香蒲叶功能性状对模拟增温和CO2浓度倍增的响应

杨航美 李丽萍 孙 梅* 陈弘毅 李玲艳 冯春慧

（1.西南林业大学，云南省高原湿地保护修复与生态服务重点实验室，昆明 650224；2.西南林业大学，国家高原湿地研究中心，昆明650224；3.梁河县林业和草原局，德宏 678400）

植物功能性状是植物在长期的演化过程中形成的适应生境条件的功能特征，是反映陆地植物对环境变化适应机制的关键特征，对植物的定植、生存和适应有着潜在重要影响，并与资源获取、利用和保存有密不可分的联系［1］。功能性状可以通过影响植物的水分运输、营养物质传递、有机物的合成、储存和利用等来影响植物生长［2-3］，因此常被用于植物的功能适应性研究。在全球气候变化的背景下，大气温度和CO2浓度升高是全球面临的重要环境问题，功能性状对温度和CO2浓度也常表现出较强的可塑性。例如，在木本植物中，随着温度升高，净光合速率和气孔导度经常受到抑制［4-5］，气孔宽度增加［6］，蒸腾速率增强［7］，而叶脉密度和叶柄长度表现为增加的趋势［8］。以往对湿地植物的研究案例也揭示了叶片功能性状响应温度和CO2浓度变化的不同格局，而这种响应存在明显的种间差异。例如，增温处理下杉叶藻（Hippuris vulgaris）运输能力增加，这与导管、筛管数量和直径增加有关［9］，但是在水葱（Scirpus validus）中导管横切面周长、导管横切面面积、筛管横切面面积和净光合速率降低，导致其水分、物质运输能力以及光合能力均显著降低［10］；增温显著降低了茭草（Zizania latifolia）的光能利用参数，而黑三棱（Sparganium stoloniferum）的光能利用参数与此相反［11-12］。CO2浓度增加处理下，水葱（Scirpus validus）的水分利用效率显著提高［13］。尽管木本植物和湿地植物功能性状对环境变化均表现出较强的敏感性，但是湿地植物功能性状的功能适应性特征与陆地植物不完全相同。在木本植物中普遍存在的水分传输与散失之间的水力平衡关系在很多湿地植物研究中并不存在［14-16］。鉴于目前大多数功能性状功能特征的结论都是基于木本植物，加强对湿地植物的功能性状研究对于探讨陆地植物功能性状的普遍性规律十分重要。在全球变暖的背景下，研究湿地植物功能性状的气候响应策略也为湿地生态系统应对气候变化提供理论基础。

高原湿地在维系高原生态系统和全球气候稳定中发挥重要的作用，也具有调节区域气候、增加湿度、降低温室效应和维护生物多样性等生态功能［17］。云南地区的湿地属于典型的高原湿地，是我国重要的生态屏障，湿地生态系统非常脆弱，并由于其地理位置特殊，海拔较高，温度低，对气候变化敏感度很高，更容易受到温度和CO2浓度等自然因素的影响［18-19］。高原湿地植物是整个湿地生态系统功能得以正常运转的核心和基础，大多数湿地植物的光合特性对气候变暖会产生积极的响应［20-21］。在云南的高原湿地中，香蒲（Typha orientalis）是最常见的植物种之一，分布范围十分广泛。香蒲是多年生挺水植物，对气候变化极为敏感，在长期大气增温条件下，香蒲光合参数和氮磷含量显著降低，而比叶重显著增加［22］，也有研究表示增温使香蒲净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率等光合变量显著升高［23］。在不同条件下对香蒲叶片功能性状的研究结果不同，但总体上都表现出香蒲对气候变化具有较高的敏感性。

根据上述研究背景，本研究从湿地植物对气候变化的响应这个科学问题出发，主要探讨湿地植物功能性状对增温和CO2浓度升高的响应策略。以高原湿地典型的湖滨带挺水植物香蒲为研究对象，依据IPCC 对气候变化的研究结果［24］分别设置增温2 ℃（ET）和CO2浓度倍增（EC）2 个控制组，通过对香蒲叶水力性状的测定，研究：（1）功能性状对增温和CO2浓度倍增的响应趋势；（2）在功能性状响应环境变化的过程中性状之间的功能关系。本研究将为进一步认识高原湿地植物叶功能性状对气候变化的响应策略，为高原湿地植物应对气候变化以及加强湿地保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

