馬方園,郭 豪,肖成玉,廖露露,周婉婷,方 熊,易志剛,*

1 福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院/土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點實驗室,福州 350002 2 福建農(nóng)林大學機電工程學院,福州 350002

全球增溫從第一次世界氣候大會(FWCC)首次被提出,到政府間氣候變化委員會(The Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)六次發(fā)布全球氣候變化評估報告,氣候變暖問題逐漸凸顯并引起國內(nèi)外眾多學者乃至政府的高度關注。自1900年至今,地球表面溫度以0.7—0.9℃/100a速度增加,但工業(yè)革命以來,該增速已提高到1.5—1.8℃/100a[1]。根據(jù)世界氣象組織及最新的科學評估報告,2018年全球表面溫度比1951—1980年的平均溫度高出0.83℃,在2030—2052年間,全球增溫幅度將達到1.5℃[1- 2]。全球變暖及伴隨產(chǎn)生的冰川和凍土消融、降水格局改變和海平面氣候上升等氣候與環(huán)境變化被認為是21世紀森林生態(tài)系統(tǒng)的嚴重威脅[3]。全球增溫等氣候變化將對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生重要影響,進而影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。

生物源揮發(fā)性有機化合物(Biogenic volatile organic compounds,BVOCs)作為生態(tài)系統(tǒng)中生物體合成的重要次生代謝產(chǎn)物,其合成與釋放對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)起重要作用。BVOCs全球年總排放量約1000 Tg C[4],植物的貢獻約為70%[5]。BVOCs主要包括烯類(異戊二烯和單萜烯)、烷烴、烯烴、羰基、醇、酯、醚和酸等3萬余種化合物[6],其中單萜烯(Monoterpene,MTs,C10H16)約占15%[5, 7]。MTs化學活性高、揮發(fā)性極強,其合成與排放會對區(qū)域大氣化學和氣溶膠過程產(chǎn)生顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)植物釋放MTs極大程度上促進了夏季美國東部地區(qū)二次有機氣溶膠的形成[8]；高濃度單萜類化合物氣團能促進新粒子向云凝結核(CCN)方向生長[9]。MTs在氧化過程中,會產(chǎn)生過氧化物、乙醛等壽命短、活性強的物質(zhì),這些物質(zhì)可以將NO轉(zhuǎn)化為NO2,再經(jīng)過一系列復雜的化學反應后最終生成臭氧(O3),導致對流層O3體積分數(shù)增加。絕大多數(shù)MTs在大氣中最終會轉(zhuǎn)化為CO2,進入陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)；另外,MTs也極易與氫氧基(.OH)等氧化物質(zhì)反應,延長CH4等溫室氣體在大氣中的壽命,進一步加劇溫室效應。由此可見,MTs的合成與釋放在對流層化學反應、近地表臭氧形成、全球碳收支、地球大氣層和氣候變化有重要影響[10—11]。

MTs的合成與釋放受到內(nèi)因(樹齡、樹種和生長階段)和外因(溫度、光照、水分、CO2濃度、O3濃度和干旱等)多種因素共同調(diào)節(jié),其中溫度對其影響尤為明顯。溫度通過增強葉片內(nèi)部合成酶的活性來延長葉片生長期限,進而直接影響葉級植物BVOCs的合成與釋放[12]。研究發(fā)現(xiàn)采用紅外輻射器使空氣溫度增加1℃后,非含氧單萜類、含氧單萜類、倍半萜以及更多活性化合物排放量增加了2—4倍[13]。亞北極地區(qū)經(jīng)過3年1—2℃溫和增溫,其荒原上異戊二烯和單萜烯排放量分別增加了5—6倍和3—4倍[14]。溫度升高會導致植物BVOCs的排放速率成倍增加[15- 17]或降低[18],主要因為在一定溫度范圍內(nèi),溫度增加會提高合成酶的活性[19—20]；當溫度超過合成酶的生長溫度時,反而會降低其活性[19, 21- 23]。在全球增溫這一事實下,已有的植物BVOCs通量對溫度升高響應規(guī)律的研究結果存在爭議,因此,溫度升高對植物BVOCs通量的影響仍需進一步研究。

