石連旋，于文若，蔣 章，郭繼勛

（1.東北師范大學草地科學研究所，吉林 長春 130024；2.吉林大學生命科學學院，吉林 長春 130012）

大氣CO2濃度升高和其他溫室氣體排放導致全球氣候變暖，預計21世紀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業(yè)生產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，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研究不僅將成為今后一個時期內科學研究的重點，而且會成為國際社會關注的焦點［2－3］.

植物外部形態(tài)和內部顯微結構對氣候變化的響應，是群落結構、群落生物量、生產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［4］.目前，國內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，以及對群落結構、群落生物量及生產力、物種多樣性、土壤及植物中礦質元素含量、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)以及內部顯微結構影響的研究鮮見報道.

本實驗以松嫩草地的優(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、施氮控制實驗，觀察、測定了植物外部形態(tài)以及內部顯微結構的變化情況，探討了返青期植物形態(tài)結構對于全球氣溫升高和氮素沉降的變化趨勢，進而揭示了草原植物在形態(tài)結構方面對于全球氣候變化做出的響應過程.

1 材料與方法

1.1 實驗設計

在松嫩草地選取地勢平坦、植被均勻、具有代表性的地段設置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)進行增溫模擬實驗：采用紅外線加熱儀（infrared radiator，USA）實施增溫處理，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施；其他6個小區(qū)設為對照.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.本研究共設置4實驗處理，增溫（W）、施氮（N）、增溫＋施氮（WN）、對照（CK），每個實驗處理6次重復.實驗設備于2004年安裝，開始進行增溫、施氮模擬處理實驗.

1.2 取樣方法及實驗樣品的前處理

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，放入標準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）進行統(tǒng)計測量.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）生物顯微鏡對葉的維管束大?。ㄌJ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，指標包括橢圓形的長半軸、短半軸、面積、周長）以及氣孔保衛(wèi)細胞的長度、寬度、氣孔下腔面積進行測量；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）軟件進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作.

2 實驗結果

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種實驗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種實驗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種實驗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驗組（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構的影響

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.表皮則是由表皮細胞、表皮毛、氣孔器和泡狀細胞組成；表皮外切向壁可被番紅－固綠聯(lián)合染料染成紅色，證明表皮有木質化的加厚，角質化程度很高.在蘆葦葉的解剖結構中，維管束呈一大一小相間排列，大維管束形態(tài)結構完整，木質部、韌皮部以及維管束鞘等各組分清晰可見，其維管束鞘細胞為1～2層，為不完全封閉的“花環(huán)型”結構，表現(xiàn)出C4植物的結構特點.

增溫、施氮以及增溫＋施氮處理對蘆葦葉片維管束結構具有較大的影響（見圖2）.3個實驗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個實驗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)細胞的變化

2.4 增溫、施氮處理對蘆葦氣孔保衛(wèi)細胞特征的影響

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)細胞和一對副衛(wèi)細胞組成，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)細胞的長度，并達到了顯著性水平（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，差異同樣沒有達到顯著水平（P＞0.05）.

在不同處理條件下，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)產生一些變化.關于施氮對植物形態(tài)結構的影響，前人的研究表明，氮沉降量過大才會使氮本身促進植物生長的效果降低，而且氮沉降多與淹水偶聯(lián)［10］.我們的實驗結果表明，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)出一定的促進生長的作用.這與實驗區(qū)屬溫帶半干旱季風氣候，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雜的作用.全球氣候變化條件下，溫度升高和氮素沉降嚴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驗研究顯示：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，這種促進作用會慢慢減弱［15］.松嫩草地植物在增溫實驗處理下，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.這些實驗研究表明，長時間的全球氣溫的升高對草地植物生長將產生一定的限制作用.

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