大气中O3、CO2浓度升高对蒙古栎叶片生长的影响

王兰兰,何兴元,陈 玮,李雪梅(.中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 006；.沈阳师范大学化学与生命科学学院,辽宁 沈阳 0034)

大气中O3、CO2浓度升高对蒙古栎叶片生长的影响

王兰兰1,2*,何兴元1,陈 玮1,李雪梅2(1.中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016；2.沈阳师范大学化学与生命科学学院,辽宁 沈阳 110034)

以4年生蒙古栎(Quercus mongolica) 幼树为实验材料,分别于2007,2008年6～9月采用开顶箱法,研究了高浓度CO2和O3及复合作用对蒙古栎叶片光合量变化和生长的影响.结果表明,高浓度 O3处理下蒙古栎叶片日光合总量降低, 单叶鲜重、干重和单叶面积均有所下降,对蒙古栎叶片生长产生抑制.高浓度CO2处理下,蒙古栎叶片干、鲜重和单叶面积均高于对照,其中2007年差异显著,日光合总量总体高于对照.2种气体复合作用处理下,蒙古栎日光合总量、单叶鲜重、单叶干重、单叶面积均低于对照,且高于 O3单独处理,说明高浓度CO2可以通过减缓O3对植物光合的抑制,进而减少O3伤害,缓解生长抑制.

蒙古栎叶片；CO2、O3浓度升高；日光合总量；生长

工业革命以来,大气 CO2浓度不断升高[1].2007年11月23日世界气象组织发布的《2006年温室气体公报》指出,2006年大气中的CO2浓度为 381.2×10-6,是有记录以来的最高值.近地层范围,O3的生成主要源于CO、CH4、NOx及其他非甲烷烃类光化学反应.19世纪以来,对流层中的 O3水平增加了 35%[2].有研究预测[3],今后 20年中国 O3前体的释放会成倍增加.大气 CO2和O3浓度的上升直接影响植物光合作用及其生长.CO2浓度高通常促进植物光合及生长,相反,O3浓度升高却会对植物产生负面影响[4-6].以往研究比较多地针对CO2和O3单一因子的作用影响,国外一些学者研究过有关两种气体对植物光合生理的复合影响[2,7-8],但究竟高O3浓度升高多大程度上抑制植物生长,以及高浓度 CO2能否缓解 O3对植物叶片生长的抑制作用尚无定论.从国内研究现状来看,相关研究较少,且主要是针对作物的研究[9].

城市是温室气体的主要排放源,也是感受气候变化最敏感的区域.另外,油松栎林群落是沈阳地区主要地带性群落,而蒙古栎是这一群落的主要树种以及我国主要用材树种,因此本研究将实验地设在沈阳市区,采用开顶箱法,研究大气中CO2、O3浓度升高及其复合作用下,蒙古栎叶片光合量及生长变化,以期为研究城市中树木对全球变化的响应提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域与实验设备

研究区位于中国科学院沈阳树木园内(41º46´N,123º26´E),占地面积约 5hm2.2005 年,在树木园内建立了一套适用于木本植物生长的OTC-Ⅰ型开顶式气室气体监控测试系统,气室完全采用钢制骨架,底面为正六边形直径为400cm,高为300cm,气室上部为向内倾斜45º斜面,以减少充入气体从顶部飘出.钢梁之间全部镶玻璃,玻璃表面保持清洁以达到较高的透光率. 以环保型玻璃胶密封各处接缝,保持气室下部良好的气密性,防止气体散失.各气室之间的距离为400cm,避免气室之间相互遮光.

CO2气体以钢瓶装纯CO2提供气源.O3气体利用 GP-5J型高频 O3发生器.采用高性能瑞典SenseAir CO2传感器与新西兰Series 900O3分析仪直接吸入气体,分别实现对 CO2与 O3的监测,输出标准电压及电流信号,进入气室控制系统.

1.2 实验材料与处理

选取4年生蒙古栎幼苗(Quercus mongolica)为实验材料,于 2007年4月将其移栽于开顶箱内.每箱各 20株,随机分布.实验采用露地栽培,为确保各箱土质、肥力均匀,取出30cm厚度内表层土壤拌匀灭菌后回填.实验期间保证水分充足,无水、肥、病虫害等非实验因素影响.分别于2007年6月18日～9月20日,2008年6月13日～9月 15日针对同一实验材料进行通气处理,CO2每天 24h不间断通气,O3每天 9h(08:00～17:00)熏蒸.

