胡楊葉片的胞間CO 2濃度及氣孔和非氣孔限制的探究

林 兵，武勝利，管文軻，宋 川，史智欣，何宇翔，，岳永江，

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054；2.新疆林業(yè)科學(xué)院，烏魯木齊 830018)

植物在水分脅迫下，光合作用持續(xù)減弱的主要原因?yàn)閮煞矫妫?-3］：一是氣孔導(dǎo)度Gs的減小，導(dǎo)致植物氣孔內(nèi)的CO2減少，并致使植物無(wú)法維持高強(qiáng)度的光合作用，這個(gè)過(guò)程被稱為植物光合作用的氣孔限制，以氣孔限制值Ls來(lái)表示；此外，因?yàn)橹参锶~片溫度的不斷升高，導(dǎo)致出現(xiàn)葉綠體活性以及Rubisoo活性降低、RuBP羧化酶再生能力降低等情況［4］，并最終導(dǎo)致葉片的光合作用能力減弱，這個(gè)過(guò)程稱之為光合作用的非氣孔限制。胞間CO2作為植物進(jìn)行光合作用的中介［5］，它會(huì)受到大氣CO2濃度的制約，同時(shí)還受到植物葉片氣孔導(dǎo)度和葉片光合消耗的影響和制約，因此對(duì)植物葉片胞間CO2濃度變化規(guī)律的分析是探究植物氣孔限制和非氣孔限制的基礎(chǔ)。

荒漠河岸胡楊（PopuluseuphraticaOliv.）屬楊柳科胡楊亞屬木本植物，是塔里木河荒漠河岸林中最常見(jiàn)和典型的耐干旱、耐鹽堿的重要林木樹(shù)種之一［5，6］。在干旱的荒漠地區(qū)，胡楊有著極強(qiáng)的抗逆能力，其對(duì)于維持荒漠地區(qū)的生態(tài)環(huán)境起著關(guān)鍵的作用［7］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)胡楊進(jìn)行了一些研究和報(bào)道，張霞等［8］、史軍輝等［9］分析了胡楊的耐鹽性；武逢平等［10］、周燕等［11］研究了胡楊的根蘗繁殖特性和胡楊雌花離體培養(yǎng)中的不定根誘導(dǎo)和植株再生體系的建立；吐熱尼古麗·阿木提等［12］對(duì)胡楊生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行了研究；黃文娟等［13］分析了胡楊異形葉結(jié)構(gòu)型性狀及其與胸徑的關(guān)系；吳桂林等［14］、王海珍等［15］、王勇等［16］研究了胡楊的水分利用特性；王希義等［17］研究了胡楊的生物量和種群生存特征；鐘小莉等［18］、王海珍等［19］研究了干旱脅迫下氮素對(duì)胡楊幼苗生長(zhǎng)及光合的影響和胡楊異形葉光合系統(tǒng)Ⅱ葉綠素?zé)晒馓匦?；高生峰等?0］對(duì)極端干旱區(qū)淹灌對(duì)胡楊長(zhǎng)勢(shì)的影響進(jìn)行了研究。但截至目前，對(duì)胡楊葉片的胞間CO2濃度，以及氣孔限制與非氣孔限制因子的研究不多。本文在分析胞間CO2濃度的季節(jié)變化及其影響因素基礎(chǔ)上，探究了胡楊葉片的氣孔限制情況，以及非氣孔限制因子的變動(dòng)周期規(guī)律，研究結(jié)果有助于進(jìn)一步探索胡楊在水分虧缺條件下葉片的氣孔調(diào)節(jié)規(guī)律，為未來(lái)對(duì)塔里木河下游胡楊林的保護(hù)、恢復(fù)以及更新提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

