CO2濃度升高條件下不同氮素水平對(duì)小葉章光合特性和生長(zhǎng)的影響

王建波，王繼豐，付曉玲，鐘海秀，劉贏男，倪紅偉

（1黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040；2黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150081）

0 引言

全球氣候變化已經(jīng)被科學(xué)家所證實(shí)，大氣CO2濃度升高是當(dāng)前全球氣候變化的一個(gè)主要因素[1]。自工業(yè)革命以來(lái)，由于化石燃料燃燒等人類活動(dòng)，大氣CO2濃度已經(jīng)增加了40%以上[2]，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末將達(dá)到700μmol CO2/mol[3]。CO2是植物光合作用的底物，其濃度升高必將影響到植物的光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育等多個(gè)過(guò)程。一般認(rèn)為，CO2濃度升高使植物葉片的光合速率升高。但對(duì)于不同的物種，在不同的生態(tài)環(huán)境條件下，增加的幅度不同。CO2濃度升高的初始階段將使植物的光合速率顯著增加，而后隨著時(shí)間的推移，其增加速率會(huì)逐漸減弱或漸漸消失，有的甚至出現(xiàn)“光合下調(diào)”現(xiàn)象[4]，也稱為“光合適應(yīng)”[5]，這與植物N素的供應(yīng)有著密切關(guān)系。例如，在高大氣CO2濃度下，植物在土壤氮素供應(yīng)較高時(shí)不發(fā)生光合適應(yīng)現(xiàn)象，這一方面可能與增施氮素調(diào)節(jié)了植物體內(nèi)C/N關(guān)系有關(guān)[6-7]，另一方面也與施氮可能增加了Rubisco等光合酶的含量和活性有關(guān)[8]。

氮是植物生長(zhǎng)所需要的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，在大多天然陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物的生長(zhǎng)發(fā)育都受到氮素營(yíng)養(yǎng)的限制。而全球N沉降也由1961年的14 Tg N/a增加到2000年的68 Tg N/a，預(yù)計(jì)到2050年全球N沉降量將達(dá)到200 Tg N/a[9]。以往對(duì)大氣CO2濃度升高和氮素營(yíng)養(yǎng)的研究多集中在栽培植物，且多集中在農(nóng)田[10-12]、森林[13-14]等生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究較少[15-16]。由于天然群落的復(fù)雜性，要真正了解不同氮素沉降程度下，CO2濃度升高對(duì)于植物所產(chǎn)生的影響以及植物對(duì)其作出的響應(yīng)，有必要在野外自然條件下進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究。

三江平原是中國(guó)面積最大、分布最為集中的濕地區(qū)，是具有重要代表性和國(guó)際意義的濕地生態(tài)系統(tǒng)[17]。已有研究指出氮素是濕地系統(tǒng)中最主要的限制性養(yǎng)分。目前，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中流失的氮素隨地表徑流、大氣沉降等多種途徑進(jìn)入濕地中[18]。為明確高大氣CO2濃度下濕地植物光合特性對(duì)不同氮量的響應(yīng)，本研究在野外原位條件下，以三江平原優(yōu)勢(shì)植物小葉章為研究對(duì)象，采用開(kāi)頂式氣室進(jìn)行不同CO2濃度處理，施用不同量的NH4NO3，研究小葉章氣體交換參數(shù)隨CO2升高處理時(shí)間延長(zhǎng)的變化；不同施氮量如何調(diào)控CO2濃度升高對(duì)小葉章光合生理特性和生長(zhǎng)的影響；探討長(zhǎng)期高大氣CO2濃度下小葉章葉片的光合參數(shù)及其氮素調(diào)控機(jī)制，這一工作以期為未來(lái)濕地植物應(yīng)對(duì)大氣CO2濃度升高提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)

本研究地區(qū)位于中國(guó)東北三江平原——洪河國(guó)家自然保護(hù)區(qū)，黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所三江平原濕地生態(tài)定位研究站內(nèi)(47°49′N、133°40′E)。三江平原是由黑龍江、松花江和烏蘇里江沖擊而成，地勢(shì)平坦，地面坡降小，土質(zhì)粘重，滲透困難，發(fā)育有淡水沼澤、沼澤化草甸、河流、湖泊等濕地類型。近年來(lái)由于氣候變化和大規(guī)模的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，區(qū)域降水量減少、地下水位下降，濕地退化嚴(yán)重。小葉章(Calamagrostis angustifolia)是三江平原典型草甸、沼澤化草甸的建群植物和優(yōu)勢(shì)植物，沼澤植被中的優(yōu)勢(shì)種、亞優(yōu)勢(shì)種或重要的伴生種，常伴生有毛果苔草(Carex lasiocarpa)、蘆葦(Phragmitescommunis)、狹葉甜茅(Glyceria spiculosa)、灰脈苔草 (Carex appendiculata)、二歧銀蓮花(Anemone vivularis)、五 脈 山 黧 豆 (Lathyrus quinqunervuius)等植物。

