CO2濃度升高條件下不同氮素供應(yīng)對閩楠幼苗光合特性及生長的影響*

王 曉 韋小麗,2 吳高殷 陳勝群

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院 貴陽 550025； 2.貴州省森林資源與環(huán)境研究中心 貴陽 550025)

CO2濃度升高是當(dāng)前全球氣候變化的一個主要因素(Landryetal.， 2016)。CO2作為溫室氣體主要成分之一，預(yù)計本世紀(jì)末將達(dá)到700 μmol·mol-1(Aranjueloetal.， 2009； IPCC， 2013)。CO2濃度升高在引起溫室效應(yīng)的同時，還影響地球表面其他環(huán)境因子變化并直接或間接影響植物生長。大多數(shù)情況下，如果沒有發(fā)生長期的光合作用調(diào)節(jié)，光合速率將隨CO2濃度升高而升高(Quentinetal.， 2015； DaMattaetal.， 2015)。然而經(jīng)受長時間高濃度CO2處理的植物則表現(xiàn)出較大的變異性。長期高濃度CO2條件下，多種植物在原先短時間高濃度CO2下初始出現(xiàn)的光合速率增強(qiáng)會逐漸減弱或漸漸消失，有的甚至出現(xiàn)光合作用下調(diào)現(xiàn)象(Ainsworthetal.， 2003； Seneweera， 2011)，被稱為光合適應(yīng)(Alonsoetal.， 2009； Gutiérrezetal.， 2009)，影響植物諸多生理過程，進(jìn)而影響植物生長。解釋植物產(chǎn)生CO2光合適應(yīng)現(xiàn)象的原因有很多，其中一個重要原因是植物碳氮平衡的破壞(Seneweera， 2011； Bloometal.， 2012)。

氮是植物必需的大量營養(yǎng)元素之一，氮素營養(yǎng)對光合作用在高 CO2下的適應(yīng)影響取決于氮的供應(yīng)水平，同時受植株整體水平的源庫關(guān)系調(diào)節(jié)(Petterssonetal., 1994)。氮素供應(yīng)不足會限制植物對CO2濃度升高的響應(yīng)，當(dāng)?shù)蔀橄拗埔蛩貢r，核酮糖1,5-磷酸羧化酶加氧酶(Rubisco)中的氮也可能會重新分配到其他酶類或者其他組織和器官，從而對Rubisco進(jìn)行調(diào)節(jié)，這使得植物光合作用更加受到Rubisco的限制(鄧亞運(yùn)等， 2014)。Wujeska-Klause等(2019)的研究表明，CO2濃度升高會限制植物對氮素吸收從而影響植物對CO2濃度升高的積極響應(yīng)。除了氮素供應(yīng)量影響植物生長對CO2濃度升高的響應(yīng)，氮素形態(tài)也是重要因素。氮素形態(tài)本身影響植物光合特性，不同氮素形態(tài)代謝表現(xiàn)不同，相較于銨態(tài)氮，CO2濃度升高不利于植物對硝態(tài)氮的吸收轉(zhuǎn)化(Hachiyaetal.， 2014； Jaureguietal.， 2015； Andrewsetal.， 2018)。

