CO2濃度升高和磷素虧缺對黑麥草氣孔特征及氣體交換參數的影響

鄭云普，常志杰，范曉懂，張運鑫，劉 亮，陳文娜，劉媛媛，郝立華

CO2濃度升高和磷素虧缺對黑麥草氣孔特征及氣體交換參數的影響

鄭云普1，常志杰1，范曉懂2，張運鑫1，劉 亮1，陳文娜3，劉媛媛1，郝立華1※

（1. 河北工程大學水利水電學院，邯鄲 056038；2. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100；3. 河北工程大學園林與生態工程學院，邯鄲 056038）

為深入理解未來大氣CO2濃度升高背景下草地生態系統結構與功能響應土壤磷虧缺的潛在機理，該研究利用可精準控制CO2濃度的大型人工氣候室，探討了正常CO2濃度400mol/mol、升高CO2濃度800mol/mol和磷素供應水平（0.004、0.012、0.02、0.06、0.1和0.5 mmol/L）對黑麥草氣孔特征及其氣體交換過程的影響。結果表明，CO2濃度升高使供磷水平0.1和0.5 mmol/L的氣孔密度增加34.9%（=0.012）和25.4%（<0.001），但氣孔開度減小13%（=0.002）和12%（=0.005），且導致供磷水平為0.06 mmol/L的黑麥草氣孔分布更加規則。同時，CO2濃度升高還導致供磷水平0.1和0.5 mmol/L的凈光合速率顯著增加8.6%（=0.002）和15.8%（<0.001），從而提高黑麥草的水分利用效率。另外，不同供磷水平明顯改變了植株生物量及其分配，且高濃度CO2對較高磷水平時地上生長產生更強的施肥效應。研究結果將為深入理解草地生態系統對大氣CO2濃度升高和土壤磷素虧缺的響應機理提供理論依據和數據支撐。

光合；水分；CO2倍增；磷虧缺；黑麥草；氣孔特征；水分利用效率

0 引 言

自西方工業革命以來，大氣CO2濃度以每年約2.0mol/mol的速度急劇增加到當前的410mol/mol，到21世紀末期大氣中的CO2濃度將達到800mol/mol[1]。然而，目前植物進行光合作用的CO2濃度并沒有達到飽和狀態，未來大多數植物可能從高濃度CO2產生的“施肥效應”中獲益[2]。以往大量室內控制和野外CO2富集試驗的研究結果均已證實，大氣CO2濃度升高將提高農作物的凈光合速率[3]、加速植被生長[4-5]、改變作物物候[6]、增加糧食產量[7-9]、減小氣孔開度[10]和提高水分利用效率[11]。另外，磷元素是核酸（DNA和RNA）、三磷酸腺苷（ATP）和細胞膜的重要組成部分[12]，參與了植物的光合、呼吸等關鍵代謝過程[13]。長期土壤磷虧缺勢必導致植物生長遲緩、根冠比增加、葉片出現延遲等癥狀[14]，從而對植物生長發育以及作物產量造成影響[15]。此外，土壤磷素的有效性還在很大程度上調控植物對大氣CO2濃度升高的響應[14-15]。

黑麥草（L.）不僅是一種具有較高營養價值的常見飼用牧草[16]，而且在草地生態系統防風固沙、涵養水源、固碳增匯等方面均具有重要的生態價值[17]。植物吸收磷元素的主要形式為水溶性無機磷酸鹽，但溫帶草原土壤磷素的80%卻為有機磷酸鹽，故大部分有機磷無法被植物直接吸收和利用[16-17]。因此，磷元素虧缺已經成為當前限制中國北方溫帶草地生態系統初級生產力的主要因素之一[18]，尤其是在未來氣候變化背景下，草原生態系統的結構與功能將受到高濃度CO2和磷素虧缺的協同影響[19]。故此，深入探討CO2濃度升高和土壤磷素虧缺對黑麥草氣孔特征、光合性能以及水分利用效率的協同影響，將有助于準確評估未來大氣CO2濃度升高背景下土壤磷素虧缺對草地生態系統結構和功能產生的風險和威脅。

以往大多數研究主要關注大氣CO2濃度升高與土壤水分[3,20]、高溫[6,10]、臭氧濃度和氮沉降等環境因素協同影響農作物物候變化[9]、生長發育過程以及糧食產量[21]的生理生化機制。然而，目前有關大氣CO2濃度升高和土壤磷素虧缺協同影響黑麥草的研究還鮮見報道，尤其是針對多個磷素虧缺水平上黑麥草氣孔特征和氣體交換過程對CO2濃度升高產生響應與適應的潛在機理至今仍不清楚。本文利用大型人工氣候室探討CO2濃度升高和磷素虧缺對黑麥草氣孔形態特征及其空間分布格局、光合性能、水分利用效率產生的影響及其交互效應，為未來高濃度CO2和土壤磷素虧缺協同影響下的草地生態系統可持續性經營與管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

