黃龍山林區(qū)不同演替時期典型樹種光誘導(dǎo)的氣孔動力學(xué)研究

趙霖玉，李秧秧

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西楊陵 712100；2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西楊陵 712100)

光是影響氣孔開閉的主要環(huán)境因子。自然界中植物由于葉片遮擋、云層覆蓋和太陽傾角的變化，用于光合作用的光量子強(qiáng)度(PPFD)一直在發(fā)生變化。在弱光→強(qiáng)光誘導(dǎo)的氣孔開放過程中，氣孔導(dǎo)度(gs)對光強(qiáng)變化的響應(yīng)通常比光合速率(A)慢一個數(shù)量級，從而導(dǎo)致gs直接限制A；而在強(qiáng)光→弱光誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉過程中，慢速氣孔關(guān)閉導(dǎo)致水分的無效損失，最終影響植物的生產(chǎn)力和水分利用效率[1-3]。因此，加快光誘導(dǎo)過程中g(shù)s的響應(yīng)可能是提高植物生產(chǎn)力和水分利用效率的一條有效途徑。

不同物種[3-5]、同一物種不同基因型[6-9]或同一物種不同生長發(fā)育階段[10]光誘導(dǎo)的gs動力學(xué)響應(yīng)過程存在明顯差異。此外，植物生長的環(huán)境條件，如土壤水分、光照、大氣CO2濃度和相對濕度等亦影響其光誘導(dǎo)的gs動力學(xué)響應(yīng)過程[7-8,10-11]。目前，關(guān)于植物光誘導(dǎo)的gs動力學(xué)變化機(jī)制并不清楚，一般認(rèn)為gs響應(yīng)快慢與氣孔特征(如保衛(wèi)細(xì)胞類型、氣孔密度和大小等)有密切的關(guān)系。具有啞鈴型保衛(wèi)細(xì)胞的植物其gs響應(yīng)速率快于具有腎形保衛(wèi)細(xì)胞的植物[3]，斑克木屬植物中具有小氣孔和高氣孔密度的植物種具有更高的gs增加速率，且小氣孔種達(dá)到響應(yīng)幅度50%所需的時間更短[4]。但氣孔特征無法解釋在一系列植物上發(fā)現(xiàn)的氣孔關(guān)閉速率和氣孔大小無關(guān)[5,12]及具有腎形保衛(wèi)細(xì)胞的不同物種間氣孔動力學(xué)的差異[3]，這表明其他因素，如保衛(wèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)(如細(xì)胞骨架和細(xì)胞壁彈性)及生物化學(xué)因素(如轉(zhuǎn)運(yùn)體或離子通道的數(shù)量和活性等)等可能在光誘導(dǎo)的gs動力學(xué)反應(yīng)中起著十分重要的作用。

