水碳控制条件对闽楠叶片气孔特征和气体交换参数的影响

贾剑波，刘文娜，文仕知，王忠诚†

(1.中南林业科技大学林学院，410004，长沙；2.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

自工业革命以来，大气CO2浓度的增加引起降雨量、降雨特性的显著变化，进而对土壤侵蚀类型、过程及分布等有显著的影响[1-2]。植被恢复措施是水土流失治理中的主要措施之一，而植物生理参数的变化是研究水土保持植被恢复的关键[3]。植物蒸腾与光合作用是植被与大气界面间能量与质量交换的2个最基本的生理生态学过程，两者均通过叶片气孔调节CO2和水汽通量来实现[4]；因此，气孔自身的特征变化直接决定着植物的蒸腾和光合作用[5]。已有研究表明，部分植物在胁迫环境下，气孔的数量与分布与自然状态下比有明显差异，这种差异直接影响CO2和水汽的交换过程[6]。目前单一环境因子对气孔特征的影响已有大量报道，而多因子交互作用(如环境CO2浓度与土壤体积含水梯度交互作用)对气孔的影响研究较少。

闽楠(Phoebebournei)作为我国南方的珍稀物种，其对生长立地稳定性要求较高[7]，因此如何调节闽楠蒸腾与光合作用来适应立地环境的变化，是目前亟待解决的问题。笔者探究全球气候变化下不同土壤体积含水量、CO2浓度对闽楠叶片气孔特征和气体交换参数的影响，进而揭示闽楠叶片气孔对CO2浓度增加和/或干旱化等全球环境变化产生的综合响应，为进一步探讨全球气候变化下闽楠植物叶片碳-水耦合关系与变化过程提供理论依据。

1 研究区概况

研究区属于湖南会同森林生态系统国家野外科学观测研究站，位于湖南省怀化市会同县广坪镇境内，海拔300～500 m之间，属于中亚热带东南季风湿润气候区，年平均气温16.3～17.7 ℃。年均降水量为1 600～1 900 mm。主要成土母岩以砂岩、页岩、碳质板岩为主，土层深厚肥沃，有机质含量高。境内森林茂盛，物种多样，以闽楠木居多，植被盖度超过90%。

2 材料与方法

2.1 试验材料及处理

2016年3月开始试验，为保证成活率和长势均匀，从研究站苗圃内随机挑选长势和大小一致的5年生幼树(5年生的幼树长势达到最优)32株进行盆栽培养(表1)。盆栽尺寸一致，且每盆中仅栽植一棵幼树。所用的土壤均取自研究站林地内。

控制试验是在高照度恒温恒湿模拟生长箱(FH-230, Taiwan Hipoint Corporation, Kaohsiung City, Taiwan)内进行的。根据研究区平均水热条件(平均大气CO2浓度380×10-6～420×10-6；平均土壤含水量为22.0%，土壤密度为1.40 g/m3)，培养箱温度设置为昼(25±0.5)℃(07：00—17：00)/夜(20±0.5)℃(17：00—翌日07：00)，光照强度800 μmol/(m2·s)，相对湿度60%～75%。将盆栽平均分配到8个高照度恒温恒湿培养箱中进行30 d的适应性预培养(共8个，每个培养箱中放4盆作为重复)，并保持培养箱内CO2浓度400×10-6和土壤含水量20.0%恒定。根据课题组前期的经验[8]，预培期结束后将8个培养箱按照CO2浓度梯度400×10-6、500×10-6、600×10-6、800×10-6和土壤含水量梯度14%～16%(干旱处理)和25%～27%(田间持水量处理)进行正交组合，共8个处理。在处理过程中，在盆栽中插入土壤含水量监测5TE探头，连接数据采集器EM50，实时监测记录土壤水分，保证水分在设定范围内。其他条件保持不变，连续培养1个生长季，至闽楠幼树长出新叶。

表1 闽楠幼树基本生长状况Tab.1 Growth status of Phoebe bournei

2.2 叶片气孔特征值以及气体交换参数测定

为分析叶片气孔的特征指标，于2016年8月采新叶进行测定。摘取8种处理下的闽楠叶片(在每株冠层中部取叶3片，每种处理共12片)经过生物制片处理方法[9]制作成闽楠叶片样品，在电子显微镜(S-3400H)下观测拍照400倍数和2 500倍数下叶片气孔数量和气孔张开程度，具体操作方法参见文献[10]，观测结果取平均值。同时，利用Li-6400光合仪(Li-COR, USA)，对每株闽楠的冠层中部叶片(3～5片)的光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度等指标进行连续3 d测定，每天观测时间为09：00，观测结果取平均值，同时计算植物叶片水分利用效率。如下：