在河北工程大學草種場內播種黑麥草（L.）的種子，待黑麥草植株生長40 d后，將其移栽到裝有蛭石的PVC管內（高50 cm，底面積78.5 cm2），并置于溫室內生長60 d，溫室內的溫度為25 ℃/20 ℃（白天/夜晚），相對空氣濕度為60%，太陽輻射量為700mol/(m2·s)。在此期間，每盆黑麥草每天澆水100 mL以確保水分充足，且每周使用Hoagland溶液2次（200 mL/次）。

為了模擬北方草地刈割和放牧措施，在冠層發育期間，每20 d將黑麥草的冠層高度修剪至5 cm。在進行CO2濃度處理之前，將黑麥草移至可以準確控制CO2濃度的大型人工氣候室（高×寬×深為1 830 cm × 1 798 cm × 675 cm），溫度設定為20 ℃/15 ℃（白天/夜晚），相對空氣濕度為60%～65%，光照強度為800mol/(m2·s)，光照周期為12 h (7:00—19:00)。鑒于當前的大氣CO2濃度約為400mol/mol，同時依據IPCC報告預測21世紀末大氣CO2濃度將升高至800mol/mol[1]，故對黑麥草進行CO2濃度處理時將對照組（正常）和處理組（升高）分別設定為400和800mol/mol，每個處理4個重復。同時，對黑麥草進行不同供磷水平處理，以KH2PO4溶液為磷元素的來源，經去離子水稀釋后配制6種不同磷濃度的Hoagland溶液，即0.004（P0.004）、0.012（P0.012）、0.02（P0.02）、0.06（P0.06）、0.1（P0.1）和0.5（P0.5）。90 d的CO2濃度和磷虧缺處理期間，每個處理每周均使用不同磷濃度的Hoagland營養液澆灌2次，每次用量200 mL。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 測量氣孔的形態參數

利用無色透明的指甲油涂于成熟葉片表面采集氣孔印跡；隨后，在裝備有照相機的顯微鏡下觀察氣孔形態和測量。對氣孔印跡樣品進行拍照時，隨機選擇3個不同的顯微鏡視野，每個視野下拍5張照片，即得到15張氣孔顯微照片（面積為0.3 mm × 0.45 mm），隨機選擇5張照片計算氣孔密度。利用AutoCAD 2010軟件分別測量氣孔長度、氣孔寬度、氣孔周長、氣孔面積以及氣孔形狀指數[11]。

1.2.2 分析氣孔的空間分布格局

1.2.3 氣孔形態特征觀察及拍照

為了更加清晰地觀察黑麥草氣孔的形態結構及其開張狀態，將采集后的葉片組織（2 mm × 2 mm）用2.5%（v/v）的戊二醛（0.1 mol/L 磷酸緩沖液，pH值7.0）固定樣品，并在4 ℃環境下冷藏保存。在進行掃描電子顯微鏡觀測前，將葉片樣品用相同濃度的磷酸緩沖液沖洗6次，再用1%（v/v）的鋨酸固定3 h。隨后，葉片組織經過一系列的酒精梯度脫水，對樣品進行臨界點干燥后固定在觀察臺上用高壓涂膜裝置噴金。隨后，在掃描電子顯微鏡下（FEI Corp，USA）進行氣孔形態的觀察和拍照[11]。

1.2.4 氣體交換參數的測定

利用便攜式光合測定系統（LI-6400，LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）測量葉片的氣體交換參數，包括凈光合速率（n）、氣孔導度（s）和蒸騰速率（r）。葉片氣體交換參數測量時，葉室內的溫度設定為25 ℃，CO2濃度為400mol/mol，光照強度為1 000mol/(m2·s)。利用公式WUE =n/r計算葉片水平上的水分利用效率[11]。

1.2.5 植株生物量的測定

利用剪刀將黑麥草的地上和地下組織分開，并用清水將根系清洗干凈。將分離后的黑麥草地上和地下組織分別裝入紙袋中置于105 ℃的烘箱進行殺青處理2 h，隨后將烘箱溫度調至85 ℃烘烤48 h至恒定質量。最后，利用高精度電子天平分別稱量烘干后的地下和地上組織的質量，即為黑麥草的地上和地下生物量。將黑麥草的地上和地下生物量相加，得到黑麥草的總生物量，而地下和地上生物量的比值即為根冠比。

1.3 數據統計與分析

本研究采用單因素和雙因素方差分析的方法比較不同CO2濃度和供磷水平對黑麥草氣孔特征、氣體交換參數、葉綠素含量和生物量的影響及其交互效應，再利用S-N-K法比較組內的顯著性差異（<0.05）。利用SPSS 13.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 CO2濃度升高和磷虧缺對氣孔形態特征的影響