光和水分是影響黃土高原地區(qū)植被演替的主要因素，研究表明，植被演替早期種一般具有高的光合速率和水分利用效率(WUE)[13-15]，盡管也有相反的報道[16]。這種高光合速率和高WUE有利于演替早期種進(jìn)行快速生長及適應(yīng)演替早期開放的光環(huán)境。演替早期種高的WUE是否與其快速的光誘導(dǎo)氣孔動力學(xué)有關(guān)尚不清楚。對熱帶雨林2種演替早期種和9種演替后期種光誘導(dǎo)氣孔動力學(xué)的研究表明，2種演替早期樹種的氣孔開放速率和T50%(達(dá)到穩(wěn)態(tài)氣孔導(dǎo)度50%所需時間)分別為0.06～0.26 mmol·m-2·s-2和5～14 min，而9種演替后期種的氣孔開放速率和T50%分別為0.06～0.12 mmol·m-2·s-2和5～17 min，不同演替位樹種的氣孔開放速率和T50%存在重疊，并未因演替位的不同而存在差異[17]。在受水分限制的黃土高原地區(qū)植被演替中演替早期種和后期種的氣孔動力學(xué)是否亦如此尚不清楚。為此，本研究對黃土高原黃龍山林區(qū)3種不同演替階段樹種幼苗光誘導(dǎo)的氣孔動力學(xué)進(jìn)行了探討，試圖回答以下問題：1)不同演替階段樹種光誘導(dǎo)的氣孔動力學(xué)參數(shù)是否存在差異？ 2)這種動力學(xué)參數(shù)差異是否與其氣孔特征有關(guān)？ 3)不同樹種光誘導(dǎo)的氣孔動力學(xué)差異是否可以解釋其水分利用效率的差異？ 對這些問題的回答，有助于闡釋黃土高原地區(qū)不同演替階段樹種水分利用效率差異的生理基礎(chǔ)，從而為半干旱區(qū)樹種選擇和水分調(diào)控提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用樹種為黃龍山林區(qū)演替早期種山楊(Populusdavidiana)和白樺(Betulaplatyphylla)以及演替后期種遼東櫟(Quercusliaotungensis)的實(shí)生苗，采用盆栽試驗(yàn)，在陜西楊陵西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所盆栽試驗(yàn)場進(jìn)行。2021年3月下旬在陜西黃龍縣蔡家川林場挖取3種樹種的實(shí)生苗(1～3年生)，每種樹種大約15株，帶回到西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所。挑選生長均一的實(shí)生苗栽植于塑料盆中，試驗(yàn)用土為蔡家川林場林地表層土壤，其土壤容重、有機(jī)質(zhì)、全N、堿解N和Olsen-P含量分別為1.26 g·cm-3、12.56 g·kg-1、1.05 g·kg-1、78.26 mg·kg-1和30.5 mg·kg-1。土壤經(jīng)風(fēng)干、粉碎過篩后裝入塑料盆(上底內(nèi)徑28.5 cm、下底內(nèi)徑21.0 cm、高24.5 cm)，每盆裝土14 kg，栽植樹苗1株，每個樹種栽植10盆。3種樹種幼苗于2021年3月25日栽種，然后澆水至田間最大持水量。山楊和白樺4月初開始萌發(fā)生長，遼東櫟4月中旬開始萌發(fā)生長。在生長過程中，土壤含水量一直維持在田間持水量的75%～85%，每隔2周，用Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行養(yǎng)分補(bǔ)充，每次補(bǔ)充500 mL完全Hoagland營養(yǎng)液。于2021年6月20日(生長約2個多月后)每個樹種挑選無病蟲害的健康株8株，對冠層上部完全展開的成熟葉進(jìn)行氣孔導(dǎo)度動力學(xué)、氣孔特征、光合能力和碳同位素分辨率(δ13C)等的測定。

1.2 測定項(xiàng)目及方法

1.2.1 氣孔導(dǎo)度動力學(xué)參數(shù)使用LI-6400便攜式光合作用系統(tǒng)(Li-COR, Lincoln, USA)測定最上部完全展開葉的氣孔導(dǎo)度動力學(xué)參數(shù)。植物在室內(nèi)恒定環(huán)境下提前適應(yīng)一晚，整個測量過程按照McAusland等[3]的光誘導(dǎo)方法，涉及從弱光→強(qiáng)光誘導(dǎo)的氣孔開放過程和從強(qiáng)光→弱光誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉過程。即葉片先在100 μmol·m-2·s-1PPFD下平衡至A和gs達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(一般持續(xù)0.5 h)，然后將光強(qiáng)增加到1 200 μmol·m-2·s-1持續(xù)測定1 h后，再返回至100 μmol·m-2·s-1直至新的穩(wěn)定狀態(tài)(0.5 h左右)。測定時葉室條件設(shè)置為：葉溫25 ℃，CO2濃度400 μmol·mol-1，相對濕度60%。整個測定過程在生長箱中進(jìn)行，使用自動打點(diǎn)每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)。考慮到植株晝夜生理節(jié)律的影響，所有測量均在8:00～15:00之間進(jìn)行。每個處理重復(fù)4次。

1.2.2 氣孔解剖特征測量完葉片氣體交換參數(shù)后的葉片用來進(jìn)行氣孔解剖特征的測定，采用指甲油印跡法制成臨時裝片保存?zhèn)溆茫恳黄~下表面2個裝片。用顯微數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖片拍攝，每個裝片觀察4個視野，用Image J軟件測量；氣孔密度(SD)和表皮細(xì)胞密度的觀測在100×鏡下進(jìn)行，氣孔長(保衛(wèi)細(xì)胞長度，SL)、氣孔寬(垂直于氣孔長的保衛(wèi)細(xì)胞最大寬度，SW)和氣孔面積(SA)的觀測在400×鏡下進(jìn)行，每片葉下表面氣孔形態(tài)特征的觀測不少于60個氣孔。依據(jù)測定數(shù)據(jù)計算氣孔指數(shù)[SI，氣孔密度/(氣孔密度+表皮細(xì)胞密度)×100%][7]，表征氣孔數(shù)占葉表面細(xì)胞總數(shù)的百分比。

