王建波，王繼豐，付曉玲，鐘海秀，劉贏男，倪紅偉

（1黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040；2黑龍江省林業(yè)科學院，哈爾濱 150081）

0 引言

全球氣候變化已經被科學家所證實，大氣CO2濃度升高是當前全球氣候變化的一個主要因素[1]。自工業(yè)革命以來，由于化石燃料燃燒等人類活動，大氣CO2濃度已經增加了40%以上[2]，預計到21世紀末將達到700μmol CO2/mol[3]。CO2是植物光合作用的底物，其濃度升高必將影響到植物的光合作用和生長發(fā)育等多個過程。一般認為，CO2濃度升高使植物葉片的光合速率升高。但對于不同的物種，在不同的生態(tài)環(huán)境條件下，增加的幅度不同。CO2濃度升高的初始階段將使植物的光合速率顯著增加，而后隨著時間的推移，其增加速率會逐漸減弱或漸漸消失，有的甚至出現“光合下調”現象[4]，也稱為“光合適應”[5]，這與植物N素的供應有著密切關系。例如，在高大氣CO2濃度下，植物在土壤氮素供應較高時不發(fā)生光合適應現象，這一方面可能與增施氮素調節(jié)了植物體內C/N關系有關[6-7]，另一方面也與施氮可能增加了Rubisco等光合酶的含量和活性有關[8]。

氮是植物生長所需要的大量營養(yǎng)元素之一，在大多天然陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物的生長發(fā)育都受到氮素營養(yǎng)的限制。而全球N沉降也由1961年的14 Tg N/a增加到2000年的68 Tg N/a，預計到2050年全球N沉降量將達到200 Tg N/a[9]。以往對大氣CO2濃度升高和氮素營養(yǎng)的研究多集中在栽培植物，且多集中在農田[10-12]、森林[13-14]等生態(tài)系統(tǒng)，對于濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究較少[15-16]。由于天然群落的復雜性，要真正了解不同氮素沉降程度下，CO2濃度升高對于植物所產生的影響以及植物對其作出的響應，有必要在野外自然條件下進行監(jiān)測和研究。

三江平原是中國面積最大、分布最為集中的濕地區(qū)，是具有重要代表性和國際意義的濕地生態(tài)系統(tǒng)[17]。已有研究指出氮素是濕地系統(tǒng)中最主要的限制性養(yǎng)分。目前，由于農業(yè)生產活動過程中流失的氮素隨地表徑流、大氣沉降等多種途徑進入濕地中[18]。為明確高大氣CO2濃度下濕地植物光合特性對不同氮量的響應，本研究在野外原位條件下，以三江平原優(yōu)勢植物小葉章為研究對象，采用開頂式氣室進行不同CO2濃度處理，施用不同量的NH4NO3，研究小葉章氣體交換參數隨CO2升高處理時間延長的變化；不同施氮量如何調控CO2濃度升高對小葉章光合生理特性和生長的影響；探討長期高大氣CO2濃度下小葉章葉片的光合參數及其氮素調控機制，這一工作以期為未來濕地植物應對大氣CO2濃度升高提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點

本研究地區(qū)位于中國東北三江平原——洪河國家自然保護區(qū)，黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所三江平原濕地生態(tài)定位研究站內(47°49′N、133°40′E)。三江平原是由黑龍江、松花江和烏蘇里江沖擊而成，地勢平坦，地面坡降小，土質粘重，滲透困難，發(fā)育有淡水沼澤、沼澤化草甸、河流、湖泊等濕地類型。近年來由于氣候變化和大規(guī)模的農業(yè)活動，區(qū)域降水量減少、地下水位下降，濕地退化嚴重。小葉章(Calamagrostis angustifolia)是三江平原典型草甸、沼澤化草甸的建群植物和優(yōu)勢植物，沼澤植被中的優(yōu)勢種、亞優(yōu)勢種或重要的伴生種，常伴生有毛果苔草(Carex lasiocarpa)、蘆葦(Phragmitescommunis)、狹葉甜茅(Glyceria spiculosa)、灰脈苔草 (Carex appendiculata)、二歧銀蓮花(Anemone vivularis)、五 脈 山 黧 豆 (Lathyrus quinqunervuius)等植物。

1.2 試驗方法

采用開頂式氣室(open top chamber,OTC)模擬大氣CO2濃度升高。OTC氣室為正八邊形棱柱狀，框架高1.8 m，頂45°角，邊長1.5 m，框架之間為高透光鋼化玻璃構成。充氣系統(tǒng)包括氣瓶（液態(tài)CO2，純度為99.9%）、流量計、鼓風機和PVC管。PVC管（內徑為7.5 cm）圍繞箱體一周，其高度隨植物生長可進行調整，PVC管朝箱體中央一側每隔1 cm開直徑為0.1 cm的小孔。氣瓶排出的CO2在鼓風機作用下通過PVC管上的小孔均勻分布在開頂箱內，通過流量計調節(jié)流量，使箱體內形成相對均一的CO2濃度。在整個生長季保持連續(xù)通氣，每天7:00—18:00充氣，雨天停止充氣。試驗設置3個處理：高濃度CO2(700±20 μmol/mol，E2)、中濃度 CO2(550 ±20 μmol/mol，E1)和 背 景 CO2(380±20 μmol/mol，E0)。設置 3 個氮素供應水平 N0[0 g/(m2·a)]、N1[4 g/(m2·a)]和 N2[8 g/(m2·a)，每個處理3次重復。因此，試驗共計9個處理。根據天氣情況分別于CO2濃度處理0、25、52、72、86、112天測定氣體交換參數，于處理72天取樣測定葉片可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白含量，在處理86天測定小葉章株高等。