实验共设4个处理(T1～T4),每个处理设3次重复,共12个开顶箱.T1(AA)为OTC对照箱,气室内不通任何气体,CO2浓度约为 380μmol/mol,O3浓度为40nmol/mol,均为本底浓度;T2(EO)中O3浓度为 80nmol/mol,约为目前本底 O3浓度的 2倍,CO2为本底浓度;T3(EC)中 CO2浓度为700μmol/mol,约为目前大气本底 CO2浓度的 2倍,O3为本底浓度;T4(EO+EC)中 CO2浓度为700μmol/mol,O3浓度为 80nmol/mol.

1.3 测定方法

1.3.1 日光合总量测定 采用 Li-6400便携式光合测定仪,分别在2007和2008年度选取晴好、无风的典型观测日,对开顶箱内蒙古栎叶片进行环境条件下的定位观测.通气处理前测定1次,之后每间隔15d测定1次.取样方法:随机选取测试树木东南方向向阳枝条中部叶,待系统稳定后,读取3～5个瞬时光合速率值,每个处理重复3次(即从 3个开顶箱分别取样),计算其平均值.绘制树木光合作用日变化曲线,根据光合日变化曲线计算日光合总量,其同化量是净光合速率曲线与时间横轴围合的面积.以此为基础,设净同化量为p,其计算公式如式(1)所示.

式中,p为测定日的光合总量,mmol/(m2·d);Pi为初测点的瞬时光合速率,Pi+1为下一测点的瞬时光合速率,μmol/(m2·s);ti为初测点的瞬时时间,ti+1为下一测点的时间,h;j为测试次数,3600为每小时 3600s,1000为 1mmol为1000μmol.

1.3.2 叶片鲜重、干重和含水量测定 2007年,通气20d和90d时测定蒙古栎叶片鲜重、干重,并计算20～90d各处理增量.2008年度,通气0d和90d时测定蒙古栎叶片鲜重、干重.

对不同处理条件下的植株每个开顶箱随机测定10片,即每个处理30片,叶片干重的测定方法[10],于上午9:00采摘叶片,测定其鲜重,先在烘箱内105℃杀青10min,然后降至70,24h℃烘干,测其干重.

1.3.3 叶面积测定 2007年,通气0d、20d、90d时分别测定蒙古栎单叶面积.2008年度,通气0d、90d时分别测定蒙古栎单叶面积.

对不同处理条件下的植株每个开顶箱同样随机测定10片,即每个处理30片,用LI-3000型便携式叶面积仪测量出单叶面积.

1.3.4 数据处理 部分数据采用方差分析(oneway ANOVA)和LDS多重比较检验进行统计分析,并以平均值±标准差表示, P ＜0.05为差异显著.

2 结果

2.1 对蒙古栎叶片造成的可视伤害

2007年,高浓度O3处理 60d时,蒙古栎叶片出现小的浅棕色斑点,随着处理时间的延长,斑点变大,数量增多,颜色转为深棕色.这是 O3伤害的典型症状,处理 90d时,伤害叶片所占比例达到27.9%.高浓度 CO2处理下,蒙古栎叶片未出现可视伤害症状;复合处理72d时,蒙古栎叶片出现棕斑,时间晚于 O3单独处理,处理 90d时,伤害叶片所占比例为18.0%,表明CO2能缓解O3对叶片的可视伤害程度.

2008年,蒙古栎叶片在高浓度 O3处理 74d时出现棕色斑点,但受伤害叶片数量较多,处理90d时伤害叶片所占比例达到37.4%.高浓度CO2处理下,蒙古栎叶片仍未出现可视伤害症状;复合处理下叶片伤害较单独高O3处理有所缓解,处理后 80d出现棕斑,90d时伤害叶片所占比例为22.0%.

2.2 对蒙古栎叶片生长的影响

2.2.1 对蒙古栎叶片干、鲜重的影响 如表 1所示,2007年,高浓度 O3处理下,蒙古栎 20～90d单叶鲜重、单叶干重平均增长量显著(P＜0.05)低于对照处理.降低比率分别达到 60.2%和 35.8%;相反,高浓度 CO2处理下,叶片干鲜重增量显著(P＜0.05)高于对照,与对照相比鲜重提高 38.4%,干重提高 35.1%;复合处理下,单叶鲜重增长量显著(P＜0.05)低于对照,但高于O3单独处理,与对照相比下降比率为 26.1%,单叶干重增长量显著(P＜0.05)高于O3单独处理,与对照比较略有下降,但差异未达到显著水平.

表1 2007年高浓度CO2、O3对蒙古栎叶片单叶鲜重和单叶干重的影响Table 1 Effects of elevated CO2and/or O3exposure on leaf weight of Quercus mongolica leaves in 2007

图1 2008年高浓度CO2、O3对蒙古栎叶片单叶鲜重和单叶干重的影响Fig.1 Effects of elevated CO2and/or O3exposure on leaf weight of Quercus mongolica leaves in 2008

如图1所示,2008年度各处理蒙古栎叶片变化趋势与 2007年基本一致,处理 90d时,高浓度O3处理下,单叶鲜重、干重低于对照;而高浓度CO2处理使单叶鲜重、干重高于对照;复合处理后单叶鲜重、干重均低于对照而高于O3单独处理.但各处理差异均不显著.