1.2.3 葉片光合能力及δ13C值在剩余4株中與葉氣體動力學(xué)參數(shù)測定相同位置選擇葉片，進(jìn)行CO2響應(yīng)曲線測定。CO2由LI-6400光合儀攜帶的小氣瓶提供，其設(shè)置梯度為400、300、200、100、50、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500和1 800 mol·mol-1，測定前先在飽和光強(qiáng)下誘導(dǎo)30 min，測定過程中維持光強(qiáng)1 200 μmol·m-2·s-1，葉溫大約25 ℃，相對濕度50%～60%。利用Sharkey等的方法[18]求得最大羧化速率(Vcmax)和最大電子傳遞速率(Jmax)，連同大氣CO2濃度下(400 μmol·mol-1)的光合速率(Aair)來表征植物葉片的光合能力。測定結(jié)束后采集葉片掃描測量葉面積，然后在75 ℃下烘干至恒重，稱其干重，葉干重與葉面積之比即為比葉重(LMA)。烘干樣粉碎過篩后，用MAT-251型質(zhì)譜儀(美國Finnigan公司)測定葉片的13C/12C比，并以PDB(Pee Dee Belemnite)為標(biāo)準(zhǔn)計算葉片δ13C，質(zhì)譜儀分析精度為±0.2‰。所有測定重復(fù)4次。質(zhì)譜儀測定的葉片δ13C可間接反映C3植物水分利用效率的大小，該值越大，葉長期水分利用效率越大。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 氣孔導(dǎo)度動力學(xué)模型及參數(shù)采用常用的指數(shù)曲線對氣孔的開放與關(guān)閉過程進(jìn)行模擬[18]：

氣孔開放過程：gs=gsmax+(gsmin-gsmax)e-t/Ki

(1)

氣孔關(guān)閉過程：gs=gsmin+(gsmax-gsmin)e-t/Kd

(2)

其中：gs為擬合的氣孔導(dǎo)度，gsmin與gsmax分別為最小和最大穩(wěn)態(tài)gs值，Ki和Kd分別為氣孔開放和氣孔關(guān)閉過程中的時間常數(shù)(即達(dá)到gs變異幅度63%所需時間)，gsmax-gsmin為氣孔開放和氣孔關(guān)閉過程中g(shù)s的變化幅度(Δgsi和Δgsd)，e為歐拉常數(shù)。用Vialet-Chabrand等提供的Excel菜單[19]對氣孔動力學(xué)過程進(jìn)行模擬。

1.3.2 統(tǒng)計分析用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。處理之間gs動力學(xué)參數(shù)、氣孔解剖結(jié)構(gòu)及葉光合能力、葉δ13C值之間的差異顯著性用單因素方差分析，若單因素方差分析達(dá)到顯著后，用Tukey法進(jìn)行處理之間差異顯著性的多重比較(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同演替時期樹種光誘導(dǎo)的氣孔動力學(xué)

圖1顯示，3種樹種光誘導(dǎo)的氣孔導(dǎo)度動力學(xué)曲線變化趨勢較相似；氣孔開放過程中山楊和白樺氣孔導(dǎo)度增加速率明顯超過遼東櫟，且達(dá)到最大值后存在一定程度的下降，而遼東櫟這種過飽和現(xiàn)象較弱；遼東櫟氣孔關(guān)閉最先達(dá)到穩(wěn)態(tài)，其次是白樺，而山楊最晚達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

進(jìn)一步對圖1氣孔導(dǎo)度動力學(xué)過程進(jìn)行模擬獲得相應(yīng)參數(shù)(圖2)。其中，在弱光→強(qiáng)光誘導(dǎo)的氣孔開放過程中，3個樹種的時間常數(shù)(Ki)和氣孔導(dǎo)度響應(yīng)幅度(Δgsi)均存在顯著差異，具體表現(xiàn)為：山楊和白樺的Ki顯著低于遼東櫟，但Δgsi顯著大于遼東櫟，而山楊和白樺間的Ki及Δgsi均無顯著差異。在強(qiáng)光→弱光誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉過程中，山楊和白樺氣孔關(guān)閉的時間常數(shù)(Kd)均顯著大于遼東櫟，且山楊和白樺間無顯著差異；山楊的氣孔導(dǎo)度響應(yīng)幅度(Δgsd)顯著大于白樺和遼東櫟，后兩者無顯著差異。山楊和白樺的Kd/Ki均接近1，并顯著高于遼東櫟，表明它們的氣孔開放與關(guān)閉的時間相當(dāng)，呈現(xiàn)出近似對稱的響應(yīng)；而遼東櫟Kd/Ki遠(yuǎn)小于1，表明氣孔關(guān)閉時間遠(yuǎn)快于氣孔開放時間，呈現(xiàn)出明顯的不對稱響應(yīng)。

