邢德科，吳沿友，王 瑞，付為國，杭紅濤，Qaiser JAVED

（1 教育部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2 環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室環(huán)境生物科技研究中心，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，貴陽550002；3 貴陽學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院，貴陽550003）

在中國西南亞熱帶地區(qū)，喀斯特地形占地34萬km2，常常遭受嚴重的土地沙漠化侵擾，不利于作物生長以及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展［1］。喀斯特生境高度異質(zhì)性，土壤偏堿性，喀斯特地區(qū)地表巖溶水中的HCO3－濃度大約為5mmol·L－1，還極易形成特有的巖溶干旱，而且土壤瘠薄，致使該地區(qū)植物生長非常緩慢［1－3］。而玉舍國家森林公園位于素有“煤都”之稱的中國水城縣，植物和土壤常常遭受酸雨的影響［4］。酸雨以及碳酸鈣的快速溶解引起該喀斯特地區(qū)土壤堿性的降低，進而引起土壤溶液中CO32－和HCO3－的減少［5］。黔中喀斯特植被自然恢復(fù)演替過程中，土壤pH 值逐漸降低，到次生喬林階段以后趨于穩(wěn)定［6］。隨著該地區(qū)土壤溶液中HCO3－濃度的降低，植物光合作用主要依賴于植物捕獲大氣中CO2的能力。受到該喀斯特高山地區(qū)弱酸性的影響，植物不能正常生長，致使該喀斯特生態(tài)環(huán)境極易遭受破壞，生態(tài)恢復(fù)變得非常困難。因此，生物多樣性的開發(fā)對于喀斯特景觀保護以及退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)顯得極其重要［7－8］。很多造林工程已經(jīng)開展很長時間，但是受惡劣生境的影響，以及在植物生理對環(huán)境脅迫響應(yīng)方面缺乏足夠的調(diào)查研究工作，使得這些造林計劃都不完全成功［9］。在這些異質(zhì)性環(huán)境中，選擇合適的植物種類對于成功恢復(fù)植被顯得至關(guān)重要［10］。

銀鵲樹（Tapisciasinensis）屬省沽油科，是第三紀孑遺植物。它有較長的結(jié)莢期，較慢的自然更新能力，原始林又經(jīng)常被砍伐，因此銀鵲樹變得越來越稀有，已成為中國特有的瀕危植物［11］。銀鵲樹在景觀美化及科學(xué)研究方面屬于珍貴物種，但是至今對于銀鵲樹光合作用方面的研究都較少。白櫟（Quercusfabri）則屬山毛櫸科，它的果實在中國經(jīng)常被用于制作不同的傳統(tǒng)綠色食物［12］。白櫟主要生長在中國南部和西南部，屬于喜光植物并能夠忍受干旱及低營養(yǎng)的環(huán)境［13］。亮葉樺（Betulaluminifera）屬樺木科，主要生長于中國的廣東、廣西、湖北、四川、重慶、貴州和云南?。?4］，它比較適應(yīng)溫濕氣候和酸性沙質(zhì)土壤，也能很好地適應(yīng)干旱與低營養(yǎng)環(huán)境。有研究表明，白樺的高產(chǎn)量與其較大葉面積以及冠層上部對凈光合速率有較大貢獻有關(guān)［15］。目前許多研究都集中在孑遺植物的分布以及生態(tài)特性上［16－17］，如孑遺植物銀杏（GinkgobilobaL．）的光合能力高于其它裸子、被子植物，它廣泛分布于全球各地［18］。孑遺植物銀鵲樹生長分散，在喀斯特山區(qū)分布雖廣，但多以零星分布為主，并作為國家三級保護喬木樹種［11］已在國內(nèi)多地引種成功，玉舍國家森林公園在小面積引種造林方面也初步取得成功。白櫟是喀斯特山區(qū)常見的先鋒喬木樹種之一，常被作為喀斯特山區(qū)植被恢復(fù)的模式植物來研究［13］，而亮葉樺在貴州山區(qū)多為野生，極少栽培，但也是山區(qū)造林的先鋒樹種，對喀斯特山區(qū)的水土保持具有良好的促進作用［14］。開展銀鵲樹與白櫟、亮葉樺光合特性的對比研究有助于我們對孑遺及瀕危植物的合理保護，同時為巖溶地區(qū)植被恢復(fù)優(yōu)勢物種的選擇提供理論依據(jù)。

