CO2濃度升高和磷素虧缺對(duì)黑麥草氣孔特征及氣體交換參數(shù)的影響

鄭云普，常志杰，范曉懂，張運(yùn)鑫，劉 亮，陳文娜，劉媛媛，郝立華

CO2濃度升高和磷素虧缺對(duì)黑麥草氣孔特征及氣體交換參數(shù)的影響

鄭云普1，常志杰1，范曉懂2，張運(yùn)鑫1，劉 亮1，陳文娜3，劉媛媛1，郝立華1※

（1. 河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，邯鄲 056038；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；3. 河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院，邯鄲 056038）

為深入理解未來(lái)大氣CO2濃度升高背景下草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能響應(yīng)土壤磷虧缺的潛在機(jī)理，該研究利用可精準(zhǔn)控制CO2濃度的大型人工氣候室，探討了正常CO2濃度400mol/mol、升高CO2濃度800mol/mol和磷素供應(yīng)水平（0.004、0.012、0.02、0.06、0.1和0.5 mmol/L）對(duì)黑麥草氣孔特征及其氣體交換過程的影響。結(jié)果表明，CO2濃度升高使供磷水平0.1和0.5 mmol/L的氣孔密度增加34.9%（=0.012）和25.4%（<0.001），但氣孔開度減小13%（=0.002）和12%（=0.005），且導(dǎo)致供磷水平為0.06 mmol/L的黑麥草氣孔分布更加規(guī)則。同時(shí)，CO2濃度升高還導(dǎo)致供磷水平0.1和0.5 mmol/L的凈光合速率顯著增加8.6%（=0.002）和15.8%（<0.001），從而提高黑麥草的水分利用效率。另外，不同供磷水平明顯改變了植株生物量及其分配，且高濃度CO2對(duì)較高磷水平時(shí)地上生長(zhǎng)產(chǎn)生更強(qiáng)的施肥效應(yīng)。研究結(jié)果將為深入理解草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣CO2濃度升高和土壤磷素虧缺的響應(yīng)機(jī)理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

光合；水分；CO2倍增；磷虧缺；黑麥草；氣孔特征；水分利用效率

0 引 言

自西方工業(yè)革命以來(lái)，大氣CO2濃度以每年約2.0mol/mol的速度急劇增加到當(dāng)前的410mol/mol，到21世紀(jì)末期大氣中的CO2濃度將達(dá)到800mol/mol[1]。然而，目前植物進(jìn)行光合作用的CO2濃度并沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，未來(lái)大多數(shù)植物可能從高濃度CO2產(chǎn)生的“施肥效應(yīng)”中獲益[2]。以往大量室內(nèi)控制和野外CO2富集試驗(yàn)的研究結(jié)果均已證實(shí)，大氣CO2濃度升高將提高農(nóng)作物的凈光合速率[3]、加速植被生長(zhǎng)[4-5]、改變作物物候[6]、增加糧食產(chǎn)量[7-9]、減小氣孔開度[10]和提高水分利用效率[11]。另外，磷元素是核酸（DNA和RNA）、三磷酸腺苷（ATP）和細(xì)胞膜的重要組成部分[12]，參與了植物的光合、呼吸等關(guān)鍵代謝過程[13]。長(zhǎng)期土壤磷虧缺勢(shì)必導(dǎo)致植物生長(zhǎng)遲緩、根冠比增加、葉片出現(xiàn)延遲等癥狀[14]，從而對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育以及作物產(chǎn)量造成影響[15]。此外，土壤磷素的有效性還在很大程度上調(diào)控植物對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)[14-15]。

黑麥草（L.）不僅是一種具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的常見飼用牧草[16]，而且在草地生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、固碳增匯等方面均具有重要的生態(tài)價(jià)值[17]。植物吸收磷元素的主要形式為水溶性無(wú)機(jī)磷酸鹽，但溫帶草原土壤磷素的80%卻為有機(jī)磷酸鹽，故大部分有機(jī)磷無(wú)法被植物直接吸收和利用[16-17]。因此，磷元素虧缺已經(jīng)成為當(dāng)前限制中國(guó)北方溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的主要因素之一[18]，尤其是在未來(lái)氣候變化背景下，草原生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能將受到高濃度CO2和磷素虧缺的協(xié)同影響[19]。故此，深入探討CO2濃度升高和土壤磷素虧缺對(duì)黑麥草氣孔特征、光合性能以及水分利用效率的協(xié)同影響，將有助于準(zhǔn)確評(píng)估未來(lái)大氣CO2濃度升高背景下土壤磷素虧缺對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)和威脅。