1.3 測定指標

1.3.1 光合參數測定 在每株小葉章上部選取完全伸展的、具有相似生理生態(tài)特征的葉片，用Li-6400便攜式光合系統(tǒng) (Li-Cor，Inc，美國)于晴天9:00—11:00測定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。測定時采用CO2小鋼瓶控制葉片葉室 CO2濃度，E0、E1和 E2氣室測定時葉室 CO2濃度分別設置為380、550、700 μmol/mol。測定時利用內置紅藍光源，光量子通量密度設置為1200 μmol/(m2·s)，葉室內溫度設25℃。

1.3.2 可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白、氮素含量測定 于處理72天取樣測定葉片可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白、氮素含量。選取中上部完全展開的功能葉作為測定材料；采用蒽酮比色法測定可溶性糖和淀粉含量；采用考馬斯亮藍染色法測定可溶性蛋白含量；采用微量凱式定氮法測定氮素含量。

1.4 數據分析

采用Sigmaplot 10.0進行數據處理和圖表繪制，用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行方差分析和差異顯著性分析。

2 結果分析

2.1 不同處理對小葉章氣體交換參數的影響

由圖1可知，不同處理小葉章凈光合速率隨著時間進展均表現出先增加后降低的趨勢。小葉章光合速率在72天達到最大值，而后各處理小葉章凈光合速率逐漸下降。N0和N1條件下的小葉章光合速率在處理25天之前表現為E1和E2顯著高于E0處理，說明短期CO2濃度升高可以提高小葉章光合作用；此后E1、E2和E0兩者差距逐漸縮小，72天之后E1和E2條件下小葉章凈光合速率顯著低于E0；而N2條件下，E1和E2小葉章凈光合速率在72天后較E0條件下略微升高。

圖1 不同處理對小葉章凈光合速率的影響

具體而言，N0條件下，與 E0處理相比，E1和 E2處理的凈光合速率分別下降11%和12%(P＜0.05)；在N1條件下，E1和E2處理的凈光合速率分別下降5%(P＞0.05)和10%(P＜0.05)；在N2條件下，E1和E2處理凈光合速率有稍增加的趨勢，但變化不顯著（P＞0.05，表1）。說明小葉章在CO2熏蒸一段時間后出現光合下調現象，而施加一定濃度的氮對小葉章氣體交換有一定的促進作用。在3個CO2濃度下，施氮均增加了小葉章葉片凈光合速率。

表1 不同處理對小葉章氣體交換參數的影響

CO2熏蒸72天后，N0條件下，E1氣孔導度、蒸騰速率較E0條件下降低15%(P＜0.05)和6%，E2二者則分別降低15%和13%(P＜0.05)；而N1條件下，E1處理氣孔導度、蒸騰速率較E0條件下降低18%和5%，E2處理二者則分別降低14%和13%(P＜0.05)，相比較而言，N0和N1條件下，CO2濃度升高對氣孔導度的影響更顯著；N2條件下，CO2升高條件下氣孔導度、蒸騰速率與E0處理相比變化不顯著（P＞0.05，表1）。說明施用高濃度的氮肥，一定程度會緩解CO2濃度升高對小葉章氣體交換參數的負效應。

2.2 不同處理對小葉章可溶性蛋白、氮素、可溶性糖和淀粉含量的影響

由圖2a可知，N0條件下，E1和E2小葉章葉片可溶性蛋白含量較E0分別低7%和9%(P＜0.05)，E2處理差異達到顯著水平；N1條件下，E1和E2處理可溶性蛋白較E0分別增加7%和8%，但未達到顯著水平；N2條件下，E1和E2處理葉片可溶性蛋白含量較E0分別增加13%和18%(P＜0.05)，差異達到顯著水平。在相同CO2濃度下，施氮也顯著增加了小葉章葉片可溶性蛋白含量。CO2濃度升高顯著影響了小葉章葉片N素含量（圖2b）。N0條件下，E1和E2處理N素含量較E0處理分別降低了4%和9%(P＜0.05)；N1條件下，E1和E2處理小葉章葉片N素含量較E0處理顯著降低(P＜0.05)；N2條件下，E1和E2處理小葉章葉片N素含量較E0處理變化不大(P＞0.05)。