尉犁縣地處新疆維吾爾自治區(qū)的中部區(qū)域，為巴音郭楞蒙古自治州所管轄。尉犁縣系暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，溫度冷熱差異大，年月變化差距大，冬天干旱且寒冷，夏天酷熱。整年熱量豐富，空氣干燥，蒸發(fā)量大，降水稀少，年際變化差距大，光照充足。全年平均氣溫10.5℃，最冷月（1月）平均氣溫-11.2℃，極端最低氣溫-22.6℃；最熱月（7月）平均氣溫25.6℃，極端最高氣溫38.3℃；氣溫年較差為36.8℃。全年平均降水量?jī)H有50.7 mm，但是年平均潛在蒸發(fā)量卻多達(dá)2 730.3 mm。尉犁縣的主要風(fēng)向?yàn)楸逼珫|，以東北風(fēng)為主要風(fēng)向，其次風(fēng)向?yàn)槟掀?，年均風(fēng)速2.3 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)24 m/s（10級(jí)）。每年春夏季節(jié)8級(jí)以上大風(fēng)年均為15 d，風(fēng)沙日數(shù)23.1 d，浮塵天數(shù)24.2 d。境內(nèi)主要天然植物有胡楊、灰胡楊（PopuluspruinosaSchrenk.）、檉柳（Tamarixspp.）、脹果甘草（Glycyrrhiza inflateBat.）和羅布麻（Apocynum venetumLinn.）等。

2 材料與方法

2.1 研究材料

試驗(yàn)于2018年6—8月在塔里木河中下游尉犁縣境內(nèi)的天然胡楊林進(jìn)行，選取具有代表性的3株長(zhǎng)勢(shì)健康、樹(shù)干通直、樹(shù)皮光滑、無(wú)病蟲(chóng)害的胡楊樹(shù)木作為待測(cè)樣株。同時(shí)對(duì)3株胡楊標(biāo)記編號(hào)，樹(shù)樣的基本生物學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 胡楊試驗(yàn)樹(shù)樣的生物學(xué)參數(shù)

2.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

光合生理參數(shù)的測(cè)定：2018年6—8月在胡楊速生期于尉犁縣塔里木河中下游展開(kāi)，選取晴朗無(wú)云日進(jìn)行，每月1次，每次3 d，取外圍向陽(yáng)新樹(shù)梢上倒3、4位成熟葉片，于6:00—22:00每2 h測(cè)定1次，每次選取3～4片功能葉作為重復(fù)。

測(cè)定方法：使用LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)，測(cè)定胡楊葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）等指標(biāo)及有效光合輻射（PAR）、大氣CO2濃度（Ca）、氣溫（Tair）、葉溫（Tleaf）、空氣相對(duì)濕度（RH）、葉片內(nèi)外水汽壓差（VPDL）等微氣象參數(shù)。

2.3 氣孔限制值的計(jì)算

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度提出了多種計(jì)算方法。目前最常用的計(jì)算氣孔限制值（Ls）的方法如下公式［21］：

式中，Ca為大氣CO2濃度，單位mmol/mol；Ci為胞間CO2濃度，單位mmol/mol。

2.4 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)Excel軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。使用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計(jì)以及分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 胞間CO 2濃度和影響因子變動(dòng)規(guī)律

在胡楊的生長(zhǎng)季6—8月，選擇晴朗無(wú)云的晴天作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量日，以分析胡楊葉片胞間CO2濃度的日變化規(guī)律和影響因素的同步變化規(guī)律。從胞間CO2濃度Ci的變化（圖1a）可以看出，在生長(zhǎng)季內(nèi)胡楊葉片的胞間CO2濃度均呈“V”字型的變化趨勢(shì)，最低值均出現(xiàn)在14：00，這與徐俊增等［22］、翁曉燕等［23］的研究結(jié)果基本一致。同時(shí)，生長(zhǎng)季內(nèi)變化趨勢(shì)幅度為6月＞7月＞8月，各月差異十分明顯。

圖1 速生期胡楊胞間CO2濃度（a）、大氣CO2濃度（b）、凈光合速率（c）、氣孔導(dǎo)度（d）和蒸騰速率（e）的日變化

胡楊葉片胞間CO2濃度變動(dòng)周期規(guī)律受Gs、Ca、Pn和Tr等因素的共同影響和制約。如圖1，表明葉片Ci變動(dòng)周期規(guī)律主要受Ca的影響。當(dāng)Ca出現(xiàn)“雙低”值時(shí)，胞間CO2濃度則也會(huì)緊跟其后，并由此發(fā)生相應(yīng)的變化。6月胞間CO2濃度在14：00和16：00和8月出現(xiàn)低值就是受大氣CO2濃度的直接影響。

