干旱脅迫和高二氧化碳濃度對樹苗光合作用特性的影響初探
——以大興區園林建設為例

張 璐

(北京市大興區林業工作站，北京 102600)

1 引言

目前，全球大氣中二氧化碳濃度為420.02×10-6，按照現行二氧化碳濃度增加趨勢，預計21世紀末二氧化碳濃度將高達700×10-6，二氧化碳濃度上升后，與植物生長相關的多種關系都會受到影響[1]。有研究表明當二氧化碳濃度升高到一定閾值后，植物的光合作用特性會隨之出現較為明顯的改變，例如蒸騰速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度、光合作用速率都會呈現出不同的變化趨勢，但最終會導致植物對水分的利用效率顯著增加[2]。這是由于二氧化碳濃度出現變化后，植物的內部構造會因此而改變，進而影響植物對水分的利用。因二氧化碳和水是光合作用的兩種基本原料，土壤中水分狀況不同，限制二氧化碳發揮刺激作用的程度也不同。當大氣中二氧化碳濃度提高時，溫室效應使得氣溫也隨之提高，土壤中水分蒸發速度加快，我國南方各地區由于土壤濕度大，受到影響較小；而我國北方各地區土壤濕度很小，氣溫升高也就導致北方地區土壤更加干旱[3]。

近年來，各地區為構建美麗鄉村做出了很多嘗試，造林綠化是其中一項重要手段。土壤中水分含量多少是制約造林綠化工程的重要因素，較為干旱的土壤條件嚴重影響造林綠化工程推進[5]。干旱土壤條件下水分虧缺較為嚴重，葉片的生理特性會因此而受到極大影響，在干旱脅迫條件下葉片光合作用特性和水分利用效率特性改變明顯。

水分利用效率是一個評價植物生長的重要指標，可以客觀地衡量植物水分利用情況和植物抗旱能力，這個重要指標通常用來確定為植物施加的最佳供水量。水分利用率分為瞬時/長期利用率2種，瞬時水分利用率是根據瞬時二氧化碳和水的交換通量計算而來，長期水分利用率則是單位質量水能夠轉化的干生物量[6～9]。本文選取楊柳樹、國槐、白蠟、油松等4種北京大興區主要造林樹種為研究對象，通過研究二氧化碳濃度變化和干旱脅迫相交互的條件下，上述研究對象的光合作用特性變化以及水分利用效率變化，以期找到二氧化碳濃度不斷增加、干旱化趨勢嚴峻等問題對植樹造林工作的影響。

2 研究方法

2.1 試驗設計

結合自身工作，試驗采用持續對大興區園林進行跟蹤統計，并將部分試驗條件、方法和過程委托由苗木栽培公司進行。考慮到溫度不同及降雨條件等因素，在開放空間進行水分關系研究會有較多變量加入，影響水分關系試驗結果準確性，因此要求試驗在密閉條件下進行[10]。以鋁合金為主要材料制作密閉式環境控制生長箱，在主體鋁合金骨架的頂部安裝PC材料的板材進行覆蓋，該頂部材料透光率高于85%，厚度為10 mm，側面采用玻璃材料的板材覆蓋，該玻璃材料透光率高于85%。試驗采用2個密閉生長箱分別進行二氧化碳濃度對照和處理試驗，溫度控制在25 ℃，位生長箱中對角線設置兩個風扇確保密閉試驗裝置中的氣流可以流通，安裝除濕器并將環境溫度設置為恒定的65%～70%之間。采用Li-7000紅外線分析儀對二氧化碳/水的濃度進行全天候實時監測，采樣間隔設置為25 s/次，同步向生長箱中吹入二氧化碳氣體，保持生長箱中二氧化碳濃度為700×10-6。

2.2 試驗方法

委托苗木公司，于2018年4月5日，將5年生楊柳和國槐、3年生元白蠟和油松苗植于35 cm×27 cm尺寸的盆內，同步定植4種樹苗3個月后轉植于試驗用生長箱中，每種樹木分別選取12盆苗作為試驗對象。

