賈劍波，劉文娜，文仕知，王忠誠?

(1.中南林業(yè)科技大學林學院，410004，長沙；2.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京)

自工業(yè)革命以來，大氣CO2濃度的增加引起降雨量、降雨特性的顯著變化，進而對土壤侵蝕類型、過程及分布等有顯著的影響[1-2]。植被恢復措施是水土流失治理中的主要措施之一，而植物生理參數(shù)的變化是研究水土保持植被恢復的關鍵[3]。植物蒸騰與光合作用是植被與大氣界面間能量與質量交換的2個最基本的生理生態(tài)學過程，兩者均通過葉片氣孔調節(jié)CO2和水汽通量來實現(xiàn)[4]；因此，氣孔自身的特征變化直接決定著植物的蒸騰和光合作用[5]。已有研究表明，部分植物在脅迫環(huán)境下，氣孔的數(shù)量與分布與自然狀態(tài)下比有明顯差異，這種差異直接影響CO2和水汽的交換過程[6]。目前單一環(huán)境因子對氣孔特征的影響已有大量報道，而多因子交互作用(如環(huán)境CO2濃度與土壤體積含水梯度交互作用)對氣孔的影響研究較少。

閩楠(Phoebebournei)作為我國南方的珍稀物種，其對生長立地穩(wěn)定性要求較高[7]，因此如何調節(jié)閩楠蒸騰與光合作用來適應立地環(huán)境的變化，是目前亟待解決的問題。筆者探究全球氣候變化下不同土壤體積含水量、CO2濃度對閩楠葉片氣孔特征和氣體交換參數(shù)的影響，進而揭示閩楠葉片氣孔對CO2濃度增加和/或干旱化等全球環(huán)境變化產生的綜合響應，為進一步探討全球氣候變化下閩楠植物葉片碳-水耦合關系與變化過程提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于湖南會同森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，位于湖南省懷化市會同縣廣坪鎮(zhèn)境內，海拔300～500 m之間，屬于中亞熱帶東南季風濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫16.3～17.7 ℃。年均降水量為1 600～1 900 mm。主要成土母巖以砂巖、頁巖、碳質板巖為主，土層深厚肥沃，有機質含量高。境內森林茂盛，物種多樣，以閩楠木居多，植被蓋度超過90%。

2 材料與方法

2.1 試驗材料及處理

2016年3月開始試驗，為保證成活率和長勢均勻，從研究站苗圃內隨機挑選長勢和大小一致的5年生幼樹(5年生的幼樹長勢達到最優(yōu))32株進行盆栽培養(yǎng)(表1)。盆栽尺寸一致，且每盆中僅栽植一棵幼樹。所用的土壤均取自研究站林地內。

控制試驗是在高照度恒溫恒濕模擬生長箱(FH-230, Taiwan Hipoint Corporation, Kaohsiung City, Taiwan)內進行的。根據(jù)研究區(qū)平均水熱條件(平均大氣CO2濃度380×10-6～420×10-6；平均土壤含水量為22.0%，土壤密度為1.40 g/m3)，培養(yǎng)箱溫度設置為晝(25±0.5)℃(07：00—17：00)/夜(20±0.5)℃(17：00—翌日07：00)，光照強度800 μmol/(m2·s)，相對濕度60%～75%。將盆栽平均分配到8個高照度恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進行30 d的適應性預培養(yǎng)(共8個，每個培養(yǎng)箱中放4盆作為重復)，并保持培養(yǎng)箱內CO2濃度400×10-6和土壤含水量20.0%恒定。根據(jù)課題組前期的經驗[8]，預培期結束后將8個培養(yǎng)箱按照CO2濃度梯度400×10-6、500×10-6、600×10-6、800×10-6和土壤含水量梯度14%～16%(干旱處理)和25%～27%(田間持水量處理)進行正交組合，共8個處理。在處理過程中，在盆栽中插入土壤含水量監(jiān)測5TE探頭，連接數(shù)據(jù)采集器EM50，實時監(jiān)測記錄土壤水分，保證水分在設定范圍內。其他條件保持不變，連續(xù)培養(yǎng)1個生長季，至閩楠幼樹長出新葉。