1.2 試驗(yàn)方法

采用開(kāi)頂式氣室(open top chamber,OTC)模擬大氣CO2濃度升高。OTC氣室為正八邊形棱柱狀，框架高1.8 m，頂45°角，邊長(zhǎng)1.5 m，框架之間為高透光鋼化玻璃構(gòu)成。充氣系統(tǒng)包括氣瓶（液態(tài)CO2，純度為99.9%）、流量計(jì)、鼓風(fēng)機(jī)和PVC管。PVC管（內(nèi)徑為7.5 cm）圍繞箱體一周，其高度隨植物生長(zhǎng)可進(jìn)行調(diào)整，PVC管朝箱體中央一側(cè)每隔1 cm開(kāi)直徑為0.1 cm的小孔。氣瓶排出的CO2在鼓風(fēng)機(jī)作用下通過(guò)PVC管上的小孔均勻分布在開(kāi)頂箱內(nèi)，通過(guò)流量計(jì)調(diào)節(jié)流量，使箱體內(nèi)形成相對(duì)均一的CO2濃度。在整個(gè)生長(zhǎng)季保持連續(xù)通氣，每天7:00—18:00充氣，雨天停止充氣。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理：高濃度CO2(700±20 μmol/mol，E2)、中濃度 CO2(550 ±20 μmol/mol，E1)和 背 景 CO2(380±20 μmol/mol，E0)。設(shè)置 3 個(gè)氮素供應(yīng)水平 N0[0 g/(m2·a)]、N1[4 g/(m2·a)]和 N2[8 g/(m2·a)，每個(gè)處理3次重復(fù)。因此，試驗(yàn)共計(jì)9個(gè)處理。根據(jù)天氣情況分別于CO2濃度處理0、25、52、72、86、112天測(cè)定氣體交換參數(shù)，于處理72天取樣測(cè)定葉片可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白含量，在處理86天測(cè)定小葉章株高等。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 光合參數(shù)測(cè)定 在每株小葉章上部選取完全伸展的、具有相似生理生態(tài)特征的葉片，用Li-6400便攜式光合系統(tǒng) (Li-Cor，Inc，美國(guó))于晴天9:00—11:00測(cè)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)。測(cè)定時(shí)采用CO2小鋼瓶控制葉片葉室 CO2濃度，E0、E1和 E2氣室測(cè)定時(shí)葉室 CO2濃度分別設(shè)置為380、550、700 μmol/mol。測(cè)定時(shí)利用內(nèi)置紅藍(lán)光源，光量子通量密度設(shè)置為1200 μmol/(m2·s)，葉室內(nèi)溫度設(shè)25℃。

1.3.2 可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白、氮素含量測(cè)定 于處理72天取樣測(cè)定葉片可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白、氮素含量。選取中上部完全展開(kāi)的功能葉作為測(cè)定材料；采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖和淀粉含量；采用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定可溶性蛋白含量；采用微量凱式定氮法測(cè)定氮素含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Sigmaplot 10.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和差異顯著性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同處理對(duì)小葉章氣體交換參數(shù)的影響

由圖1可知，不同處理小葉章凈光合速率隨著時(shí)間進(jìn)展均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。小葉章光合速率在72天達(dá)到最大值，而后各處理小葉章凈光合速率逐漸下降。N0和N1條件下的小葉章光合速率在處理25天之前表現(xiàn)為E1和E2顯著高于E0處理，說(shuō)明短期CO2濃度升高可以提高小葉章光合作用；此后E1、E2和E0兩者差距逐漸縮小，72天之后E1和E2條件下小葉章凈光合速率顯著低于E0；而N2條件下，E1和E2小葉章凈光合速率在72天后較E0條件下略微升高。

