施氮改變了三江平原濕地小葉章對 CO₂ 升高的生理響應(yīng)

關(guān)鍵詞： CO₂ 濃度升高；施氮；葉片氮；小葉章；光合作用中圖分類號：S718.5;S153;X131.1 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1001-9499（2025）04-0040-06

Nitrogen Application Changed the Physiological Response of Calamagrostis angustifolia to Elevated CO₂ in Sanjiang Plain Wetland

WANGJianboFUXiaoling LIU Yingnan ZHONGHaixiu** （Institute of Natural Resourcesand Ecology，Heilongjiang Academy ofSciences，HeilongjiangHarbin ）

AbstractAmbient or elevated CO₂ concentration （400，550 and 700μmol/mol ）andNapplication （O and 8gN/m²?y， ，low N，high N，respectively） were set up in an open-top chamber （OTC） to study the potential responses of Calamagrostis angustifolia in Sanjiang Plain wetland with different soil N availability.N application strongly increased leaf soluble protein content in different CO₂ treatments，increased leaf nitrogen content under elevated CO₂， and decreased leaf starch content and leaf C/N ratio under elevated CO₂ Elevated CO₂ concentration significantly reduced leaf nitrogen content under both CK and HN treatments.Nitrogen fertilization not only alleviated the decreaseofleaf nitrogen content，butalsomediated the increase of leaf C/N under elevated CO₂ In both CK and HN treatment， the net photosynthetic rate （Pn） in June increased under elevated CO₂， however，the increase of net photosynthetic rate was significantly higher in HN treatment than that in CK treatment.In July and August，Pn decreased with the increase of CO₂ concentration，which may be due to photosynthetic adaptation caused by long-term CO₂ fumigation. N applicationnotonlysignificantlydecreasedthe trend，butalsosignificantly increased leafnetphotosynthetic rate.Atthe end of the growing season，N fertilization significantly increased the biomass of plants growing in different CO₂ conditions，especiallyat

Key wordsNapplication; elevated CO₂ ；leafN;Calamagrostis angustifolia;photosynthesis

大氣中二氧化碳濃度升高和氮沉降一直是全球變化研究中的重要問題。大量研究表明， CO₂ 濃度升高或 CO₂ 升高與氮沉降互作均會對植物產(chǎn)生影響[1]。根據(jù)政府間氣候?qū)ｉT委員會（IPCC）預(yù)測，大氣 CO₂ 濃度將會在21世紀(jì)中期達到 500～700μmol/mol^[2] 而全球N沉降也由1961年的 14TgN/a 增加到2000年的 68TgN/a ，預(yù)計到2050年全球N沉降量將達到 200TgN/a^[3] 。

CO₂ 是植物光合作用的原料，大氣 CO₂ 濃度升高對植物的生長發(fā)育、形態(tài)結(jié)構(gòu)等均會產(chǎn)生一定的影響[4，5]。高 CO₂ 濃度下，植物會出現(xiàn)不同程度的氮含量降低，因此，植物對 CO₂ 濃度升高的響應(yīng)會因氮素不足而受到限制，而氮素充足會促進植物對高CO₂ 濃度的響應(yīng)。

在大多天然陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物的生長發(fā)育都受到氮素營養(yǎng)的限制。由于天然群落具有一定的復(fù)雜性，我們要探究 CO₂ 濃度升高對野外原位生長的植物所產(chǎn)生的影響以及植物對其作出的響應(yīng)，就有必要在野外自然條件下進行監(jiān)測和研究，以期能真實地揭示植物對外界環(huán)境變化所做出的響應(yīng)。三江平原是我國面積最大，分布最為集中的濕地區(qū)，是具有重要代表性和國際意義的濕地生態(tài)系統(tǒng)[6]。小葉章（Calamagrostis angustifolia）是禾本科拂子茅屬多年生根莖型草本植物，是三江平原典型草甸、沼澤化草甸的建群植物和優(yōu)勢植物。本研究旨在揭示不同 CO₂ 濃度處理和不同施氮條件下，野外原位生長的小葉章氣體交換、碳水化合物和生物量的響應(yīng)，以期為未來濕地植物應(yīng)對大氣CO₂ 濃度升高的研究提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地點和設(shè)計

試驗地位于中國東北三江平原—洪河國家自然保護區(qū)，三江平原濕地生態(tài)定位研究站內(nèi) （47^°49^′N，133^°40^′E） 。

該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫 1.9^qC ，無霜期120～125d，年均降水量 600mm 土壤類型主要為草甸土、腐殖沼澤土和泥炭沼澤土。在定位研究站內(nèi)選擇具有典型性和代表性的小葉章群落為研究對象，小葉章為建群種，蓋度達 80% 以上。群落高度為 80～110cm ，密度為600～900株 /m² 。常見的組成物種有球尾花（Lysimachiathyrsiflora）、漂筏苔草（Carexpseudocuraica）毛果苔草（Carexlasiocarpa）等。