表1 閩楠幼樹基本生長狀況Tab.1 Growth status of Phoebe bournei

2.2 葉片氣孔特征值以及氣體交換參數(shù)測定

為分析葉片氣孔的特征指標，于2016年8月采新葉進行測定。摘取8種處理下的閩楠葉片(在每株冠層中部取葉3片，每種處理共12片)經過生物制片處理方法[9]制作成閩楠葉片樣品，在電子顯微鏡(S-3400H)下觀測拍照400倍數(shù)和2 500倍數(shù)下葉片氣孔數(shù)量和氣孔張開程度，具體操作方法參見文獻[10]，觀測結果取平均值。同時，利用Li-6400光合儀(Li-COR, USA)，對每株閩楠的冠層中部葉片(3～5片)的光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度等指標進行連續(xù)3 d測定，每天觀測時間為09：00，觀測結果取平均值，同時計算植物葉片水分利用效率。如下：

式中：W為植物葉片水分利用效率，%；Pn為光合速率，μmol/(m-2·s)，Tr為蒸騰速率，μmol/(m2·s)。

利用EXCEL 2010進行數(shù)據(jù)整理與作圖，利用SPSS 17.0進行相關性分析和方差分析。

3 結果與分析

3.1 水碳控制條件對葉片氣孔密度及分布的影響

不同CO2濃度和水分梯度組合條件下對閩楠葉片氣孔密度影響較大(圖1)。CO2濃度對氣孔密度產生顯著影響(P<0.05)。CO2濃度的升高引起葉片氣孔的數(shù)量的下降(R2=0.94)，CO2濃度在400×10-6條件下氣孔數(shù)量最多，當CO2濃度升高到800×10-6時，氣孔數(shù)量平均降低30.08%。同時，干旱處理下，回歸方程的斜率更大，說明干旱處理下氣孔密度對CO2濃度的響應更敏感。不同水分梯度對氣孔密度沒有產生顯著影響(P>0.05)，表明氣孔密度對土壤水分差異的響應低于對CO2濃度的響應；但氣孔密度呈現(xiàn)田間持水處理高于干旱脅迫的趨勢，并且CO2濃度越高，不同水分梯度下氣孔密度的差異越大。

圖1 不同水碳控制下閩楠葉片氣孔密度變化Fig.1 Leaf stomatal density change of Phoebe bournei under different water-carbon control

在電鏡下觀察閩楠葉片氣孔時發(fā)現(xiàn)，單個完整葉尖部、中部和尾部3個部位的氣孔密度不均勻，存在顯著性差異(P<0.05)(表2)。從尖部到尾部的位置，氣孔密度逐漸增大，但變化的幅度逐漸降低。隨著CO2濃度的升高，3個部位都表現(xiàn)出下降趨勢，氣孔密度和CO2濃度之間呈現(xiàn)負相關。水分梯度對閩楠葉片氣孔分布的影響表現(xiàn)為：尖部和尾部的氣孔密度在田間持水量下高于干旱條件下，而CO2濃度較低時，中部的氣孔密度在干旱條件下高于田間持水量。同時，隨著CO2濃度的升高，水分梯度對氣孔分布的影響逐漸增大。

表2 不同水碳控制下閩楠葉片中葉尖、葉中、葉尾氣孔密度比較Tab.2 Stomatal density in the leaf apex, middle and tail of Phoebe bournei under different water-carbon control Stomatas/m2