在當前的CO2濃度下（400mol/mol），隨著供磷水平的提高，黑麥草氣孔密度呈現先減少后增加的變化趨勢（表1和圖1）。然而，CO2濃度升高導致供磷水平為P0.1和P0.5處理下的氣孔密度顯著提高34.9%（=0.012）和25.4%（<0.001），但供磷水平為P0.004、P0.02和P0.06時的氣孔密度卻分別降低17.1%（=0.002）、26.9%（<0.001）和35.7%（<0.001；表1）。另外，2個CO2濃度條件下的黑麥草氣孔面積均隨著供磷水平的提高呈現先增加后降低的變化趨勢，且均在供磷水平為P0.1時達到最大值（表1和圖2）。同時，在供磷水平為P0.004、P0.1和P0.5時，CO2濃度倍增導致氣孔面積分別降低13.7%（=0.001）、12.5%（=0.002）和11.6%（=0.005；表1）。此外，雙因素方差分析的結果也表明，CO2和磷互作顯著改變了氣孔密度（<0.001）、氣孔長度（=0.038）、氣孔寬度（=0.021）、氣孔面積（=0.003）和氣孔形狀指數（=0.037；表1）。上述結果表明，黑麥草氣孔形態特征對CO2濃度升高的響應在不同磷素虧缺水平上存在明顯的不對稱性，即在較高供磷水平時黑麥草通過增加氣孔數量和增大氣孔開度在高CO2濃度條件下獲益，而在較低供磷水平時則可以減小氣孔密度和氣孔開度來適應升高的CO2濃度。

表1 CO2濃度升高和磷虧缺對黑麥草氣孔形態參數的影響

注：P0.004表示磷濃度為0.004 mmol·L-1，P0.012表示磷濃度為0.012 mmol·L-1，P0.02表示磷濃度為0.02 mmol·L-1，P0.06表示磷濃度為0.06 mmol·L-1，P0.1表示磷濃度為0.1 mmol·L-1，P0.5表示磷濃度為0.5 mmol·L-1。不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05），下同；值是檢驗的統計量，為組間與組內的離差平方和與自由度的比值，值越大則代表組間差異越顯著，值的可信度也就越高。

Note: P0.004indicates phosphorus levelis 0.004 mmol·L-1, P0.012indicates phosphorus levelis 0.012 mmol·L-1, P0.02indicates phosphorus levelis 0.02 mmol·L-1, P0.06indicates phosphorus levelis 0.06 mmol·L-1, P0.1indicates phosphorus levelis 0.1 mmol·L-1, P0.5indicates phosphorus levelis 0.5 mmol·L-1.Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level, the same as below; Thevalue is the statistic of thetest, which is the ratio of the sum of squared deviations between groups and within the group to the degree of freedom. The larger thevalue, the more significant the difference.

2.2 CO2濃度升高和磷虧缺對氣孔空間分布格局的影響

本研究對黑麥草氣孔空間分布格局分析的結果顯示，2種CO2濃度和6個供磷水平處理下，黑麥草的氣孔均是在小尺度范圍內（60～150m）呈規則分布，而在較大尺度上（>200m）呈現隨機分布的空間格局（圖3）。然而，CO2濃度升高使供磷水平為P0.06處理下黑麥草氣孔由規則轉換為隨機分布的空間尺度從150m增加至190m，但卻在不同程度上導致其他供磷水平條件下（P0.004、P0.012、P0.02、P0.1和P0.5）氣孔由規則轉換為隨機分布的空間尺度的減?。▓D 3）。另外，不同大氣CO2濃度和供磷水平條件下，黑麥草氣孔均在約110m空間尺度上的最小鄰域距離Lhat()值最小，暗示此時氣孔在110m空間尺度上分布的規則程度最高；其中，CO2濃度升高和供磷水平為P0.06處理下黑麥草的最小鄰域距離Lhat()為-9.24，明顯低于其他的CO2濃度和供磷水平處理，表明CO2濃度升高和供磷水平為P0.06時的氣孔空間分布格局最規則，且最有利于黑麥草與大氣環境之間的氣體交換過程。因此，未來大氣CO2濃度升高情景下，供磷水平為P0.06的黑麥草可能會通過調整氣孔空間分布格局的規則程度來緩解低磷造成的生理脅迫（圖3）。

2.3 CO2濃度升高和磷虧缺對氣體交換參數的影響

在正常CO2濃度條件下（400mol/mol），黑麥草葉片的凈光合速率（n）隨供磷水平的提高呈先增加后降低的變化趨勢（表2），且當供磷水平為P0.06時n達到其最大值14.5mol/(m2·s)。然而，CO2濃度升高（800mol/mol）卻導致n隨著供磷水平的升高而持續增大，即其最大值13.6mol/(m2·s)出現在P0.5的供磷水平處理（表2），表明高濃度CO2提高了黑麥草n的最適磷濃度。另外，CO2濃度升高導致供磷水平P0.004、P0.02和P0.06條件下的n比正常CO2濃度分別降低13.6%（=0.008）、19.8%（<0.001）和16.9%（<0.001），但卻使供磷水平為P0.1和P0.5的n提高8.6%（=0.002）和25.9%（<0.001；表2），表明CO2濃度升高對較低供磷水平黑麥草的n產生不利影響，但卻對較高供磷水平的n產生一定的施肥效應。同時，兩因素方差分析的結果也表明，不同CO2濃度和供磷水平對n產生顯著的交互效應（<0.001，表2）。