2.2.2 对蒙古栎叶片面积的影响 2007年蒙古栎各处理单叶面积变化如图 2所示.高 O3处理20,90d时单叶面积低于对照,90d时差异显著(P ＜0.05),高CO2处理90 d时单叶面积高于对照,复合处理20,90d时单叶面积则低于对照而高于O3单独处理.2008年度蒙古栎各处理单叶面积变化趋势同2007年度相一致,但差异均不显著.

图2 高浓度CO2、O3对蒙古栎单叶面积的影响Fig.2 Effects of elevated CO2and/or O3exposure on area per leaf of Quercus mongolica

2.2.3 对蒙古栎日光合总量影响 本实验结果表明,蒙古栎叶片日光合总量表现为:高浓度 O3处理下低于对照;高浓度 CO2处理下,2007年处理30d后高于对照;2008年则75d前普遍高于对照;两年度复合处理下,叶片日光合总量低于对照而普遍高于O3单独处理(图3).

3 讨论

3.1 高浓度O3和CO2对蒙古栎叶片的可视伤害

植物暴露在O3下最直观的表现是叶片出现可视伤害症状.植物受到O3伤害后出现的初始典型症状为叶片上散布细密点状斑,几乎是均匀的分布在整个叶片上,其形状、大小较规则,颜色或深或浅呈棕色或黄褐色,伤害加重后则斑块颜色加深,数量增多[11].通过叶片形态解剖分析,一般认为 O3首先危害栅栏组织,细胞内物质受到破坏、分散,最后伤害到海绵组织,形成两面坏死斑[12].本实验观察结果表明,蒙古栎叶片在 2007年度高浓度O3处理60d时出现可见的小浅棕色斑点,而且随着处理时间的延长,斑点的变大,数量增多,颜色转为深棕色,处理90d时伤害叶片所占比例达到27.9%.而在2008年度处理过程中发现,蒙古栎叶片在高浓度O3处理74d时出现棕色斑点,时间略晚于上年,但受伤害叶片数量较多,处理90d时伤害叶片所占比例达到37.4%.

有关 CO2对植物叶片可造成伤害报道在以往的研究中鲜见,在前期的研究中发现高浓度CO2处理 60d时,银杏叶片边缘出现可逆的黄化现象[13],而本研究中,2年度高浓度 CO2处理后,蒙古栎叶片均未出现明显可视伤害症状.

复合影响的研究表明,CO2浓度的提升可以减缓某些植物的可视伤害程度[14-15].本研究中复合处理下,2007年蒙古栎叶片处理72d时亦出现棕斑,但时间均晚于 O3单独处理,且伤害比率减少,表明CO2能缓解O3对蒙古栎叶片的可视伤害程度,这与上述研究结果相一致.

3.2 高浓度 O3和 CO2对蒙古栎叶片生长的影响

植物的生长依赖于光合作用,由于O3对植物光合有抑制作用,因此对植物的生长发育和产量产生负面影响.还有观点认为,植物以消耗用于维持生长的能量为代价[16-17],将其用于抵御和修复逆境伤害[18-19].不同植物对O3的响应有很大差异,有研究运用模型来解释不同种类植物对近地层大气 O3的敏感性,得出结论:草本植物比落叶乔木敏感,而落叶乔木又比针叶树敏感[20].本实验中高浓度O3降低了蒙古栎单叶鲜重、单叶干重、单叶面积,2007年与对照相比差异显著,降低比率可分别达到60.2%、35.8%和26.22%.

CO2是植物光合作用唯一碳源,大量实验表明,在大气CO2浓度升高条件下,植物生物量和农作物产量均得到增加.其原因可能是光合的增加和呼吸的减少引起的,最终导致植物生物量的增加.但是并不是所有植物的生物量都是随着 CO2浓度的增加而提高,如有研究发现,高浓度CO2胁迫下绿豆生长受到严重抑制,植株在形态上表现为单叶面积减少、茎细和根长下降.生长 25d的绿豆植株总生物量下降50%左右[21].本研究结果表明,高浓度CO2处理下,蒙古栎叶片干、鲜重以及单叶面积均高于对照,2年度结果相一致.