以往大多數(shù)研究主要關(guān)注大氣CO2濃度升高與土壤水分[3,20]、高溫[6,10]、臭氧濃度和氮沉降等環(huán)境因素協(xié)同影響農(nóng)作物物候變化[9]、生長(zhǎng)發(fā)育過程以及糧食產(chǎn)量[21]的生理生化機(jī)制。然而，目前有關(guān)大氣CO2濃度升高和土壤磷素虧缺協(xié)同影響黑麥草的研究還鮮見報(bào)道，尤其是針對(duì)多個(gè)磷素虧缺水平上黑麥草氣孔特征和氣體交換過程對(duì)CO2濃度升高產(chǎn)生響應(yīng)與適應(yīng)的潛在機(jī)理至今仍不清楚。本文利用大型人工氣候室探討CO2濃度升高和磷素虧缺對(duì)黑麥草氣孔形態(tài)特征及其空間分布格局、光合性能、水分利用效率產(chǎn)生的影響及其交互效應(yīng)，為未來(lái)高濃度CO2和土壤磷素虧缺協(xié)同影響下的草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性經(jīng)營(yíng)與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

在河北工程大學(xué)草種場(chǎng)內(nèi)播種黑麥草（L.）的種子，待黑麥草植株生長(zhǎng)40 d后，將其移栽到裝有蛭石的PVC管內(nèi)（高50 cm，底面積78.5 cm2），并置于溫室內(nèi)生長(zhǎng)60 d，溫室內(nèi)的溫度為25 ℃/20 ℃（白天/夜晚），相對(duì)空氣濕度為60%，太陽(yáng)輻射量為700mol/(m2·s)。在此期間，每盆黑麥草每天澆水100 mL以確保水分充足，且每周使用Hoagland溶液2次（200 mL/次）。

為了模擬北方草地刈割和放牧措施，在冠層發(fā)育期間，每20 d將黑麥草的冠層高度修剪至5 cm。在進(jìn)行CO2濃度處理之前，將黑麥草移至可以準(zhǔn)確控制CO2濃度的大型人工氣候室（高×寬×深為1 830 cm × 1 798 cm × 675 cm），溫度設(shè)定為20 ℃/15 ℃（白天/夜晚），相對(duì)空氣濕度為60%～65%，光照強(qiáng)度為800mol/(m2·s)，光照周期為12 h (7:00—19:00)。鑒于當(dāng)前的大氣CO2濃度約為400mol/mol，同時(shí)依據(jù)IPCC報(bào)告預(yù)測(cè)21世紀(jì)末大氣CO2濃度將升高至800mol/mol[1]，故對(duì)黑麥草進(jìn)行CO2濃度處理時(shí)將對(duì)照組（正常）和處理組（升高）分別設(shè)定為400和800mol/mol，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。同時(shí)，對(duì)黑麥草進(jìn)行不同供磷水平處理，以KH2PO4溶液為磷元素的來(lái)源，經(jīng)去離子水稀釋后配制6種不同磷濃度的Hoagland溶液，即0.004（P0.004）、0.012（P0.012）、0.02（P0.02）、0.06（P0.06）、0.1（P0.1）和0.5（P0.5）。90 d的CO2濃度和磷虧缺處理期間，每個(gè)處理每周均使用不同磷濃度的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液澆灌2次，每次用量200 mL。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.2.1 測(cè)量氣孔的形態(tài)參數(shù)

利用無(wú)色透明的指甲油涂于成熟葉片表面采集氣孔印跡；隨后，在裝備有照相機(jī)的顯微鏡下觀察氣孔形態(tài)和測(cè)量。對(duì)氣孔印跡樣品進(jìn)行拍照時(shí)，隨機(jī)選擇3個(gè)不同的顯微鏡視野，每個(gè)視野下拍5張照片，即得到15張氣孔顯微照片（面積為0.3 mm × 0.45 mm），隨機(jī)選擇5張照片計(jì)算氣孔密度。利用AutoCAD 2010軟件分別測(cè)量氣孔長(zhǎng)度、氣孔寬度、氣孔周長(zhǎng)、氣孔面積以及氣孔形狀指數(shù)[11]。