盡管正常CO2濃度條件下不同供磷水平沒有對黑麥草的蒸騰速率（r）產生顯著影響，但氣孔導度（s）和水分利用效率（WUE）卻隨著供磷水平的升高呈現先增加后降低的變化趨勢（表2），且s在供磷水平為P0.02時達到最大值1.13mol/(m2·s)，而WUE在P0.06時達到最大值3.21 mmol/mol。然而，CO2濃度升高使r隨供磷水平的升高呈現“鐘形”的變化，在供磷水平為P0.06時達到最大值4.84 mmol/(m2·s)，且相比當前CO2濃度處理的r提高約10%（=0.005）。與r相反，CO2濃度升高導致不同供磷水平下s的降低，尤其是供磷水平為P0.012、P0.02、P0.06和P0.1的s分別降低54.2%（<0.001）、56.0%（<0.001）、39.6%（=0.001）和47.3%（<0.001），表明CO2濃度升高導致黑麥草部分氣孔開度減小甚至關閉。相似地，CO2濃度升高還導致供磷水平為P0.004、P0.02和P0.06的葉片WUE分別降低13.1%（=0.021）、13.5%（=0.002）和27.1%（<0.001），但卻使供磷水平為P0.1和P0.5的WUE分別提高22.3%（<0.001）和24.8%（<0.001），暗示CO2濃度和供磷水平可能對WUE產生協同影響。同時，兩因素方差分析的結果也證實，[CO2]×Pi對r（=0.017）、s（=0.043）和WUE（<0.001）均產生顯著的交互作用（表2）。

表2 CO2濃度升高和磷虧缺對黑麥草凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度以及水分利用效率的影響

2.4 CO2濃度升高和磷虧缺對葉綠素含量的影響

不同CO2濃度處理下的黑麥草葉綠素含量均隨供磷水平的提高先增加后降低，且均在供磷水平P0.1時總葉綠素的值最高，但同一供磷水平上的葉綠素含量在2個CO2濃度之間并不存在顯著性差異（表3）。然而，值得注意的是，盡管CO2濃度升高并沒有影響供磷水平為P0.5時黑麥草葉綠素的總量，但卻改變了葉綠素a和葉綠素b的比值，即導致葉綠素a/葉綠素b顯著降低36.9%（=0.02），這主要是由于高CO2濃度導致葉綠素b含量增加47.9%（=0.006）而造成的，表明CO2濃度升高和磷素供應充足條件下，相比于葉綠素a而言，黑麥草優先合成葉綠素b（表3）。此外，本研究還發現，CO2濃度升高導致供磷水平在P0.012處理下的葉綠素含量的顯著降低25.8%（=0.019），表明不同供磷水平條件下黑麥草葉綠素含量對CO2濃度升高的響應存在明顯的差異（表3）。

表3 CO2濃度升高和磷虧缺對黑麥草葉綠素含量的影響

2.5 CO2濃度升高和磷虧缺對黑麥草生物量的影響

不同供磷水平顯著改變了黑麥草植株的總生物量（<0.001）、地上生物量（<0.001）、地下生物量（<0.001）以及根冠比（<0.001，表4）。然而，盡管CO2濃度升高顯著改變了黑麥草的地下生物量（=0.019），但卻并沒有對黑麥草總生物量（=0.696）、地上生物量（=0.388）以及根冠比（=0.148）產生顯著影響（表4）。CO2濃度升高導致最低供磷水平下（P0.004）黑麥草的總生物量顯著降低6.6%（0.019），但卻使供磷水平為P0.02和P0.06條件下黑麥草的總生物量分別提高7.1%（=0.022）和10.4%（=0.001）。同時，在正常CO2濃度下，供磷水平P0.5的地上生物量高于P0.004約30%（<0.001），而CO2濃度升高條件下，供磷水平P0.5的地上生物量高于P0.004約40%（<0.001），表明CO2濃度升高對較高供磷水平下的黑麥草地上部分生長產生更強施肥效應。

不同供磷條件下黑麥草地下生物量對CO2濃度升高的響應也存在明顯差異（表4）。CO2濃度升高導致供磷水平為P0.5、P0.004和P0.012條件下黑麥草的地下生物量分別顯著降低11.1%（=0.006）、13.7%（=0.017）和9.2%（=0.005），但卻沒有改變其他供磷水平條件下黑麥草的地上生物量（>0.05；表4）。此外，CO2濃度升高還改變了黑麥草地上和地下生物量的分配狀況（根冠比），即P0.004、P0.012和P0.5供磷水平下，CO2濃度升高使黑麥草的根冠比分別顯著降低11.9%（=0.019）、11.4%（=0.008）和18.5%（=0.016），但供磷水平為P0.06的黑麥草根冠比卻在高CO2濃度條件下顯著提高31.5%（<0.001）。此外，本研究中雙因素方差分析結果也顯示，[CO2]×Pi對黑麥草的總生物量（<0.001）、地上生物量（=0.002）、地下生物量（=0.001）以及根冠比（<0. 001）均產生了顯著的交互作用（表4）。