采用開頂式氣室（open topchamber，OTC）模擬大氣 CO₂ 濃度升高。OTC氣室為正八邊形棱柱狀，框架高 1.8m ，頂 45^° 角，邊長 1.5m ，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 ，流量計、鼓風(fēng)機和PVC管。PVC管（內(nèi)徑為 7.5cm ）圍繞箱體一周，其高度隨植物生長可進行調(diào)整，PVC管朝箱體中央一側(cè)每隔 1cm 開直徑為 0.1cm 的小孔。氣瓶排出的 CO₂ 在鼓風(fēng)機作用下通過PVC管上的小孔均勻分布在開頂箱內(nèi)，通過流量計調(diào)節(jié)流量，使箱體內(nèi)形成相對均一的 CO₂ 濃度。整個生長季保持連續(xù)通氣，通氣時間為早6：00-晚6：00，雨天停止。在試驗期間采用紅外 CO₂ 分析儀監(jiān)測氣室內(nèi) CO₂ 濃度，通過調(diào)節(jié) CO₂ 鋼瓶流量使其濃度維持在目標(biāo) CO₂ 濃度內(nèi)。每年5月中旬選擇天氣晴朗的日子，直接在樣地采用花灑的方式噴施 NH₄NO₃ （純度 99.5% 來模擬氮沉降，并用PVC板進行防護，以防止氮素流失和對周圍環(huán)境的影響。試驗設(shè)置3個處理：高濃度 CO₂（700±20μmol/mol）. 、中濃度 CO₂ （550±20μmol/mol） 和背景 CO₂（400±20μmol/mol）_? 設(shè)置2個氮素供應(yīng)水平，對照 （CK，0g/m²?a） 施氮（HN，8g/m²?a） ，每個處理3次重復(fù)，共計6個處理。

1.2生理生化指標(biāo)測定

于 CO₂ 熏蒸72d，將不同處理的植物烘干樣品通過 2mm 篩研磨成粉末，用于C、N和碳水化合物測定。植物C含量采用TOC分析儀（德國，耶拿-2100S）進行測定;植物N含量采用微量凱式定氮法測定；可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮比色法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍染色法測定。

氣體交換參數(shù)的測定：氣體交換參數(shù)在6～8月中下旬進行，每月測定1次，每個OTC氣室選擇5株小葉章，在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）于晴天上午測定葉片凈光合速率 （P_n） 、氣孔導(dǎo)度 （G_s） 。測定時采用 CO₂ 小鋼瓶設(shè)置葉室 CO₂ 濃度。測定時利用內(nèi)置紅藍光源，光量子通量密度設(shè)置為 1 200μmol/m²?s 。

生物量測定：在生長季末，采用收獲法進行取樣，取樣面積為 10cm×10cm 。剪下地上植株，莖、葉分別裝袋；同時挖取地下 0～30cm 深土柱，用水沖洗干凈保留根系；根、莖、葉樣品放在 80^qC 烘箱內(nèi)烘至恒重。

1. 3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Sigmaplot10.0做圖，數(shù)據(jù)分析采用SPSS13.0forWindows軟件進行分析處理。葉片營養(yǎng)采用SPSS統(tǒng)計包分析CK和HN條件下的CO₂ 處理效應(yīng)。 CO₂ 濃度和葉片可溶性蛋白、葉片N， 淀粉和C/N比、以及 CO₂ 濃度和光合指標(biāo) P_n 和G_s 之間的關(guān)系均采用Pearson相關(guān)分析。生物量通過單因素方差分析，用Tukey'sHSD檢驗來分別決定CK和HN條件下 CO₂ 濃度處理的效應(yīng)。 CO₂ 濃度、施氮對葉片營養(yǎng)和生物量的單一或互作效應(yīng)，以及 CO₂ 濃度、施氮和取樣日期對 P_n 和 G_s 的效應(yīng)均通過多因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1葉片 N，C/N 比和碳水化合物

兩個氮處理條件下，隨著 CO₂ 濃度升高小葉章葉片N含量呈現(xiàn)降低的趨勢（圖 1，R²=0.99 plt;0.05 R²=0.99 plt;0.05 ）。CK條件下，可溶性蛋白含量隨著 CO₂ 濃度升高直線降低 （R²=0.99;plt;0.05） ；而高氮條件下，可溶性蛋白含量則隨著 CO₂ 濃度升高直線上升 （R²=0.98，p=0.05）380、550 和 700μmol/mol 下，HN處理葉片可溶性蛋白含量分別增加了 23.0% 、42.7% 和 59.6%（plt;0.05） 。CK和HN條件下，淀粉含量均隨著 CO₂ 濃度升高呈線性增加 （R²=0.98，plt;0.05 R²=0.99，plt;0.05 ，圖1）。在380、550和 下，施氮處理淀粉含量分別降低 10.84%，16.50% 和20.94%（plt;0.05） 。CK和HN條件下，葉片C/N均隨著 CO₂ 濃度升高而增加（ R²=0.99 plt;0.05 R²=0.99 plt;0.05， ，但是HN處理下的線性方程斜率比CK處理的斜率低的多（圖1）。同時，550和 CO₂ 濃度下，施氮處理葉片C/N比分別降低了3.5和7.1%（plt;0.05） （圖1）。

