石連旋，于文若，蔣 章，郭繼勛

（1.東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所，吉林 長春 130024；2.吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130012）

大氣CO2濃度升高和其他溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變暖，預(yù)計(jì)21世紀(jì)末全球平均氣溫將增加1.8℃～4.0℃［1］.同時，由于化石燃料燃燒和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的不合理使用，向大氣排放的含氮化合物逐漸增加，引起大氣氮沉降成比例增加.據(jù)估計(jì)，到2050年氮沉降量將增加到200億t／a.全球氣候變化的影響及適應(yīng)研究不僅將成為今后一個時期內(nèi)科學(xué)研究的重點(diǎn)，而且會成為國際社會關(guān)注的焦點(diǎn)［2－3］.

植物外部形態(tài)和內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)對氣候變化的響應(yīng)，是群落結(jié)構(gòu)、群落生物量、生產(chǎn)力以及植物光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等發(fā)生變化的原因和基礎(chǔ)［4］.目前，國內(nèi)外對于氣候變暖與氮素沉降的研究大部分集中在森林生態(tài)系統(tǒng)中，對草原生態(tài)系統(tǒng)的研究也多集中于對植物光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等的影響，以及對群落結(jié)構(gòu)、群落生物量及生產(chǎn)力、物種多樣性、土壤及植物中礦質(zhì)元素含量、土壤微生物量影響等方面［5－6］，而全球氣候變暖與氮素沉降對植物外部形態(tài)以及內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)影響的研究鮮見報(bào)道.

本實(shí)驗(yàn)以松嫩草地的優(yōu)勢植物蘆葦為研究材料，在野外自然狀態(tài)下，人工模擬增溫、施氮控制實(shí)驗(yàn)，觀察、測定了植物外部形態(tài)以及內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的變化情況，探討了返青期植物形態(tài)結(jié)構(gòu)對于全球氣溫升高和氮素沉降的變化趨勢，進(jìn)而揭示了草原植物在形態(tài)結(jié)構(gòu)方面對于全球氣候變化做出的響應(yīng)過程.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在松嫩草地選取地勢平坦、植被均勻、具有代表性的地段設(shè)置144m2樣地，劃分為12個4m×3m的小區(qū)，各小區(qū)四周間隔3m.其中6個小區(qū)進(jìn)行增溫模擬實(shí)驗(yàn)：采用紅外線加熱儀（infrared radiator，USA）實(shí)施增溫處理，燈管為南北方向，距地面2.25m；地表增溫幅度為（1.7±0.1）℃，溫度處理保持終年實(shí)施；其他6個小區(qū)設(shè)為對照.同時，每個小區(qū)一半施氮（10g／m2），一半不施氮，氮肥采用分析純硝酸氨，每年施肥一次.本研究共設(shè)置4實(shí)驗(yàn)處理，增溫（W）、施氮（N）、增溫＋施氮（WN）、對照（CK），每個實(shí)驗(yàn)處理6次重復(fù).實(shí)驗(yàn)設(shè)備于2004年安裝，開始進(jìn)行增溫、施氮模擬處理實(shí)驗(yàn).

1.2 取樣方法及實(shí)驗(yàn)樣品的前處理

于2010年和2011年的5月初蘆葦返青期取樣，每個相同處理的小區(qū)分別取蘆葦5株，共取30株.為防止破壞樣地土壤環(huán)境，只取蘆葦?shù)厣喜糠旨辞o、葉.取樣時，選擇蘆葦每個植株上發(fā)育成熟、位于中間節(jié)位的葉片，剪成長4～5mm、寬2～3mm的小片，放入標(biāo)準(zhǔn)FAA固定液（50%乙醇90mL＋冰醋酸5mL＋甲醛5mL）中固定保存［7］.

1.3 植株外部形態(tài)測量

對蘆葦外部形態(tài)特征（莖長、葉數(shù)、節(jié)數(shù)，葉長、葉寬）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測量.其中莖長是蘆葦最上端葉片的頂端到根莖分界處的長度；葉寬是植株成熟葉片最寬處的寬度.

