趙洪賢,張洋軍,徐銘澤,衛(wèi)騰宙,毛 軍,雒 宇,賈 昕,3,查天山,3,*

1北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083 2 寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 鹽池 751500 3 北京林業(yè)大學(xué)水土保持國家林業(yè)局重點實驗室, 北京 100083 4 甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院, 蘭州 730020

光合作用是碳循環(huán)的驅(qū)動力,植物葉片的光合作用模型可以反映植物對環(huán)境的適應(yīng)能力[1—2]。葉片最大凈光合速率(Amax)衡量光合潛力,通過研究植物葉片光合參數(shù)的動態(tài)變化,可以分析植物對其所處環(huán)境的響應(yīng)與其葉片光合作用機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)狀況。

葉片光合能力受生物與非生物因素的限制,這些限制因素多是由植物的個體發(fā)育和外界環(huán)境因素造成[3]。如對于荒漠植物,空氣溫度(Ta)和光合有效輻射(PAR)可以通過影響植物葉片氣孔的開度,影響CO2的吸收,從而影響植物的最大凈光合速率(Amax)[4],也有研究報道Ta和葉片比葉面積(SLA)是影響油蒿最大羧化效率(Vcmax)和最大電子傳遞速率(Jmax)的主要影響因素[5],根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn),對于半干旱區(qū)植物,植物對水的可獲得性是限制其生長的重要環(huán)境因子[6],土壤水分是重要的限制因素,水分脅迫會對植物葉片的Vcmax有明顯的抑制作用[7]。

氮是植物光合作用過程中重要的營養(yǎng)元素,最大凈光合速率與葉氮含量之間的關(guān)系被廣泛認(rèn)可,它的供應(yīng)直接影響植物的光合作用[8]。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素,其含量Cc對植物的光合速率有較大的影響,它的含量也會影響氮在葉片中的分配[9]。為滿足不同生長階段植物對氮的需求,植物對光合作用和構(gòu)建細(xì)胞壁的氮分配權(quán)衡可能存在其不同的生長階段[10],葉片中的氮素會隨著植物體的需求分配給光合系統(tǒng)和非光合系統(tǒng)[11—12]。光合系統(tǒng)包括一系列相互作用的子系統(tǒng),分配到的氮按照一定的比例分配給羧化系統(tǒng)(Pc)、生物力學(xué)系統(tǒng)(Pb)、捕光系統(tǒng)(PL)。非光合系統(tǒng)組分中分配的氮被用來構(gòu)建植物細(xì)胞的細(xì)胞壁等防御機(jī)構(gòu)[13—14]。有研究提出在同一地區(qū),有些物種為進(jìn)行更快更高效的光合,會將更多的氮分配到葉綠體中,以爭取更多的養(yǎng)分[15—16]；也有研究認(rèn)為當(dāng)植物處于環(huán)境脅迫條件下時,會更傾向于投資非光合機(jī)構(gòu)從而具有較小的氮利用效率和較低的光合能力[13]。因此氮素在植物葉片中的分配對植物的光合作用有著極大的影響。根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn),葉片氮素在植物葉片不同機(jī)構(gòu)中分配的季節(jié)動態(tài)會受環(huán)境因素和植物自身生理特性的影響[4,7,17],如有研究認(rèn)為在低氮水平下,植物傾向于將氮素更多的用于光合系統(tǒng),以提高其光合能力[18]。

最大電子傳遞速率與最大羧化效率的比值Jmax/Vcmax可以表明氮在植物光合系統(tǒng)中的分配情況[19]；Vcmax和Jmax可以描述葉片的光合能力,是決定碳同化速率的關(guān)鍵[20—22],光合作用發(fā)生在葉綠體中,涉及光依賴和非光依賴的生化反應(yīng),前者受到Jmax的限制[22]；Vcmax與光合作用的關(guān)鍵酶Rubisco直接相關(guān),Rubisco與植物葉片的光合速率相關(guān)[22]。而Vcmax和Jmax是估算氮在葉片光合機(jī)構(gòu)中的分配比例的重要參數(shù)[16],因此,本研究推測植物最大凈光合速率的季節(jié)動態(tài)與植物葉氮含量在葉片不同機(jī)構(gòu)中的分配有關(guān)。