供试材料均采自滇池南部湖滨带，采样点位于南滇池国家湿地公园内。南滇池国家湿地公园位于云南省昆明市滇池西南角的晋宁区昆阳街道（24° 39′59″—24° 42′17″ N，102° 35′54″—102°40′8″ E），总面积1 220 hm2，平均海拔1 891 m，在气候类型上，属于北纬低纬度亚热带高原山地季风气候区，干湿季分明，常年西南风，小山地气候特征突出，年平均温度15.0 ℃，年平均相对湿度73%，湿地率达91.43%，水生植物面积3.8 hm2，常年水域面积（不含海口以下流域面积）2 960 km2，平均水深4.5 m。

采样点以挺水植物群落为主，主要植物种为禾本科植物芦苇（Phragmites australis）和香蒲科植物香蒲（Typha orientalis），另分布有其他挺水植物包括水葱（Scirpus validus）、茭草（Zizania latifolia）、水 凤 仙（Impatiens aquatillis）、莲（Nelumbo nucifera）、粉绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）等，还有较少漂浮植物水葫芦（Eichhornia crassipes）、大薸（Pistia stratiotes）等，以及人工种植木本植物中山杉（TaxodiumZhongshanshan）。香蒲是高原湿地湖滨带常见植物，也是滇池湖滨带的优势植物，其在滇池的植株高度可达2 m，植株高大，长势较好，是研究高原湿地植物响应气候变化的优选材料。

1.2 封顶式模拟培养室设置

IPCC 第五次全球气候变化评估报告指出，依据1986～2005 年的数据，21 世纪末全球平均地表气温将提高0.3～4.8 ℃，大气中CO2摩尔分数将达到540～970 μmol·mol-1［24］，根据IPCC 这一预测的温度和CO2浓度增加的趋势，在云南省昆明市国家高原湿地研究中心的实验基地建立人工环境控制系统封顶式生长室（STC），设置3 个不同的生长条件，其中1 个生长室内为正常的自然环境，作为对照组（CK）；另外2 个生长室，1 个生长室设定增温2 ℃，作为增温处理组（ET）；另1个生长室内的CO2浓 度设定为850 μmol·mol-1作为CO2浓度倍增处理 组（EC），生长室内其他环境因子保持一致。生长室下部是由11个宽1 m、高2 m 的浮法玻璃密封的面构成的近似圆柱体，上部近似球缺，半径约1.5 m，由双层中空PC 板将其密封，总体积约为24.5 m3（图1）。

图1 人工环境控制系统封顶式生长室（STC）Fig.1 Sealed-top chamber（STC）of artificial environmental control system

2015 年4 月，在南滇池湖滨带选取长势相似、生长健康且无病虫害的香蒲幼苗，移栽到装有原位土壤为栽培基质的直径为35 cm、高25 cm 的12 个圆柱形实验桶中，每桶4 株，移植完成的植株在自然条件下缓苗14 d，随后将成活幼苗每4桶一个培养室随机放置在3 个封顶式培养室内中心。为使光照条件均一，并排除棚内边缘效应，每个生长室中的植株均随机安置在以控制室中心点为圆心、半径0.85 m 处（生长室半径1.70 m）的范围内。整个植物培养期内，每周浇水2 次，以保证在试验期间保持均匀的淹水深度和生长条件。香蒲地下繁殖体每年早春重新长出幼苗，7～8 月植株成熟。本试验于种植3年且植株成熟后进行，此时植株对培养室的环境条件已完全适应。

1.3 叶功能性状的测定

于2018 年8 月选择连续晴朗无风天气的上午08：00—12：00 使用便携式光合作用测定仪（LICOR LI-6800 XT，Nebraska，USA）原位测定3 个不同生长室内香蒲叶的净光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、气孔导度（Gs，mol·m-2·s-1）、蒸腾速率（Tr，mmol·m-2·s-1）和胞间CO2摩尔分数（Ci，μmol·mol-1）等光合参数。每桶样品选3株长势相同的成熟香蒲，再从每株中选出大小相差不大、生长良好、受光均匀的2 片叶并排进行测定，每片叶测定4 次，3 种不同处理下每个光合参数各有24 组重复，每种处理的每个参数取平均值作为最终测定指标。测定时，叶室内部 光 强 设 置 为1 500 μmol·m-2·s-1，叶 温 保 持 在22～24 ℃，流速设为500 μmol·s-1，对照组（CK）和增温处理组（ET）参比室CO2摩尔分数设置为425 μmol·mol-1，CO2摩尔分数倍增处理组（EC）参比室CO2摩尔分数设置为850 μmol·mol-1。

