉛鋅的抑制或是電子傳遞鏈的受阻導(dǎo)致NADPH 和ATP 供應(yīng)不充足[26]。其次CO2傳導(dǎo)由氣孔導(dǎo)度和葉肉導(dǎo)度決定，與前人研究相似，本研究中鉛鋅脅迫下苦楝葉片的Gs和gm均顯著降低[25]，原因可能是鉛鋅導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)的改變以及水通道蛋白含量的降低[27]。上述分析表明鉛鋅脅迫下苦楝光合作用下降受到了酶失活和CO2傳導(dǎo)受阻兩方面的影響。

本研究中，鉛鋅礦渣處理水平越高，時(shí)間越久，苦楝光合作用的總限制（TL=BL+SL+MCL）顯著增加，而且BL貢獻(xiàn)率大于40%，SL介于10%～20%之間，MCL小于10%，表明鉛鋅脅迫下苦楝光合作用的降低主要?dú)w因于Rubsico 酶活性等生理生化過程下降造成碳同化能力受阻。但是SL和MCL對(duì)光合下降的作用也占有一定的比例，說明鉛鋅脅迫下不但空氣中CO2進(jìn)入葉片氣孔量減少，而且CO2穿過細(xì)胞空隙和葉肉層最終到達(dá)葉綠體羧化位點(diǎn)的阻力增加，最終導(dǎo)致葉綠體內(nèi)CO2濃度較低，無法保障 Rubisco 活化和功能的運(yùn)轉(zhuǎn)[28]。

此外，Sharkey 等研究表明，在CO2（Ci）濃度低時(shí)，光合速率下降主要是由于Rubisco 失活引起的，而隨著Ci濃度升高達(dá)到高濃度時(shí)，光合速率下降主要是由于RuBP 再生過程受限引起的，而RuBP 再生過程與Jmax和Tp相關(guān)[29]。本研究中，鉛鋅礦渣脅迫下Vcmax、Jmax、Tp均顯著下降，主成分分析結(jié)果也表明苦楝的相對(duì)生長(zhǎng)速率受Jmax、Tp的影響更大，表明鉛鋅脅迫會(huì)抑制光合電子傳遞和光合磷酸化過程[30]，即鉛鋅脅迫對(duì)RuBP 再生過程影響更顯著。由于碳同化過程是個(gè)復(fù)雜的過程，也易受到環(huán)境中各種因素的影響，因此重金屬脅迫下對(duì)碳同化過程的機(jī)制的影響等生態(tài)問題均有待進(jìn)一步的研究證實(shí)。

4 結(jié) 論

鉛鋅礦渣的處理對(duì)苦楝CO2響應(yīng)過程產(chǎn)生了顯著的影響，礦渣處理水平越高，時(shí)間越長(zhǎng)，影響越嚴(yán)重。非氣孔限制是導(dǎo)致苦楝葉片光合速率下降的主要原因，定量分析表明鉛鋅脅迫苦楝光合作用的降低主要?dú)w因于Rubisco 酶活性下降，特別是RuBP 再生過程受阻，造成碳同化過程出現(xiàn)障礙，氣孔導(dǎo)度和葉肉導(dǎo)度對(duì)光合下降的也有一定的作用，最終苦楝的相對(duì)生長(zhǎng)速率顯著降低。本研究結(jié)果有望為重金屬脅迫作用影響植物生長(zhǎng)發(fā)育過程提供科學(xué)依據(jù)。