由于Gs、Pn和Tr隨外部光強(qiáng)的變化而隨即產(chǎn)生相應(yīng)變化，氣孔緩慢打開(kāi)的上午與緩慢合上的下午呈現(xiàn)了顯著差異的規(guī)律。上午，氣孔呈現(xiàn)出緩慢打開(kāi)的趨勢(shì)，氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率逐步遞增。但同時(shí)胞間CO2濃度表現(xiàn)為逐步遞減，其原因一是大氣CO2濃度正在逐步遞減，另一方面是葉片的凈光合速率和蒸騰速率的升高進(jìn)而致使胡楊葉片胞間CO2濃度的消耗大大加劇，Ca隨之逐步遞減，當(dāng)Pn處于峰值時(shí)，Ca則降至最低值。午后再隨著太陽(yáng)輻射的減弱，最終致使胡楊葉片的凈光合速率、蒸騰速率急劇減小，葉片的光合消耗減弱，同時(shí)大氣CO2濃度則逐步升高，胞間CO2濃度因此呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

由此可知，胡楊葉片胞間CO2濃度和大氣CO2濃度的律動(dòng)周期大體一致，與凈光合速率、蒸騰速率則相反。這與胞間CO2既是作為中介受到大氣CO2的補(bǔ)給，同時(shí)也受葉片光合及蒸騰消耗的影響的結(jié)論一致，與徐俊增等［22］、郭文霞等［24］的研究相符。而胡楊葉片Ca與Gs的律動(dòng)規(guī)律為相反趨勢(shì)，呈負(fù)相關(guān)，原因?yàn)楦邭饪讓?dǎo)度相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生更高的凈光合速率和蒸騰速率。因此在這樣高氣孔導(dǎo)度、高凈光合速率和高蒸騰速率的時(shí)段，葉片光合和蒸騰的消耗遠(yuǎn)多于經(jīng)過(guò)氣孔進(jìn)入胡楊葉片胞間的CO2。

3.2 胡楊胞間CO2濃度與光合速率的關(guān)系

從生長(zhǎng)季各個(gè)測(cè)量日10：00—12：00（圖2a）和14：00—16：00（圖2b）的胞間CO2濃度與凈光合速率的規(guī)律來(lái)看，在不同時(shí)段，凈光合速率與胞間CO2濃度的聯(lián)系呈現(xiàn)不同。10：00—12：00時(shí)，凈光合效率與胞間CO2濃度表現(xiàn)為正線性關(guān)系，且不顯著。而14：00—16：00由于凈光合速率的升高，胞間CO2濃度隨即表現(xiàn)出一定的下降，和徐俊增等［22］、郭文霞等［24］的研究相符。這也說(shuō)明光合作用對(duì)細(xì)胞CO2的耗損與氣孔對(duì)CO2的導(dǎo)度聯(lián)合決定了胞間的CO2濃度。14：00—16：00由于凈光合速率升高而胞間CO2濃度減小，說(shuō)明這一時(shí)段CO2進(jìn)入胞間的速率明顯小于強(qiáng)烈光合作用對(duì)CO2的耗損，因此顯現(xiàn)出部分的氣孔限制。

圖2 胡楊10：00—12：00（a）和14：00—16：00（b）葉片胞間CO2濃度與凈光合速率的關(guān)系

4 氣孔限制與非氣孔限制的討論與探究

植物葉片的光合作用是受到氣孔和非氣孔限制因子的聯(lián)合影響和制約［25-27］。

4.1 氣孔限制值

氣孔限制值Ls是解釋和反映因?yàn)闅饪讓?dǎo)度的減小進(jìn)而致使的對(duì)凈光合速率的制約大?。?8-30］。在生長(zhǎng)季內(nèi)，分析胡楊葉片Ls的變動(dòng)周期規(guī)律，可知Ls總體上為先升高后減小的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為早上和晚上低、中午高。但各月具體變化規(guī)律有一定的差異。6月從6：00開(kāi)始一直上升，10：00—12：00期間增速減緩，然后一直增加至16：00。造成這種結(jié)果，主要是因?yàn)榇髿釩O2濃度的直接影響，使得氣孔限制值一直居高不下。7—8月的變化趨勢(shì)基本相同，先升高隨后輕微減小，而后上升最后快速下降。氣孔限制值Ls主要是隨凈光合速率的升高而增大。這是因?yàn)闅饪紫拗浦凳且粋€(gè)相對(duì)概念，主要是由氣孔對(duì)CO2導(dǎo)度和光合作用的需求來(lái)聯(lián)合決定的。在早上和晚上，葉片的氣孔導(dǎo)度較低，但此刻光合作用所要耗損的CO2也低，故在這兩個(gè)時(shí)段表現(xiàn)為較低的氣孔限制狀況。另一方面，胡楊葉片在中午的氣孔導(dǎo)度較高，但光合作用所耗損的CO2更多，因此表現(xiàn)出較高的氣孔限制（圖3）。