2019年8月15日，對楊柳、國槐、白蠟和油松4種樹苗澆水，待水澆透后將土壤的體積含水量控制在17%～21%的區間內。采用保鮮膜對盆中的土壤進行包覆密封，在保鮮膜密封的基礎上再采用塑料袋完全套住塑料盆，最大限度減少水分蒸發流失。干旱脅迫試驗中，在3:00時剪下樹苗上的小樹枝，放入濕毛巾中立即帶回實驗室，采用壓力室表征方法進行水勢檢測，通過壓力室發得出的檢測結果確定干旱脅迫程度，將干旱程度分為正常、輕度、中度和重度4個層次的干旱脅迫特性。

表1 4個樹種的幼苗在不同干旱脅迫下的水勢變化 MPa

試驗條件達到各種干旱脅迫特性所要求的參數范圍內時，在10:00對不同試驗對象的光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間二氧化碳濃度等指標進行檢測，為防止檢測結果不準，每個試驗樣品選取3個葉片進行檢測[11]。

上述指標檢測結束后，對不同試驗樣品進行碳同位素比率測定。測定碳同位素比率時要將采集的葉片樣品進行110 ℃溫度殺青，殺青后將樣品放入60 ℃的恒溫烘干箱中不間斷烘干48 h，將烘干后的3個樣品進行粉碎混合并過90目篩制成碳同位素比率測定樣品，后委托有關單位利用質譜儀測定碳同位素。

3 結果與分析

3.1 光合特性變化

3.1.1 光合作用速率

在水分條件相同的情況下，二氧化碳濃度上升均使得4種樹苗的光合作用速率提高。但橫向對比4種樹苗，二氧化碳濃度變化對光合作用速率的影響差異很小，但在交互作用下，這種差異體現的卻非常明顯[12]。其中，當水分條件正常、二氧化碳濃度為700×10-6時，楊柳、國槐、白蠟和油松葉片光合作用速率相比于二氧化碳濃度420×10-6條件下分別增加4.56%、6.78%、12.02%和15.63%；當水分條件為輕度干旱時，4種樹苗葉片光合作用速率分別增加12.25%、35.63%、5.98%和18.85%；當水分條件為中度干旱時，4種樹苗葉片光合作用速率分別增加32.56%、30.03%、15.68%和24.72%；當水分條件為重度干旱時，4種樹苗葉片光合作用速率分別增加48.35%、68.38%、13.58%和14.49%；具體統計如表2所示。

表2 不同干旱程度下樹苗光合作用速率變化 %

從上述試驗結果中可以看出，在正常水分條件下，隨二氧化碳濃度升高，楊柳和國槐2個樹種光合作用速率增加的幅度小于白蠟和油松，而在不同干旱條件下楊柳和國槐2個樹種光合作用速率增加的幅度均大于白蠟和油松。

3.1.2蒸騰速率

當二氧化碳濃度升高時，正常水分和重度干旱條件下4個樹種都呈現出蒸騰速率降低的特點，其余干旱脅迫條件下蒸騰速率降低。對二氧化碳濃度、干旱脅迫以及蒸騰速率進行方差分析，結果表明二氧化碳濃度和干旱脅迫的疊加作用對蒸騰速率的影響非常明顯。二氧化碳濃度為700×10-6時，楊柳在輕度干旱和中度干旱條件下蒸騰速率相比于正常水分條件下分別降低19.45%和65.36%，這一組數據比420×10-6二氧化碳濃度條件下獲得的蒸騰速率下降還要少，在相同的試驗條件下，國槐、白蠟和油松蒸騰速率的變化趨勢也相同。

3.1.3 氣孔導度

當二氧化碳濃度升高時，正常水分和重度干旱2種干旱脅迫條件下4個樹種的氣孔導度均減小，另外2種干旱脅迫條件下氣孔導度均增大。根據方差分析結果可以看出二氧化碳濃度和干旱脅迫產生的耦合作用對氣孔導度變化產生的影響較大。

3.1.4 胞間二氧化碳濃度

當二氧化碳濃度升高時，楊柳、國槐、白蠟、油松等4個樹種在同一水分條件下胞間二氧化碳濃度均出現增加的趨勢，由正常水分條件到中度干旱條件逐漸轉變時，胞間二氧化碳濃度的增幅也逐漸加大。方差分析同樣表明二氧化碳濃度和干旱脅迫產生的耦合作用對氣孔導度變化產生的影響較大。