圖1 不同處理對(duì)小葉章凈光合速率的影響

具體而言，N0條件下，與 E0處理相比，E1和 E2處理的凈光合速率分別下降11%和12%(P＜0.05)；在N1條件下，E1和E2處理的凈光合速率分別下降5%(P＞0.05)和10%(P＜0.05)；在N2條件下，E1和E2處理凈光合速率有稍增加的趨勢(shì)，但變化不顯著（P＞0.05，表1）。說(shuō)明小葉章在CO2熏蒸一段時(shí)間后出現(xiàn)光合下調(diào)現(xiàn)象，而施加一定濃度的氮對(duì)小葉章氣體交換有一定的促進(jìn)作用。在3個(gè)CO2濃度下，施氮均增加了小葉章葉片凈光合速率。

表1 不同處理對(duì)小葉章氣體交換參數(shù)的影響

CO2熏蒸72天后，N0條件下，E1氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率較E0條件下降低15%(P＜0.05)和6%，E2二者則分別降低15%和13%(P＜0.05)；而N1條件下，E1處理氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率較E0條件下降低18%和5%，E2處理二者則分別降低14%和13%(P＜0.05)，相比較而言，N0和N1條件下，CO2濃度升高對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響更顯著；N2條件下，CO2升高條件下氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率與E0處理相比變化不顯著（P＞0.05，表1）。說(shuō)明施用高濃度的氮肥，一定程度會(huì)緩解CO2濃度升高對(duì)小葉章氣體交換參數(shù)的負(fù)效應(yīng)。

2.2 不同處理對(duì)小葉章可溶性蛋白、氮素、可溶性糖和淀粉含量的影響

由圖2a可知，N0條件下，E1和E2小葉章葉片可溶性蛋白含量較E0分別低7%和9%(P＜0.05)，E2處理差異達(dá)到顯著水平；N1條件下，E1和E2處理可溶性蛋白較E0分別增加7%和8%，但未達(dá)到顯著水平；N2條件下，E1和E2處理葉片可溶性蛋白含量較E0分別增加13%和18%(P＜0.05)，差異達(dá)到顯著水平。在相同CO2濃度下，施氮也顯著增加了小葉章葉片可溶性蛋白含量。CO2濃度升高顯著影響了小葉章葉片N素含量（圖2b）。N0條件下，E1和E2處理N素含量較E0處理分別降低了4%和9%(P＜0.05)；N1條件下，E1和E2處理小葉章葉片N素含量較E0處理顯著降低(P＜0.05)；N2條件下，E1和E2處理小葉章葉片N素含量較E0處理變化不大(P＞0.05)。

3個(gè)氮處理?xiàng)l件下，CO2濃度升高均促進(jìn)了小葉章葉片可溶性糖含量的增加（圖2c）。N0、N1和N2條件下，E1小葉章葉片可溶性糖含量較E0分別增加24%(P＜0.05)、6%和16%(P＜0.05)；E2葉片可溶性糖含量則較E0分別增加11%(P＜0.05)、3%和24%(P＜0.05)，除了在N1條件下未達(dá)到顯著水平，其余均達(dá)到顯著水平。3個(gè)氮處理?xiàng)l件下，CO2濃度升高對(duì)小葉章葉片淀粉含量影響均不顯著（圖2d）。

圖2 不同處理對(duì)小葉章葉片可溶性蛋白、N素含量、可溶性糖、淀粉含量的影響

2.3 不同處理對(duì)小葉章株高的影響

由圖3可見(jiàn)，N0條件下，E1和E2小葉章株高較E0處理降低9%和18%(P＜0.05)；而N1條件下，E1和E2小葉章株高較 E0降低 4%(P＜0.05)和 2%(P＞0.05)；N2條件下，二者株高則有稍增加的趨勢(shì)。在CO2濃度升高條件下，小葉章株高均隨著施氮量的增加而增加。

圖3 不同處理對(duì)小葉章株高的影響

3 結(jié)論與討論

通常情況下，短時(shí)間CO2濃度升高會(huì)促進(jìn)植物光合作用，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，CO2濃度升高對(duì)光合效率的積極作用會(huì)慢慢減弱，甚至出現(xiàn)光合適應(yīng)現(xiàn)象[19]。一般來(lái)說(shuō)，可利用養(yǎng)分(nutrient availability)在植物和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)CO2升高響應(yīng)過(guò)程中起著重要作用[20]。氮是生態(tài)系統(tǒng)中影響植物生長(zhǎng)的最重要因素。Sefcik等[21]研究發(fā)現(xiàn)，高CO2處理的植物發(fā)生光合適應(yīng)一般受到氮素限制，高氮會(huì)削弱植物在高CO2條件下的光合作用下調(diào)[6]。