1.2.2 分析氣孔的空間分布格局

1.2.3 氣孔形態(tài)特征觀察及拍照

為了更加清晰地觀察黑麥草氣孔的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其開張狀態(tài)，將采集后的葉片組織（2 mm × 2 mm）用2.5%（v/v）的戊二醛（0.1 mol/L 磷酸緩沖液，pH值7.0）固定樣品，并在4 ℃環(huán)境下冷藏保存。在進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀測(cè)前，將葉片樣品用相同濃度的磷酸緩沖液沖洗6次，再用1%（v/v）的鋨酸固定3 h。隨后，葉片組織經(jīng)過一系列的酒精梯度脫水，對(duì)樣品進(jìn)行臨界點(diǎn)干燥后固定在觀察臺(tái)上用高壓涂膜裝置噴金。隨后，在掃描電子顯微鏡下（FEI Corp，USA）進(jìn)行氣孔形態(tài)的觀察和拍照[11]。

1.2.4 氣體交換參數(shù)的測(cè)定

利用便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)（LI-6400，LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）測(cè)量葉片的氣體交換參數(shù)，包括凈光合速率（n）、氣孔導(dǎo)度（s）和蒸騰速率（r）。葉片氣體交換參數(shù)測(cè)量時(shí)，葉室內(nèi)的溫度設(shè)定為25 ℃，CO2濃度為400mol/mol，光照強(qiáng)度為1 000mol/(m2·s)。利用公式WUE =n/r計(jì)算葉片水平上的水分利用效率[11]。

1.2.5 植株生物量的測(cè)定

利用剪刀將黑麥草的地上和地下組織分開，并用清水將根系清洗干凈。將分離后的黑麥草地上和地下組織分別裝入紙袋中置于105 ℃的烘箱進(jìn)行殺青處理2 h，隨后將烘箱溫度調(diào)至85 ℃烘烤48 h至恒定質(zhì)量。最后，利用高精度電子天平分別稱量烘干后的地下和地上組織的質(zhì)量，即為黑麥草的地上和地下生物量。將黑麥草的地上和地下生物量相加，得到黑麥草的總生物量，而地下和地上生物量的比值即為根冠比。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

本研究采用單因素和雙因素方差分析的方法比較不同CO2濃度和供磷水平對(duì)黑麥草氣孔特征、氣體交換參數(shù)、葉綠素含量和生物量的影響及其交互效應(yīng)，再利用S-N-K法比較組內(nèi)的顯著性差異（<0.05）。利用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度升高和磷虧缺對(duì)氣孔形態(tài)特征的影響

在當(dāng)前的CO2濃度下（400mol/mol），隨著供磷水平的提高，黑麥草氣孔密度呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)（表1和圖1）。然而，CO2濃度升高導(dǎo)致供磷水平為P0.1和P0.5處理下的氣孔密度顯著提高34.9%（=0.012）和25.4%（<0.001），但供磷水平為P0.004、P0.02和P0.06時(shí)的氣孔密度卻分別降低17.1%（=0.002）、26.9%（<0.001）和35.7%（<0.001；表1）。另外，2個(gè)CO2濃度條件下的黑麥草氣孔面積均隨著供磷水平的提高呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，且均在供磷水平為P0.1時(shí)達(dá)到最大值（表1和圖2）。同時(shí)，在供磷水平為P0.004、P0.1和P0.5時(shí)，CO2濃度倍增導(dǎo)致氣孔面積分別降低13.7%（=0.001）、12.5%（=0.002）和11.6%（=0.005；表1）。此外，雙因素方差分析的結(jié)果也表明，CO2和磷互作顯著改變了氣孔密度（<0.001）、氣孔長(zhǎng)度（=0.038）、氣孔寬度（=0.021）、氣孔面積（=0.003）和氣孔形狀指數(shù)（=0.037；表1）。上述結(jié)果表明，黑麥草氣孔形態(tài)特征對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)在不同磷素虧缺水平上存在明顯的不對(duì)稱性，即在較高供磷水平時(shí)黑麥草通過增加氣孔數(shù)量和增大氣孔開度在高CO2濃度條件下獲益，而在較低供磷水平時(shí)則可以減小氣孔密度和氣孔開度來(lái)適應(yīng)升高的CO2濃度。

表1 CO2濃度升高和磷虧缺對(duì)黑麥草氣孔形態(tài)參數(shù)的影響

注：P0.004表示磷濃度為0.004 mmol·L-1，P0.012表示磷濃度為0.012 mmol·L-1，P0.02表示磷濃度為0.02 mmol·L-1，P0.06表示磷濃度為0.06 mmol·L-1，P0.1表示磷濃度為0.1 mmol·L-1，P0.5表示磷濃度為0.5 mmol·L-1。不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05），下同；值是檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量，為組間與組內(nèi)的離差平方和與自由度的比值，值越大則代表組間差異越顯著，值的可信度也就越高。

