贵州山区3种木本植物无机碳利用特性的比较

邢德科，吴沿友，王 瑞，付为国，杭红涛，Qaiser JAVED

（1 教育部现代农业装备与技术国家重点实验室，江苏大学农业装备工程学院，江苏镇江212013；2 环境地球化学国家重点实验室环境生物科技研究中心，中国科学院地球化学研究所，贵阳550002；3 贵阳学院食品与制药工程学院，贵阳550003）

在中国西南亚热带地区，喀斯特地形占地34万km2，常常遭受严重的土地沙漠化侵扰，不利于作物生长以及生态环境的可持续发展［1］。喀斯特生境高度异质性，土壤偏碱性，喀斯特地区地表岩溶水中的HCO3－浓度大约为5mmol·L－1，还极易形成特有的岩溶干旱，而且土壤瘠薄，致使该地区植物生长非常缓慢［1－3］。而玉舍国家森林公园位于素有“煤都”之称的中国水城县，植物和土壤常常遭受酸雨的影响［4］。酸雨以及碳酸钙的快速溶解引起该喀斯特地区土壤碱性的降低，进而引起土壤溶液中CO32－和HCO3－的减少［5］。黔中喀斯特植被自然恢复演替过程中，土壤pH 值逐渐降低，到次生乔林阶段以后趋于稳定［6］。随着该地区土壤溶液中HCO3－浓度的降低，植物光合作用主要依赖于植物捕获大气中CO2的能力。受到该喀斯特高山地区弱酸性的影响，植物不能正常生长，致使该喀斯特生态环境极易遭受破坏，生态恢复变得非常困难。因此，生物多样性的开发对于喀斯特景观保护以及退化生态系统的恢复显得极其重要［7－8］。很多造林工程已经开展很长时间，但是受恶劣生境的影响，以及在植物生理对环境胁迫响应方面缺乏足够的调查研究工作，使得这些造林计划都不完全成功［9］。在这些异质性环境中，选择合适的植物种类对于成功恢复植被显得至关重要［10］。

银鹊树（Tapisciasinensis）属省沽油科，是第三纪孑遗植物。它有较长的结荚期，较慢的自然更新能力，原始林又经常被砍伐，因此银鹊树变得越来越稀有，已成为中国特有的濒危植物［11］。银鹊树在景观美化及科学研究方面属于珍贵物种，但是至今对于银鹊树光合作用方面的研究都较少。白栎（Quercusfabri）则属山毛榉科，它的果实在中国经常被用于制作不同的传统绿色食物［12］。白栎主要生长在中国南部和西南部，属于喜光植物并能够忍受干旱及低营养的环境［13］。亮叶桦（Betulaluminifera）属桦木科，主要生长于中国的广东、广西、湖北、四川、重庆、贵州和云南省［14］，它比较适应温湿气候和酸性沙质土壤，也能很好地适应干旱与低营养环境。有研究表明，白桦的高产量与其较大叶面积以及冠层上部对净光合速率有较大贡献有关［15］。目前许多研究都集中在孑遗植物的分布以及生态特性上［16－17］，如孑遗植物银杏（GinkgobilobaL．）的光合能力高于其它裸子、被子植物，它广泛分布于全球各地［18］。孑遗植物银鹊树生长分散，在喀斯特山区分布虽广，但多以零星分布为主，并作为国家三级保护乔木树种［11］已在国内多地引种成功，玉舍国家森林公园在小面积引种造林方面也初步取得成功。白栎是喀斯特山区常见的先锋乔木树种之一，常被作为喀斯特山区植被恢复的模式植物来研究［13］，而亮叶桦在贵州山区多为野生，极少栽培，但也是山区造林的先锋树种，对喀斯特山区的水土保持具有良好的促进作用［14］。开展银鹊树与白栎、亮叶桦光合特性的对比研究有助于我们对孑遗及濒危植物的合理保护，同时为岩溶地区植被恢复优势物种的选择提供理论依据。