目前,關(guān)于荒漠植物光合響應(yīng)曲線參數(shù)季節(jié)動態(tài)及其調(diào)控機(jī)理的研究,多集中在環(huán)境因子或植物葉片性狀對植物光合速率的影響[23—25],也有人研究了葉氮含量對光合特性的影響[5,26],而將最大凈光合速率與葉氮分配的季節(jié)動態(tài)結(jié)合研究的報道非常有限。在土壤肥力較低的荒漠地區(qū),植物葉片的最大凈光合速率與氮素在葉片各個系統(tǒng)間分配比例的關(guān)系是什么,在不同的物候時期,植物如何調(diào)節(jié)對葉片氮素的利用策略來滿足自身在不同時期生長的需求,仍需進(jìn)一步的研究。干旱半干旱地區(qū)是全球變暖過程中最敏感脆弱的地區(qū)之一,其在我國的分布范圍占國土總面積的48.8%[4,27],對此區(qū)域內(nèi)的荒漠植物生理機(jī)制的研究十分必要。因此,本研究以荒漠典型灌木油蒿(Artemisiaordosica)為研究對象,通過對光合響應(yīng)曲線的全生長期原位觀測和葉片氮含量的測定,分析油蒿最大凈光合速率的季節(jié)動態(tài),闡明葉氮分配的季節(jié)變化對油蒿最大凈光合速率季節(jié)動態(tài)的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

實驗在寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站(37°42′31″N, 107°13′47″ E)進(jìn)行。氣候類型屬于典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,降水主要集中在7—9月,年降水量約287 mm,蒸發(fā)量約是降水量的7倍[4]。年平均氣溫7.7 ℃,晝夜溫差較大,日照充足。研究區(qū)內(nèi)優(yōu)勢植物種為油蒿。根據(jù)研究站之前觀察結(jié)果,油蒿展葉期在一年的第100—150天(4月11日至6月1日),完全展葉期在第151—240天(6月2日至8月29日),落葉期在第241—290天(8月30日至10月18日)[28]。生長季內(nèi),試驗樣地土壤全氮含量均值為0.17g/kg。

1.2 研究方法

實驗于2018年5—10月進(jìn)行,結(jié)合手動測量與通量塔連續(xù)觀測的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。在距通量塔1公里處的100m×100 m油蒿樣地內(nèi),隨機(jī)選擇5株受光均勻的成年油蒿植株作為觀測樣株。

從2018年5月3日到9月24日,以10d為一個周期進(jìn)行觀測,選擇周期內(nèi)晴朗無風(fēng)的天氣,使用LI- 6400XT便攜式光合測定儀(LI-COR, USA)和LI- 6400的紅藍(lán)光源葉室(LI-COR, USA)在8：00—11：30測量油蒿的光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線,流速設(shè)置為500 μmol/s。測量光響應(yīng)曲線時,光強(qiáng)梯度設(shè)置為2000、1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、50和0 μmol m-2s-1,在每個光強(qiáng)梯度下適應(yīng)3 min,儀器自動將樣品室與參比室進(jìn)行匹配后記錄其光合速率；測量CO2響應(yīng)曲線時,設(shè)定光強(qiáng)為1800 μmol m-2s-1,利用LI- 6400的注入系統(tǒng)和外接CO2小鋼瓶提供并控制CO2濃度,CO2濃度梯度設(shè)置為400、200、100、50、400、600、800、1000、1200、1500、1800、2000 μmol CO2/mol,在每個濃度下適應(yīng)3 min后,儀器自動測量其光合速率并記錄。將被測葉片帶回實驗室,稱量其葉片鮮重,并用ImagJ軟件分析計算得到其葉面積,并對所測得的光合響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