Note: P0.004indicates phosphorus levelis 0.004 mmol·L-1, P0.012indicates phosphorus levelis 0.012 mmol·L-1, P0.02indicates phosphorus levelis 0.02 mmol·L-1, P0.06indicates phosphorus levelis 0.06 mmol·L-1, P0.1indicates phosphorus levelis 0.1 mmol·L-1, P0.5indicates phosphorus levelis 0.5 mmol·L-1.Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level, the same as below; Thevalue is the statistic of thetest, which is the ratio of the sum of squared deviations between groups and within the group to the degree of freedom. The larger thevalue, the more significant the difference.

2.2 CO2濃度升高和磷虧缺對(duì)氣孔空間分布格局的影響

本研究對(duì)黑麥草氣孔空間分布格局分析的結(jié)果顯示，2種CO2濃度和6個(gè)供磷水平處理下，黑麥草的氣孔均是在小尺度范圍內(nèi)（60～150m）呈規(guī)則分布，而在較大尺度上（>200m）呈現(xiàn)隨機(jī)分布的空間格局（圖3）。然而，CO2濃度升高使供磷水平為P0.06處理下黑麥草氣孔由規(guī)則轉(zhuǎn)換為隨機(jī)分布的空間尺度從150m增加至190m，但卻在不同程度上導(dǎo)致其他供磷水平條件下（P0.004、P0.012、P0.02、P0.1和P0.5）氣孔由規(guī)則轉(zhuǎn)換為隨機(jī)分布的空間尺度的減小（圖 3）。另外，不同大氣CO2濃度和供磷水平條件下，黑麥草氣孔均在約110m空間尺度上的最小鄰域距離Lhat()值最小，暗示此時(shí)氣孔在110m空間尺度上分布的規(guī)則程度最高；其中，CO2濃度升高和供磷水平為P0.06處理下黑麥草的最小鄰域距離Lhat()為-9.24，明顯低于其他的CO2濃度和供磷水平處理，表明CO2濃度升高和供磷水平為P0.06時(shí)的氣孔空間分布格局最規(guī)則，且最有利于黑麥草與大氣環(huán)境之間的氣體交換過程。因此，未來(lái)大氣CO2濃度升高情景下，供磷水平為P0.06的黑麥草可能會(huì)通過調(diào)整氣孔空間分布格局的規(guī)則程度來(lái)緩解低磷造成的生理脅迫（圖3）。

2.3 CO2濃度升高和磷虧缺對(duì)氣體交換參數(shù)的影響

在正常CO2濃度條件下（400mol/mol），黑麥草葉片的凈光合速率（n）隨供磷水平的提高呈先增加后降低的變化趨勢(shì)（表2），且當(dāng)供磷水平為P0.06時(shí)n達(dá)到其最大值14.5mol/(m2·s)。然而，CO2濃度升高（800mol/mol）卻導(dǎo)致n隨著供磷水平的升高而持續(xù)增大，即其最大值13.6mol/(m2·s)出現(xiàn)在P0.5的供磷水平處理（表2），表明高濃度CO2提高了黑麥草n的最適磷濃度。另外，CO2濃度升高導(dǎo)致供磷水平P0.004、P0.02和P0.06條件下的n比正常CO2濃度分別降低13.6%（=0.008）、19.8%（<0.001）和16.9%（<0.001），但卻使供磷水平為P0.1和P0.5的n提高8.6%（=0.002）和25.9%（<0.001；表2），表明CO2濃度升高對(duì)較低供磷水平黑麥草的n產(chǎn)生不利影響，但卻對(duì)較高供磷水平的n產(chǎn)生一定的施肥效應(yīng)。同時(shí)，兩因素方差分析的結(jié)果也表明，不同CO2濃度和供磷水平對(duì)n產(chǎn)生顯著的交互效應(yīng)（<0.001，表2）。