光合活性能够代表植物的生长潜能［19－20］，对叶绿素荧光参数的测定能够评估植物光合结构的完整性及光合效率的大小［21］，同时反映植物的光合活性［22］。植物的光合速率受叶绿素含量或者非气孔限制的影响，非气孔限制主要依赖于能够影响羧化效率（CE）的核酮糖－1，5－二磷酸羧化酶的活性大小［23－24］。高光合活性与高CE则表明植物拥有较高的CO2捕获与同化效率。细胞呼吸作用是葡萄糖氧化成CO2和水的过程，该过程中释放的能量被以ATP的形式储存起来，并被用于细胞中所有耗能的代谢活动中，诸如光合作用、生物合成、气孔运动以及有机溶质通过膈膜的转运等［25］。

碳酸酐酶（CA，EC 4．2．1．1）在光合作用过程中同样发挥着重要作用，较高的活性有利于植物光合作用的进行［26］。CA 广泛分布于动物、植物、原核细菌与真核细菌中，参与各种各样的生理过程，催化细胞中HCO3－向CO2和水的转化［27－28］。陆生植物对HCO3－的利用主要依赖于CA 的分解调节作用［29－30］，CA 活性越高，其转化HCO3－的能力就越强。稳定同位素技术可用于鉴别元素来源，植物中稳定碳同位素组成（δ13C）随着碳代谢途径与光合作用过程中的无机碳来源的变化而变化［31］。通过对外源HCO3－稳定碳同位素的标记，能够示踪植物获取的CO2是否来自CA 催化转化HCO3－分解生成的CO2。通过稳定碳同位素的标记与稳定碳同位素组成的测定，能够计算获得构树［Broussonetia papyrifera（L．）Vent］的HCO3－利用份额，通过测定δ13C能够示踪光合作用过程中无机碳源的代谢途径［26，32］。

植物在碳源充足及固碳效率较高的情况下能够展现出较高的光合效率。遭受喀斯特逆境情况下，许多植物气孔关闭，引起光合作用过程中碳源不足，植物生长受到抑制。然而，孑遗植物银鹊树能够在玉舍国家森林公园良好生长，本研究通过对光合作用、叶绿素荧光参数、叶绿素含量、CA 活性与δ13C的测定，考察贵州山区这3种木本植物的不同光合无机碳同化效率，分析3种木本植物CO2获取及同化特点，最终探讨这3个植物种不同的无机碳获取机制。

1 材料和方法

1．1 实验地点

实验在2012年5月份进行，采样点位于贵州省水城县玉舍国家森林公园（26．58°N，104．82°E），公园主要由喀斯特地貌组成，最高海拔达2 100 m。年降雨量在940～1 450mm 之间，2012年平均降水量为1 220mm，最大降水量在5～10月份，虽然降水充足，但时空分布不均。冬冷夏凉，年平均气温在12．3℃左右，最高温度19．8℃，最低温度3℃。年均日照时数1 553．1h，空气相对湿度63．7%，大气压只有78kPa，CO2浓度大约为395μmol·mol－1。玉舍国家森林公园内同一地点的处于成熟期的银鹊树（6年生）、白栎（10年生）与亮叶桦（8年生）被选为实验材料。土壤样品同样于2012年5月份分别取自3种植物根系周围，并被带回实验室检测其理化性质。

1．2 测定指标及方法

1．2．1 土壤理化性质 将每种植物根系周围重复3次采集的土样风干、研磨后按相同比例混匀，过0．25mm 筛后再分成3份，重复3次测定其理化性质。土壤pH 用电极法测定，水土比为5∶1；HCO3－浓度采用中和滴定法测定；铵态氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤速效钾被NH4OAc浸提后用火焰光度法测定；有机质含量用高温干烧法测定。