圖3 胡楊氣孔限制值Ls的日變化

4.2 非氣孔限制指標(biāo)

非氣孔限制是反映非氣孔限制因子的重要指標(biāo)，非氣孔限制因子包括葉溫過(guò)高導(dǎo)致葉綠體活性與Rubisoo活性降低、RuBP羧化酶再生能力降低等［31］。許大全［1］在相關(guān)研究中提到：斷定葉片光合作用減弱是受氣孔限制還是非氣孔限制的可靠判據(jù)是Ci和Ls的變化規(guī)律方向，即Ci降低和Ls升高表明受氣孔導(dǎo)度降低的影響；而Ci增大和Ls降低則表明是受非氣孔因子的限制和影響。

從圖4可以看出，胡楊生長(zhǎng)季內(nèi)各月下午時(shí)段的氣孔限制值Ls呈下降趨勢(shì)，而胞間CO2濃度則呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)間段主要為非氣孔限制因素限制了胡楊的光合作用。同時(shí)，7月和8月10：00—14：00和12：00—16：00，凈光合速率開(kāi)始下降，出現(xiàn)了以非氣孔限制因素為主造成了光合速率下降，隨后出現(xiàn)了氣孔限制因素造成光合速率下降。這表明在一個(gè)時(shí)段造成胡楊凈光合速率的降低是以非氣孔限制或氣孔限制因素為主，但不能排除氣孔限制或非氣孔限制因素的共同作用。

圖4 胡楊的非氣孔限制指標(biāo)

而在Ramanjulu等［32，33］的研究中，則用胞間CO2濃度與氣孔導(dǎo)度Gs的比值Ci/Gs來(lái)表示非氣孔因子的制約狀態(tài)。從生長(zhǎng)季內(nèi)各月胡楊葉片Ci/Gs的變動(dòng)制值變化方向所分析出來(lái)的結(jié)果相一致。周期規(guī)律看出：Ci/Gs與氣孔限制值Ls的變動(dòng)周期規(guī)律相反，早上和晚上高、中午低。其因?yàn)樵缟虾屯砩系奶?yáng)輻射不高，而與光合作用有密切關(guān)系的酶的活性不能充分發(fā)揮，呈現(xiàn)出較強(qiáng)烈的非氣孔限制影響。在生長(zhǎng)季內(nèi)的各月，10：00—18：00胡楊葉片的非氣孔限制變化皆表現(xiàn)出比較平緩的變動(dòng)規(guī)律。7月和8月胡楊凈光合速率下降的10：00—14：00和12：00—16：00，Ci/Gs值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)并出現(xiàn)了一個(gè)高峰，這也與前文中以胞間CO2濃度和氣孔限

5 小結(jié)

本文分析了生長(zhǎng)季內(nèi)胡楊葉片胞間CO2濃度的變化規(guī)律及其影響因素，并分析探究了胡楊氣孔限制和非氣孔限制的情況，結(jié)果顯示，生長(zhǎng)季內(nèi)胡楊葉片的胞間CO2濃度變化呈“V”型的變化趨勢(shì)，最低值均出現(xiàn)在14：00。胡楊胞間CO2濃度隨影響因素包括大氣CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和蒸騰速率的變化而同步變化：與大氣CO2濃度的變化規(guī)律基本保持一致；與氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和蒸騰速率的變化規(guī)律相反，呈負(fù)相關(guān)。聯(lián)合使用氣孔限制值和非氣孔限制這兩個(gè)判斷指標(biāo)，能夠進(jìn)一步了解導(dǎo)致胡楊的凈光合速率下降的氣孔限制和非氣孔限制狀況和原因。但仍然存在一些不足，未能全面參考植物的其他生理生態(tài)數(shù)據(jù)，例如植物的水分利用效率、葉水勢(shì)等指標(biāo)。關(guān)于這點(diǎn)，今后可進(jìn)行更深入的研究。