2.2 不同演替時期樹種的葉氣孔解剖特征

3種樹種葉片均只有下表面具有氣孔。從表1可知，山楊和白樺的氣孔密度顯著低于遼東櫟，兩者的氣孔密度僅分別為遼東櫟的19.7%和32.7%；3種樹種氣孔長表現(xiàn)為山楊>白樺>遼東櫟，且三者之間均存在顯著差異；3種樹種氣孔寬度和氣孔面積均表現(xiàn)為山楊和白樺顯著大于遼東櫟，且山楊和白樺之間無顯著差異；3種樹種氣孔指數(shù)則表現(xiàn)為山楊<白樺<遼東櫟，且三者之間均存在顯著差異。以上結(jié)果說明演替后期種遼東櫟表現(xiàn)出氣孔密度大、氣孔小和氣孔指數(shù)大的特點(diǎn)。

灰色部分為100 mol·m-2·s-1的弱光，白色部分為1 200 mol·m-2·s-1的強(qiáng)光圖1 3種樹種光誘導(dǎo)的氣孔導(dǎo)度動力學(xué)曲線Grey and white color correspond to 100 and 1 200 mol·m-2·s-1 PPFD, respectivelyFig.1 Light-induced stomatal conductance dynamics in three typical species

2.3 不同演替時期樹種的葉光合能力與長期水分利用效率

表2顯示，3種樹種的葉面積并無顯著差異；遼東櫟的比葉質(zhì)量最高并顯著高于白樺，但與山楊之間無顯著差異，而山楊的比葉質(zhì)量與白樺之間也無顯著差異。演替早期種山楊和白樺的光合速率、最大羧化效率和最大電子傳遞速率顯著高于演替后期種遼東櫟，且山楊的最大光合速率與最大電子傳遞速率顯著高于白樺。3種樹種的葉δ13C值之間均存在顯著性差異，表現(xiàn)為山楊>白樺>遼東櫟。以上結(jié)果提示相對于演替后期種遼東櫟，演替早期種山楊和白樺具有更高的光合能力和長期水分利用效率。

不同小寫字母代表處理間在0.05水平下差異顯著，下同圖2 3種樹種氣孔開放和氣孔關(guān)閉過程中光誘導(dǎo)的氣孔導(dǎo)度動力學(xué)參數(shù)The different normal letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level. The same as below.Fig.2 Dynamic parameters of stomatal conductance during light-induced stomatal opening and closing in three species

表1 3種樹種葉的氣孔解剖特征

表2 3種樹種葉光合能力與δ13C值

3 討 論

3.1 不同演替時期樹種光誘導(dǎo)的氣孔導(dǎo)度動力學(xué)參數(shù)間差異

本研究結(jié)果表明：在光誘導(dǎo)的氣孔開放過程中，演替早期種山楊和白樺氣孔開放明顯快于演替后期種遼東櫟，而氣孔關(guān)閉過程則相反，演替后期種遼東櫟的氣孔關(guān)閉更快。一般認(rèn)為，氣孔的快速開放有助于葉快速達(dá)到最大光合速率，從而減輕氣孔開放過程中氣孔導(dǎo)度對光合作用的限制，而氣孔關(guān)閉過程中快速的氣孔關(guān)閉則有助于保持水分，從而減輕碳攝取降低時水分的無效消耗[3,6,10]。本研究中，演替早期種山楊和白樺一般生長在山坡底部，土壤水分條件較好且具有高的光合速率，因而快速的氣孔開放反應(yīng)有助于減輕氣孔開放過程中的氣孔限制，同時一定程度上補(bǔ)償了演替早期種高蒸騰導(dǎo)致的水力梯度增大的缺陷[4]，反映了演替早期種對演替早期變化的光環(huán)境的適應(yīng)性。演替后期種遼東櫟一般生長在水分限制的山坡上，因而快速的氣孔關(guān)閉有助于維持水分。