在各個樣株上采集與所測葉片葉位、葉形、葉齡相近的葉片若干,稱取0.2g的新鮮葉片,分別加入適量碳酸鈣、石英砂和95%的乙醇,用研缽研成均漿,抽濾后用95%的乙醇定容至25mL,以95%的乙醇溶液作為空白對照,在波長649nm和665nm下測定提取液的吸光度,根據(jù)經(jīng)驗公式法,計算得出油蒿葉片葉綠素含量Cc；其余葉片在105℃下殺青2h,接著在75℃下持續(xù)烘干至恒重,用研缽制成粉末狀,過100目篩,每份稱取1.5g,裝入自封袋中,妥善保存至生長季結(jié)束,帶回北京委托中國科學(xué)研究院植物所測定葉片氮含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

1.3.1數(shù)據(jù)處理

根據(jù)分光光度計法實驗原理中提供的計算公式,計算油蒿葉片中葉綠素含量Cc(mg/g)：

式中,A665為葉綠素在665nm波長下的吸光度,A649為葉綠素在649nm波長下的吸光度,V為提取液體積,N為稀釋倍數(shù),W為樣品鮮質(zhì)量(g)。

本研究中利用葉子飄等[29—30]提出的雙曲線修正模型對所測得的光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合計算,得到Amax：

式中β為修正系數(shù)[30]；α是光響應(yīng)曲線的初始斜率；γ是光響應(yīng)曲線的初始斜率與植物最大光合速率的比值；Ic是植物的光補(bǔ)償點；I為光合有效輻射；Rd為植物的暗呼吸速率[31]；其中Im為植物的飽和光照強(qiáng)度,其計算公式為：

CO2響應(yīng)曲線參數(shù)的計算,是根據(jù)1980年Farquhar等提出的FvCB模型,計算最大羧化效率Vcmax(μmol m-2s-1)和最大電子傳遞速率Jmax(μmol m-2s-1)[32—33]。本研究中,數(shù)據(jù)分析使用RStudio 4.0.5軟件[34],利用R包plantecophys進(jìn)行擬合計算,公式如下：

式中,Ac為Rubisco活動限制下凈光合速率,Ci為胞間CO2濃度,Oi為胞間O2濃度,Г*為無暗呼吸時的CO2補(bǔ)償點,Kc,Ko分別為CO2和O2Rubisco活性的Michaelis-Menten系數(shù)[35—36]；J為電子傳輸速率,θ取值0.85,α取值0.24,核酮糖-1,5-雙磷酸(RuBP)Aj為RuBP再生受到限制時的凈光合速率[36]。

本研究中,用經(jīng)驗公式法估算油蒿葉片氮素在各組分之間的分配比例[16],根據(jù)Vcmax、Jmax和葉綠素含量Cc估算氮在羧化系統(tǒng)中的分配比例Pc、在生物力能學(xué)組分中的比例Pb和在捕光系統(tǒng)中的分配比例PL[16,37],計算公式如下：

式中,Vcr是單位Rubisco的CO2固定活性,取值為20.78 μmolCO2g-1Rubisco-1,Jmc是單位 Cyt f的最大電子傳遞速率,取值為155.65 μmol e-μmol-1cyt fs-1[14,16,37]；Nmass為單位干重葉片氮含量(g/g),Cc為葉綠素含量(mmol/g),CB為捕光系統(tǒng)中葉綠素與氮的比值(mmol Chl/g N)[16],其計算公式為：

式中,LMA為比葉重(g/m2),為葉片干重與葉面積的比值。氮在葉片光合系統(tǒng)的分配比例Pp與在非光合系統(tǒng)中的分配比例P1-P為：

Pp=Pc+Pb+PL

P1-p=1-Pp

1.3.2數(shù)據(jù)分析方法

基于SPSS軟件,用雙變量相關(guān)性分析法和回歸分析法分析油蒿葉片最大凈光合速率Amax與各個生物相關(guān)性,基于R[34],利用agricolae包,對葉氮分配相關(guān)參數(shù)與Amax之間的關(guān)系進(jìn)行通徑分析,并基于通徑系數(shù)表,分析各因子對Amax季節(jié)動態(tài)的作用路徑；軟件制圖采用Origin9.0。