盡管正常CO2濃度條件下不同供磷水平?jīng)]有對(duì)黑麥草的蒸騰速率（r）產(chǎn)生顯著影響，但氣孔導(dǎo)度（s）和水分利用效率（WUE）卻隨著供磷水平的升高呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)（表2），且s在供磷水平為P0.02時(shí)達(dá)到最大值1.13mol/(m2·s)，而WUE在P0.06時(shí)達(dá)到最大值3.21 mmol/mol。然而，CO2濃度升高使r隨供磷水平的升高呈現(xiàn)“鐘形”的變化，在供磷水平為P0.06時(shí)達(dá)到最大值4.84 mmol/(m2·s)，且相比當(dāng)前CO2濃度處理的r提高約10%（=0.005）。與r相反，CO2濃度升高導(dǎo)致不同供磷水平下s的降低，尤其是供磷水平為P0.012、P0.02、P0.06和P0.1的s分別降低54.2%（<0.001）、56.0%（<0.001）、39.6%（=0.001）和47.3%（<0.001），表明CO2濃度升高導(dǎo)致黑麥草部分氣孔開度減小甚至關(guān)閉。相似地，CO2濃度升高還導(dǎo)致供磷水平為P0.004、P0.02和P0.06的葉片WUE分別降低13.1%（=0.021）、13.5%（=0.002）和27.1%（<0.001），但卻使供磷水平為P0.1和P0.5的WUE分別提高22.3%（<0.001）和24.8%（<0.001），暗示CO2濃度和供磷水平可能對(duì)WUE產(chǎn)生協(xié)同影響。同時(shí)，兩因素方差分析的結(jié)果也證實(shí)，[CO2]×Pi對(duì)r（=0.017）、s（=0.043）和WUE（<0.001）均產(chǎn)生顯著的交互作用（表2）。

表2 CO2濃度升高和磷虧缺對(duì)黑麥草凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度以及水分利用效率的影響

2.4 CO2濃度升高和磷虧缺對(duì)葉綠素含量的影響

不同CO2濃度處理下的黑麥草葉綠素含量均隨供磷水平的提高先增加后降低，且均在供磷水平P0.1時(shí)總?cè)~綠素的值最高，但同一供磷水平上的葉綠素含量在2個(gè)CO2濃度之間并不存在顯著性差異（表3）。然而，值得注意的是，盡管CO2濃度升高并沒有影響供磷水平為P0.5時(shí)黑麥草葉綠素的總量，但卻改變了葉綠素a和葉綠素b的比值，即導(dǎo)致葉綠素a/葉綠素b顯著降低36.9%（=0.02），這主要是由于高CO2濃度導(dǎo)致葉綠素b含量增加47.9%（=0.006）而造成的，表明CO2濃度升高和磷素供應(yīng)充足條件下，相比于葉綠素a而言，黑麥草優(yōu)先合成葉綠素b（表3）。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高導(dǎo)致供磷水平在P0.012處理下的葉綠素含量的顯著降低25.8%（=0.019），表明不同供磷水平條件下黑麥草葉綠素含量對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)存在明顯的差異（表3）。

表3 CO2濃度升高和磷虧缺對(duì)黑麥草葉綠素含量的影響

2.5 CO2濃度升高和磷虧缺對(duì)黑麥草生物量的影響

不同供磷水平顯著改變了黑麥草植株的總生物量（<0.001）、地上生物量（<0.001）、地下生物量（<0.001）以及根冠比（<0.001，表4）。然而，盡管CO2濃度升高顯著改變了黑麥草的地下生物量（=0.019），但卻并沒有對(duì)黑麥草總生物量（=0.696）、地上生物量（=0.388）以及根冠比（=0.148）產(chǎn)生顯著影響（表4）。CO2濃度升高導(dǎo)致最低供磷水平下（P0.004）黑麥草的總生物量顯著降低6.6%（0.019），但卻使供磷水平為P0.02和P0.06條件下黑麥草的總生物量分別提高7.1%（=0.022）和10.4%（=0.001）。同時(shí)，在正常CO2濃度下，供磷水平P0.5的地上生物量高于P0.004約30%（<0.001），而CO2濃度升高條件下，供磷水平P0.5的地上生物量高于P0.004約40%（<0.001），表明CO2濃度升高對(duì)較高供磷水平下的黑麥草地上部分生長(zhǎng)產(chǎn)生更強(qiáng)施肥效應(yīng)。