式中：W为植物叶片水分利用效率，%；Pn为光合速率，μmol/(m-2·s)，Tr为蒸腾速率，μmol/(m2·s)。

利用EXCEL 2010进行数据整理与作图，利用SPSS 17.0进行相关性分析和方差分析。

3 结果与分析

3.1 水碳控制条件对叶片气孔密度及分布的影响

不同CO2浓度和水分梯度组合条件下对闽楠叶片气孔密度影响较大(图1)。CO2浓度对气孔密度产生显著影响(P<0.05)。CO2浓度的升高引起叶片气孔的数量的下降(R2=0.94)，CO2浓度在400×10-6条件下气孔数量最多，当CO2浓度升高到800×10-6时，气孔数量平均降低30.08%。同时，干旱处理下，回归方程的斜率更大，说明干旱处理下气孔密度对CO2浓度的响应更敏感。不同水分梯度对气孔密度没有产生显著影响(P>0.05)，表明气孔密度对土壤水分差异的响应低于对CO2浓度的响应；但气孔密度呈现田间持水处理高于干旱胁迫的趋势，并且CO2浓度越高，不同水分梯度下气孔密度的差异越大。

图1 不同水碳控制下闽楠叶片气孔密度变化Fig.1 Leaf stomatal density change of Phoebe bournei under different water-carbon control

在电镜下观察闽楠叶片气孔时发现，单个完整叶尖部、中部和尾部3个部位的气孔密度不均匀，存在显著性差异(P<0.05)(表2)。从尖部到尾部的位置，气孔密度逐渐增大，但变化的幅度逐渐降低。随着CO2浓度的升高，3个部位都表现出下降趋势，气孔密度和CO2浓度之间呈现负相关。水分梯度对闽楠叶片气孔分布的影响表现为：尖部和尾部的气孔密度在田间持水量下高于干旱条件下，而CO2浓度较低时，中部的气孔密度在干旱条件下高于田间持水量。同时，随着CO2浓度的升高，水分梯度对气孔分布的影响逐渐增大。

表2 不同水碳控制下闽楠叶片中叶尖、叶中、叶尾气孔密度比较Tab.2 Stomatal density in the leaf apex, middle and tail of Phoebe bournei under different water-carbon control Stomatas/m2

3.2 水碳控制条件对叶片气孔开闭程度的影响

利用400倍数和2 500倍数下电镜观察闽楠气孔的结构发现(图2)。闽楠气孔结构由两个保卫细胞构成，气孔在正常状况下张开时，气孔形状呈现矩形，气孔平均长度在14～18 μm之间，平均宽度在4～5 μm之间。

图中放大倍数为2 500倍，长度标尺为2 μm，工作电压5 kV，工作距离为9 mm。Magnification from left to right is 2 500 times, length scale 2 μm, working voltage 5 kV, working distance 9 mm. 图2 闽楠气孔张开示意图Fig.2 Sizes of stomata opening in Phoebe bournei

不同CO2浓度和水分梯度组合条件下对气孔开闭程度的影响见图3。CO2浓度对气孔开闭程度的影响不显著(P>0.05)，叶片的气孔张开比例随CO2浓度升高而逐渐降低，但降低的幅度不大。在干旱处理条件下，CO2浓度每升高100×10-6，气孔张开的比例减少2%～4%，田间持水量条件下表现出相同的规律，但CO2浓度与气孔张开程度的斜率低于干旱处理。而水分梯度对气孔开闭程度产生显著影响(P<0.05)。在干旱处理条件下，气孔张开程度比例变化在15%～30%之间，田间持水量条件下在40%～50%之间。这是由于充足水分供给下有更多的气孔会张开，以增加植物的蒸腾量来降低叶水势，而干旱处理下的气孔张开比例很小，是因为植物为了保证体内水分，减小水分的散失而降低了蒸腾速率，可见气孔张开程度对水分供给的敏感性很高。

图3 不同水碳控制下闽楠叶片气孔张开程度Fig.3 Opening extent of stomata of Phoebe bournei under different water-carbon control

3.3 水碳控制条件对闽楠叶片气孔导度的影响

通过对气孔导度测定(图4)可知，气孔导度的变化范围为0.01～0.07 mmol/(m2·s)。通过方差分析，不同水分梯度下气孔导度存在显著性差异(P<0.05)，田间持水量条件下的气孔导度均高于干旱处理，干旱条件下气孔导度小于0.02 mmol/(m2·s)，而田间持水量条件下的气孔导度均高于0.04 mmol/(m2·s)。由此说明，随着土壤水分增加，叶片水势减小，进而导致叶片气孔导度增大。

图4 不同水碳控制下闽楠叶片气孔导度变化Fig.4 Leaf stomatal conductance of Phoebe bournei under different water-carbon control