1.4 顯微切片制作

采用改進(jìn)的植物石蠟切片方法制作顯微切片［7－9］.利用Motic BA400型（麥克奧迪公司生產(chǎn)）生物顯微鏡對葉的維管束大小（蘆葦?shù)木S管束近似橢圓形，所以采用測量橢圓形的方法測量，指標(biāo)包括橢圓形的長半軸、短半軸、面積、周長）以及氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的長度、寬度、氣孔下腔面積進(jìn)行測量；周長的測量利用Motic Images 2000.

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Sigma Plot和SPSS 16.0（SPSS，Chicago，Illinois，USA）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 增溫、施氮處理對蘆葦高度和節(jié)數(shù)的影響

增溫、施氮及增溫＋施氮處理均增加了蘆葦返青期植株的高度（見圖1），3種實(shí)驗(yàn)處理之間不存在顯著差異，而與對照組間顯著差異（P＜0.05）.3種實(shí)驗(yàn)處理均使蘆葦植株節(jié)數(shù)平均值有所增加，與對照相比，施氮處理的增加效果顯著（P＜0.01），增溫、增溫＋施氮的處理差異未達(dá)顯著水平（P＞0.05）.

2.2 增溫、施氮處理對蘆葦葉長、葉寬和葉片數(shù)量的影響

松嫩草地蘆葦葉片為長線形或披針形，葉鞘呈圓筒形，葉舌分布有茸毛，葉片排列成兩行；葉片長6～12cm，寬1～2cm.3種實(shí)驗(yàn)處理對蘆葦葉片和寬度有著一定的影響（見圖1）.增溫、增溫＋施氮處理顯著降低了蘆葦?shù)娜~長（P＜0.05）；施氮處理與對照組相比較，也呈現(xiàn)降低的趨勢，但是沒有達(dá)到顯著水平（P＞0.05）.3種處理都增加了蘆葦葉片的寬度，尤其是施氮處理，葉片寬度顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組（P＜0.05）.3種處理與對照相比，均使蘆葦葉片數(shù)量呈現(xiàn)增加的趨勢，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析顯示，增溫處理與對照組之間并不存在顯著性差異（P＞0.05），施氮、增溫＋施氮處理與對照組間差異顯著（P＜0.05）.

2.3 增溫、施氮處理對蘆葦維管束結(jié)構(gòu)的影響

蘆葦為禾本科植物，葉為等面葉，即葉肉中沒有柵欄組織和海綿組織的分化.蘆葦葉的橫切面是由上、下表皮、葉肉以及維管束組成.表皮則是由表皮細(xì)胞、表皮毛、氣孔器和泡狀細(xì)胞組成；表皮外切向壁可被番紅－固綠聯(lián)合染料染成紅色，證明表皮有木質(zhì)化的加厚，角質(zhì)化程度很高.在蘆葦葉的解剖結(jié)構(gòu)中，維管束呈一大一小相間排列，大維管束形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，木質(zhì)部、韌皮部以及維管束鞘等各組分清晰可見，其維管束鞘細(xì)胞為1～2層，為不完全封閉的“花環(huán)型”結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出C4植物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).

增溫、施氮以及增溫＋施氮處理對蘆葦葉片維管束結(jié)構(gòu)具有較大的影響（見圖2）.3個實(shí)驗(yàn)處理組均增加了蘆葦維管束長半軸的長度，與對照組間存在顯著差異（P＜0.01），其中施氮處理增加幅度最為顯著（P＜0.01）.對葉片維管束短半軸長度的測量表明，施氮和增溫＋施氮處理增加了維管束短半軸的長度，尤其是施氮處理，達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01）；而增溫處理下，維管束短半軸的長度沒有顯著變化.增溫、施氮以及增溫＋施氮處理下，蘆葦葉片維管束面積及周長的變化趨勢基本一致（見表1）.3種處理都增大了蘆葦維管束的面積與周長，其影響與維管束長半軸長度的變化趨勢一致，4個實(shí)驗(yàn)組之間存在顯著差異（P＜0.05），其中，增溫、增溫＋施氮對維管束周長的影響未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）；而施氮處理對維管束面積與周長的影響均達(dá)到了顯著水平（P＜0.01）.