不同供磷條件下黑麥草地下生物量對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)也存在明顯差異（表4）。CO2濃度升高導(dǎo)致供磷水平為P0.5、P0.004和P0.012條件下黑麥草的地下生物量分別顯著降低11.1%（=0.006）、13.7%（=0.017）和9.2%（=0.005），但卻沒有改變其他供磷水平條件下黑麥草的地上生物量（>0.05；表4）。此外，CO2濃度升高還改變了黑麥草地上和地下生物量的分配狀況（根冠比），即P0.004、P0.012和P0.5供磷水平下，CO2濃度升高使黑麥草的根冠比分別顯著降低11.9%（=0.019）、11.4%（=0.008）和18.5%（=0.016），但供磷水平為P0.06的黑麥草根冠比卻在高CO2濃度條件下顯著提高31.5%（<0.001）。此外，本研究中雙因素方差分析結(jié)果也顯示，[CO2]×Pi對(duì)黑麥草的總生物量（<0.001）、地上生物量（=0.002）、地下生物量（=0.001）以及根冠比（<0. 001）均產(chǎn)生了顯著的交互作用（表4）。

表4 CO2濃度升高和磷虧缺對(duì)黑麥草生物量的影響

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高導(dǎo)致低磷水平下黑麥草的氣孔面積顯著降低，而Sun等[23]的研究也證實(shí)在低磷水平下珠江三角洲植物中較小的氣孔可以更加高效地控制葉片的氣體交換過程，從而提高植物葉片水平的水分利用效率。另外，本研究結(jié)果還表明低磷供應(yīng)條件下大氣CO2濃度倍增誘導(dǎo)氣孔密度降低可能解釋了葉片碳同化能力的下調(diào)，這主要是由于氣孔密度在很大程度上決定著CO2從大氣向葉肉組織的擴(kuò)散效率[24]。Lenka等[25]的研究結(jié)果表明，土壤磷的有效性將削弱高CO2濃度對(duì)植物產(chǎn)生的施肥效應(yīng)，可能是由于高濃度CO2提高了植物對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)的需求，故植物在低磷條件下通過減少氣孔密度來(lái)維持其最佳的生長(zhǎng)速度和生理特性。然而，本研究中CO2濃度升高導(dǎo)致低磷濃度下黑麥草氣孔密度降低的現(xiàn)象也恰好證實(shí)了上述結(jié)論。此外，本研究中黑麥草在低磷條件下的氣孔空間分布相比高磷水平的分布格局更為規(guī)則，暗示低磷水平處理下的黑麥草葉片氣體交換過程相比高磷水平更加高效。Soares等[26]的研究結(jié)果也表明植物的氣孔空間分布格局在較大程度上調(diào)控葉片的凈光合速率和蒸騰速率。此外，本研究中不同供磷水平處理中，黑麥草的氣孔空間格局在CO2濃度升高條件下分布得更加規(guī)則，表明高濃度CO2可能有效提高黑麥草葉片的氣體交換效率。

長(zhǎng)期的高濃度CO2處理可能導(dǎo)致凈光合反應(yīng)速率（n）的下降，尤其是當(dāng)養(yǎng)分供給限制植物生長(zhǎng)時(shí)n的下調(diào)更為明顯[27]。本研究中較高的供磷水平條件下CO2濃度升高可以提高n，表現(xiàn)出明顯的施肥效應(yīng)，而在較低供磷水平下卻降低n，表明磷素虧缺在很大程度上限制了高濃度CO2對(duì)黑麥草生理過程產(chǎn)生的施肥效應(yīng)。同時(shí)，本研究中黑麥草生物量的相關(guān)結(jié)果也表明，相比較低的供磷水平而言，CO2濃度升高對(duì)較高供磷水平下的黑麥草的生長(zhǎng)過程產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的施肥效應(yīng)，這也間接證實(shí)了磷素虧缺可能會(huì)限制高濃度CO2對(duì)黑麥草產(chǎn)生的施肥效應(yīng)，暗示未來(lái)大氣CO2濃度升高條件下，磷素虧缺可能通過限制黑麥草根系的生長(zhǎng)發(fā)育過程進(jìn)一步削弱高濃度CO2的施肥效應(yīng)。另外，本研究中低磷濃度條件下CO2濃度升高導(dǎo)致葉綠素含量的明顯下降，可能是引起黑麥草凈光合速率（n）降低的一個(gè)重要因素。以往相關(guān)研究認(rèn)為，磷有效性可能會(huì)對(duì)氮素的吸收與利用產(chǎn)生影響[28]，這主要是由于磷素虧缺條件下植物的氮吸收過程及其利用效率均會(huì)受到明顯的限制，最終導(dǎo)致葉綠素的降解和消失。然而，盡管本研究中CO2濃度升高并未對(duì)磷充足條件下黑麥草的葉綠素總含量產(chǎn)生顯著影響，但卻由于葉綠素b含量的增加而導(dǎo)致葉綠素a/葉綠素b的降低。因此，本研究結(jié)果表明CO2濃度升高條件下葉綠素b含量的增加可能是提高黑麥草n的主導(dǎo)因素。

