不同温度培养下莕菜(Nymphoides peltata)生长与光合作用特征*1

施 娴 ，陈开宁，黄 蔚 ，杨 鑫

(1:中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京210008)

(2:中国科学院大学，北京100049)

莕菜(Nymphoides peltata)，龙胆科莕菜属植物，一种多年生根着浮叶植物，广泛分布于中国南北各地，日本和朝鲜等地也有分布，通常生长在池塘和湖泊、静水体中［1］.莕菜属植物多分布于内陆水域浅水环境，常生长在挺水植物与敞水区之间的过渡带，分布的水深范围通常可达2.2 m，在一些浅水湖泊中分布的面积覆盖度可达18%～70%［2］，对淡水生态系统具有广泛影响.在我国，莕菜属植物在南北各省均有分布［3］.

据2004年和2008年5月- 2 009年4月的现场调查，莕菜和金银莲花种群在太湖东南部水域(除东太湖，其受人类活动干扰强烈而覆盖面积较少)覆盖面积已达76.7 km2(占全湖面积3.47%)，局部湖区(如胥口湾和东西山之间)覆盖度已接近40%;从全湖范围看，覆盖度较2004年调查时扩大了63.7%(2004年:2.12%;2008 ---2009年:3.47%)［4］.浮叶植物茂密生长将严重影响阳光对水下的照射，使得下层的沉水植物不能正常进行光合作用，最终导致沉水植物消亡，进而对水质乃至整个水域生态系统产生巨大的负面影响.Larson研究了不同覆盖度下莕菜生长对2种沉水植物(Ceratophyllum demersum和Elodea canadensis)生长率的影响，实验表明，随着莕菜覆盖度的增大，2种沉水植物的生长率随之下降［5］.Marion等利用物质平衡方法研究了法国西部的Grand-Lieu湖中浮叶植物(2种莕菜属植物Nymphaea alba和N.peltata，1种菱属植物Trapa natans)对流域内输入湖泊水体氮、磷营养的影响，发现1997年N.alba覆盖面积达到75%时，有50%～72%的氮和46%～70%的磷储存在浮叶植物体内，浮叶植物对该湖泊水体中氮、磷的年负荷量贡献比例分别达到3.35%～5.00%和16.80%～156.25%［2］，可见莕菜对湖泊水体营养物质循环有很大的影响.可想而知，莕菜在太湖的不断扩张不但会直接影响到东南部水域航运和渔业生产，同时也会对湖泊生态系统产生较大的影响.

此外，在全球变暖的大趋势下，太湖流域也于1970s经历了一个缓慢的增温过程.监测表明［6］，太湖流域自1991年开始进入显著性增温时期，1991----2000年平均气温比多年平均气温高出约0.4℃，而且增温幅度随时间不断增大.这一结果与姜彤等［7］对长江流域年平均气温的分析结论比较接近，该分析结论表明，1991 ---2006年平均气温比多年平均气温高出约0.7℃，1998 ---2006年平均气温更是比多年平均气温高出约1.0℃，温度升高趋势显著，且表现出最低气温上升幅度大于最高气温上升幅度的变化趋势.已有研究表明［8-11］，全球变暖对陆生植物的生长和物候变化等会产生一定的影响.在全球气候变暖的大趋势下，是否也对水生植物，如太湖的莕菜生长产生影响呢?气候变暖是否是莕菜属植物在太湖快速扩张的驱动因子?现阶段该方面的研究较匮乏.

光合作用是衡量植物生长状况的一个重要指标，是描述植物生长状况以及生长发育的基础，植物的光响应曲线、CO2响应曲线反映的正是光合速率随着光照强度、CO2浓度的变化特性，这种曲线的测定对于判定植物的光合能力非常有效［12-16］.陈维［17］在探究环境因素对光合作用强度的影响中证实:在0～40℃温度范围内，随着温度的升高，光合作用产生的氧气量也在升高，表明温度适度升高可以提高光合作用的强度;当温度达到50℃时，光合作用产生的氧气量开始下降，说明温度太高将直接影响光合作用的进程.本文通过室内不同温度下的受控实验，研究莕菜生长与光合作用特征对温度变化的响应，着重探讨全球气候变暖可能对莕菜生长产生的影响，为分析近年来莕菜属植物在太湖迅速扩张的机制提供基础数据.