2.2 葉片氣體交換

葉片 P_n 和 G_s 均隨著 CO₂ 熏蒸時間（6～8月）延長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢（圖2.圖3）。6月 ?_Pn 在兩個氮處理條件下均隨著 CO₂ 升高而增加。CK條件下，隨著 CO₂ 濃度升高 P_n 呈線性增加趨勢；而HN條件下，則呈二次方程趨勢增加（圖2）。在7、8月，P_n 則隨著 CO₂ 濃度升高而降低。CK條件下， P_n 隨著CO₂ 濃度升高呈現(xiàn)二次方程降低，而HN條件下， P_n 則隨著 CO₂ 升高呈線性降低，這主要由于 CO₂ 濃度升高熏蒸時間長導(dǎo)致的“光合適應(yīng)\"現(xiàn)象。6月HN處理下， 700μmol/mol 下的 P_n 比CK處理下的 P_n 增加 15.2%（plt;0.05）;7.8 月HN處理下， 的 P_n 比CK處理下的 P_n 分別降低 10.9% 和 30.3% 0 _plt;0.05） 。 CO₂ 濃度、施氮和測定時間均對 P_n 有顯著的影響（ （Plt;0.01） ，而且 CO₂ 濃度升高和施氮之間、CO₂ 濃度和測定時間均有顯著影響。對于 G_s 而言，兩個氮處理條件下，所有測定時間， G_s 均和 CO₂ 濃度升高呈負相關(guān)關(guān)系（6月 plt;0.01，7 月和8月 plt;0.001） 。6、7月兩個氮處理 G_s 和 CO₂ 濃度升高之間線性方程斜率幾乎相等;然而，8月份，與CK處理相比，HN處理 G_s 隨著 CO₂ 濃度升高下降的更緩慢。 CO₂ 濃度、測定時間均對 G_s 有顯著的影響（圖3）。

2.3植物生物量

方差分析表明， CO₂ 濃度升高對莖、葉的生物量無顯著影響，但是對根的生物量和總的植物生物量有顯著影響。與本底大氣 CO₂ 濃度相比，CK條件下，550和 700μmol/molCO₂ 濃度下生長的小葉章根的生物量顯著降低 11.5% 和 28.8% ，總生物量顯著降低 12.5% 和 34.2% HN 條件下，根生物量則顯著降低 25.0% 和 37.3% ，總的生物量則顯著降低16.9% 和 26.9% 。施氮也對生物量有顯著的影響（plt;0.05） 。本底大氣 CO₂ 濃度下和 下，與低氮處理相比，HN處理根生物量分別增加了 28.9% 和 13.5% ；總生物量分別增加了 14.6% 和27.3（plt;0.05） 。

3討論

目前，很多研究表明 CO₂ 濃度升高會降低葉片氮濃度和氣孔導(dǎo)度，增加淀粉含量]，這與本研究相一致。本研究中，兩個氮處理條件下， CO₂ 濃度升高均降低了葉片氮含量；在 CO₂ 濃度升高條件下，與CK處理相比，HN處理顯著增加了葉片氮含量。另外，與CK處理相比，HN處理條件下 CO₂ 濃度升高導(dǎo)致的葉片N含量降低的速率，以及線性方程斜率均小得多（圖1）。葉片氮含量下降可能是由于氮可利用性比較低，以及 CO₂ 濃度升高抑制了硝酸鹽同化導(dǎo)致的[8-9]，這與本研究結(jié)果一致。但Li和Chen研究曾發(fā)現(xiàn)，高氮處理條件下植物葉片氮含量降低，是由于植物生物量增加而導(dǎo)致的稀釋效應(yīng)[10-11]，這與本研究結(jié)果不同，本研究中，兩個氮處理條件下， CO₂ 濃度升高條件下生物量均降低（圖4）。