3.2 葉片的水分利用效率變化

當二氧化碳濃度升高時，在相同水分條件下楊柳、白臘、油松3個樹種瞬時水分利用效率均增加，而國槐的瞬時水分利用效率無論在任何干旱條件下均隨二氧化碳濃度升高而降低。

4個樹種的碳穩定性同位素比率在干旱脅迫的全部4個時期均降低, 從方差分析結果也可以看出二氧化碳濃度與干旱脅迫因素相疊加對碳穩定性同位素比率影響明顯。

4 討論

在正常水分和重度干旱脅迫2種條件的疊加之下，4個樹種的光合作用速率、胞間二氧化碳濃度、瞬時水分利用效率均增加，而蒸騰速率和氣孔導度均減少。有研究結果表明樹種處于正常水分環境中二氧化碳濃度增加會導致胞間二氧化碳濃度同步增加，這是由于樹木葉片在二氧化碳濃度比較高的條件下無需高氣孔導度才能得到足量的二氧化碳，也就是較高的胞間二氧化碳濃度，而氣孔導度增加就會造成樹木葉片水分喪失，即樹木葉片處于較高的二氧化碳濃度環境中植物降低氣孔導度，水分喪失的速度就會降低，蒸騰速率也會隨之降低，瞬時水分利用效率就會因此而升高。樹木葉片氣孔開關動作是根據胞間二氧化碳濃度來決斷的，而不是根據大氣二氧化碳濃度變化而做出響應，樹木葉片中葉肉細胞對二氧化碳的需求降低時，胞間二氧化碳濃度就會隨之提高，有研究學者認為樹木葉片控制胞間二氧化碳濃度的方式是通過改變氣孔數量實現的，但具體是樹木葉片中氣孔關閉程度大小引起胞間二氧化碳濃度變化還是氣孔數量多少導致胞間二氧化碳濃度不同仍然需要大量的試驗與分析進行驗證。

當二氧化碳濃度升高時，在相同水分條件下楊柳、白臘、油松3個樹種瞬時水分利用效率均增加，而國槐的瞬時水分利用效率無論在任何干旱條件下均隨二氧化碳濃度升高而降低。二氧化碳濃度420×10-6時，因干旱脅迫原因導致水分缺失間接造成樹木葉片中的氣孔關閉，氣孔導度因此下降，進而使胞間二氧化碳濃度隨之下降，二氧化碳濃度不足引起光合作用速率下降，而光合作用速率降低的幅度相比于蒸騰速率要小的多，瞬時水分利用效率能夠保持或者提升。當二氧化碳濃度為700×10-6時，4個樹種在二氧化碳濃度提高的前提下為了保持胞間二氧化碳濃度和大氣二氧化碳濃度的比值恒定，因而提高氣孔的打開率，此時氣孔導度提高，胞間二氧化碳濃度提高，光合作用效率和蒸騰速率同步提高。而在700×10-6條件下國槐的瞬時水分利用效率與其他樹種出現不同的試驗現象，可能是由于國槐在二氧化碳濃度提升的條件下葉面積增大的幅度高于其他3個樹種，也可能由于國槐葉片結構與其他3個樹種存在差異，氣孔密度相對較高，正常水分條件下國槐上表面的氣孔處于常開狀態，下表面氣孔為了降低水分喪失而進行開閉轉換，在輕度干旱脅迫環境條件下國槐上表面的氣孔開放度更高。光合作用速率和蒸騰速率增加，且光合作用速率的增幅相比于蒸騰速率要小，而420×10-6二氧化碳濃度條件下國槐光合作用速率下降幅度明顯高于蒸騰速率的下降幅度，從而引起瞬時水分利用效率降低。利用方差分析的方法和多重比較的方法進行干旱脅迫影響研究可知，干旱脅迫對各項指標影響都較為明顯，二氧化碳濃度對光合作用速率和蒸騰速率影響都較小，但二氧化碳濃度和干旱脅迫兩種因素加的耦合作用對各項指標都有極其顯著的影響。輕、中度干旱脅迫條件和正常水分條件下不同二氧化碳濃度的試驗結果表明，二氧化碳濃度較低時干旱程度越高，各種指標下降的幅度越大，這是由于2種因素疊加導致原本各自獨立對氣孔變化的影響受到削弱，氣孔的變化會趨于平緩，干旱脅迫條件為中度干旱時，氣孔變化仍然處于輕度干旱時氣孔變化的趨勢，這表明高二氧化碳濃度能夠使水分脅迫現象出現的更加緩慢，這個觀點可以通過對比水勢值來進行驗證，因此二氧化碳濃度提高能夠削弱樹木的干旱脅迫。