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试的莕菜克隆株于2011年12月采自江苏太湖东、西山之间的水域(31°7'N，120°22'E)，而后在实验室流水中培养.同时取太湖相同水域的底泥，充分混匀后作为莕菜培养基质，其总氮含量为1306.36 mg/kg，总磷含量为 3 98.25 mg/kg.

1.2 实验设计

本实验为室内控制实验，实验时间为2012年3月1日- 5 月20日，莕菜培养用室内日光灯照射，光照强度为150 μmol photons/(m2·s)，光暗比为14 h∶10 h.选取形态、大小相似的莕菜克隆株(克隆株鲜重为1.5±0.2 g(FW)，植株上带有2个小叶片)，随机植入装满太湖底泥的白色塑料盒中(长×宽×高=30 cm×25 cm×10 cm)，每个塑料盒中植入1个克隆株.然后将塑料盒放入装满水的80 cm×60 cm×110 cm玻璃缸中.培养水为经过24 h曝气的自来水，玻璃缸的换水周期为一周2次，水体总氮浓度为2.18 mg/L，总磷浓度为0.04 mg/L，玻璃缸内设置3种温度:使用波茵智能型温控器和加热棒进行温度控制，保证玻璃缸水体的温度梯度为28±0.5、30±0.5 和32 ±0.5℃.每个处理设置3个重复.

1.3 实验方法

在2012年5月20日利用Li-6400便携式光合作用分析仪(Li-cor，USA)对莕菜成熟叶片进行测定，获得莕菜叶片的光响应曲线和CO2响应曲线.在每个温度梯度下，分别选取大小相似、生长状态相近的叶片3片，作为重复.为保证其它环境因子稳定适宜，测定过程中，叶温设置为28℃，相对湿度设置为80%.

1.3.1 光响应曲线的测定 CO2浓度设置为380 μmol/mol.测定过程使用Li-6400的人工光源(Li-6400-02B红蓝光源)，并手动设置光强为 0、20、50、80、100、150、300、500、700、900、1000、1100、1200 μmol/(m2·s)，每个温度梯度下，分别选取大小相似、生长状况相近的3片叶片作为重复.

1.3.2 CO2响应曲线的测定 参照上述光响应曲线的测定结果，将植物叶片CO2响应曲线测定时的人工光源设为900 μmol/(m2·s)，每个温度梯度选取3片叶子(标准如前)，手动设置CO2浓度为400、300、200、100、50、400、400、600、800、1000 μmol/mol，由系统自动记录不同的 CO2浓度所对应的净光合速率.

1.3.3 蒸腾速率和叶片气孔导度测定 在测定光响应曲线的同时，系统自动测定叶片的蒸腾速率和气孔导度，获得每个时刻叶片的蒸腾速率和气孔导度数据，对每个时刻的蒸腾速率和气孔导度进行作图，可得出莕菜叶片在3种温度下蒸腾速率和气孔导度曲线.

1.3.4 植物生物量测定 对植物叶片使用Li-6400测定结束后，取出所培养的植物，洗净后分出莕菜叶片、根系、茎3部分，利用根系扫描仪EPSON TWAIN PRO(32 bit)和WinRHIZO专业根系分析系统对每株莕菜上的全部叶片、根系和茎进行扫描，对根系长度、表面积以及体积等指标进行测定分析，并且将扫描后的叶片、根系和茎在80℃条件下烘干至恒重后称量干重(DW)，计算莕菜叶片单位面积生物量.

1.4 数据分析

用Origin 8.5统计软件对Li-6400光合作用分析仪测量的数据进行分析，同时运用光合助手［18］计算出一系列光合特征参数，并且采用非直角双曲线法进行拟合，表示为:

式中，Pn为净光合速率(μmol/(m2·s));I为光量子通量密度(μmol/(m2·s));Rday为暗呼吸速率(μmol/(m2·s));k为参数;Pmax为光饱和时的最大净光合速率(μmol/(m2·s));α为初始量子效率，是光响应曲线的初始速率，表示植物光合作用对光的利用效率;α与Pmax是描述光合作用光响应特征的参数.