光合活性能夠代表植物的生長潛能［19－20］，對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定能夠評估植物光合結(jié)構(gòu)的完整性及光合效率的大?。?1］，同時反映植物的光合活性［22］。植物的光合速率受葉綠素含量或者非氣孔限制的影響，非氣孔限制主要依賴于能夠影響羧化效率（CE）的核酮糖－1，5－二磷酸羧化酶的活性大?。?3－24］。高光合活性與高CE則表明植物擁有較高的CO2捕獲與同化效率。細胞呼吸作用是葡萄糖氧化成CO2和水的過程，該過程中釋放的能量被以ATP的形式儲存起來，并被用于細胞中所有耗能的代謝活動中，諸如光合作用、生物合成、氣孔運動以及有機溶質(zhì)通過膈膜的轉(zhuǎn)運等［25］。

碳酸酐酶（CA，EC 4．2．1．1）在光合作用過程中同樣發(fā)揮著重要作用，較高的活性有利于植物光合作用的進行［26］。CA 廣泛分布于動物、植物、原核細菌與真核細菌中，參與各種各樣的生理過程，催化細胞中HCO3－向CO2和水的轉(zhuǎn)化［27－28］。陸生植物對HCO3－的利用主要依賴于CA 的分解調(diào)節(jié)作用［29－30］，CA 活性越高，其轉(zhuǎn)化HCO3－的能力就越強。穩(wěn)定同位素技術(shù)可用于鑒別元素來源，植物中穩(wěn)定碳同位素組成（δ13C）隨著碳代謝途徑與光合作用過程中的無機碳來源的變化而變化［31］。通過對外源HCO3－穩(wěn)定碳同位素的標記，能夠示蹤植物獲取的CO2是否來自CA 催化轉(zhuǎn)化HCO3－分解生成的CO2。通過穩(wěn)定碳同位素的標記與穩(wěn)定碳同位素組成的測定，能夠計算獲得構(gòu)樹［Broussonetia papyrifera（L．）Vent］的HCO3－利用份額，通過測定δ13C能夠示蹤光合作用過程中無機碳源的代謝途徑［26，32］。

植物在碳源充足及固碳效率較高的情況下能夠展現(xiàn)出較高的光合效率。遭受喀斯特逆境情況下，許多植物氣孔關(guān)閉，引起光合作用過程中碳源不足，植物生長受到抑制。然而，孑遺植物銀鵲樹能夠在玉舍國家森林公園良好生長，本研究通過對光合作用、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素含量、CA 活性與δ13C的測定，考察貴州山區(qū)這3種木本植物的不同光合無機碳同化效率，分析3種木本植物CO2獲取及同化特點，最終探討這3個植物種不同的無機碳獲取機制。

1 材料和方法

1．1 實驗地點

實驗在2012年5月份進行，采樣點位于貴州省水城縣玉舍國家森林公園（26．58°N，104．82°E），公園主要由喀斯特地貌組成，最高海拔達2 100 m。年降雨量在940～1 450mm 之間，2012年平均降水量為1 220mm，最大降水量在5～10月份，雖然降水充足，但時空分布不均。冬冷夏涼，年平均氣溫在12．3℃左右，最高溫度19．8℃，最低溫度3℃。年均日照時數(shù)1 553．1h，空氣相對濕度63．7%，大氣壓只有78kPa，CO2濃度大約為395μmol·mol－1。玉舍國家森林公園內(nèi)同一地點的處于成熟期的銀鵲樹（6年生）、白櫟（10年生）與亮葉樺（8年生）被選為實驗材料。土壤樣品同樣于2012年5月份分別取自3種植物根系周圍，并被帶回實驗室檢測其理化性質(zhì)。

1．2 測定指標及方法

1．2．1 土壤理化性質(zhì) 將每種植物根系周圍重復(fù)3次采集的土樣風(fēng)干、研磨后按相同比例混勻，過0．25mm 篩后再分成3份，重復(fù)3次測定其理化性質(zhì)。土壤pH 用電極法測定，水土比為5∶1；HCO3－濃度采用中和滴定法測定；銨態(tài)氮含量采用凱氏定氮法測定；土壤速效鉀被NH4OAc浸提后用火焰光度法測定；有機質(zhì)含量用高溫干燒法測定。