CO2濃度升高影響閩楠(Phoebebournei)光合作用(韓文軍等， 2003)，短時CO2體積分?jǐn)?shù)加倍處理使植物的表觀光合速率明顯增加； 長期處理則明顯抑制閩楠的光合作用，出現(xiàn)嚴(yán)重的光合適應(yīng)現(xiàn)象。結(jié)合CO2濃度升高條件下閩楠幼苗出現(xiàn)的光合適應(yīng)現(xiàn)象以及光合適應(yīng)出現(xiàn)的碳氮平衡破環(huán)原因，本文以1年生閩楠實生苗為試驗材料，采用開頂式氣室進(jìn)行CO2濃度處理，施用不同量硝態(tài)氮及銨態(tài)氮培育閩楠幼苗，旨在研究： 1)閩楠幼苗氣體交換參數(shù)隨CO2濃度升高處理時間延長的變化； 2)不同氮素形態(tài)和供應(yīng)量是否可以調(diào)控CO2濃度升高對閩楠幼苗氣體交換參數(shù)的影響； 3)CO2濃度升高條件下氮素形態(tài)及供應(yīng)量的改變對閩楠幼苗光合生理、有機(jī)物積累以及生長的影響； 4)氮素供應(yīng)如何影響CO2濃度升高條件下閩楠光合作用的生理基礎(chǔ)。本研究以期為未來閩楠生長應(yīng)對CO2濃度升高提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 供試材料為同一母株種子培育的閩楠1年生實生容器苗， 2019年1月選取長勢一致的健壯容器苗(平均苗高： 9.42±0.32 cm；地徑： 2.73±0.13 mm)移栽至塑料花盆中(口徑15.5 cm，高14 cm)，盆栽土壤為黃壤，每盆裝風(fēng)干土1.5 kg，栽植幼苗1株，移栽后緩苗4個月，選取長勢一致健壯盆栽幼苗(平均苗高： 16.38±1.28 cm；地徑： 3.27±0.24 mm)進(jìn)行試驗處理。盆栽土壤養(yǎng)分含量： 全氮(0.84 g·kg-1)、堿解氮(28.3 mg·kg-1)、全磷(0.23 g·kg-1)、有效磷(7.8 mg·kg-1)、全鉀(21.6 g·kg-1)、速效鉀(207.3 mg·kg-1)。試驗所用氮肥分別為硝酸鈣、硫酸銨； 磷肥為過磷酸鈣； 鉀肥為氯化鉀。

1.3 指標(biāo)測定 1) 氣體交換參數(shù)測定 采用Li-6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)，每個處理選取3株，每株選取中上部3片完全展開的功能葉并作標(biāo)記，于晴天9：00—11：00測定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)葉片氣體交換參數(shù)，水分利用效率(WUE)由Pn/Tr計算所得。測定時采用 CO2小鋼瓶控制aCO2氣室測定時葉片葉室CO2濃度350 μmol·mol-1，eCO2氣室測定時葉片葉室CO2濃度為700 μmol·mol-1，利用系統(tǒng)自配紅藍(lán)光源補(bǔ)光，光量子通量密度設(shè)定為1 200 μmol·m-2s-1。

2) Rubisco和RCA活性測定 采用酶聯(lián)免疫試劑盒(上?？祈樕?，每個處理選取5株，每株選取中上部中等成熟的功能葉作為測定材料，按說明書方法測定。

3) 可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白含量測定 每個處理每個重復(fù)選取5株，每株選取中上部中等成熟的功能葉作為測定材料，采用蒽酮比色法測定可溶糖和淀粉含量，采用考馬斯亮藍(lán)染色法測定可溶性蛋白含量(李合生， 2000)。

4) 苗高、地徑測定 施肥處理前，每個處理每個重復(fù)選取5株進(jìn)行掛牌編號標(biāo)記并測定初始苗高、地徑，分別用卷尺和游標(biāo)卡尺測定，CO2處理88天后再次測定標(biāo)記幼苗苗高、地徑。

1.4 數(shù)據(jù)分析 運(yùn)用 Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入和圖表的繪制，采用 SPSS 23. 0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

圖1 不同處理對閩楠幼苗凈光合速率的動態(tài)影響Fig. 1 Effect of different treatments on net photosynthetic rate of P. bournei seedlings aCO2: (350±70) μmol·mol-1 CO2; eCO2: (700±10) μmol·mol-1 CO2; 0.8 g N·seedling-1; 1.2 g N·seedling-1. 下同 The same below.

表1 不同處理對閩楠幼苗氣體交換參數(shù)的影響①Tab.1 Effect of different treatments on gas exchange of P. bournei seedlings

圖2 不同處理對閩楠幼苗光合關(guān)鍵酶活性的影響Fig. 2 Effect of different treatments on activity of photosynthetic key enzyme of P. bournei seedlings

圖3 不同處理對閩楠幼苗可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白含量的影響Fig. 3 Effect of different treatments on soluble sugar, starch, soluble protein content of P. bournei seedlings

圖4 不同處理對閩楠幼苗苗高、地徑凈生長量的影響Fig. 4 Effects of different treatments on height and ground diameter net growth of P. bournei seedlings