2 结果

2.1 光响应曲线

采用非直角双曲线法拟合光响应曲线，并利用光合助手软件得出一系列光响应曲线的特征参数(表1)，结果表明不同温度下莕菜生长的光响应曲线特征参数存在着一定的差异.对各特征参数比较可看出，3种温度下莕菜光响应曲线的表观量子利用效率(AQE)、光饱和点(LSP)和最大光合速率(Amax)三者大小顺序均表现为:30℃ ＞32℃ ＞28℃.暗呼吸速率(Rday)和光补偿点(LCP)均随着温度的升高依次降低，表现为28℃ ＞30℃ ＞32℃.

表1 3种温度下莕菜生长光响应曲线的特征参数Tab.1 The parameters of light response curves of Nymphoides peltata under three temperature conditions

光响应曲线反映了植物光合速率随光照强度变化而变化的规律.当光强为0时，莕菜的净光合速率都为负值;之后随着光强的增大，净光合速率明显上升;而当光强达到一定值后，净光合速率增加的幅度就逐渐减慢，最后达到一定限度，不再随光强的增加而增加，即达到光饱和(图1a).3种温度下的光响应曲线对比可以看出，莕菜的光合速率在3种温度下都较大，并且30℃ ＞32℃ ＞28℃，由此说明，30℃很有可能是莕菜生长的适宜温度.

2.2 CO2响应曲线

在莕菜的光饱和点附近，测定其功能叶在不同CO2含量条件下的光合速率，得到植物叶片的ACI曲线——二氧化碳响应曲线(图1b).对3种温度下莕菜叶片的ACI曲线比较可以看出，CO2响应曲线的变化趋势与光响应曲线一致，呈现出类似的变化规律，即30℃ ＞32℃ ＞28℃.对ACI曲线分析计算得出一系列CO2响应曲线的特征参数，28、30、32℃下呼吸速率(Resp)分别为 －4.1676、－3.4980、－6.1645 μmol CO2/(m2·s)，RuBP最大再生光合速率(Amax)分别为 23.700、34.545、25.440 μmol/(m2·s)，羧化效率(CE)分别为0.0716、0.0726、0.1337 μmol/(m2·s).

图1 3种温度下莕菜的光响应曲线(a)和ACI曲线(b)Fig.1 The light response curves(a)and ACI curves(b)of Nymphoides peltata under three temperature conditions

2.3 蒸腾速率和叶片气孔导度曲线

对3种温度下莕菜叶片的蒸腾速率和气孔导度进行作图比较可得，两者的变化趋势与光响应曲线和CO2响应曲线也基本一致(图2).3条蒸腾速率曲线可以看出，随着光照强度的增大，蒸腾速率也随之增大;然而，对于气孔导度来说，当光强从0增加到某一阈值(约为150 μmol/(m2·s))，气孔导度随着光强的增大而增加，而当光照超过这个阈值后，光照的增强导致气孔导度的降低.蒸腾速率、气孔导度均表现为30℃ ＞28℃ ＞32℃(图2).

图2 3种温度下莕菜的蒸腾速率曲线(a)和叶片气孔导度曲线(b)Fig.2 The transpiration rate(a)and stomatal conductance(b)curves of Nymphoides peltata under three temperature conditions

2.4 不同温度下莕菜生物量的变化

植物生物量是衡量植物生长状态的一个很显著的表征参数.3种温度下莕菜的叶、根和茎在80℃下烘干称重可看出(表2)，叶、根和茎生物量在30℃下均最大，并且根、茎的生物量显著高于另外2种温度下的数值(P＜0.05)，30℃下的叶片生物量也显著高于28℃下的叶片生物量(P＜0.05)，但与32℃条件下的叶片生物量没有显著差异(P＞0.05).利用WinRHIZO根系分析系统对莕菜叶片进行扫描分析，获得每株莕菜的总叶面积，从而计算得出每株莕菜叶片单位面积的生物量(表2)，大小顺序表现为30℃ ＞28℃ ＞32℃，但是差异不显著.