表4 CO2濃度升高和磷虧缺對黑麥草生物量的影響

3 討 論

本研究發現CO2濃度升高導致低磷水平下黑麥草的氣孔面積顯著降低，而Sun等[23]的研究也證實在低磷水平下珠江三角洲植物中較小的氣孔可以更加高效地控制葉片的氣體交換過程，從而提高植物葉片水平的水分利用效率。另外，本研究結果還表明低磷供應條件下大氣CO2濃度倍增誘導氣孔密度降低可能解釋了葉片碳同化能力的下調，這主要是由于氣孔密度在很大程度上決定著CO2從大氣向葉肉組織的擴散效率[24]。Lenka等[25]的研究結果表明，土壤磷的有效性將削弱高CO2濃度對植物產生的施肥效應，可能是由于高濃度CO2提高了植物對磷營養的需求，故植物在低磷條件下通過減少氣孔密度來維持其最佳的生長速度和生理特性。然而，本研究中CO2濃度升高導致低磷濃度下黑麥草氣孔密度降低的現象也恰好證實了上述結論。此外，本研究中黑麥草在低磷條件下的氣孔空間分布相比高磷水平的分布格局更為規則，暗示低磷水平處理下的黑麥草葉片氣體交換過程相比高磷水平更加高效。Soares等[26]的研究結果也表明植物的氣孔空間分布格局在較大程度上調控葉片的凈光合速率和蒸騰速率。此外，本研究中不同供磷水平處理中，黑麥草的氣孔空間格局在CO2濃度升高條件下分布得更加規則，表明高濃度CO2可能有效提高黑麥草葉片的氣體交換效率。

長期的高濃度CO2處理可能導致凈光合反應速率（n）的下降，尤其是當養分供給限制植物生長時n的下調更為明顯[27]。本研究中較高的供磷水平條件下CO2濃度升高可以提高n，表現出明顯的施肥效應，而在較低供磷水平下卻降低n，表明磷素虧缺在很大程度上限制了高濃度CO2對黑麥草生理過程產生的施肥效應。同時，本研究中黑麥草生物量的相關結果也表明，相比較低的供磷水平而言，CO2濃度升高對較高供磷水平下的黑麥草的生長過程產生更加強烈的施肥效應，這也間接證實了磷素虧缺可能會限制高濃度CO2對黑麥草產生的施肥效應，暗示未來大氣CO2濃度升高條件下，磷素虧缺可能通過限制黑麥草根系的生長發育過程進一步削弱高濃度CO2的施肥效應。另外，本研究中低磷濃度條件下CO2濃度升高導致葉綠素含量的明顯下降，可能是引起黑麥草凈光合速率（n）降低的一個重要因素。以往相關研究認為，磷有效性可能會對氮素的吸收與利用產生影響[28]，這主要是由于磷素虧缺條件下植物的氮吸收過程及其利用效率均會受到明顯的限制，最終導致葉綠素的降解和消失。然而，盡管本研究中CO2濃度升高并未對磷充足條件下黑麥草的葉綠素總含量產生顯著影響，但卻由于葉綠素b含量的增加而導致葉綠素a/葉綠素b的降低。因此，本研究結果表明CO2濃度升高條件下葉綠素b含量的增加可能是提高黑麥草n的主導因素。

以往的相關研究已經證實，CO2濃度升高將誘導植物氣孔的關閉，進一步導致氣孔導度和蒸騰速率降低[22]。同樣，本研究也發現高濃度CO2導致較高磷水平下黑麥草氣孔導度（s）的顯著降低，表明CO2濃度升高確實引起黑麥草部分氣孔的關閉或者開度減小，且對于黑麥草氣孔開度的直接觀察和測量的結果也直接證實了上述推論。盡管高濃度CO2降低了較高供磷水平黑麥草的s，但卻導致n的增加，暗示s的降低并不是限制n的主導因素，而CO2濃度升高可能提高了光合反應位點的同化效率。然而，低磷水平條件下高濃度CO2導致黑麥草s和n均降低，表明黑麥草s和n對CO2濃度升高的響應可能與磷素虧缺程度緊密相關。因此，筆者認為，不同供磷水平可能對核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的活性產生影響，進一步調控黑麥草n對CO2濃度升高的響應過程。Singh等[29]的研究結果也認為，低磷供應條件下s的降低并不是限制棉花n的主要因素，而可能是光合反應位點的同化效率的降低造成的。然而，本研究并沒有探究Rubisco及其活化酶對CO2濃度升高和磷素虧缺的響應機理。