1．2．2 光合作用参数 在晴朗天气的9：30～11：00期间，用便携式光合测量系统Li－6400（Li－COR，Lincoln，NE，USA）测定3种植物第4片完全展开叶的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）与气孔导度（Gs），实验重复5次。测量期间光合有效辐射、气温及CO2浓度分别为1 000μmol·m－2·s－1、18℃、400μmol·mol－1。水分利用效率（WUE）通过方程式（1）计算获得：

同时，测定净光合速率对CO2的响应曲线，据此拟合直角双曲线方程（2），再通过方程计算Amax、CE以及Resp：

Ci是胞间CO2浓 度（μmol·mol－1），Amax是CO2饱和时的净光合速率，Resp是叶片呼吸速率，羧化效率（CE）是曲线起始斜率。用于测定光合作用对CO2响应曲线的CO2浓度梯度为：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。光合有效辐射与温度分别是1 000μmol·m－2·s－1和18℃。

1．2．3 叶绿素荧光参数 叶绿素荧光参数用便携式光合测量系统Li－6400（Li－COR，Lincoln，NE，USA）测定。测量前叶片首先进行暗适应30 min，确保所有反应中心完全打开。植物第4片完全展开叶被用于实验测定，每个植物种重复测定5次。在打上一个测量光束后记录初始荧光（F0），在0．8s的饱和光脉冲（6 000μmol·m－2·s－1）照射后测定最大荧光（Fm），光系统Ⅱ最大量子产额（Fv／Fm）则通过（Fm－F0）／Fm被计算获得。

1．2．4 叶绿素含量 植物第4、5片完全展开叶被用于测量叶绿素含量，每种植物重复测定5次。叶绿素含量测定参照李合生等［33］方法。用紫外分光光度计（Labtech UV－2000，Boston，USA）测定。

1．2．5 碳酸酐酶活性 植物的第4、5片完全展开叶被用于碳酸酐酶活性（WA）的测定，每种植物重复测定5次。称取植物叶片0．1～0．2g，放到预冷的研钵中，迅速加入液氮，再加入3mL 10μmol·L－1巴比妥钠缓冲液（含巯基乙醇50μmol·L－1，pH 8．3）进行研磨，取研磨液倒入5mL 的离心管中，离心管置于冰浴中20min后，在12 000g离心5min，取上清液，冷藏待用。

CA 活性的测定采用改进pH 计法［34－35］。保 持反应系统在0～2℃，取待测上清液50～1 000μL，加入到含4．5 mL 的巴比妥钠缓冲液（20μmol·L－1，pH 8．3）的反应容器中，然后迅速加入3mL预冷的（0～2℃）饱和CO2蒸馏水，用pH 电极监测反应体系pH 值变化，记下pH 值下降一个单位（例如pH 值从8．2到7．2）所需的时间（记为t），同时记录在酶失活条件下pH 值下降一个单位所需的时间（记为t0），酶的活力用WA（U·g－1）表示。

1．2．6 δ13C 测定 植物的第1片完全展开叶被用于δ13C的测定。植物叶片经烘干、粉碎、过筛后，称取一定量转化成供质谱仪分析的CO2气体；在MAT－252质谱仪（Mat－252，Finnigan MAT，Germany）上进行测定，测量精度为小于±0．2‰。分析结果以δ13CPDB表示。

1．3 数据分析

所有实验数据采用SPSS 13．0统计软件及Excel软件进行统计分析并做图。

2 结果与分析

2．1 土壤理化性质与植物生态特性的比较

测定结果表明，3种木本植物立地土壤呈弱酸性（pH 5．41），大气CO2很难溶于土壤溶液中，HCO3－浓度仅为0．02mmol·L－1，远低于其它喀斯特地区背景值；其铵态氮含量为11．01 mg·kg－1，速效钾含量（31．53 mg·kg－1）也较低，相比于中国其它地区，有机质含量（6．43%）则较高。银鹊树、白栎和亮叶桦分布都较为广泛（表1）。孑遗植物银鹊树生长的最佳土壤pH 是4．5～5．5，而白栎更倾向于中性到弱酸性土壤，肥沃的酸性土壤则对亮叶桦的生长有益；白栎和亮叶桦都能忍受干旱和贫瘠，但是银鹊树不能忍受干旱和高温。