3 討論

3.1 CO2濃度升高條件下不同氮素供應(yīng)對閩楠幼苗光合特性的影響 植物苗期對外界環(huán)境變化較為敏感，CO2濃度升高尤其是較長時期的高CO2濃度會對苗木的生長生理帶來較大影響，進(jìn)而影響苗木質(zhì)量(徐勝等， 2015)。閩楠播種當(dāng)年苗木生長量較低，第2年生長加快，有3次抽梢，因而第2～3年的生長量大小對造林苗木質(zhì)量影響很大。通常情況下，短時間CO2濃度升高會促進(jìn)植物光合作用。提高凈光合速率，經(jīng)過短期的促進(jìn)作用之后，CO2濃度升高對光合效率的積極影響逐漸減弱，甚至出現(xiàn)光合適應(yīng)現(xiàn)象(Reyetal.， 1998)。CO2濃度升高條件下，凈光合速率變化是判斷植物是否出現(xiàn)光合適應(yīng)現(xiàn)象的依據(jù)之一(Longetal.，1993)。本研究結(jié)果表明，CO2濃度升高條件下施用中等量硝態(tài)氮閩楠幼苗在處理前期凈光合速率逐漸增高且高于自然CO2濃度，說明CO2濃度升高短期內(nèi)可促進(jìn)幼苗光合作用，隨著處理時間的延長，幼苗凈光合速率低于自然CO2濃度條件，且處理后期氣溫降低，幼苗凈光合速率逐漸降低的同時，也低于自然CO2濃度條件下幼苗的凈光合速率，說明施用中等量硝態(tài)氮閩楠幼苗在CO2濃度升高條件中較長時間后出現(xiàn)光合下調(diào)現(xiàn)象，這與韓文軍等(2003)的研究結(jié)果一致。

增施硝態(tài)氮或施用銨態(tài)氮閩楠幼苗在整個CO2濃度升高處理過程中凈光合速率均高于自然CO2濃度，說明CO2濃度升高條件下增施硝態(tài)氮或施用銨態(tài)氮有利于閩楠幼苗進(jìn)行光合作用，這可能是增施硝態(tài)氮可彌補(bǔ)碳素供應(yīng)增多的氮素供應(yīng)相對不足，施用銨態(tài)氮則避免CO2濃度升高對硝態(tài)氮吸收代謝的不良影響。植物高濃度CO2條件下出現(xiàn)光合適應(yīng)現(xiàn)象的原因是相對于碳供應(yīng)的增多，正常供應(yīng)量的氮肥就會相對不足，植物碳氮供應(yīng)不平衡導(dǎo)致光合效率降低(Seneweera， 2011； Bloometal.， 2012)。除了氮素供應(yīng)量的相對減少，CO2濃度升高一定程度上限制了植物對硝態(tài)氮的吸收，破壞碳氮平衡，最終導(dǎo)致光合適應(yīng)現(xiàn)象出現(xiàn)(Smartetal.， 1998； Searlesetal.， 2003)，其原因可能是CO2濃度升高提高Rubisco的羧化能力，抑制光呼吸，阻礙蘋果酸的轉(zhuǎn)運(yùn)最終影響硝態(tài)氮的代謝(Rachmilevitchetal.， 2004； Bloometal.， 2014； Wujeska-Klauseetal.， 2019)，也有可能是CO2濃度升高影響植物蒸騰速率，進(jìn)而影響土壤中硝態(tài)氮向根系的運(yùn)輸(McGrathetal.， 2013； Hachiyaetal.， 2014； Jaureguietal.， 2015)。以銨態(tài)氮為主要氮源的生態(tài)系統(tǒng)，例如松林(Finzietal.， 2002)、濕地(Drakeetal.， 1995)，CO2濃度升高使其初級凈生產(chǎn)力提高約25%，而在以硝態(tài)氮為主要氮源的生態(tài)系統(tǒng)，例如草原(Shawetal.， 2002)，CO2濃度升高則降低其初級凈生產(chǎn)力。Silva等(2015)的試驗也指出，高濃度CO2處理期間，銨態(tài)氮處理的咖啡樹(Coffeaarabica)幼苗生長優(yōu)于硝態(tài)氮處理。因此植物的氮素利用相較于其他環(huán)境因素更能決定植物對CO2濃度升高的反應(yīng)(Poorteretal., 2001； Dormannetal.， 2002)。