3.2 水碳控制條件對葉片氣孔開閉程度的影響

利用400倍數(shù)和2 500倍數(shù)下電鏡觀察閩楠氣孔的結構發(fā)現(xiàn)(圖2)。閩楠氣孔結構由兩個保衛(wèi)細胞構成，氣孔在正常狀況下張開時，氣孔形狀呈現(xiàn)矩形，氣孔平均長度在14～18 μm之間，平均寬度在4～5 μm之間。

圖中放大倍數(shù)為2 500倍，長度標尺為2 μm，工作電壓5 kV，工作距離為9 mm。Magnification from left to right is 2 500 times, length scale 2 μm, working voltage 5 kV, working distance 9 mm. 圖2 閩楠氣孔張開示意圖Fig.2 Sizes of stomata opening in Phoebe bournei

不同CO2濃度和水分梯度組合條件下對氣孔開閉程度的影響見圖3。CO2濃度對氣孔開閉程度的影響不顯著(P>0.05)，葉片的氣孔張開比例隨CO2濃度升高而逐漸降低，但降低的幅度不大。在干旱處理條件下，CO2濃度每升高100×10-6，氣孔張開的比例減少2%～4%，田間持水量條件下表現(xiàn)出相同的規(guī)律，但CO2濃度與氣孔張開程度的斜率低于干旱處理。而水分梯度對氣孔開閉程度產生顯著影響(P<0.05)。在干旱處理條件下，氣孔張開程度比例變化在15%～30%之間，田間持水量條件下在40%～50%之間。這是由于充足水分供給下有更多的氣孔會張開，以增加植物的蒸騰量來降低葉水勢，而干旱處理下的氣孔張開比例很小，是因為植物為了保證體內水分，減小水分的散失而降低了蒸騰速率，可見氣孔張開程度對水分供給的敏感性很高。

圖3 不同水碳控制下閩楠葉片氣孔張開程度Fig.3 Opening extent of stomata of Phoebe bournei under different water-carbon control

3.3 水碳控制條件對閩楠葉片氣孔導度的影響

通過對氣孔導度測定(圖4)可知，氣孔導度的變化范圍為0.01～0.07 mmol/(m2·s)。通過方差分析，不同水分梯度下氣孔導度存在顯著性差異(P<0.05)，田間持水量條件下的氣孔導度均高于干旱處理，干旱條件下氣孔導度小于0.02 mmol/(m2·s)，而田間持水量條件下的氣孔導度均高于0.04 mmol/(m2·s)。由此說明，隨著土壤水分增加，葉片水勢減小，進而導致葉片氣孔導度增大。

圖4 不同水碳控制下閩楠葉片氣孔導度變化Fig.4 Leaf stomatal conductance of Phoebe bournei under different water-carbon control

干旱處理條件下，氣孔導度與CO2濃度回歸分析的斜率低于田間持水量條件下，氣孔導度隨CO2濃度變化波動較平緩，總體呈現(xiàn)下降的趨勢。氣孔導度隨著CO2濃度的升高而減小，呈現(xiàn)負相關(R2=0.99)。CO2濃度每升高100×10-6，氣孔導度降低10%～17%。在田間持水量處理條件下，氣孔導度同樣表現(xiàn)出隨著CO2濃度的升高而降低的規(guī)律，且降低的程度較大，CO2濃度每升高100×10-6，變化的范圍為8%～23%。

3.4 水碳控制條件對葉片氣體交換參數(shù)的影響

不同CO2濃度和水分梯度組合條件下，凈光合反應速率、蒸騰速率、水分利用效率和胞間CO2濃度見表3。CO2濃度與葉片氣體交換參數(shù)相關性顯著(P<0.05)，其中，干旱處理下，凈光合反應速率、水分利用效率和胞間CO2濃度隨CO2濃度的升高而顯著增加，呈正相關關系，而蒸騰速率卻表現(xiàn)出負相關關系。田間持水量處理下葉片氣體交換參數(shù)隨CO2濃度的變化相同。不同CO2濃度的凈光合速率、蒸騰速率、水分利用效率和胞間CO2濃度和存在顯著性差異(P<0.05)，而不同水分梯度下4個葉片氣體交換參數(shù)的差異性不顯著(P>0.05)。