本研究結果表明，CO2濃度升高導致較高磷水平下黑麥草WUE的增加，但卻使低磷水平下WUE降低，而大氣CO2濃度升高卻并未對不同供磷水平下的r產生顯著影響。因此，本文認為，不同供磷水平下大氣CO2濃度升高對WUE的影響可能僅是由于黑麥草n的變化而造成的。相似地，Kimball等[30]的研究也發現，CO2濃度倍增提高WUE是由于n增大所致，而r的變化并不明顯，這與本研究的結論基本一致。然而，Lindroth等[31]的研究結果卻表明，高濃度CO2條件下葉片WUE的提高是n增加和r降低共同作用的結果。此外，劉亮等[32]的研究發現，大氣CO2濃度升高顯著提高玉米葉片WUE的主要原因是由于高濃度CO2抑制了葉片的蒸騰過程（r），而并未對n產生顯著影響。通常而言，大氣CO2濃度升高會導致氣孔導度的降低[11]，同時減小單位葉面積上的蒸騰速率[22]。然而，CO2濃度升高還會引起植株冠層溫度的升高[30]，進一步導致葉肉內部蒸氣壓的增大，從而提高葉片的蒸騰速率。故此，本研究中由于高濃度CO2引起冠層增溫所導致葉片r的提高可能在一定程度上抵消了因氣孔導度降低而造成的r降低，最終表現為不同供磷水平下CO2濃度升高并未對r產生顯著影響。

4 結 論

本研究利用大型人工氣候箱探討了CO2濃度升高和磷素虧缺對黑麥草氣孔特征和氣體交換參數的影響機理，得到如下結論：

1）在較高供磷水平時（0.1和0.5 mmol/L），CO2濃度升高能夠使黑麥草的凈光合速率比正常CO2濃度顯著增加8.6%（=0.002）和25.9%（<0.001），且導致CO2濃度升高下0.5 mmol/L磷水平的黑麥草地上生物量相比低磷水平0.004 mmol/L提高約40%，表明未來氣候變化下黑麥草將得益于高濃度CO2的施肥效應。

2）CO2濃度升高導致低磷水平（0.004 mmol/L）的黑麥草總生物量下降6.6%（=0.019），同時還使低磷水平0.004、0.02和0.06 mmol/L的黑麥草凈光合速率分別降低13.6%（=0.008）、19.8%（<0.001）和16.9%（<0.001），說明將來草原生態系統土壤磷虧缺可能會削弱CO2濃度升高對黑麥草產生的施肥效應。

3）CO2濃度升高使低磷水平（0.012 mmol/L）的黑麥草葉綠素含量下降25.8%（=0.019）；相反，CO2濃度升高卻增加了較高磷水平（0.5 mmol/L）的葉綠素b含量47.9%（=0.006），同時導致黑麥草的凈光合速率提高25.9%（<0.001），暗示葉綠素b含量的變化可能介導了CO2濃度升高調控黑麥草對土壤磷虧缺的生理響應過程。

[1] Stocker T F, Qin D, Plattner G K, et al. Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.

[2] Zheng Y P, Li F, Hao L H, et al. Elevated CO2concentration induces photosynthetic down-regulation with changes in non-structural carbohydrates and nitrogen content of soybean[J]. BMC Plant Biol, 2019, 19: 255.

[3] Zheng Y P, He C L, Guo L L, et al. Soil water status triggers CO2fertilization effect on the growth of winter wheat () [J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2020, 291: 108097.

[4] Fan X D, Cao X, Zhou H R, et al. Carbon dioxide fertilization effect on plant growth under soil water stress associates with changes in stomatal traits, leaf photosynthesis, and foliar nitrogen of bell pepper (Capsicum annuum L.)[J]. Environmental and Experimental Botany, 2020, 179: 104203.

[5] 李菲. 大氣CO2濃度升高對大豆葉片結構、光合性能及水分利用效率的影響研究[D]. 邯鄲：河北工程大學，2019.

Li Fei. Effects of Elevated Atmospheric CO2Concentrations on Leaf Structure, Photosynthesis and Water Use Efficiency of Soybean Plants[D]. Handan: Hebei University of Engineering, 2019. (in Chinese with English abstract)

[6] 徐振鋒，胡庭興，張遠彬，等. 植物物候對模擬CO2濃度和溫度升高的響應研究進展[J]. 應用與環境生物學報，2008，14(5)：716-720.

Xu Zhenfeng, Hu Tingxing, Zhang Yuanbin, et al. Review on responses of plant phenology to simulated Elevated CO2concentration and temperature[J]. Chinese Journal of Applied & Environmental Biology, 2008, 14(5): 716-720. (in Chinese with English abstract)

[7] Tom-Dery D, Eller F, Fromm J, et al. Elevated CO2does not offset effects of competition and drought on growth of shea (C. F. Gaertn.) seedlings[J]. Agroforest Syst, 2018, 7: 36.

[8] 王飛，郭彬彬，孫增光，等. 增溫增CO2濃度對玉米||花生體系玉米生長發育及產量的影響[J]. 作物學報，2021，47(11)：2220-2231.

Wang Fei, Guo Binbin, Sun Zengguang, et al. Effects of elevated temperature and CO2concentration on growth and yield of maize under intercropping with peanut[J]. Acta Agron Sin, 2021, 47(11): 2220-2231. (in Chinese with English abstract)

[9] 周寧. 開放式空氣中CO2濃度和溫度升高對粳稻生長和光合的影響[D]. 揚州：揚州大學，2020.