2．2 植物叶片光合作用相关参数的比较

表2显示，银鹊树叶片的Pn、Tr和Gs显著大于白栎和亮叶桦，亮叶桦又显著高于白栎，亮叶桦和白栎的Pn、Tr和Gs分别是银鹊树的69．5%、48．2%、66．7%和28．6%、21．7%、22．2%；但3 种植物间的WUE则无显著差异；亮叶桦叶绿素含量显著高于银鹊树和白栎，而后两者叶绿素含量相同，它们为亮叶桦的50．6%。银鹊树和亮叶桦Fv／Fm值相近，两者均显著显著高于白栎；而白栎的F0值最大，亮叶桦的则最低，且三者间均存在显著性差异。以上结果说明银鹊树吸收利用大气中CO2的能力明显高于白栎和亮叶桦，白栎则受限于较小的气孔导度及净光合速率，对大气中CO2的利用效率较低。银鹊树和亮叶桦对土壤弱酸性环境具有更好的适应性，而白栎光系统Ⅱ反应中心的活性受到较大影响。

表1 3种木本植物生态特性比较Table 1 Comparison of ecological characteristics in three woody plants

表2 3种木本植物叶片光合作用相关参数比较Table 2 The photosynthesis related parameters in leaves of three woody plants

2．3 植物叶片光合作用对CO2 响应曲线的比较

图1显示，3个树种叶片净光合速率随着CO2浓度的升高均表现出持续上升的趋势，但它们之间的CO2补偿点和饱和点明显不同。其中，银鹊树和亮叶桦都拥有较低的CO2补偿点，均低于50μmol·mol－1，而白栎的CO2补偿点则在250～300μmol·mol－1之间，远高于银鹊树和亮叶桦；同时，银鹊树的CO2饱和点在1 200μmol·mol－1左右，亮叶桦则在2 300μmol·mol－1左右，而白栎的CO2饱和点明显高于2 300μmol·mol－1。说明CO2浓度的升高在一定程度上有助于3个物种净光合速率的增加，且银鹊树和亮叶桦利用大气中CO2的能力强于白栎。

2．4 植物叶片碳同化利用相关参数的比较

图1 3种木本植物叶片光合作用对CO2 响应曲线Fig．1 The P n－Ca curves in leaves of three woody plants

表3显示，各木本植物叶片的最大净光合速率（在饱和CO2浓度下的同化速率）以白栎最高（高于50μmol·m－2·s－1），银鹊树居中，亮叶桦最低，且三者之间均存在显著性差异（P＜0．05）。它们的羧化效率（CE）、呼吸速率（Resp）和碳酸酐酶活性（WA）均以银鹊树最高，亮叶桦居中，白栎最低；而稳定性同位素组成（δ13C 值）则以银鹊树最低，亮叶桦和白栎较高。其中，白栎的CE、Resp、WA分别为银鹊树的5．1%、25．7%和4．0%，而亮叶桦则分别为银鹊树的45．3%、54．6%和6．8%，且树种间差异均达到显著水平（P＜0．05）；白栎和亮叶桦的δ13C值显著高于银鹊树，但白栎和亮叶桦之间则相同。以上结果说明在高活性碳酸酐酶的调节作用下，银鹊树拥有较高的碳同化及代谢效率，导致其稳定碳同位素组成变得更为偏负；白栎的碳合成及代谢效率最低，生长缓慢；亮叶桦的碳酸酐酶活性稍高于白栎，它能够拥有高于白栎的碳合成及代谢效率。