IGBP(International Geosphere and Biosphere Programme)生態(tài)系統(tǒng)增溫研究網(wǎng)絡(NEWS: Network of Ecosystem Warming Studies)將增溫方式分為4大類：1)溫室(Greenhouse)和開頂式氣室(Open-top chamber, OTC),2)土壤加熱管道和電纜(Soil heating pipes and cables),3)紅外線反射器(Infrared reflector),4)紅外輻射器(Infrared radiator)。目前模擬增溫主要采用懸掛在植物上方的紅外燈管或埋入土壤中的加熱電纜。加熱電纜增溫通過電路控制對土壤直接增溫,對環(huán)境的干擾相對較大。紅外輻射器增溫是從植物冠層上面加熱,通過植物或地表反射后導致空氣增溫,對環(huán)境的干擾相對較小,能夠較真實模擬全球變暖[24]。目前已開展的增溫實驗,大多數(shù)是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型選擇適當?shù)脑鰷匮b置,而增溫方式可能會影響研究對象對增溫的響應,從而增加對實驗結果進行整合的困難。單一增溫模式實驗中,實驗地點和植被類型可能會更大程度上影響試驗對象對溫度的響應,從而削弱增溫本身的影響,進而增加模型預測的不確定性[25]。

杉木和木荷作為南亞熱帶代表性樹種在福建省分布極廣,是中國南方重要的用材樹種,也是主要的人工林樹種之一,在生態(tài)和經(jīng)濟方面具有極高的價值。本研究以杉木和木荷作為研究對象,利用OTC,設計電熱線增溫和紅外輻射器增溫兩種方式,對不同增溫方式下杉木和木荷的光合參數(shù)、部分生理指標進行比較,并分析兩種增溫方式處理下植物單萜烯通量的差異,為整合不同生態(tài)系統(tǒng)的增溫實驗、完善增溫模型參數(shù)提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗以針葉樹種杉木(CunninghamiaLanceolata(Lamb.) Hook)和闊葉樹種木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)為研究對象,于2020年5月將1.5年生杉木和木荷移至花盆中緩苗后培養(yǎng)6個月,隨后將植物放到OTC中處理,培養(yǎng)期間定期澆水,以保證植物正常生長。

試驗裝置如圖1,設置對照(未增溫)、電熱線增溫(持續(xù)增溫3.5℃)、紅外輻射器增溫(持續(xù)增溫3.5℃)3個處理,每個處理設置3個重復,其中電熱線增溫是在OTC內(nèi)布置約0.7 m高的電熱線(1000 W)實現(xiàn)增溫,紅外輻射器增溫是在OTC上方懸掛2根紅外輻射燈管(2×500 W)實現(xiàn)增溫(燈管距地面2.0 m),并通過高精度數(shù)顯智能溫差控制器控制OTC內(nèi)3.5℃溫差(圖2)。處理期間保持植物土壤含水率在20%—25%。增溫處理30天進行樣品采集。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

圖2 增溫效果圖Fig.2 Effect of warmingHW：電熱線增溫 Heating wire heating；IR：紅外輻射器增溫 Infrared radiator heating

1.2 樣品采集與分析

氣體采集：選擇晴朗、光照充足的天氣,在9:00—16:00時間段,將長勢一致的枝條包裹在自制的Teflon采樣袋(40 cm×60 cm)中,包裹過程中注意不要損傷植物,使用活體植物動態(tài)頂空套袋法[26—27]采集植物釋放氣體樣品,具體采樣過程參照文獻[26]。樣品采集期間記錄光合有效輻射(PAR)(Model MQ- 500, Apogee instruments, USA),并記錄套袋中溫濕度(RC- 4HC,中國精創(chuàng) Elitech)。氣體采集完畢后,使用手持式葉面積測量儀(CI- 203, CID Bio-Science, USA)測量包裹枝條的葉面積。

光合參數(shù)測定：氣體采集結束,測量杉木和木荷的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(gs)、胞間CO2濃度(Ci)及蒸騰速率(Tr)等光合參數(shù)(LiCor- 6400, LI-COR Biosciences, USA)。具體測量方法參照文獻[26]。

葉片采集：光合參數(shù)測定結束,摘取長勢良好的葉片(新老葉混勻)放干冰中暫存,隨后放- 80 ℃冰箱中保存,用于植物生理生化指標分析。

植物單萜烯通量分析：植物單萜烯通量使用預濃縮(Entech 7200, USA)-氣質(zhì)聯(lián)用儀(7890B- 5977A, Agilent Technologies, USA)分析。具體分析方法參照文獻[27]。