本研究結(jié)果表明，CO2濃度升高短期內(nèi)可促進(jìn)小葉章光合作用，但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，未施氮條件下，CO2濃度升高處理第72天，CO2升高處理的凈光合速率顯著低于自然CO2濃度條件下小葉章的凈光合速率；而高氮條件下小葉章在CO2濃度升高條件中則未出現(xiàn)明顯的光合下調(diào)現(xiàn)象，這與Hymus[22]等的研究相似，即在N供應(yīng)缺乏時(shí)植物在富CO2下出現(xiàn)光合作用下調(diào)，而正常供N時(shí)，則未出現(xiàn)光合下調(diào)。

植物發(fā)生光合下調(diào)的機(jī)理目前還不十分清楚。一些研究表明，CO2濃度升高可能影響植物碳水化合物的匯和源間的平衡。當(dāng)碳水化合物的匯規(guī)模較小或碳水化合物的傳輸受限制，那么植物葉片可能就會(huì)積累過(guò)多碳水化合物，最終反饋抑制光合效率導(dǎo)致光合下調(diào)[23-25]。但也有研究認(rèn)為，終端光合產(chǎn)物合成速率是高CO2條件下植物光合作用下降的原因，淀粉大量積累不能成為植物光合下調(diào)的主要因素[26]。

本研究中，長(zhǎng)期CO2濃度升高條件下出現(xiàn)光合下調(diào)的小葉章其可溶性糖含量較自然CO2濃度增加，但未出現(xiàn)光合下調(diào)的小葉章葉片可溶性糖含量也顯著增加，這與趙光影等[15]的研究較一致，而與王曉等[13]的研究結(jié)果不同。有研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高處理不同物種、不同熏蒸時(shí)間植物葉片碳水化合物也有所差異。例如有研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高條件下，小麥葉片淀粉和可溶性糖含量未顯著增加[27]；CO2濃度升高對(duì)植物葉片可溶性糖含量的影響與季節(jié)變化和土壤營(yíng)養(yǎng)有關(guān)[28]。光合適應(yīng)并不總是與高濃度CO2條件下可溶性糖積累相伴出現(xiàn)[29]。本研究說(shuō)明光合下調(diào)的原因可能并不是由于光合產(chǎn)物積累的，可能是由于光合關(guān)鍵酶活性的降低影響光合作用。

Rubisco是葉片中最豐富的蛋白質(zhì)，占全部葉片（可溶性蛋白質(zhì)）的30%～50%，因此可溶性蛋白的降低在一定程度上可以表明Rubisco活性的下降[30]。本研究中，未施氮條件下，長(zhǎng)期CO2濃度升高條件下小葉章葉片可溶性蛋白含量顯著降低，因此推測(cè)出小葉章Rubisco含量也降低，進(jìn)而影響小葉章光合效率，最終表現(xiàn)為小葉章株高的下降。徐明儀[16]在相同CO2濃度栽培試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度處理24 h后的小葉章，其葉片有3個(gè)編碼rbc S的基因表達(dá)上調(diào)，這些基因表達(dá)水平的上調(diào)可以提高Rubisco的含量，進(jìn)而短期內(nèi)促進(jìn)了小葉章光合能力的提高。Takatani等[31]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期CO2濃度升高條件下編碼Rubisco的2個(gè)亞基(rbcS、rbcL)基因表達(dá)下調(diào)，最終影響光合作用。此外，也可能由于小葉章在高CO2濃度下，改變了調(diào)節(jié)光合適應(yīng)有關(guān)基因的表達(dá)或者加速葉片衰老，因此導(dǎo)致植物發(fā)生光合下調(diào)[32-33]。而高氮條件下可改善小葉章光合關(guān)鍵酶活性，調(diào)節(jié)長(zhǎng)期CO2濃度升高條件下對(duì)小葉章光合作用的影響，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

植物光合特性和生長(zhǎng)對(duì)于CO2濃度升高的響應(yīng)和適應(yīng)是復(fù)雜的，氮素對(duì)其的調(diào)控作用不僅存在物種之間的差異，而且可能受生物和非生物因素的影響，未來(lái)還需從植物碳氮代謝以及基因表達(dá)方面進(jìn)行長(zhǎng)期系統(tǒng)的研究。