以往的相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)，CO2濃度升高將誘導(dǎo)植物氣孔的關(guān)閉，進(jìn)一步導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率降低[22]。同樣，本研究也發(fā)現(xiàn)高濃度CO2導(dǎo)致較高磷水平下黑麥草氣孔導(dǎo)度（s）的顯著降低，表明CO2濃度升高確實(shí)引起黑麥草部分氣孔的關(guān)閉或者開度減小，且對(duì)于黑麥草氣孔開度的直接觀察和測(cè)量的結(jié)果也直接證實(shí)了上述推論。盡管高濃度CO2降低了較高供磷水平黑麥草的s，但卻導(dǎo)致n的增加，暗示s的降低并不是限制n的主導(dǎo)因素，而CO2濃度升高可能提高了光合反應(yīng)位點(diǎn)的同化效率。然而，低磷水平條件下高濃度CO2導(dǎo)致黑麥草s和n均降低，表明黑麥草s和n對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)可能與磷素虧缺程度緊密相關(guān)。因此，筆者認(rèn)為，不同供磷水平可能對(duì)核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的活性產(chǎn)生影響，進(jìn)一步調(diào)控黑麥草n對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)過程。Singh等[29]的研究結(jié)果也認(rèn)為，低磷供應(yīng)條件下s的降低并不是限制棉花n的主要因素，而可能是光合反應(yīng)位點(diǎn)的同化效率的降低造成的。然而，本研究并沒有探究Rubisco及其活化酶對(duì)CO2濃度升高和磷素虧缺的響應(yīng)機(jī)理。

本研究結(jié)果表明，CO2濃度升高導(dǎo)致較高磷水平下黑麥草WUE的增加，但卻使低磷水平下WUE降低，而大氣CO2濃度升高卻并未對(duì)不同供磷水平下的r產(chǎn)生顯著影響。因此，本文認(rèn)為，不同供磷水平下大氣CO2濃度升高對(duì)WUE的影響可能僅是由于黑麥草n的變化而造成的。相似地，Kimball等[30]的研究也發(fā)現(xiàn)，CO2濃度倍增提高WUE是由于n增大所致，而r的變化并不明顯，這與本研究的結(jié)論基本一致。然而，Lindroth等[31]的研究結(jié)果卻表明，高濃度CO2條件下葉片WUE的提高是n增加和r降低共同作用的結(jié)果。此外，劉亮等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高顯著提高玉米葉片WUE的主要原因是由于高濃度CO2抑制了葉片的蒸騰過程（r），而并未對(duì)n產(chǎn)生顯著影響。通常而言，大氣CO2濃度升高會(huì)導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度的降低[11]，同時(shí)減小單位葉面積上的蒸騰速率[22]。然而，CO2濃度升高還會(huì)引起植株冠層溫度的升高[30]，進(jìn)一步導(dǎo)致葉肉內(nèi)部蒸氣壓的增大，從而提高葉片的蒸騰速率。故此，本研究中由于高濃度CO2引起冠層增溫所導(dǎo)致葉片r的提高可能在一定程度上抵消了因氣孔導(dǎo)度降低而造成的r降低，最終表現(xiàn)為不同供磷水平下CO2濃度升高并未對(duì)r產(chǎn)生顯著影響。

4 結(jié) 論

本研究利用大型人工氣候箱探討了CO2濃度升高和磷素虧缺對(duì)黑麥草氣孔特征和氣體交換參數(shù)的影響機(jī)理，得到如下結(jié)論：

1）在較高供磷水平時(shí)（0.1和0.5 mmol/L），CO2濃度升高能夠使黑麥草的凈光合速率比正常CO2濃度顯著增加8.6%（=0.002）和25.9%（<0.001），且導(dǎo)致CO2濃度升高下0.5 mmol/L磷水平的黑麥草地上生物量相比低磷水平0.004 mmol/L提高約40%，表明未來(lái)氣候變化下黑麥草將得益于高濃度CO2的施肥效應(yīng)。

2）CO2濃度升高導(dǎo)致低磷水平（0.004 mmol/L）的黑麥草總生物量下降6.6%（=0.019），同時(shí)還使低磷水平0.004、0.02和0.06 mmol/L的黑麥草凈光合速率分別降低13.6%（=0.008）、19.8%（<0.001）和16.9%（<0.001），說明將來(lái)草原生態(tài)系統(tǒng)土壤磷虧缺可能會(huì)削弱CO2濃度升高對(duì)黑麥草產(chǎn)生的施肥效應(yīng)。