干旱处理条件下，气孔导度与CO2浓度回归分析的斜率低于田间持水量条件下，气孔导度随CO2浓度变化波动较平缓，总体呈现下降的趋势。气孔导度随着CO2浓度的升高而减小，呈现负相关(R2=0.99)。CO2浓度每升高100×10-6，气孔导度降低10%～17%。在田间持水量处理条件下，气孔导度同样表现出随着CO2浓度的升高而降低的规律，且降低的程度较大，CO2浓度每升高100×10-6，变化的范围为8%～23%。

3.4 水碳控制条件对叶片气体交换参数的影响

不同CO2浓度和水分梯度组合条件下，净光合反应速率、蒸腾速率、水分利用效率和胞间CO2浓度见表3。CO2浓度与叶片气体交换参数相关性显著(P<0.05)，其中，干旱处理下，净光合反应速率、水分利用效率和胞间CO2浓度随CO2浓度的升高而显著增加，呈正相关关系，而蒸腾速率却表现出负相关关系。田间持水量处理下叶片气体交换参数随CO2浓度的变化相同。不同CO2浓度的净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率和胞间CO2浓度和存在显著性差异(P<0.05)，而不同水分梯度下4个叶片气体交换参数的差异性不显著(P>0.05)。

表3 不同水碳控制下闽楠气体交换参数Tab.3 Gas exchange parameter of Phoebe bournei under different water-carbon control

4 讨论

4.1 水碳控制条件对叶片气孔特征的影响

植物叶片气孔特征对碳、水环境改变的响应目前还未有一致结论[11-12]。本研究发现，当土壤体积含水量相同时，高CO2浓度下，闽楠叶片气孔数量减少，同时气孔张开受到抑制，这种响应关系在土壤受到干旱胁迫时更加敏感。这与Rogiers等[13]的研究结果一致；但徐文铎等[14]研究发现，高CO2浓度使得银杏(Ginkgobiloba)幼叶气孔参数减少，而对成年叶片气孔参数有增加作用。这说明植物叶片的气孔参数变化与大气CO2浓度增加之间的关系是一个较为复杂的问题，除受叶片生长发育阶段的影响外，还与光照、温度、水分等环节因子有密切关系。任昱等[15]探究了人工增雨对干旱地区白刺(Nitrariatangutorum)叶片气孔特征的影响，发现土壤水分的有效性是影响叶片气孔特征的重要因素。本文中，在土壤水分受到胁迫时，闽楠植物叶片气孔数量和张开程度均降低，且CO2浓度越高，二者的降低程度越大。

4.2 水碳控制条件对叶片气体交换参数的影响

本研究发现，叶片净光合反应速率、蒸腾速率、水分利用效率和胞间CO2浓度对CO2浓度的响应强烈，高CO2浓度提高了Pn和Ci，但是降低了Tr，进而降低了气孔导度，但同时提高了水分利用效率，这与徐辉等[16]的研究结果一致。而曹恭祥等[17]认为CO2浓度与光合速率的响应关系中存在阈值现象，当CO2浓度为600×10-6时，可使得光合速率达到峰值，蒸腾速率较低，从而获得较高的水分利用效率。本研究中，水分梯度对叶片各气体交换参数响应较弱，表现为干旱胁迫条件下抑制叶片的蒸腾速率，而净光合速率较高；因此，水分利用效率较高。王荣荣等[18]在研究酸枣光合参数时发现，土壤含水量在58%～80%时，其光合生理活性较高，利于酸枣苗木生长，与笔者研究结果一致。笔者仅探究水碳控制条件对闽楠叶片气孔特征及光合参数等的影响，全球气候变化下，温度增加、洪涝灾害频发、土壤蒸发加剧等一系列环境因子的改变均会对植物生长、光合作用、蒸腾作用等产生一定的影响，其表现形式、作用机制等都是目前亟待解决的问题。

5 结论

1)CO2浓度对闽楠叶片气孔密度产生显著影响，高CO2浓度引起闽楠叶片尖部、中部和尾部的气孔密度下降，且干旱胁迫下这种响应更加敏感。气孔密度对土壤水分梯度的响应低于对CO2浓度的响应。

2)闽楠叶片气孔张开程度和气孔导度对土壤水分响应的敏感性高于CO2浓度。CO2浓度越高，气孔张开程度和气孔导度越低，而田间持水量处理下叶片气孔张开程度和气孔导度远高于干旱处理。

3)CO2浓度与闽楠叶片净光合反应速率、蒸腾速率和水分利用效率呈指数关系，且在田间持水量处理下，三者对CO2浓度的响应比干旱胁迫下更迅速，而水分梯度对叶片各气体交换参数响应较弱。