植物生理生化指標：葉綠素、過氧化氫、過氧化氫酶等生理指標參考《植物生理學實驗教程》(蒼晶主編)[28]。

1.3 數(shù)據(jù)分析及處理

單萜烯通量(pmol m-2s-1)

式中,F(pmol m-2s-1)為單萜烯通量；ΔC(pmol/mol)為樣品和空白Teflon套袋中MTs濃度差；f(L/s)為進氣口流量；A(m2)為套袋中枝條葉面積；Vm為標準狀況下的氣體摩爾體積22.4 L/mol；T(℃)為大氣溫度。具體計算過程參考Aydin等[29]。

數(shù)據(jù)分析：使用SPSS 19單因素方差分析(one-way ANOVA)對單萜烯釋放通量、光合參數(shù)、植物生理生化指標差異性進行顯著性分析,LSD法比較組間差異,使用Origin 8.0繪圖。

2 結果

2.1 單萜烯通量

杉木MTs通量為：電熱線增溫(16239.608±4079.319) pmol m-2s-1>未增溫(8503.879±1868.579) pmol m-2s-1>紅外輻射器增溫(4027.631±858.536) pmol m-2s-1,電熱線增溫處理導致杉木MTs通量增加約2倍,且各處理間存在顯著性差異(P<0.05)。木荷MTs通量遠低于杉木,其MTs通量為電熱線增溫(130.512±35.802) pmol m-2s-1>未增溫(67.985±20.821) pmol m-2s-1>紅外輻射器增溫(49.228±25.954) pmol m-2s-1,但處理間MTs通量均不存在顯著性差異(圖3)。

圖3 不同增溫方式對杉木和木荷單萜烯釋放通量的影響Fig.3 Monoterpene flux in C. lanceolata and S. superba in response to different heating methodsCK：未增溫 No heating；HW：電熱線增溫 Heating wire heating；IR：紅外線輻射器增溫 Infrared radiator heating；樁柱狀圖中不同小寫字母表示不同處理間顯著性差異(P<0.05)

杉木MTs通量中檸檬烯占比最大,未增溫、電熱線增溫和紅外輻射器增溫三個處理中,檸檬烯通量分別為：5336.025、11903.633、2871.701 pmol m-2s-1,其分別占到各處理MTs通量65.10%、73.3%、71.3%。木荷MTs組分中,檸檬烯、γ-松油烯和α-松油烯占比最大,其中γ-松油烯和α-松油烯通量隨著溫度上升增加,電熱線增溫處理下γ-松油烯增加幅度更大,占MTs通量29.6%,IR處理下γ-松油烯的增加幅度更為明顯,占MTs通量39.4%(圖4)。

圖4 不同增溫方式對杉木和木荷單萜烯占比的影響Fig.4 Monoterpene proportions in C. lanceolata and S. superba in response to different heating methods

2.2 植物光合速率及相關參數(shù)

增溫方式影響植物光合參數(shù),且杉木和木荷對不同增溫方式的響應不一致(表1)。增溫處理導致杉木凈光合速率下降,但處理間均無顯著性差異(P>0.05)。增溫處理后木荷凈光合速率增加,其中電熱線增溫處理下效果顯著(9.890±1.015) μmol CO2m-2s-1,且處理間存在顯著性差異(P<0.05)。電熱線增溫處理導致兩種植物氣孔導度和蒸騰速率增加,但紅外輻射器增溫處理下兩種植物氣孔導度和蒸騰速率均降低。不同處理下木荷蒸騰速率存在顯著性差異(P<0.05)。

表1 不同增溫方式對杉木和木荷光合參數(shù)的影響(平均值±標準偏差,n=3)

電熱線增溫、紅外輻射器增溫處理導致杉木葉綠素a含量分別降低28.0%、20.1%,不同處理間無顯著性差異(表2)；紅外輻射器增溫處理下杉木葉綠素b含量增加2倍。與未增溫處理(1.935±0.455) mg/g相比,經(jīng)過電熱線增溫、紅外輻射器增溫處理后木荷葉綠素a含量分別增加了39.5%、24.0%,且效果顯著(P<0.05)。與杉木類似,紅外輻射器增溫導致木荷葉綠素b含量增加。