當環境條件為重度干旱時，無論二氧化碳濃度高低4個樹種的氣孔導度和蒸騰速率變化趨勢均相同，這表明二氧化碳濃度較小可以導致光合速率和胞間二氧化碳濃度降低：一方面，是由于二氧化碳濃度減小對葉片氣孔產生影響；另一方面，樹木葉肉細胞因環境二氧化碳濃度變化導致二氧化碳需求量降低，這個現象和胞間二氧化碳濃度增加由非氣孔因素造成的影響與胞間二氧化碳濃度大幅度回升且大于正常水分值的變化現象相符。此時光合作用速率增加伴隨蒸騰速率降低，瞬時水分利用效率就會得到大幅提升，這可能是由于在干旱脅迫條件更加惡劣時，各樹種的水分利用效率不增反降，也從另外一個方面驗證了二氧化碳濃度上升能夠改善樹木的水分脅迫[13～15]。

碳穩定同位素比率值和樹木瞬時水分利用率呈正相關的關系，可以體現出樹木葉片對水分的利用狀況。二氧化碳濃度提高時，4種樹木在不同干旱脅迫條件下，不同時期的碳穩定同位素比率值下降。單個變量的情況下，同樣有研究學者在試驗中得到的試驗結果一致。由輕度干旱條件逐漸轉變為重度干旱條件時，不同二氧化碳濃度下4個樹種的碳同位素比率均有提高。二氧化碳濃度提高后，樹木葉面積的增加比例也同步擴大，導致光合作用速率和蒸騰速率增加且蒸騰速率增幅大于光合作用速率增幅，這表明二氧化碳濃度濃度與葉面積增加并沒有正相關的關系。干旱脅迫和二氧化碳濃度對氣孔導度都有一定影響，二氧化碳濃度增加導致胞間二氧化碳濃度增加，干旱脅迫導致保健二氧化碳濃度減少。鑒于干旱脅迫使胞間二氧化碳濃度降低，二氧化碳通過葉片氣孔到達葉肉細胞這種行為受到較大阻礙，進入葉肉細胞的二氧化碳無法滿足分餾重碳同位素過程，這就會使碳穩定同位素比率提升。與此同時，二氧化碳濃度增加使得胞間二氧化碳濃度增加，碳穩定同位素比率隨之降低。因此，對碳穩定同位素比率進行研究可以間接摸索光合作用與氣孔限制程度之間的一般規律，干旱脅迫程度逐漸增加時碳穩定同位素比率持續下降，也能夠表明非氣孔限制因素的參與。

5 結語

二氧化碳濃度和干旱脅迫是影響樹木生長的2個重要因素，在這2個因素的疊加耦合作用下不同樹種的光合作用速率、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率、氣孔導度等重要指標不再隨干旱脅迫或二氧化碳濃度變化而呈現出簡單的正負相關變化，而是這2種因素共同作用、相互疊加而產生的結果。在不同程度的干旱脅迫條件下，隨二氧化碳濃度提高，氣孔導度、胞間二氧化碳濃度、光合作用速率、蒸騰速率4種指標也同步提高，光合作用速率增幅高于蒸騰速率增幅使瞬時水分利用效率增加。二氧化碳濃度和干旱脅迫的疊加耦合作用使單因素對氣孔變化的敏感性降低，氣孔變化因此而出現反應緩慢的現象，在重度干旱脅迫條件下胞間二氧化碳變化劇烈正是由于這種行為不是氣孔因素主導。故本研究的試驗過程、現象和分析能夠為研究二氧化碳濃度持續增加、干旱化程度不斷加劇等全球環境變化對樹木生長的影響提供借鑒。因本研究中的系列試驗并未對各樹種的氣孔數量進行測定，僅僅通過胞間二氧化碳濃度的變化來確定主要影響因素不是氣孔這個指標，后續的研究可以利用顯微鏡觀察樹木葉片表面結構，確定氣孔數量并做進一步的研究。