将测完光合生理性状的叶片截取中间部位长度约15 cm 的一段，密封于装有湿纸球的密封袋内，做好标记并保存于保鲜盒内，带回旁边的实验室进行香蒲叶结构性状的测定。在实验室中，分别切取1 cm×1 cm 的叶片完全展开，后用蒸馏水洗净，滤纸吸干，用毛刷迅速蘸取少量无色透明指甲油由内向外涂抹在叶片上表皮，不可来回或重复涂抹。待其完全干燥后，用镊子撕下薄膜，得到表面印迹，将其置于载玻片上，压平后放置在光学显微镜（Leica Corp DM6B，Germany）下放大400 倍进行观察香蒲叶的气孔结构，拍片并保存（图2b），测量气孔密度（DS，mm·mm-2）和气孔面积（AS，μm2）；对此叶片背面进行相同的操作（图2a），观察并测量其叶脉密度（DV，mm·mm-2）。

图2 香蒲叶结构性状图示a.叶脉；b.气孔；c.表皮；d.维管束结构Fig.2 Leaf structural traits of T. orientalis a.Vein；b.Stomata；c.Epidermis；d.Vascular bundle

用双面不锈刀片对剩余部分香蒲叶横切面进行徒手切片，用甲苯胺蓝染色1 min，并制作成临时水装片，放置在光学显微镜下观察，在表皮部分拍摄表皮结构照片（图2c），测量角质层厚度（TC，μm）、表皮细胞厚度（TEC，μm）和表皮细胞面积（AEC，μm2）；然后避开表皮，在中间部分拍摄维管束结构的照片（图2d），测量叶维管结构性状包括维管束长度（LB，μm）、维管束宽度（WB，μm）以及维管束面积（AB，μm2）。利用相同的操作测量香蒲叶导管结构，包括导管横切面最长边长度记为导管长度（LC，μm）、导管横切面最短边长度记为导管宽度（WC，μm）以及导管面积（AC，μm2）。

叶显微结构中所有性状均用ImageJ（v.1.48，http：//rsb.info.nih.gov/ij/）图片处理软件测量及统计，每个性状在对照组、增温和CO2浓度倍增处理下各有30组数据（每株10个数值）。

1.4 数据处理

数 据 均 采 用SPSS25（https：//spss.en.softonic.com）统计分析软件进行数据分析。采用单因素方差分析（one-way ANOVA）对不同生长条件下的香蒲叶功能性状进行差异性检测，显著性水平为α=0.05。通过Pearson 相关分析检测香蒲叶功能性状间的相关性。本研究采用Origin（v.2021，https：//www.pcsoft.com.cn）绘 图 软 件 进 行 图 片绘制。

2 结果与分析

2.1 香蒲功能性状在不同处理间的差异

与对照组相比，CO2浓度倍增处理下，香蒲的光合参数都显著降低，净光合速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数和蒸腾速率分别降低了43.64%、62.37%、19.07%和67.55%（图3）；增温处理下，香蒲的净光合速率和气孔导度也显著降低，分别下降了24.09%和14.02%（图3A～B）；而蒸腾速率和胞间CO2摩尔分数显著增加，分别升高了4.19%和10.49%（图3C～D）。增温处理下，香蒲叶的净光合速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数和蒸腾速率均显著高于CO2浓度倍增处理，分别高出25.75%、56.24%、22.33%、70.63%（图3）。

图3 香蒲叶光合性状在不同处理间的差异不同小写字母表示差异显著（P＜0.05），相同小写字母表示差异不显著（P≥0.05）；CK.对照组；EC.CO2浓度倍增处理组；ET.增温2 ℃处理组；下同Fig.3 Differences in photosynthetic traits of T. orientalis leaves in different treatments Different lowercase letters indicated significant differences at the 0.05 level（P＜0.05），the same letter meant no significant difference（P≥0.05）；CK.Control；EC.CO2 concentration doubling；ET.Warming 2 ℃；The same as below

香蒲叶功能性状对增温和CO2浓度倍增也表现出一定的敏感性。与对照组相比，增温和CO2浓度倍增条件下，香蒲叶脉密度分别增大了53.21%和20.82%，气孔密度在增温条件下增大了17.41%，而气孔面积在CO2浓度倍增时增大了17.84%（图4）；表皮结构性状在3 组生长条件间均无显著差异（图5）。在香蒲叶维管结构中维管束长度和导管长度在3 组生长条件间也无显著差异（图6）；与对照组相比，增温和CO2浓度倍增条件下，香蒲叶维管束宽度均显著减小，分别减小了8.74%和13.27%（图6）。此外，与对照组相比，CO2浓度倍增条件下维管束面积和导管面积没有显著差异，增温条件下维管束面积和导管面积分别减小了19.35%和20.70%，导管宽度在CO2浓度倍增条件下显著增大了18.22%（图6）。