2 結(jié)果

2.1 油蒿最大凈光合速率的季節(jié)動態(tài)

在不同的物候時期,由于植物對光強(qiáng)、溫度等因子的敏感度不同,油蒿最大凈光合速率(Amax)存在季節(jié)動態(tài)。在生長季內(nèi),油蒿的Amax在23.42 μmol CO2m-2s-1周圍波動變化(圖1),在完全展葉中期(第182天)有最大值29.48 μmol CO2m-2s-1,在完全展葉末期有最小值16.85 μmol CO2m-2s-1,Amax季節(jié)變異系數(shù)(Cv)為14%。Vcmax和Jmax具有相同的季節(jié)變異趨勢(圖1)。

圖1 毛烏素沙地油蒿光合參數(shù)季節(jié)動態(tài)Fig.1 Seasonal variations in photosynthetic parameters in Artemisia ordosica in Mu Us Sandy land橫向參照線為各參數(shù)觀測期內(nèi)均值, 縱向參照線劃分不同物候期;橫坐標(biāo)即年積日

2.2 油蒿葉片氮分配相關(guān)參數(shù)的季節(jié)動態(tài)

油蒿葉片氮分配的相關(guān)參數(shù)Pc、Pb、PL在生長季內(nèi)呈波動變化,油蒿葉片氮利用效率(PNUE)在完全展葉中期有最大值11.82 μmolCO2gN-1s-1(圖2)。油蒿葉氮分配參數(shù)在生長季內(nèi)呈波動變化,均在完全展葉中期有最大值(第182天),Pc、Pb、PL分別為0.26、0.09、0.08(圖2),即Pp在此時有最大值0.43(Pc+Pb+PL),此時葉片氮素在油蒿光合系統(tǒng)中的分配比例最大。在完全展葉末期(第232天),Pc、Pb、PL有最小值(圖2),此時油蒿葉氮在非光合系統(tǒng)中的分配比例P1-p有最大值0.79,PNUE也在此時有最小值6.72μmolCO2gN-1s-1。

圖2 2018年油蒿生物因子季節(jié)動態(tài)Fig.2 Seasonal variations in biotic factors in Artemisia ordosica in 2018橫向參照線為各參數(shù)觀測期內(nèi)均值,縱向參照線劃分不同物候期。橫坐標(biāo)即年積日

2.3 油蒿最大凈光合速率與葉氮分配相關(guān)參數(shù)的關(guān)系

對油蒿最大凈光合速率Amax與Nmass進(jìn)行回歸分析,結(jié)果顯示,Amax與Nmass極顯著正相關(guān)(P<0.01)(圖3),即油蒿最大凈光合速率與葉片氮含量相關(guān)；因此對Amax與葉片氮分配相關(guān)參數(shù)Pc、Pb、PL進(jìn)一步進(jìn)行回歸分析,結(jié)果表明Amax與Pb極顯著正相關(guān)(P<0.01),與PL顯著正相關(guān)(P<0.05),與Pc相關(guān),與P1-p顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)(圖4)。

圖3 2018年毛烏素沙地油蒿葉片最大凈光合速率Amax與葉片氮含量Nmass的關(guān)系Fig.3 Relationship between the maximum net photosynthetic rate Amax and Nmass in Artemisia ordosica in Mu Us sandy land in 2018

圖4 2018年毛烏素沙地油蒿葉片最大凈光合速率Amax與葉片氮分配相關(guān)參數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between the maximum net photosynthetic rate Amax and nitrogen distribution parameters in Artemisia ordosica in Mu Us sandy land in 2018