1．2．2 光合作用參數(shù) 在晴朗天氣的9：30～11：00期間，用便攜式光合測量系統(tǒng)Li－6400（Li－COR，Lincoln，NE，USA）測定3種植物第4片完全展開葉的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）與氣孔導(dǎo)度（Gs），實驗重復(fù)5次。測量期間光合有效輻射、氣溫及CO2濃度分別為1 000μmol·m－2·s－1、18℃、400μmol·mol－1。水分利用效率（WUE）通過方程式（1）計算獲得：

同時，測定凈光合速率對CO2的響應(yīng)曲線，據(jù)此擬合直角雙曲線方程（2），再通過方程計算Amax、CE以及Resp：

Ci是胞間CO2濃 度（μmol·mol－1），Amax是CO2飽和時的凈光合速率，Resp是葉片呼吸速率，羧化效率（CE）是曲線起始斜率。用于測定光合作用對CO2響應(yīng)曲線的CO2濃度梯度為：2 300、2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、350、300、250、200、150、120、100、80、50、50μmol·mol－1。光合有效輻射與溫度分別是1 000μmol·m－2·s－1和18℃。

1．2．3 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 葉綠素?zé)晒鈪?shù)用便攜式光合測量系統(tǒng)Li－6400（Li－COR，Lincoln，NE，USA）測定。測量前葉片首先進行暗適應(yīng)30 min，確保所有反應(yīng)中心完全打開。植物第4片完全展開葉被用于實驗測定，每個植物種重復(fù)測定5次。在打上一個測量光束后記錄初始熒光（F0），在0．8s的飽和光脈沖（6 000μmol·m－2·s－1）照射后測定最大熒光（Fm），光系統(tǒng)Ⅱ最大量子產(chǎn)額（Fv／Fm）則通過（Fm－F0）／Fm被計算獲得。

1．2．4 葉綠素含量 植物第4、5片完全展開葉被用于測量葉綠素含量，每種植物重復(fù)測定5次。葉綠素含量測定參照李合生等［33］方法。用紫外分光光度計（Labtech UV－2000，Boston，USA）測定。

1．2．5 碳酸酐酶活性 植物的第4、5片完全展開葉被用于碳酸酐酶活性（WA）的測定，每種植物重復(fù)測定5次。稱取植物葉片0．1～0．2g，放到預(yù)冷的研缽中，迅速加入液氮，再加入3mL 10μmol·L－1巴比妥鈉緩沖液（含巰基乙醇50μmol·L－1，pH 8．3）進行研磨，取研磨液倒入5mL 的離心管中，離心管置于冰浴中20min后，在12 000g離心5min，取上清液，冷藏待用。

CA 活性的測定采用改進pH 計法［34－35］。保 持反應(yīng)系統(tǒng)在0～2℃，取待測上清液50～1 000μL，加入到含4．5 mL 的巴比妥鈉緩沖液（20μmol·L－1，pH 8．3）的反應(yīng)容器中，然后迅速加入3mL預(yù)冷的（0～2℃）飽和CO2蒸餾水，用pH 電極監(jiān)測反應(yīng)體系pH 值變化，記下pH 值下降一個單位（例如pH 值從8．2到7．2）所需的時間（記為t），同時記錄在酶失活條件下pH 值下降一個單位所需的時間（記為t0），酶的活力用WA（U·g－1）表示。

1．2．6 δ13C 測定 植物的第1片完全展開葉被用于δ13C的測定。植物葉片經(jīng)烘干、粉碎、過篩后，稱取一定量轉(zhuǎn)化成供質(zhì)譜儀分析的CO2氣體；在MAT－252質(zhì)譜儀（Mat－252，F(xiàn)innigan MAT，Germany）上進行測定，測量精度為小于±0．2‰。分析結(jié)果以δ13CPDB表示。

1．3 數(shù)據(jù)分析

所有實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 13．0統(tǒng)計軟件及Excel軟件進行統(tǒng)計分析并做圖。

2 結(jié)果與分析

2．1 土壤理化性質(zhì)與植物生態(tài)特性的比較

測定結(jié)果表明，3種木本植物立地土壤呈弱酸性（pH 5．41），大氣CO2很難溶于土壤溶液中，HCO3－濃度僅為0．02mmol·L－1，遠低于其它喀斯特地區(qū)背景值；其銨態(tài)氮含量為11．01 mg·kg－1，速效鉀含量（31．53 mg·kg－1）也較低，相比于中國其它地區(qū)，有機質(zhì)含量（6．43%）則較高。銀鵲樹、白櫟和亮葉樺分布都較為廣泛（表1）。孑遺植物銀鵲樹生長的最佳土壤pH 是4．5～5．5，而白櫟更傾向于中性到弱酸性土壤，肥沃的酸性土壤則對亮葉樺的生長有益；白櫟和亮葉樺都能忍受干旱和貧瘠，但是銀鵲樹不能忍受干旱和高溫。