表2 杉木和木荷葉綠素對不同增溫方式的響應(平均值±標準偏差,n=3)

2.3 過氧化氫和過氧化氫酶(CAT)

杉木H2O2含量結果表現(xiàn)為：電熱線增溫(1.184±0.009) mmol/g>紅外輻射器增溫(0.838±0.181) mmol/g>未增溫(0.545±0.052) mmol/g,各處理間存在顯著性差異(P<0.05)(圖5)。增溫處理下木荷H2O2含量增加,電熱線增溫處理H2O2含量增加顯著(1.521±0.119) mmol/g,約增加86.85%；紅外輻射器增溫處理導致木荷H2O2含量增加16.58%,但未增溫和紅外輻射器增溫無顯著性差異。與H2O2相似,增溫處理下杉木和木荷二者的過氧化氫酶活性均有增加。紅外輻射器增溫導致杉木過氧化氫酶增加顯著(增加39.7%)；而木荷在電熱線增溫下增加顯著(增加31.1%)(圖5)。

圖5 不同增溫方式對杉木和木荷過氧化氫含量和過氧化氫酶活性的影響Fig.5 The H2O2 and CAT in C. lanceolata and S. superba in response to different heating methods

3 討論

3.1 不同增溫方式對杉木、木荷單萜烯通量的影響

溫度對植物BVOCs釋放影響尤其突顯。據(jù)報道,未來的幾十年里,隨著溫度升高,植物BVOCs釋放大約會增加30—45%。植物BVOCs釋放依賴于溫度變化[30]。研究表明,在氣候變暖這一大趨勢下,北極苔原沼樺MTs釋放量將會增加3倍[16]；氣候變暖促進極地沼澤BVOCs釋放增加[31]。本試驗結果顯示電熱線增溫導致杉木MTs通量顯著增加(P<0.05)(圖3),此結果與以前的研究報道一致,即在一定范圍內(nèi),BVOCs通量隨著溫度升高而增加[13],這是由于溫度升高,植物本身具有的防御機制會誘導其釋放出更多的BVOCs從而增加自身的耐高溫性[32]。溫度升高植物會釋放出更多的MTs和綠葉揮發(fā)物,從而避免損傷葉綠體內(nèi)囊體膜[33]。紅外輻射器增溫導致杉木和木荷MTs通量下降(圖3),這可能與植物的氣孔導度變化有關(表1)。植物自身會調(diào)節(jié)氣孔大小來調(diào)節(jié)植物葉片中的CO2和水分等以保持其體內(nèi)的碳水平衡,從而適應外界環(huán)境溫度變化。溫度升高會引起蒸汽壓虧缺增加,從而導致植物氣孔關閉,并最終引起植物氣孔導度下降[34]。氣孔是植物釋放MTs的通道,有研究發(fā)現(xiàn),植物氣孔導度發(fā)生變化時,由于萜烯類化合物在氣液間的分配占比不同,萜烯類化合物在細胞間的分壓也會發(fā)生改變[35—36]。紅外輻射器增溫導致杉木和木荷氣孔導度降低,而萜烯類化合物在氣孔內(nèi)外的擴散速率不能維持原有的釋放速率,從而導致MTs通量下降。

增溫處理導致杉木凈光合速率下降,電熱線增溫降低更顯著(表1)。這種現(xiàn)象可能是植物體內(nèi)活性氧積累導致的。H2O2等活性氧的形成是由于植物脂質(zhì)過氧化和膜損傷,植物在高溫、干旱和強光等外界環(huán)境脅迫條件下,H2O2是細胞光合電子傳遞鏈不可避免地產(chǎn)物。過氧化氫酶是植物生長發(fā)育過程中用于構建植物防御體系的關鍵酶之一,其可以催化H2O2生成H2O和O2,進而保護細胞膜的穩(wěn)定性和完整性。另外,過氧化氫酶參與光保護及抵御逆境脅迫、延緩植物衰老的過程,能提高植物光合作用。杉木在電熱線增溫下H2O2含量高于另外兩個處理,植物體內(nèi)積累過多的活性氧,損害其生長發(fā)育。同時,電熱線增溫下杉木體內(nèi)的過氧化氫酶活性較低,進而降低植物的凈光合速率(圖5)。