表2 3种温度下莕菜的叶、根、茎干重以及叶片单位面积生物量*Tab.2 The dry weight of leaf，root and stem，and per unit area biomass of the leaf of Nymphoides peltata under three temperature conditions

3 讨论

3.1 莕菜光合特征对温度变化的响应

在一定环境条件下，叶片的最大光合速率(Amax)表示叶片的最大光合能力，表观量子利用效率(AQE)反映叶片对光能的利用情况，尤其是对弱光的利用能力［19］，呼吸速率(Rday)则与叶片的生理活性有关.通过对3种温度下莕菜生长的光响应曲线特征参数进行比较分析可以看出:30℃下，莕菜叶片的光合同化潜力最大，对弱光的利用能力最强;28℃下，叶片的光合同化潜力最小，对弱光的利用能力弱.同时，3种温度下植物的光合速率均随CO2含量的增加而增大，当CO2含量达到一定值时，光合速率达到最大，即达到CO2饱和，之后随CO2含量增加，其光合速率下降.其原因可能是当CO2含量增大到某个阈值后，含量过高从而引起细胞中pH值发生了改变，叶片保卫细胞的膨压下降，使得气孔的开度减小，进一步影响了叶片的净光合速率［20-21］.

叶片是植物的光合器官，也是对环境条件变化较为敏感的营养器官，其表型特征和生理生化特征都能体现环境因子变化的影响或对环境的适应.在一定温度范围内，植物的光合作用随温度的升高而升高［22］.植物的光合作用和蒸腾作用相互联系、相互影响.从莕菜蒸腾速率和气孔导度图可以看出(图2)，在28℃时由于温度较低，气孔导度明显小于30℃下的气孔导度，蒸腾作用变慢，光合作用与此同时也有一定程度的减弱;而32℃下莕菜气孔导度低于30℃下的气孔导度，说明超过一定温度范围后，相对的高温条件会导致叶片气孔的部分关闭，营养物的运输将会产生一定程度的限制，CO2供应不足，这些因素必然导致光合速率急剧下降，光合作用受到抑制，最终影响植物生长.因此，在光合作用和蒸腾作用两者的相互调控下，30℃下莕菜叶片的气孔导度最大，从而加快了蒸腾作用，这样有利于水和二氧化碳等原料在植物体内的运输;另一方面，营养物质的运输和蒸腾作用的推动力同时促进莕菜的光合作用，因此植物在较高的光合作用和蒸腾作用等生理过程的作用下长势较好.莕菜光合特征参数表现为30℃ ＞28℃ ＞32℃.

3.2 太湖莕菜生长对温度变化的响应

对莕菜生物量、叶片面积以及叶片单位面积生物量等参数进行分析可以看出，3种温度下植物的生长状况都较为良好，在30℃下植物各项生长参数达到最大，生长趋势为30℃ ＞28℃ ＞32℃.28、30和32℃下莕菜的积温分别为2240、2440、2560℃·d，其中30℃下比28℃下增加了200℃·d，对植物体增温效果显著.在适宜的温度范围内，由于植物生长期内的积温增加显著，植物的生长必然会得到一定程度的促进.虽然近年来太湖水体的温度小幅度升高［6］，积温却显著增加，这种现象可能会促进植物的生长［23-26］.例如，张宇等根据不同熟性的玉米潜在产量和积温关系的理论模型推算［24］，东北地区年均增温1℃，玉米增产率可达到5%～8%.因此，在相对适宜的温度范围内，全球变暖所引起的积温增加将会促进莕菜的生长，加速莕菜种群的扩张，这可能是莕菜属植物在太湖水域迅速扩张的一个外在因素.

此外，监测数据和文献资料显示［6-7］，夏季太湖敞水区水温在大部分时间小于30℃，莕菜茂密生长的同时叶片在一定程度上相互或多或少地起到了一定的遮荫作用，使得大量生长的莕菜一般情况下不会受到高温的限制.

4 结论

在 2 8、30、32℃水温条件下，莕菜的光饱和点分别为 1 73.3333、219.3333、176.6667 μmol/(m2·s)，最大光合速率分别为 1 0.3800、13.6333、10.9000 μmol/(m2·s);蒸腾曲线和气孔导度曲线显示，30℃下的莕菜具有较高的光合能力和蒸腾速率;从莕菜生物量上看，30℃下的叶、根、茎生物量分别为33.9444±6.2131、0.4265 ±0.1157、0.5494 ±0.0967 g(DW)，明显高于另外2 种温度下的数值;综合实验结果表明30℃条件下莕菜生长状况最好.

在适宜温度范围内(＜30℃)，尽管温度小幅度地升高(2℃)，但是较显著的积温效应(200℃·d)促进了莕菜的生长.因此，1998----2006年太湖地区平均气温升高约1.0℃的现象可能对近年来太湖莕菜的大面积扩张具有促进作用.

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