植物氣孔開放和氣孔關(guān)閉的速率不同，一些植物氣孔關(guān)閉快于氣孔開放，如在McAusland等研究[3]的15種植物中，有7種的Kd顯著小于Ki，在禾本科植物水稻[6]和小麥[10]也發(fā)現(xiàn)氣孔關(guān)閉比氣孔開放快，這種不對稱性可能與這些植物水分保持優(yōu)先于碳同化的策略有關(guān)。演替早期種山楊和白樺Kd/Ki值接近于1，氣孔開放與氣孔關(guān)閉快慢相近，可能與其生境中水分相對充足，植物優(yōu)先碳同化來維持高生長速率有關(guān)，遼東櫟氣孔低的Kd/Ki值表明其在受水分限制的植被演替過程中，選擇了保水優(yōu)先于CO2攝取的策略，這種策略有助于增加其對長期水分虧缺的適應(yīng)。

3.2 不同演替時期樹種氣孔動力學(xué)參數(shù)和氣孔解剖特征之間的關(guān)系

由于研究的物種少(n=3)，我們無法建立物種間氣孔動力學(xué)參數(shù)與氣孔解剖特征間的相關(guān)關(guān)系。前人研究表明：氣孔密度大、氣孔小及氣孔指數(shù)高的物種其氣孔反應(yīng)更快[4,17]。從本研究看，演替后期種遼東櫟氣孔密度大、氣孔小且氣孔指數(shù)高，但其氣孔開放最慢。其次，山楊和白樺的氣孔長和氣孔指數(shù)也具有一定差異，但二者氣孔開放和氣孔關(guān)閉快慢并無顯著差異。因而我們認(rèn)為，氣孔特征之間的差異可能不是影響3種物種間氣孔動力學(xué)快慢的主要因素，其他因素如副衛(wèi)細(xì)胞數(shù)量和大小、葉生物化學(xué)、離子通道相關(guān)基因表達(dá)等可能影響更大[2,20]。

3.3 不同演替時期樹種氣孔動力學(xué)參數(shù)與水分利用效率間關(guān)系

氣孔動力學(xué)研究顯示：演替早期種山楊和白樺的氣孔開放快于遼東櫟，而氣孔關(guān)閉過程中遼東櫟的氣孔關(guān)閉更快。演替早期種山楊和白樺同時具有更高的光合能力。快速的氣孔開放有助于植物利用光斑，從而最大化光合作用[21]，但在小麥上的研究表明穩(wěn)態(tài)光合能力與氣孔開放和關(guān)閉的時間常數(shù)呈正相關(guān)，即穩(wěn)態(tài)光合能力越強(qiáng)，氣孔開放越慢，穩(wěn)態(tài)光合能力與氣孔開閉快慢之間存在一種妥協(xié)關(guān)系[10]。本研究中演替早期種山楊和白樺快速的氣孔開放可能有助于其取得更高的光合能力，但其慢速的氣孔關(guān)閉則增加了氣孔關(guān)閉過程中的蒸騰耗水，不利于水分利用效率的提高。葉片長期水分利用效率與氣孔開放與關(guān)閉過程中光合速率和蒸騰速率變化均有關(guān)，盡管山楊和白樺氣孔關(guān)閉過程中失水增加，但氣孔開放過程中光合增加，導(dǎo)致其具有更高的水分利用效率。一些研究認(rèn)為：快速的氣孔關(guān)閉有助于保持水分，從而提高葉器官水平水分利用效率[3,6,10]，但從本研究看，遼東櫟快速的氣孔關(guān)閉反應(yīng)并未增加其水分利用效率，相反其長期水分利用效率低于山楊和白樺，原因可能與遼東櫟慢速的氣孔開放限制了其光合速率有關(guān)。

植物葉長期水分利用效率不僅與動態(tài)光強(qiáng)下氣孔的反應(yīng)有關(guān)，與穩(wěn)態(tài)光下氣孔的反應(yīng)亦有關(guān)。在火炬松 (Pinustaeda)上的研究表明：動態(tài)光下慢速的氣孔導(dǎo)度響應(yīng)對總的日蒸騰速率、碳同化及水分利用效率影響不大[22]，說明穩(wěn)態(tài)光下氣孔的反應(yīng)可能更重要。此外，葉水分利用效率也受氣孔對其他因素，如土壤水分、溫度、蒸汽壓虧缺和風(fēng)等敏感性的影響。因此，今后需要通過氣孔對環(huán)境因子的綜合響應(yīng)研究，以揭示3種植物氣孔調(diào)節(jié)和葉水分利用效率差異的生理機(jī)制。