一般來說， CO₂ 濃度升高降低了葉片氮含量，會導(dǎo)致葉片C、N失衡，因此葉片C/N比率隨著 CO₂ 濃度的升高而增加，而植物在生長發(fā)育過程中需要維持一定的C/N比率[I2]。本研究中，兩個氮處理條件下， CO₂ 濃度升高均增加了葉片C/N比。與CK處理相比，HN處理C/N比隨著 CO₂ 濃度升高的線性斜率顯著降低（圖1），表明施氮一定程度上會減輕CO₂ 濃度升高導(dǎo)致的葉片C、N失衡現(xiàn)象。植物C/N比增加也會相應(yīng)地增加植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累[13-14]，這在本研究中也得到了證實。兩個氮處理條件下，葉片淀粉含量隨著 CO₂ 濃度升高，而且HN處理的斜率顯著低于CK處理（圖1）。

有研究表明，在FACE系統(tǒng)里， CO₂ 濃度升高條件下， G_s 平均降低了 22% ，而氣孔密度無顯著變化。這表明氣孔開度對 CO₂ 濃度升高有所響應(yīng)，而氣孔密度卻無明顯變化[15]。本研究也證實， CO₂ 濃度升高條件下， G_s 均隨著 CO₂ 濃度升高而降低。與CK處理相比，6月和8月HN處理降低了 G_s"和CO₂"濃度之間線性關(guān)系的斜率，表明施氮一定程度上會改變小葉章 G_s"對 CO₂"濃度升高的響應(yīng)。

本研究中， CO₂ 濃度升高降低了葉片氣孔導(dǎo)度，尤其在HN條件下，但是 CO₂ 濃度升高卻增加了6月份小葉章的光合碳積累（圖2），這與以前的研究類似[1]。而在7和8月份， CO₂ 濃度升高卻降低了植物凈光合速率，這可能是由于長期 CO₂ 濃度升高導(dǎo)致小葉章發(fā)生了“光合適應(yīng)\"現(xiàn)象[17]。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物在高大氣 CO₂ 濃度下生長，但在本底大氣 CO₂ 濃度下測定， CO₂ 濃度的變化會低估植物的凈光合速率[18]。本實驗中凈光合速率均是在本底大氣 CO₂ 濃度下測定，因此可能會導(dǎo)致 CO₂ 升高背景下凈光合速率的低估。盡管如此，6月份，CK處理 P_n 隨著 CO₂ 濃度線性升高，而在HN下則呈二次方程趨勢增加；而隨著熏蒸時間的延長，在7和8月份，不同氮處理下小葉章 P_n 隨著 CO₂ 濃度升高降低，CK處理小葉章 P_n 與 CO₂ 濃度呈二次方程關(guān)系，HN處理則呈直線相關(guān)，這些均表明施氮會改變小葉章對 CO₂ 濃度升高的響應(yīng)。

以往普遍認為， CO₂ 濃度升高會增加光合速率，但較低氮可利用性會限制生物量增加[9]。例如，Chen研究曾發(fā)現(xiàn)，低氮限制了木荷幼苗 CO₂ 升高背景下的生物量累積，而高氮則顯著增加了總生物量[11]，這與本研究的結(jié)果不同。本研究中，土壤全氮含量為 0.2% ，相對很低，CK和HN處理均降低了 CO₂ 升高條件下的生物量，造成這種差異的原因可能由于年施加 8gN/m² 土壤氮含量仍然較低，不足以促進生物量的增加，因此，CK和HN處理條件下， CO₂ 升高背景下生物量均呈下降的趨勢。但趙光影栽培試驗曾發(fā)現(xiàn)，與低氮處理下生長的小葉章相比 （5gN/m²） ）， 700ppm 下生長的小葉章，高氮（ 15gN/m². 處理顯著增加了其生物量[20]。

4結(jié)論

CO₂ 濃度升高降低了小葉章葉片氮含量，施氮不僅增加小葉章葉片氮含量，而且施氮也減緩了葉片氮和 CO₂ 濃度之間關(guān)系的斜率。與CK處理相比，HN不僅降低了葉片C/N，也降低了葉片C/N和 CO₂ 濃度之間關(guān)系的斜率，表明施氮調(diào)節(jié)了 CO₂ 升高背景下葉片C和N之間的失衡效應(yīng)。施氮還調(diào)節(jié)了小葉章 P_n 和 G_s 對 CO₂ 濃度升高的響應(yīng)，表明在氮可利用性較低的地點施氮，會改變植物光合和氣孔導(dǎo)度的響應(yīng)，進而會改變植物生物量。值得一提的是，本研究HN條件下， CO₂ 濃度升高也降低了植物生物量，這可能是由于本底土壤N濃度很低，施加 8gN/m² 氮仍不足以促進植物生物量的增加。本試驗是野外原位控制試驗，盡管僅持續(xù)一個生長季，但仍然表明多因素的全球變化（ CO₂ 濃度升高和氮沉降）對植物生長可能會有重要的影響，未來有必要進行控制試驗和野外原位試驗相結(jié)合的方式，尤其對多因子共同作用方面的研究。

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