图4 香蒲叶气孔和叶脉在不同处理间的差异Fig.4 Differences of stomata and veins of T. orientalis leaves in different treatments

2.2 香蒲叶功能性状间的相关关系

综合对照组和2 组处理组的功能性状数据表明，香蒲叶一些结构性状与光合生理参数间直接相关，其中导管宽度与净光合速率和气孔导度间均存在显著负相关（r=-0.772，-0.727，P＜0.05），气孔密度与胞间CO2摩尔分数间存在显著正相关（r=0.680，P＜0.05）（表1）。此外，香蒲结构性状间存在功能关联。其中叶脉密度与气孔密度间存在显著正相关（r=0.738，P＜0.05），二者均与维管束大小和导管大小间存在显著负相关（P＜0.05）；气孔密度与角质层厚度间也存在显著负相关（r=-0.695，P＜0.05），维管束结构大小与角质层厚度间呈正相关，而与表皮结构大小间呈负相关（P＜0.05）（表1）。

表1 香蒲叶功能性状间的相关性Table 1 Correlations among functional traits of Typha orientalis leaves

增温和CO2浓度倍增使光合参数间的相关性减弱。对照组净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及胞间CO2摩尔分数间均呈显著的两两正相关（P＜0.05，表1）。增温和CO2浓度倍增处理下，净光合速率与胞间CO2摩尔分数呈显著负相关（r=-0.989，-0.969，P＜0.05），并且净光合速率与蒸腾速率、气孔导度间的相关性不显著，表明其关系的紧密性减弱（表2）。

表2 香蒲叶功能性状间的相关性Table 1 Correlations among functional traits of Typha orientalis leaves

与对照组相比，净光合速率与叶结构性状间的关系在增温和CO2浓度倍增条件下显著增强。对照组净光合速率仅与气孔面积间存在显著负相关（r=-0.526，P＜0.05），而与其他叶结构参数间的相关性均不显著（P＞0.05，表1）。CO2浓度倍增处理下，净光合速率与叶脉密度呈显著正相关（r=0.829，P＜0.05），而与维管束结构大小间呈显著负相关（P＜0.05）；同时，净光合速率与气孔面积间的显著负相关也更加紧密（r=-0.862，P＜0.05）。增温处理下，净光合速率与气孔密度、叶脉密度间均存在显著负相关（r=-0.898，-0.551，P＜0.05），而与维管束结构大小、表皮细胞大小及角质层厚度间均呈显著正相关（P＜0.05）（表2）。

3 讨论

本研究通过设置增温2 ℃和CO2浓度倍增控制试验检测了高原湿地植物香蒲功能性状对增温和CO2浓度倍增的响应策略，研究结果表明增温和CO2浓度倍增显著降低了香蒲的光合碳同化能力，同时显著增加了香蒲的水分散失和输送能力。在香蒲响应生长条件变化的过程中，其光合参数间的相关性减弱，而光合参数与结构性状间的相关性显著增强。

增温和CO2浓度倍增均显著降低了香蒲的光合碳同化能力，表明这2种处理环境对于高原湿地植物香蒲来说都属于逆境。过去一些对其他高原地区植物的研究也得到相似的结论，例如，在增温和CO2浓度倍增情况下，若尔盖高原湿地、青藏高原腹地植被等表现出退化的趋势［18-19，25］。滇西北地区挺水植物水葱、芦苇及黑三棱的光合碳同化能力也都受到显著抑制［10，16，26］。这些研究结果与本研究结果都表明增温和CO2浓度倍增不利于高原植物的光合碳积累。温度是光合碳代谢过程中的一个重要条件，增温可能降低酶促反应速率、影响气孔开度和叶绿体超微结构等，最终导致光合代谢速率降低。此外，CO2是光合作用的原料，CO2浓度倍增使气孔导度降低，从而影响CO2进入细胞间隙，抑制光呼吸直接阻碍光合生产［27］。在陆地植物中，增温和CO2浓度倍增往往会使叶片气孔关闭并降低气孔导度［28-29］，同时也会导致核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶含量和活性降低，植物为进行正常的生理活动而降低气孔导度，缩小气孔张度，CO2输入量减少，伴随的腺嘌呤核苷三磷酸和还原型辅酶Ⅱ消耗量也降低，电子传输效率随之降低，光合能力受抑制［30］。这一结果说明香蒲长期处于高浓度CO2环境下，会造成叶片最大羧化速率降低，Rubisco 蛋白酶的数量和活性降低，最终导致其净光合速率显著降低。而CO2浓度倍增对植物的影响也并非是独立的［31］，CO2浓度的升高可能导致环境温度升高进而加快植物的呼吸速率，高的呼吸速率消耗CO2浓度升高引起的施肥效应［32］，则香蒲叶呈现出净光合速率显著降低的趋势。