圖1 增溫和施氮條件下蘆葦形態(tài)的變化

表1 增溫、施氮條件下蘆葦維管束面積與周長變化

圖2 增溫和施氮條件下蘆葦維管束變化

圖3 增溫和施氮條件下蘆葦氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的變化

2.4 增溫、施氮處理對蘆葦氣孔保衛(wèi)細(xì)胞特征的影響

蘆葦葉片的上下表皮均有氣孔分布，下表皮數(shù)量較多.氣孔均由一對啞鈴型保衛(wèi)細(xì)胞和一對副衛(wèi)細(xì)胞組成，與同樣是松嫩草地優(yōu)勢植物的羊草葉片的氣孔相比，蘆葦?shù)臍饪紫虑惠^小，面積及周長亦小于羊草.

增溫與施氮處理對蘆葦葉片氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的長度與寬度均有不同程度影響（見圖3），增溫＋施氮處理顯著增加了蘆葦氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的長度，并達(dá)到了顯著性水平（P＜0.01）；增溫、施氮處理也顯示出增加的趨勢，但與對照相比差異并不顯著（P＞0.05）.3種處理對蘆葦葉片氣孔保衛(wèi)細(xì)胞寬度的影響，均表現(xiàn)出一定的降低現(xiàn)象，與對照相比較，差異同樣沒有達(dá)到顯著水平（P＞0.05）.

在不同處理?xiàng)l件下，蘆葦氣孔下腔面積與周長的變化均呈現(xiàn)相似的變化趨勢（見表2）.施氮與增溫＋施氮處理，均增大了蘆葦氣孔下腔面積與周長，而且達(dá)到了顯著水平（P＜0.01）；增溫處理后，氣孔下腔面積小于對照組，氣孔下腔周長大于對照組，但均未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）.

表2 增溫施氮條件下蘆葦氣孔下腔面積與周長變化

3 討論

植物的外部形態(tài)對于氣候變化的響應(yīng)是一個相對較慢的過程，然而持續(xù)不斷的氣候變化也會使植物的外部形態(tài)產(chǎn)生一些變化.關(guān)于施氮對植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，前人的研究表明，氮沉降量過大才會使氮本身促進(jìn)植物生長的效果降低，而且氮沉降多與淹水偶聯(lián)［10］.我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施氮處理明顯改變了植物的外部形態(tài)，顯示出氮肥增大植株高度、增加植株節(jié)數(shù)、增多植株葉片數(shù)量、增大葉片寬度等促進(jìn)植物生長作用的效果；同樣，在維管束、氣孔兩個方面也表現(xiàn)出一定的促進(jìn)生長的作用.這與實(shí)驗(yàn)區(qū)屬溫帶半干旱季風(fēng)氣候，且樣品均取自較為干旱和貧瘠的鹽堿地帶有著密切的關(guān)系.研究表明，對于某些土壤干旱貧瘠的地區(qū)，一定量的施氮處理，能夠增加土壤肥力、促進(jìn)植物生長，而不顯現(xiàn)氮沉降抑制植物生長的現(xiàn)象.

溫度和氮元素對于植物的生長和分布來說具有重要而復(fù)雜的作用.全球氣候變化條件下，溫度升高和氮素沉降嚴(yán)重影響著植物的新陳代謝和生長發(fā)育.許多模擬溫度升高的實(shí)驗(yàn)研究顯示：隨著溫度的升高，植物比葉面積（SLA）顯著增加，柵欄組織和海綿組織細(xì)胞的層數(shù)及厚度、葉片厚度等則減少；而氣孔器面積和氣孔長寬指數(shù)減小，氣孔導(dǎo)度降低［11－13］.竇晶鑫等的研究表明，隨著氮沉降量的增加，小葉章植株葉面積、分蘗數(shù)、株高以及生物量的積累逐漸增大［14］；氮沉降對杉木人工林生長影響的研究表明，氮沉降初期，促進(jìn)了林木胸徑的生長，且氮沉降水平越高，林木胸徑生長得越快，但隨著氮沉降時間的延長，這種促進(jìn)作用會慢慢減弱［15］.松嫩草地植物在增溫實(shí)驗(yàn)處理下，葉片長度降低、氣孔下腔面積減少，而對維管束性狀沒有明顯的改變；同時，增溫處理還削弱了施氮處理的作用效果.增溫施氮同時處理下，保衛(wèi)細(xì)胞長度增加，這將使得水分蒸騰加快，不利于水分的保持.這些實(shí)驗(yàn)研究表明，長時間的全球氣溫的升高對草地植物生長將產(chǎn)生一定的限制作用.

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