2．2 植物葉片光合作用相關(guān)參數(shù)的比較

表2顯示，銀鵲樹葉片的Pn、Tr和Gs顯著大于白櫟和亮葉樺，亮葉樺又顯著高于白櫟，亮葉樺和白櫟的Pn、Tr和Gs分別是銀鵲樹的69．5%、48．2%、66．7%和28．6%、21．7%、22．2%；但3 種植物間的WUE則無顯著差異；亮葉樺葉綠素含量顯著高于銀鵲樹和白櫟，而后兩者葉綠素含量相同，它們?yōu)榱寥~樺的50．6%。銀鵲樹和亮葉樺Fv／Fm值相近，兩者均顯著顯著高于白櫟；而白櫟的F0值最大，亮葉樺的則最低，且三者間均存在顯著性差異。以上結(jié)果說明銀鵲樹吸收利用大氣中CO2的能力明顯高于白櫟和亮葉樺，白櫟則受限于較小的氣孔導(dǎo)度及凈光合速率，對大氣中CO2的利用效率較低。銀鵲樹和亮葉樺對土壤弱酸性環(huán)境具有更好的適應(yīng)性，而白櫟光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的活性受到較大影響。

表1 3種木本植物生態(tài)特性比較Table 1 Comparison of ecological characteristics in three woody plants

表2 3種木本植物葉片光合作用相關(guān)參數(shù)比較Table 2 The photosynthesis related parameters in leaves of three woody plants

2．3 植物葉片光合作用對CO2 響應(yīng)曲線的比較

圖1顯示，3個樹種葉片凈光合速率隨著CO2濃度的升高均表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢，但它們之間的CO2補償點和飽和點明顯不同。其中，銀鵲樹和亮葉樺都擁有較低的CO2補償點，均低于50μmol·mol－1，而白櫟的CO2補償點則在250～300μmol·mol－1之間，遠高于銀鵲樹和亮葉樺；同時，銀鵲樹的CO2飽和點在1 200μmol·mol－1左右，亮葉樺則在2 300μmol·mol－1左右，而白櫟的CO2飽和點明顯高于2 300μmol·mol－1。說明CO2濃度的升高在一定程度上有助于3個物種凈光合速率的增加，且銀鵲樹和亮葉樺利用大氣中CO2的能力強于白櫟。

2．4 植物葉片碳同化利用相關(guān)參數(shù)的比較

圖1 3種木本植物葉片光合作用對CO2 響應(yīng)曲線Fig．1 The P n－Ca curves in leaves of three woody plants

表3顯示，各木本植物葉片的最大凈光合速率（在飽和CO2濃度下的同化速率）以白櫟最高（高于50μmol·m－2·s－1），銀鵲樹居中，亮葉樺最低，且三者之間均存在顯著性差異（P＜0．05）。它們的羧化效率（CE）、呼吸速率（Resp）和碳酸酐酶活性（WA）均以銀鵲樹最高，亮葉樺居中，白櫟最低；而穩(wěn)定性同位素組成（δ13C 值）則以銀鵲樹最低，亮葉樺和白櫟較高。其中，白櫟的CE、Resp、WA分別為銀鵲樹的5．1%、25．7%和4．0%，而亮葉樺則分別為銀鵲樹的45．3%、54．6%和6．8%，且樹種間差異均達到顯著水平（P＜0．05）；白櫟和亮葉樺的δ13C值顯著高于銀鵲樹，但白櫟和亮葉樺之間則相同。以上結(jié)果說明在高活性碳酸酐酶的調(diào)節(jié)作用下，銀鵲樹擁有較高的碳同化及代謝效率，導(dǎo)致其穩(wěn)定碳同位素組成變得更為偏負；白櫟的碳合成及代謝效率最低，生長緩慢；亮葉樺的碳酸酐酶活性稍高于白櫟，它能夠擁有高于白櫟的碳合成及代謝效率。

表3 3種木本植物葉片碳同化利用相關(guān)參數(shù)的比較Table 3 The carbon assimilationrelated parameters in leaves of three woody plants