2.4 基于通徑分析的葉氮分配相關(guān)參數(shù)對油蒿最大凈光合速率的作用識別

主要分析2018年5—10月油蒿最大凈光合速率受氮分配相關(guān)參數(shù)的調(diào)控機(jī)制,但各個因子之間的相關(guān)性導(dǎo)致的信息重疊,因此本研究基于通徑分析方法,對Pc、Pb、PL對Amax的影響進(jìn)行通徑分析,根據(jù)直接、間接通徑系數(shù)(表1)分析其對油蒿Amax季節(jié)動態(tài)的影響路徑。

通徑分析結(jié)果表明,氮在捕光系統(tǒng)中分配比例PL的直接通徑系數(shù)為正值且最大,其次是氮在生物力能學(xué)組分中的比例Pb和氮在羧化系統(tǒng)中的比例Pc均對Amax產(chǎn)生了正向影響。Pc通過Pb間接作用于Amax的間接通徑系數(shù)為正值。

3 討論

葉片氮素在光合與非光合系統(tǒng)之間的分配權(quán)衡已經(jīng)被廣泛討論。在本研究中,通過對研究區(qū)主要建群種油蒿的光合參數(shù)及葉片氮含量的全生長期原位測定,研究其葉片氮分配對最大凈光合速率季節(jié)變化的影響。本文的研究結(jié)果表明,油蒿在不同的物候階段,為滿足其生長的需求,氮在葉片不同機(jī)構(gòu)中的分配比例不同[14],植株通過不同的氮素利用策略來維持生長。油蒿葉片Amax在完全展葉中期有最大值,這與前人研究所得出的油蒿葉片Amax在展葉期和落葉期有較大值有別[5],說明油蒿Amax的季節(jié)動態(tài)特征可能存在年際差異。氮素向葉片光合機(jī)構(gòu)的分配是PNUE重要的決定因素之一[11],在觀測期內(nèi),Jmax/Vcmax在完全展葉中期有最大值3.86(圖5),而Jmax與Vcmax的比值可以表示葉片氮素在光合系統(tǒng)中的分配情況[19],即在該物候期油蒿羧化和RuBP再生速率較強(qiáng)[22],可能是由于在此期間,油蒿葉片氮素在光合系統(tǒng)的分配比例Pp有最大值(圖2),氮素的分配傾向于光合系統(tǒng),葉片向Rubisco投入更多的氮以增加光合能力,PNUE也在此物候期有最大值,同時油蒿葉片具有較小的LMA,即此時葉片的光合能力最大,光合氮利用效率最高,在此物候時期油蒿處于快速生長階段。在不同物候時期,葉片氮分配的改變有利于植物在自然生境中的生存。本研究發(fā)現(xiàn),在完全展葉初期和末期,油蒿葉片氮素分配更傾向于非光合系統(tǒng),表現(xiàn)為在這兩個時期Pp均有最小值0.21(第162天、第232天),此時油蒿葉片光合速率較小,光合能力較弱,而比葉重(LMA)較高(圖5),這說明油蒿在葉片結(jié)構(gòu)生物量中投入了更多的氮,有利于維持葉片機(jī)械韌性,獲得較長的葉片壽命,提高油蒿抵抗不利環(huán)境的能力[12—13]。

表1 葉片氮分配參數(shù)對油蒿最大凈光合速率Amax的直接、間接通徑系數(shù)

圖5 2018年毛烏素沙地油蒿葉片比葉重LMA和Jmax/Vcmax的季節(jié)動態(tài)Fig.5 Seasonal variations in LMA and Jmax/Vcmax in Artemisia ordosica in Mu Us sandy land in 2018橫向參照線為各參數(shù)觀測期內(nèi)均值,縱向參照線劃分不同物候期;橫坐標(biāo)即年積日