表3 不同水碳控制下閩楠氣體交換參數(shù)Tab.3 Gas exchange parameter of Phoebe bournei under different water-carbon control

4 討論

4.1 水碳控制條件對葉片氣孔特征的影響

植物葉片氣孔特征對碳、水環(huán)境改變的響應目前還未有一致結論[11-12]。本研究發(fā)現(xiàn)，當土壤體積含水量相同時，高CO2濃度下，閩楠葉片氣孔數(shù)量減少，同時氣孔張開受到抑制，這種響應關系在土壤受到干旱脅迫時更加敏感。這與Rogiers等[13]的研究結果一致；但徐文鐸等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度使得銀杏(Ginkgobiloba)幼葉氣孔參數(shù)減少，而對成年葉片氣孔參數(shù)有增加作用。這說明植物葉片的氣孔參數(shù)變化與大氣CO2濃度增加之間的關系是一個較為復雜的問題，除受葉片生長發(fā)育階段的影響外，還與光照、溫度、水分等環(huán)節(jié)因子有密切關系。任昱等[15]探究了人工增雨對干旱地區(qū)白刺(Nitrariatangutorum)葉片氣孔特征的影響，發(fā)現(xiàn)土壤水分的有效性是影響葉片氣孔特征的重要因素。本文中，在土壤水分受到脅迫時，閩楠植物葉片氣孔數(shù)量和張開程度均降低，且CO2濃度越高，二者的降低程度越大。

4.2 水碳控制條件對葉片氣體交換參數(shù)的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，葉片凈光合反應速率、蒸騰速率、水分利用效率和胞間CO2濃度對CO2濃度的響應強烈，高CO2濃度提高了Pn和Ci，但是降低了Tr，進而降低了氣孔導度，但同時提高了水分利用效率，這與徐輝等[16]的研究結果一致。而曹恭祥等[17]認為CO2濃度與光合速率的響應關系中存在閾值現(xiàn)象，當CO2濃度為600×10-6時，可使得光合速率達到峰值，蒸騰速率較低，從而獲得較高的水分利用效率。本研究中，水分梯度對葉片各氣體交換參數(shù)響應較弱，表現(xiàn)為干旱脅迫條件下抑制葉片的蒸騰速率，而凈光合速率較高；因此，水分利用效率較高。王榮榮等[18]在研究酸棗光合參數(shù)時發(fā)現(xiàn)，土壤含水量在58%～80%時，其光合生理活性較高，利于酸棗苗木生長，與筆者研究結果一致。筆者僅探究水碳控制條件對閩楠葉片氣孔特征及光合參數(shù)等的影響，全球氣候變化下，溫度增加、洪澇災害頻發(fā)、土壤蒸發(fā)加劇等一系列環(huán)境因子的改變均會對植物生長、光合作用、蒸騰作用等產生一定的影響，其表現(xiàn)形式、作用機制等都是目前亟待解決的問題。

5 結論

1)CO2濃度對閩楠葉片氣孔密度產生顯著影響，高CO2濃度引起閩楠葉片尖部、中部和尾部的氣孔密度下降，且干旱脅迫下這種響應更加敏感。氣孔密度對土壤水分梯度的響應低于對CO2濃度的響應。

2)閩楠葉片氣孔張開程度和氣孔導度對土壤水分響應的敏感性高于CO2濃度。CO2濃度越高，氣孔張開程度和氣孔導度越低，而田間持水量處理下葉片氣孔張開程度和氣孔導度遠高于干旱處理。

3)CO2濃度與閩楠葉片凈光合反應速率、蒸騰速率和水分利用效率呈指數(shù)關系，且在田間持水量處理下，三者對CO2濃度的響應比干旱脅迫下更迅速，而水分梯度對葉片各氣體交換參數(shù)響應較弱。