Zhou Ning. Effect of Elevated CO2and Temperature on Japonica Rice Growth, Development and Photosynthesis[D]. Yangzhou: Yangzhou University. 2020. (in Chinese with English abstract)

[10] Ogaya R, Llorens L, Pe?uelas J. Density and length of stomatal and epidermal cells in “living fossil” trees grown under elevated CO2and a polar light regime[J]. Acta Oecol, 2011, 37: 381-385.

[11] 李菲，鄭云普，劉亮，等. CO2濃度對大豆葉片氣孔特征和氣體交換參數的影響[J]. 作物學報，2018，44(8)：1212-1220.

Li Fei, Zheng Yunpu, Liu Liang, et al. Effects of CO2concentration on stomatal characteristics and gas exchange parameters of soybean leaves[J]. Acta Agron Sin, 2018, 44(8): 1212-1220. (in Chinese with English abstract)

[12] Péret B, Clément M, Nussaume L, et al. Root developmental adaptation to phosphate starvation: better safe than sorry[J]. Trends Plant Sci, 2011, 16(8): 442-450.

[13] Ha S, Tran L S. Understanding plant responses to phosphorus starvation for improvement of plant tolerance to phosphorus deficiency by biotechnological approaches[J]. Crit Rev Biotechnol, 2014, 34(1): 16-30.

[14] Singh S K, Badgujar G, Reddy V R, et al. Effect of phosphorus nutrition on growth and physiology of cotton under ambient and elevated carbon dioxide[J]. J Agron Crop Sci, 2013, 199(6): 436-448.

[15] 何進. 不同年代大豆品種籽粒產量差異及其水磷虧缺適應機制[D]. 蘭州：蘭州大學，2016.

He Jin. The Ecophysiology Mechanism of Soybean with Different Yield Performance Adapted to Water-limited and Phosphorus-deficit Environment[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[16] 付志慧，格根圖，賈玉山，等. 茬次與品種對多花黑麥草在北方地區種植的產量及營養價值的影響[J]. 草地學報，2021，29(7)：1571-1577.

Fu Zhihui, Ge Gentu, Jia Yushan, et al. Effect of cutting times and varieties on the yield and nutrient value of Italian ryegrass plant in northern regions[J]. Acta Agrestia Sinica, 2021, 29(7): 1571-1577. (in Chinese with English abstract)

[17] Castanheira N, Catarina A, Alves P I, et al. Annual ryegrass-associated bacteria with potential for plant growth promotion[J]. Microbiol Res, 2014, 169: 768-779.

[18] Sharma S B, Sayyed R Z, Trivedi M H, et al. Phosphate solubilizing microbes: sustainable approach for managing phosphorus deficiency in agricultural soils[J]. SpringerPlus, 2013, 2: 1-14.

[19] Joseph C A, Khiari L, Gallichand J, et al. Influence of sludge incineration ash on ryegrass growth and soil phosphorus status[J]. Pedosphere, 2019, 29(1): 70-81.

[20] Fernando N, Florentine S K, Naiker M, et al. Annual ryegrass (Gaud) competition altered wheat grain quality: A study under elevated atmospheric CO2levels and drought conditions[J]. Food Chem, 2019, 276: 285-290.

[21] Campbell C D, Sage R F. Interactions between the effects of atmospheric CO2content and P nutrition on photosynthesis in white lupin (L.)[J]. Plant Cell Environ, 2006, 29(5): 844-853.

[22] Xu M. The optimal atmospheric CO2concentration for the growth of winter wheat ()[J]. Journal of Plant Physiol, 2015, 184: 89-97.

[23] Sun Y Q, Yan F, Cui X Y, et al. Plasticity in stomatal size and density of potato leaves under different irrigation and phosphorus regimes[J]. Journal of Plant Physiol, 2014, 171(14): 1248-1255.

[24] Jin J, Tang C X, Sale P. Impact of elevated carbon dioxide on the phosphorus nutrition of plants: a review[J]. Ann Bot, 2015, 116(6): 987-999.

[25] Lenka N K, Lal R. Soil-related constraints to the carbon dioxide fertilization effect[J]. Crit Rev Plant Sci, 2012, 31(4): 342-357.

[26] Soares A S, Driscoll S P, Olmos E, et al. Adaxial/abaxial specification in the regulation of photosynthesis and stomatal opening with respect to light orientation and growth with CO2enrichment in the C4species Paspalum dilatatum[J]. New Phytol, 2008, 177: 186-198.

[27] Reich P B, Hobbie S E, Lee T D, et al. Nitrogen limitation constrains sustainability of ecosystem response to CO2[J]. Nature, 2006, 440(7086): 922-925.

[28] 王月. CO2濃度升高對不同供磷番茄根系生長和根系分泌物的影響[D]. 杭州：浙江大學，2008.