植物MTs釋放和光合作用都是植物體參與碳循環(huán)的重要途徑,二者之間關系密切。植物BVOCs釋放與光合參數(shù)之間存在多組顯著相關關系[27],該現(xiàn)象與本研究結果存在差異。有研究發(fā)現(xiàn),植物葉片釋放的高活性MTs會占到植物光合作用固碳的1.9%,這個值在夏季最高可達5.13%,且MTs和光合作用的顯著正相關關系只有在夏季才會出現(xiàn)[37]。因此,本研究中MTs和光合作用之間不存在顯著性相關關系可能是季節(jié)所致。比較不同增溫方式對兩種植物MTs通量的影響發(fā)現(xiàn),與紅外輻射器增溫相比,杉木在電熱線增溫下MTs通量增加更為顯著,各處理間存在顯著性差異(P<0.05)。但不同增溫方式對木荷MTs通量無顯著性影響,這可能是由于增溫處理時間較短,不同增溫處理對木荷MTs通量的影響還未達到顯著水平。

3.2 增溫方式對不同樹種單萜烯通量及光合特性的影響

根據(jù)全球BVOCs排放清單,植物為了適應環(huán)境變化,其釋放MTs具有明顯的種間特異性[38]。有研究表明多數(shù)闊葉林和落葉林是異戊二烯強排放體,而針葉林和農(nóng)作物一般以釋放MTs為主[29],這與本研究結果一致,即杉木MTs通量遠高于木荷。這可能是植物體內(nèi)釋放異戊二烯和MTs過程不同導致的,有關研究表明,在植物體內(nèi),合成的MTs通常儲存在植物專門的儲存結構中(如樹脂管、腺體和分泌細胞),且最后只有部分釋放到大氣中,而異戊二烯在植物葉片中被合成后,立即通過氣孔釋放到大氣中[36]。

光合作用是植物進行物質(zhì)生產(chǎn)的基礎。本試驗結果表明溫度升高木荷光合速率增加,這可能是由于溫度升高促進Rubisco的羧化速度,同時抑制1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)的氧化作用,進而提高植物的光合作用,降低其呼吸作用[39]。溫度升高抑制杉木光合速率,這可能是溫度升高下植物中Rubisco表觀活性和電子轉(zhuǎn)移速率降低,從而導致植物光合速率下降。植物光合作用不僅受到溫度和光照等環(huán)境因子的影響,還與植物自身的生理生態(tài)息息相關,葉綠素含量直接影響植物的光合速率,木荷體內(nèi)葉綠素含量更高,有利于CO2獲得更高程度的吸收和利用,同時也會促進對光能的固定,進而提高木荷光合速率。電熱線增溫和紅外輻射器增溫均導致杉木凈光合速率降低,且電熱線增溫效果更顯著,這是由于兩種增溫方式的原理不同。電熱線增溫可以產(chǎn)生恒定溫差且直接對植物升溫,并對植物新陳代謝產(chǎn)生直接影響,進而導致凈光合速率降低。紅外輻射器增溫原理與之不同,它主要模擬全球變暖中向下增強的紅外線輻射,這種增溫模式可能更大程度上改變的是植物呼吸作用而對植物的光合作用產(chǎn)生的影響更小[24]。

4 結論

(1)不同增溫方式對植物單萜烯通量影響差異較大。電熱線增溫導致杉木和木荷單萜烯通量增加,紅外輻射器增溫降低其單萜烯通量,這主要受植物氣孔導度影響。杉木單萜烯通量明顯高于木荷,意味著植物排放單萜烯等BOVCs具有明顯的種間特異性。

(2)增溫對杉木和木荷光合速率影響不一致。增溫促進木荷但抑制杉木光合速率,其中電熱線增溫對兩種植物的影響更明顯,這是由于紅外線輻射器增溫模擬全球變暖中向下增強的紅外線輻射,對植物的光合作用產(chǎn)生的影響更小。

(3)考慮到不同增溫方式對生態(tài)系統(tǒng)中植物影響的差異,在開展模擬增溫對生態(tài)系統(tǒng)結構和功能影響的研究時,盡量同時同地設置多種增溫方式,分析其對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的差異性影響,為完善生態(tài)系統(tǒng)對增溫的響應提供更可靠的證據(jù)。