增温显著增加了香蒲的叶脉密度和气孔密度（图4），而其维管束面积和导管面积显著减小（图6），表明增温显著增加了香蒲的水分散失和输送能力。同时，叶脉密度在CO2浓度倍增处理也显著高于对照组（图4），表明CO2浓度倍增处理也显著增加了香蒲的水分输送能力。环境因素对气孔密度和大小具有一定的影响，在一些研究中，增加CO2浓度可以降低气孔指数和密度，气孔导度也降低［33］；随着温度的升高，气孔密度增大［34］。增温处理下，香蒲叶气孔密度和叶脉密度显著升高，表明香蒲的水分输送能力显著增加，水气交换与蒸腾失水间相互协同，理论上应该增加植物的光合碳同化能力。然而，增温和CO2浓度倍增处理下香蒲的光合速率却下降（图3），因此在这2 组处理下的香蒲显著降低了其水分利用效率，即与对照组相比，输送和散失相同量的水，香蒲在增温和CO2浓度倍增处理下制造的有机物更少。增温和CO2浓度倍增也使香蒲的维管束面积和导管面积呈下降趋势（图6）。维管束中的导管面积是指示维管束结构安全性和抗气穴化能力的重要指标，较大的导管能够有效增加一次性水分的传输量，但是同时也大大增加了导管气穴化堵塞的风险，因此植物在水分输送和抗气穴化风险上往往存在权衡［9，14，35，36］。叶脉密度的增加和导管面积的减小指示香蒲对增温和CO2浓度倍增的响应策略，即通过增加水分输送实现植物体降温，同时通过减小导管大小以降低其结构堵塞的风险。在高原地区，湿地植物的维管结构除了输送水分和物质外，还可能消耗相当大的比例来支撑植株，使其保持直立状态，这也与湿地植物生长在水中，容易受到水流的影响有关。

增温和CO2浓度倍增使光合参数间的相关性减弱（表2），在对照组中，香蒲叶净光合速率与气孔导度、胞间CO2摩尔分数以及蒸腾速率间存在显著正相关（表1），表明香蒲叶的光合碳同化能力主要受到气孔限制；而在增温和CO2浓度倍增处理下，净光合速率与胞间CO2摩尔分数却呈显著负相关，并且净光合速率与蒸腾速率、气孔导度间的相关性不显著，反映了香蒲光合碳同化能力逐渐由气孔限制变为非气孔限制。叶脉和气孔是叶片水平衡的主要驱动因素，它们在控制水力供应和蒸发损失中发挥作用［37-38］，较高的叶脉密度增加了水分运输通道的数量，从而增加了水力传导率和光合能力［39］，而较高的气孔密度可以增加光合能力和蒸腾速率［6，40］。香蒲叶净光合速率与叶结构性状间的关系在增温和CO2浓度倍增条件下显著增强。对照组净光合速率仅与气孔面积间存在显著负相关，而与其他叶结构参数间的相关性均不显著（表1），表明香蒲叶结构性状与光和碳同化能力间的关系比较松散。而在增温和CO2浓度倍增条件下净光合速率与叶结构性状间的这种关系变得更加密切，表明对于挺水植物香蒲来说，在遭受逆境的情况下结构性状与光合间的关系变得更加紧密，即增温和CO2浓度倍增条件下香蒲的光合碳同化能力下降，其气孔、叶脉、表皮以及维管束结构便发挥更强的作用以维持香蒲正常的生长和生理活动。

4 结论

综上所述，增温和CO2浓度倍增显著降低了香蒲叶光合碳同化能力。此外，增温和CO2浓度倍增显著增强了香蒲叶水分传输能力，但是显著降低了其水分利用效率。香蒲的光合碳同化能力在对照组主要受气孔限制，但是在增温和CO2浓度倍增处理下受非气孔限制更大。香蒲的气孔、叶脉、表皮以及维管束等结构性状在香蒲遭遇增温和CO2浓度倍增这样的逆境时与净光合速率间的关系变得更加紧密。