有关 2种气体同时增加对树木生长的影响机制目前尚无定论,Kellomäki等对松树的研究指出:O3和 CO2的混合气体对生长的影响和单独O3气体双倍浓度处理很相似[22].而对北美鹅掌楸(Liriodendron tulipifera L.)的研究表明复合作用促进了叶的生长,高浓度CO2缓解了O3对鹅掌楸生长和根的生物量的抑制作用[23].本实验结果表明,复合处理下,蒙古栎单叶鲜重、单叶干重、单叶面积均低于对照,但高于 O3单独处理,两年度实验结果一致.两种气体共同作用结果表明高浓度O3对生物量的负效应高于高浓度CO2所引起的正效应.

3.3 高浓度O3、CO2及其复合作用对蒙古栎叶片日光合总量季节变化的影响

本实验结果表明,高浓度O3降低了蒙古栎叶片日光合总量,进而抑制了叶的生长量;相反,高浓度CO2处理下,蒙古栎日光合总量前期高于对照处理,2008年后期(90d)与对照无明显差异,但总体表现为高于对照,进而促进叶总同化量,使其季末干鲜重高于对照.复合处理下,蒙古栎光合总量则低于对照而高于 O3单独处理,说明高浓度CO2可以通过减缓O3对植物光合的抑制进而减少O3伤害,这一点也可以从叶片干重变化上得以体现.

4 结论

4.1 植物暴露在 O3下最直观的表现是叶片出现可视伤害症状.蒙古栎叶片在2007年度高浓度O3处理后60d出现小浅棕色斑点,这是O3伤害的典型症状,而且随着处理时间的延长,斑点变大,数量增多,颜色转为深棕色,而在 2008年处理后74d才出现棕色斑点,时间略晚于上年,但受伤害叶片数量较多.高浓度O3降低了蒙古栎叶片日光合总量,进而降低了叶的生长量,表现为处理后单叶鲜重、单叶干重、单叶面积低于对照,2007年差异显著.

4.2 高浓度 CO2处理后,蒙古栎叶片未出现明显可视伤害症状,蒙古栎叶片日光合总量总体高于对照,进而促进叶总同化量,使其叶片干鲜重及单叶面积均高于对照,2年度结果相一致.可见,作为植物光合作用唯一碳源,大气 CO2浓度升高条件下,蒙古栎叶片生物量增加.

4.3 复合处理下,2007年蒙古栎叶片72 d出现棕斑,伤害症状出现时间晚于 O3单独处理,且伤害比率减少,表明CO2能减轻O3对蒙古栎叶片可视伤害程度.复合作用下,日光合总量低于对照而高于O3单独处理,说明高浓度CO2可以通过减缓O3对植物光合的抑制进而减轻高浓度 O3伤害,这一点也可以从叶片干重变化上得以体现.

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致谢：感谢陶大力先生在该稿件完成过程中给与的宝贵意见.

Effects of elevated O3or/and CO2on growth in leaves of Quercus mongolica.

WANG Lan-lan1,2*, HE Xing-yuan1, CHEN Wei1, LI Xue-mei2(1.Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China；2.College of Chemical and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：340～345

To study the responses of photosynthesis and growth in leaves of Quercus mongolica to elevated O3, elevated CO2and elevated O3+CO2in urban area, experiment was conducted in Shenyang Arboretum located at the center of the city. Four-year-old trees grown in open-top chambers (OTC) were exposed to control, elevated O3, elevated CO2and elevated O3+ elevated CO2for two growing seasons, and the growth (fresh weight, dry weight, leaf, area per leaf ), and diurnal assimilation amounts of Quercus mongolica leaves were measured. Diurnal assimilation amounts were decreased in elevated O3treatment, the fresh weight, dry weight and area per leaf were also reduced by elevated O3compared to the control. Under elevated CO2exposure, the fresh weight, dry weight and area per leaf were increased, significantly in 2007,While, Diurnal assimilation amounts were increased after elevated CO2exposure in total. When trees were exposed to both elevated O3and elevated CO2, the fresh weight, dry weight, area per leaf and Diurnal assimilation amounts were all lower than control but higher than only elevated O3treatment, which indicated that high CO2can largely relieve the damage of high O3to photosynthesis of Quercus mongolica leaves, so as to relieve the O3-induced negative effect of leaves growth.

Quercus mongolica leaves；elevated CO2or/and O3；diurnal assimilation amounts；growth

X503.235

A

1000-6923(2011)02-0340-06

2010-01-27

国家自然科学基金资助项目(90411019,90411052);沈阳师范大学博士启动基金项目;沈阳师范大学实验中心主任基金项目

* 责任作者, 副教授, wangqi5387402006 @ yahoo.com.cn

王兰兰(1978-),女,辽宁沈阳人,副教授,博士,主要从事城市森林对全球变化的响应研究.发表论文20余篇.