表3 3种木本植物叶片碳同化利用相关参数的比较Table 3 The carbon assimilationrelated parameters in leaves of three woody plants

3 讨 论

大气中CO2主要以自由扩散的方式通过气孔进入植物细胞间隙，再通过叶肉细胞壁到达羧化位点［19］。光合作用效率随着气孔导度的季节性变化而变化［36］。本实验中，大气中CO2能够较为容易地通过气孔进入银鹊树叶片的细胞间隙，并被固定在羧化位点，相反，白栎获取以及固定大气中CO2的能力最弱，亮叶桦则稍强于白栎。WUE反映了植物在单位水分流失情况下的无机碳获取能力［37］，本实验结果显示银鹊树、白栎和亮叶桦在同等水分流失情况下具有相同的无机碳获取能力，但是银鹊树和亮叶桦利用大气中CO2的能力强于白栎。因此，银鹊树吸收利用大气中CO2的能力最强，亮叶桦次之，白栎最低。

银鹊树和亮叶桦对玉舍国家森林公园生境表现出更好的适应性。同亮叶桦相比，银鹊树的光系统Ⅱ的光化学效率没有受到叶绿素含量减少的影响。光系统Ⅱ反应中心的活性能够通过F0的值来反映，热耗散的增加会引起F0的降低，而F0的增加说明光系统Ⅱ反应中心活性降低。据此来判断，亮叶桦光系统Ⅱ热耗散增加，白栎光系统Ⅱ反应中心则活性降低；银鹊树能够更好地生长，白栎生长则相对较为缓慢。

有的植物不仅能够利用大气中的CO2，同时还能利用细胞中的HCO3－作为酶的底物，为自身提供无机碳源，而陆生植物对HCO3－的利用主要依赖于CA 的分解调节作用［30］。高活性CA 能够催化胞内HCO3－转化为CO2，并为植物光合作用提供另一个碳源。银鹊树利用HCO3－的能力较强，而白栎和亮叶桦则只能吸收利用大气中的CO2，银鹊树除了利用大气中的CO2外，还利用了细胞内的HCO3－作为另一个无机碳源。虽然该地土壤中的HCO3－浓度非常低，然而银鹊树拥有较强的Resp，其根系呼吸同样最强，那么由此产生的CO2也最多，当CO2溶于根系周围的土壤溶液中后，立即形成HCO3－并被银鹊树根部再吸收，输送到植物叶片，同时细胞质中高活性的CA 加速催化转化HCO3－为CO2，较强的CE和光合作用则加速了CO2的固定和同化效率。因此，白栎和亮叶桦光合作用的无机碳源只能来自大气中的CO2，而银鹊树则既能吸收大气中的CO2，同时还能转化利用细胞内的HCO3－。所以，这3种植物的生物量生产率大小依次为：银鹊树（1 219．18g·m－2·a－1）［38］＞亮叶桦（0．10g·m－2·a－1）［39］＞白栎（0．05g·m－2·a－1）［40］。银鹊树对于贵州省水城县玉舍国家森林公园弱酸性土壤的适应能力强于白栎和亮叶桦。

综上所述，本研究中的3种木本植物都能够适应贵州省水城县玉舍国家森林公园弱酸性的土壤环境，并且分布广泛。但它们拥有不同的光合无机碳利用特性。银鹊树的净光合速率、气孔导度、羧化效率、呼吸速率、光系统Ⅱ最大量子产额与碳酸酐酶活性都最高，它既能吸收利用大气中的CO2又能在碳酸酐酶作用下转化利用细胞内的HCO3－，所以银鹊树吸收和同化利用无机碳的效率最高，产能最高。亮叶桦只能吸收利用大气中的CO2，但是它同化利用CO2的效率和产能仅次于银鹊树。白栎对喀斯特环境的适应能力最弱，白栎吸收以及同化利用CO2的效率也最低，但是白栎生长缓慢，所以它对无机碳的需求同时也是最低的，其产能也最低。

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