氮素對植物葉片光合系統(tǒng)所有的組成部分都至關(guān)重要[22],在本研究中,Nmass與Amax顯著相關(guān),隨著單位干重葉片氮含量的增加,Amax顯著增加,即油蒿最大光合能力增大,這與前人研究結(jié)果相似[17]。油蒿葉片氮素在各個光合機(jī)構(gòu)中的分配比例與Amax均正相關(guān),隨著其在光合系統(tǒng)中的分配總比例Pp增加,油蒿最大凈光合速率Amax增大。本研究中,Amax與LMA顯著負(fù)相關(guān)(圖6),與前人研究的具有高LMA的植株具有較低的光合速率的結(jié)論相似[9,13],這可能是由于在具有較高LMA的葉片中,有更多的氮被用于構(gòu)建細(xì)胞壁,這可能導(dǎo)致分配給Rubisco的氮含量相對減少,分配到光合系統(tǒng)的氮較低[12—14,38],使油蒿光合能力降低,表現(xiàn)為Amax減小(圖6)。在觀測期內(nèi)油蒿的PNUE明顯低于常綠灌木[39],根據(jù)前人對不同物種PNUE差異的生理原因的研究結(jié)果表明,這可能是油蒿以犧牲PNUE來提高其在非光合系統(tǒng)中氮的投入,從而提高葉片應(yīng)對干旱脅迫時的抗逆性[11, 14,39]。

圖6 2018年毛烏素沙地油蒿葉片最大凈光合速率Amax與比葉重LMA、葉綠素含量Cc的關(guān)系Fig.6 Relationship between the maximum net photosynthetic rate Amax and LMA and Cc in Artemisia ordosica in Mu Us sandy land in 2018

本研究發(fā)現(xiàn)油蒿葉片氮素在捕光系統(tǒng)中分配比例PL對Amax產(chǎn)生了最大的正向影響,這可能是由于PL與葉片葉綠素含量Cc密切相關(guān)[16],而本研究中Amax與Cc顯著正相關(guān)(P<0.05)(圖6),因此PL對Amax有最大的直接正向影響。從回歸分析結(jié)果可知,氮在生物力能學(xué)組分中分配比例Pb對Amax的季節(jié)動態(tài)變化解釋度最大(圖4),通徑分析也表明Pb對Amax有直接的正向影響,Pb對Amax的影響可能是由于當(dāng)CO2濃度到達(dá)一定大小時,植株葉片的光合作用受最大電子傳遞效率Jmax的限制[2,18,22],從而體現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系；回歸分析結(jié)果顯示氮在羧化系統(tǒng)分配比例Pc與Amax的季節(jié)動態(tài)變化呈不顯著正相關(guān)(圖4),但本研究發(fā)現(xiàn)Pc主要通過Pb對Amax的季節(jié)動態(tài)產(chǎn)生了間接的正向影響,這可能是由于油蒿葉片在不同的物候時期,會通過調(diào)節(jié)葉片氮素在羧化系統(tǒng)和生物力能學(xué)系統(tǒng)之間的分配比例而影響Amax的大小[19]。油蒿在生長旺盛時期葉片傾向于投資較多的氮進(jìn)行光合作用,在生長初期和末期則傾向于投資更多的氮來提高植物葉片的機(jī)械韌性,維持較長的葉片壽命。本文的研究表明了荒漠典型灌木油蒿在不同物候時期通過調(diào)控氮在葉片光合和非光合系統(tǒng)之間的分配比例,通過不同的氮素利用策略,調(diào)節(jié)葉片最大凈光合速率與葉片機(jī)械韌性之間的權(quán)衡以適應(yīng)環(huán)境變化。

4 結(jié)論

(1)觀測期內(nèi),油蒿最大凈光合速率(Amax)在完全展葉中期(第182天)有最大值,在此物候階段,油蒿的光合能力最大。

(2)油蒿Amax與氮素在葉片各個光合機(jī)構(gòu)中的分配比例均正相關(guān),考慮氮分配相關(guān)參數(shù)對Amax季節(jié)動態(tài)的影響時,氮在捕光系統(tǒng)中分配比例PL與Amax呈顯著正相關(guān),PL對Amax的季節(jié)動態(tài)有最大的直接正向影響,氮在生物力能學(xué)組分中的比例Pb與Amax極顯著正相關(guān)(R2=0.49,P<0.01),氮在羧化系統(tǒng)中分配比例Pc主要通過影響Pb對Amax產(chǎn)生正向作用。