3 討 論

大氣中CO2主要以自由擴散的方式通過氣孔進入植物細胞間隙，再通過葉肉細胞壁到達羧化位點［19］。光合作用效率隨著氣孔導(dǎo)度的季節(jié)性變化而變化［36］。本實驗中，大氣中CO2能夠較為容易地通過氣孔進入銀鵲樹葉片的細胞間隙，并被固定在羧化位點，相反，白櫟獲取以及固定大氣中CO2的能力最弱，亮葉樺則稍強于白櫟。WUE反映了植物在單位水分流失情況下的無機碳獲取能力［37］，本實驗結(jié)果顯示銀鵲樹、白櫟和亮葉樺在同等水分流失情況下具有相同的無機碳獲取能力，但是銀鵲樹和亮葉樺利用大氣中CO2的能力強于白櫟。因此，銀鵲樹吸收利用大氣中CO2的能力最強，亮葉樺次之，白櫟最低。

銀鵲樹和亮葉樺對玉舍國家森林公園生境表現(xiàn)出更好的適應(yīng)性。同亮葉樺相比，銀鵲樹的光系統(tǒng)Ⅱ的光化學(xué)效率沒有受到葉綠素含量減少的影響。光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的活性能夠通過F0的值來反映，熱耗散的增加會引起F0的降低，而F0的增加說明光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心活性降低。據(jù)此來判斷，亮葉樺光系統(tǒng)Ⅱ熱耗散增加，白櫟光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心則活性降低；銀鵲樹能夠更好地生長，白櫟生長則相對較為緩慢。

有的植物不僅能夠利用大氣中的CO2，同時還能利用細胞中的HCO3－作為酶的底物，為自身提供無機碳源，而陸生植物對HCO3－的利用主要依賴于CA 的分解調(diào)節(jié)作用［30］。高活性CA 能夠催化胞內(nèi)HCO3－轉(zhuǎn)化為CO2，并為植物光合作用提供另一個碳源。銀鵲樹利用HCO3－的能力較強，而白櫟和亮葉樺則只能吸收利用大氣中的CO2，銀鵲樹除了利用大氣中的CO2外，還利用了細胞內(nèi)的HCO3－作為另一個無機碳源。雖然該地土壤中的HCO3－濃度非常低，然而銀鵲樹擁有較強的Resp，其根系呼吸同樣最強，那么由此產(chǎn)生的CO2也最多，當CO2溶于根系周圍的土壤溶液中后，立即形成HCO3－并被銀鵲樹根部再吸收，輸送到植物葉片，同時細胞質(zhì)中高活性的CA 加速催化轉(zhuǎn)化HCO3－為CO2，較強的CE和光合作用則加速了CO2的固定和同化效率。因此，白櫟和亮葉樺光合作用的無機碳源只能來自大氣中的CO2，而銀鵲樹則既能吸收大氣中的CO2，同時還能轉(zhuǎn)化利用細胞內(nèi)的HCO3－。所以，這3種植物的生物量生產(chǎn)率大小依次為：銀鵲樹（1 219．18g·m－2·a－1）［38］＞亮葉樺（0．10g·m－2·a－1）［39］＞白櫟（0．05g·m－2·a－1）［40］。銀鵲樹對于貴州省水城縣玉舍國家森林公園弱酸性土壤的適應(yīng)能力強于白櫟和亮葉樺。

綜上所述，本研究中的3種木本植物都能夠適應(yīng)貴州省水城縣玉舍國家森林公園弱酸性的土壤環(huán)境，并且分布廣泛。但它們擁有不同的光合無機碳利用特性。銀鵲樹的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、羧化效率、呼吸速率、光系統(tǒng)Ⅱ最大量子產(chǎn)額與碳酸酐酶活性都最高，它既能吸收利用大氣中的CO2又能在碳酸酐酶作用下轉(zhuǎn)化利用細胞內(nèi)的HCO3－，所以銀鵲樹吸收和同化利用無機碳的效率最高，產(chǎn)能最高。亮葉樺只能吸收利用大氣中的CO2，但是它同化利用CO2的效率和產(chǎn)能僅次于銀鵲樹。白櫟對喀斯特環(huán)境的適應(yīng)能力最弱，白櫟吸收以及同化利用CO2的效率也最低，但是白櫟生長緩慢，所以它對無機碳的需求同時也是最低的，其產(chǎn)能也最低。

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