3個氮處理條件下，CO2濃度升高均促進了小葉章葉片可溶性糖含量的增加（圖2c）。N0、N1和N2條件下，E1小葉章葉片可溶性糖含量較E0分別增加24%(P＜0.05)、6%和16%(P＜0.05)；E2葉片可溶性糖含量則較E0分別增加11%(P＜0.05)、3%和24%(P＜0.05)，除了在N1條件下未達到顯著水平，其余均達到顯著水平。3個氮處理條件下，CO2濃度升高對小葉章葉片淀粉含量影響均不顯著（圖2d）。

圖2 不同處理對小葉章葉片可溶性蛋白、N素含量、可溶性糖、淀粉含量的影響

2.3 不同處理對小葉章株高的影響

由圖3可見，N0條件下，E1和E2小葉章株高較E0處理降低9%和18%(P＜0.05)；而N1條件下，E1和E2小葉章株高較 E0降低 4%(P＜0.05)和 2%(P＞0.05)；N2條件下，二者株高則有稍增加的趨勢。在CO2濃度升高條件下，小葉章株高均隨著施氮量的增加而增加。

圖3 不同處理對小葉章株高的影響

3 結論與討論

通常情況下，短時間CO2濃度升高會促進植物光合作用，但隨著時間延長，CO2濃度升高對光合效率的積極作用會慢慢減弱，甚至出現光合適應現象[19]。一般來說，可利用養(yǎng)分(nutrient availability)在植物和生態(tài)系統(tǒng)對CO2升高響應過程中起著重要作用[20]。氮是生態(tài)系統(tǒng)中影響植物生長的最重要因素。Sefcik等[21]研究發(fā)現，高CO2處理的植物發(fā)生光合適應一般受到氮素限制，高氮會削弱植物在高CO2條件下的光合作用下調[6]。

本研究結果表明，CO2濃度升高短期內可促進小葉章光合作用，但隨著處理時間的延長，未施氮條件下，CO2濃度升高處理第72天，CO2升高處理的凈光合速率顯著低于自然CO2濃度條件下小葉章的凈光合速率；而高氮條件下小葉章在CO2濃度升高條件中則未出現明顯的光合下調現象，這與Hymus[22]等的研究相似，即在N供應缺乏時植物在富CO2下出現光合作用下調，而正常供N時，則未出現光合下調。

植物發(fā)生光合下調的機理目前還不十分清楚。一些研究表明，CO2濃度升高可能影響植物碳水化合物的匯和源間的平衡。當碳水化合物的匯規(guī)模較小或碳水化合物的傳輸受限制，那么植物葉片可能就會積累過多碳水化合物，最終反饋抑制光合效率導致光合下調[23-25]。但也有研究認為，終端光合產物合成速率是高CO2條件下植物光合作用下降的原因，淀粉大量積累不能成為植物光合下調的主要因素[26]。

本研究中，長期CO2濃度升高條件下出現光合下調的小葉章其可溶性糖含量較自然CO2濃度增加，但未出現光合下調的小葉章葉片可溶性糖含量也顯著增加，這與趙光影等[15]的研究較一致，而與王曉等[13]的研究結果不同。有研究發(fā)現，CO2濃度升高處理不同物種、不同熏蒸時間植物葉片碳水化合物也有所差異。例如有研究發(fā)現CO2濃度升高條件下，小麥葉片淀粉和可溶性糖含量未顯著增加[27]；CO2濃度升高對植物葉片可溶性糖含量的影響與季節(jié)變化和土壤營養(yǎng)有關[28]。光合適應并不總是與高濃度CO2條件下可溶性糖積累相伴出現[29]。本研究說明光合下調的原因可能并不是由于光合產物積累的，可能是由于光合關鍵酶活性的降低影響光合作用。

Rubisco是葉片中最豐富的蛋白質，占全部葉片（可溶性蛋白質）的30%～50%，因此可溶性蛋白的降低在一定程度上可以表明Rubisco活性的下降[30]。本研究中，未施氮條件下，長期CO2濃度升高條件下小葉章葉片可溶性蛋白含量顯著降低，因此推測出小葉章Rubisco含量也降低，進而影響小葉章光合效率，最終表現為小葉章株高的下降。徐明儀[16]在相同CO2濃度栽培試驗研究中發(fā)現，高CO2濃度處理24 h后的小葉章，其葉片有3個編碼rbc S的基因表達上調，這些基因表達水平的上調可以提高Rubisco的含量，進而短期內促進了小葉章光合能力的提高。Takatani等[31]發(fā)現長期CO2濃度升高條件下編碼Rubisco的2個亞基(rbcS、rbcL)基因表達下調，最終影響光合作用。此外，也可能由于小葉章在高CO2濃度下，改變了調節(jié)光合適應有關基因的表達或者加速葉片衰老，因此導致植物發(fā)生光合下調[32-33]。而高氮條件下可改善小葉章光合關鍵酶活性，調節(jié)長期CO2濃度升高條件下對小葉章光合作用的影響，促進植物生長。

植物光合特性和生長對于CO2濃度升高的響應和適應是復雜的，氮素對其的調控作用不僅存在物種之間的差異，而且可能受生物和非生物因素的影響，未來還需從植物碳氮代謝以及基因表達方面進行長期系統(tǒng)的研究。