3）CO2濃度升高使低磷水平（0.012 mmol/L）的黑麥草葉綠素含量下降25.8%（=0.019）；相反，CO2濃度升高卻增加了較高磷水平（0.5 mmol/L）的葉綠素b含量47.9%（=0.006），同時(shí)導(dǎo)致黑麥草的凈光合速率提高25.9%（<0.001），暗示葉綠素b含量的變化可能介導(dǎo)了CO2濃度升高調(diào)控黑麥草對(duì)土壤磷虧缺的生理響應(yīng)過程。

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Effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of ryegrass

Zheng Yunpu1, Chang Zhijie1, Fan Xiaodong2, Zhang Yunxin1, Liu Liang1, Chen Wenna3, Liu Yuanyuan1, Hao Lihua1※

(1.,,056038,;2.,,712100,;3.,,056038,)

In order to further understand the potential mechanisms of grassland structure and function in response to soil phosphorus deficiency under future CO2concentration increase, we examined the effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of annual ryegrass with environmental growth chambers, where the CO2concentration was accurately controlled at 400mol/molor 800mol/moland meanwhile these grasses were fertilized with six phosphorus levels including 0.004 mmol/L (P0.004), 0.012 mmol/L (P0.012), 0.02 mmol/L (P0.02), 0.06 mmol/L (P0.06), 0.1 mmol/L (P0.1) and 0.5 mmol/L (P0.5). The results showed that: 1) The CO2concentration increase significantly decreased the stomatal density of plants under lower phosphorus levels, but increased the stomatal density of annual ryegrass grown at higher phosphorus levels (0.1 mmol/L and 0.5 mmol/L); Meanwhile, CO2concentration increase obviously decreased the stomatal openness of annual ryegrass, and made the spatial distribution pattern of stomata more regular when plants were grown at the phosphorus level of 0.06 mmol/L. 2) The CO2concentration increase substantially enhanced the net photosynthetic rates (n) of annual ryegrass treated with higher phosphorus levels (0.1 and 0.5 mmol/L), but reduced thenof plants subjected to lower phosphorus levels, and thus increased the water use efficiency (WUE) of annual ryegrass at high phosphorus levels. 3) The responses of chlorophyll contents to CO2concentration increase were different among the six phosphorus levels, and CO2concentration increase substantially changed the ratio of chlorophyll a/b at higher phosphorus levels. 4) The total plant biomass and allocation between aboveground and belowground were obviously changed by phosphorus deficiency, and CO2concentration increase featured CO2fertilization effect on the aboveground biomass of annual ryegrass at higher phosphorus levels. These results suggested that the responses of stomatal traits and leaf gas exchange efficiency to CO2concentration increase were obviously asymmetry between low and high phosphorus levels. These grasses under higher phosphorus levels optimized the leaf gas exchange efficiency by increasing the stomatal density and stomatal openness as well as regulating the spatial distribution pattern of stomata, and thus plants might benefit from CO2fertilization effect under CO2concentration increase. By contrast, annual ryegrass plants subjected to low phosphorus levels down-regulated the morphological traits of stoma and the regular pattern of distribution, and decreased leaf gas exchange efficiency of annual ryegrass to adapt the low phosphorus conditions under high CO2concentration. Our results may have significant importance on further understanding the potential mechanisms of grassland ecosystem structure and function in response to CO2concentration increase and phosphorus deficiency under future climate change.

photosynthesis; moisture; doubling CO2concentration; phosphorus deficiency; ryegrass; stomatal traits; water use efficiency

鄭云普，常志杰，范曉懂，等. CO2濃度升高和磷素虧缺對(duì)黑麥草氣孔特征及氣體交換參數(shù)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(18)：82-89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.010 http://www.tcsae.org

Zheng Yunpu, Chang Zhijie, Fan Xiaodong, et al. Effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of ryegrass[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 82-89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.010 http://www.tcsae.org

2020-12-14

2021-08-24

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（32071608）；河北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（E2021402031）；邯鄲市科技計(jì)劃項(xiàng)目（19422011008-47）

鄭云普，博士，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土工程及全球變化生態(tài)學(xué)。Email：zhengyunpu@hebeu.edu.cn

郝立華，博士，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土工程及作物水分生理生態(tài)學(xué)。Email：haolihua_000@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.010

S164.5

A

1002-6819(2021)-18-0082-08