Wang Yue. Effects of Elevated CO2concentration on Root Growth and Root Exudates of Tomato with Different Phosphorus Supplies[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[29] Singh S K, Reddy V R. Combined effects of phosphorus nutrition and elevated carbon dioxide concentration on chlorophyll fluorescence, photosynthesis, and nutrient efficiency of cotton[J]. J Plant Nut Soil Sci, 2014, 177(6): 892-902.

[30] Kimball B A，朱建國，程磊，等. 開放系統中農作物對空氣CO2濃度增加的響應[J]. 應用生態學報，2002，13(10)：1323-1338. Kimball B A, Zhu J G, Cheng L, et al. Response of crops to the increase of CO2concentration in air in open system[J]. Chinese Journal of Appied Ecoogy, 2002, 13(10): 1323-1338. (in Chinese with English abstract)

[31] Lindroth R L, Roth S, Nord heim E V. Genotypic variation in response of quaking aspen () to atmospheric CO2enrichment[J]. Oecologia, 2001, 126(3): 371-379.

[32] 劉亮，郝麗華，李菲，等. CO2濃度和溫度對玉米光合性能及水分利用效率的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(5)：122-129.

Liu Liang, Hao Lihua, Li Fei, et al. Effects of CO2concentration and temperature on leaf photosynthesis and water efficiency in maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 122-129. (in Chinese with English abstract)

Effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of ryegrass

Zheng Yunpu1, Chang Zhijie1, Fan Xiaodong2, Zhang Yunxin1, Liu Liang1, Chen Wenna3, Liu Yuanyuan1, Hao Lihua1※

(1.,,056038,;2.,,712100,;3.,,056038,)

In order to further understand the potential mechanisms of grassland structure and function in response to soil phosphorus deficiency under future CO2concentration increase, we examined the effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of annual ryegrass with environmental growth chambers, where the CO2concentration was accurately controlled at 400mol/molor 800mol/moland meanwhile these grasses were fertilized with six phosphorus levels including 0.004 mmol/L (P0.004), 0.012 mmol/L (P0.012), 0.02 mmol/L (P0.02), 0.06 mmol/L (P0.06), 0.1 mmol/L (P0.1) and 0.5 mmol/L (P0.5). The results showed that: 1) The CO2concentration increase significantly decreased the stomatal density of plants under lower phosphorus levels, but increased the stomatal density of annual ryegrass grown at higher phosphorus levels (0.1 mmol/L and 0.5 mmol/L); Meanwhile, CO2concentration increase obviously decreased the stomatal openness of annual ryegrass, and made the spatial distribution pattern of stomata more regular when plants were grown at the phosphorus level of 0.06 mmol/L. 2) The CO2concentration increase substantially enhanced the net photosynthetic rates (n) of annual ryegrass treated with higher phosphorus levels (0.1 and 0.5 mmol/L), but reduced thenof plants subjected to lower phosphorus levels, and thus increased the water use efficiency (WUE) of annual ryegrass at high phosphorus levels. 3) The responses of chlorophyll contents to CO2concentration increase were different among the six phosphorus levels, and CO2concentration increase substantially changed the ratio of chlorophyll a/b at higher phosphorus levels. 4) The total plant biomass and allocation between aboveground and belowground were obviously changed by phosphorus deficiency, and CO2concentration increase featured CO2fertilization effect on the aboveground biomass of annual ryegrass at higher phosphorus levels. These results suggested that the responses of stomatal traits and leaf gas exchange efficiency to CO2concentration increase were obviously asymmetry between low and high phosphorus levels. These grasses under higher phosphorus levels optimized the leaf gas exchange efficiency by increasing the stomatal density and stomatal openness as well as regulating the spatial distribution pattern of stomata, and thus plants might benefit from CO2fertilization effect under CO2concentration increase. By contrast, annual ryegrass plants subjected to low phosphorus levels down-regulated the morphological traits of stoma and the regular pattern of distribution, and decreased leaf gas exchange efficiency of annual ryegrass to adapt the low phosphorus conditions under high CO2concentration. Our results may have significant importance on further understanding the potential mechanisms of grassland ecosystem structure and function in response to CO2concentration increase and phosphorus deficiency under future climate change.

photosynthesis; moisture; doubling CO2concentration; phosphorus deficiency; ryegrass; stomatal traits; water use efficiency

鄭云普，常志杰，范曉懂，等. CO2濃度升高和磷素虧缺對黑麥草氣孔特征及氣體交換參數的影響[J]. 農業工程學報，2021，37(18)：82-89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.010 http://www.tcsae.org

Zheng Yunpu, Chang Zhijie, Fan Xiaodong, et al. Effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of ryegrass[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 82-89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.010 http://www.tcsae.org

2020-12-14

2021-08-24

國家自然科學基金面上項目（32071608）；河北省自然科學基金面上項目（E2021402031）；邯鄲市科技計劃項目（19422011008-47）

鄭云普，博士，副教授，研究方向為農業水土工程及全球變化生態學。Email：zhengyunpu@hebeu.edu.cn

郝立華，博士，講師，研究方向為農業水土工程及作物水分生理生態學。Email：haolihua_000@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.010

S164.5

A

1002-6819(2021)-18-0082-08