3.2 CO2濃度升高條件下不同氮素供應(yīng)對閩楠幼苗有機(jī)物含量及生長的影響 可溶性糖是光合作用的產(chǎn)物，高CO2濃度條件下植物光合速率提高，制造更多的光合產(chǎn)物，長期CO2濃度升高條件下，植物積累更多的光合產(chǎn)物，最終反饋抑制光合效率導(dǎo)致光合下調(diào)(Lastdrageretal.， 2014； Smeekensetal.， 2010)。本研究中，長期CO2濃度升高條件下出現(xiàn)光合下調(diào)的閩楠幼苗其可溶性糖含量較自然CO2濃度降低，說明光合下調(diào)的原因并不是光合產(chǎn)物積累抑制的作用，可能是由于光合關(guān)鍵酶活性降低影響光合效率從而影響光合產(chǎn)物的合成。Rubisco和RCA是光合作用的2個關(guān)鍵酶，其中Rubisco是光合作用C3碳反應(yīng)中重要的羧化酶，是植物葉片中含量最豐富的蛋白質(zhì)，植物吸收氮素的一大部分用于Rubisco的合成，氮代謝的變化影響Rubisco的活性(Makinoetal.， 2003)。RCA是一種可以調(diào)節(jié)Rubisco活性的酶(Suganamietal.， 2018)，它能使Rubisco在植株體內(nèi)條件下達(dá)到最大活化程度。光合作用效率的提高需要提高Rubisco的活性，同時也需要提高RCA對Rubisco的活化效率。Vicente等(2019)研究指出，CO2濃度升高條件下，Rubisco活性降低，Takatani等(2014)、Vicente等(2015)均觀察到了CO2濃度升高條件下編碼Rubisco的2個亞基(rbcS、rbcL)基因表達(dá)下調(diào)。Bokhari等(2007)研究發(fā)現(xiàn)，高濃度CO2條件下RCA的活性降低，同時也有研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高條件下編碼RCA的基因表達(dá)下調(diào)，最終影響光合作用(Leakeyetal.， 2009； Kontunen-Soppelaetal.， 2010)。本試驗中，長期CO2濃度升高條件下施用中等量硝態(tài)氮，閩楠幼苗Rubisco以及RCA活性均顯著降低，從而降低閩楠幼苗光合效率，影響光合產(chǎn)物可溶性糖、淀粉的含量，硝態(tài)氮的供應(yīng)不足以及長期CO2濃度升高條件對硝態(tài)氮吸收代謝的影響使其可溶性蛋白含量降低，最終表現(xiàn)為閩楠幼苗苗高、地徑生長的下降。增施硝態(tài)氮或施用銨態(tài)氮可改善閩楠幼苗光合關(guān)鍵酶活性，從而調(diào)節(jié)長期CO2濃度升高條件對閩楠幼苗光合作用的影響，最終表現(xiàn)為促進(jìn)閩楠幼苗生長。

CO2濃度升高對植物生長的影響表現(xiàn)在諸多方面，本文主要從氣體交換參數(shù)、光合關(guān)鍵酶活性、有機(jī)物含量方面研究CO2濃度升高條件下不同氮素形態(tài)及供應(yīng)量對閩楠幼苗生長的調(diào)控作用，氮素供應(yīng)的調(diào)控作用及相關(guān)機(jī)制更應(yīng)從植物生長的碳氮代謝甚至相關(guān)基因表達(dá)方面進(jìn)行研究。除了苗期，今后還應(yīng)加強(qiáng)長期CO2濃度升高對閩楠幼樹、成年樹木生長及生理，細(xì)根養(yǎng)分周轉(zhuǎn)、養(yǎng)分循環(huán)等的影響。另外，CO2濃度升高對植物生長的影響以及氮素對其的調(diào)控作用存在物種之間差異的同時也受植物不同生長年齡及庫源關(guān)系的影響，實際生產(chǎn)中，CO2濃度升高條件下采用氮素對閩楠生長進(jìn)行調(diào)控仍需關(guān)注閩楠苗齡以及生長環(huán)境等條件。

4 結(jié)論

長期CO2濃度升高條件下，施用中等量硝態(tài)氮肥的閩楠幼苗光合下調(diào)，影響生長；增施硝態(tài)氮肥或施用銨態(tài)氮肥可通過提高光合關(guān)鍵酶活性等緩解長期CO2濃度升高對閩楠幼苗光合及生長的負(fù)面影響。因此，生產(chǎn)上進(jìn)行1年生閩楠幼苗培育時，可以考慮增加硝態(tài)氮肥或施用銨態(tài)氮肥以應(yīng)對未來CO2濃度升高環(huán)境。