段愛國，張建國，何彩云

(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091)

干熱河谷是對中國云南、貴州和四川等西南地區(qū)氣候干燥炎熱河谷的統(tǒng)稱［1－3］。極端高溫與低濕是干熱河谷的典型氣候特征，也是影響該區(qū)域植被恢復(fù)樹種生長的2個主導(dǎo)環(huán)境因子［4－6］。探討高溫或低濕對植被恢復(fù)樹種光合作用的影響，有助于揭示不同樹種對高溫或低濕的生理生態(tài)響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)而評價和篩選適宜區(qū)域發(fā)展的抗逆性樹種。

在自然條件下，植物光合作用常在溫度、濕度和光照等因子協(xié)同作用下發(fā)生變化［7－8］，難以確定其中發(fā)揮主導(dǎo)作用的因素［9－12］，也不能將光合作用的變化歸因于某一環(huán)境因子的作用，更難把握單一環(huán)境因子對光合作用的影響機(jī)制。光合作用對脅迫環(huán)境特別敏感，高溫或低濕均能對光合作用產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響［13－14］。以往對干熱河谷野生樹種光合作用的研究通常針對高溫和低濕的綜合效應(yīng)，缺乏光合作用對高溫或低濕單一因子響應(yīng)的相關(guān)研究。

鑒于此，作者以云南省境內(nèi)干熱河谷區(qū)的7個主要植被恢復(fù)樹種為實(shí)驗(yàn)對象，通過人工氣候室控制溫度與濕度，測定各樹種幼苗的光合參數(shù)，探討供試樹種光合作用對溫度和濕度單一因子的響應(yīng)規(guī)律，評價供試樹種對高溫的忍耐性差異及典型樹種對低濕的生理生態(tài)響應(yīng)規(guī)律，以期為區(qū)域植被恢復(fù)樹種的選育及恢復(fù)措施的選擇提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試樹種為云南省境內(nèi)干熱河谷主要植被恢復(fù)樹種印楝(Azadirachta indica A.Juss.)、木豆〔Cajanus cajan(Linn.)Huth〕、赤 桉 (Eucalyptus camaldulensis Dehn.)、藍(lán)桉(Eucalyptus globulus Labillardière)、檸檬桉 (Eucalyptus citriodora Hook.)、大 葉 相 思 (Acacia auriculiformis A.Cunn.)和 麻 風(fēng) 樹 (Jatropha curcas Linn.)，均為 1 年生幼苗。

1.2 方法

1.2.1 幼苗栽植及干旱處理方法 2006年秋季在云南元謀縣采集供試樹種的種子，2007年3月播種于中國林業(yè)科學(xué)研究院溫室，培育1年后供試。在每一樹種中選擇生長較為一致的幼苗6株，栽植于長、寬、高均為20 cm的底部帶孔塑料盆中，每盆1株，栽培基質(zhì)為 W(河沙)∶W(腐殖質(zhì)土)∶W(草炭土)=5∶3∶2。將同一樹種的6盆幼苗分別標(biāo)記，采取隔天澆水并逐步減少澆水盆數(shù)的方法，使10 d后同一樹種的6盆幼苗的干旱天數(shù)分別為0、2、4、6、8和10 d。在干旱梯度形成后，于7月中旬將供試幼苗移至長3.5 m、寬2.2 m、高3.2 m 的 AGC－2 型人工氣候室(浙江大學(xué)電器設(shè)備廠)內(nèi)進(jìn)行高溫處理。

1.2.2 高溫處理及光合參數(shù)測定方法 參照干熱河谷干季典型環(huán)境條件［15］，設(shè)置人工氣候室的空氣相對濕度為 20% 、光照強(qiáng)度為 600 mmol·m－2·s－1、CO2濃 度 為400 mmol·m－2·s－1、溫度分別為 30 ℃ 和40℃。將供試幼苗移入人工氣候室后，讓幼苗在設(shè)定條件下放置1個白天，使幼苗完全適應(yīng)人工氣候室的環(huán)境條件;晚上關(guān)閉光源，于第2天凌晨摘取每盆幼苗的中上層鮮葉2～3片，參照文獻(xiàn)［16］采用烘干法測定葉片含水量;重新打開光源并光照30 min后，選取每株幼苗中部葉片3片，用Licor－6400型便攜式光合測定系統(tǒng)(美國LI－COR公司)記錄葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr);同步采用OSI－FL便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(美國Opti-Sciences公司)記錄葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm(PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率)［16］，測定前對每一葉片均暗適應(yīng)約 8 min［17］。

1.2.3 低濕處理及光合參數(shù)測定方法 選擇麻風(fēng)樹幼苗為實(shí)驗(yàn)對象，參照上述方法在溫室內(nèi)進(jìn)行干旱處理后，將幼苗移入人工氣候室;設(shè)定人工氣候室溫度為 25 ℃、光照強(qiáng)度為 600 mmol·m－2·s－1、CO2濃度為 400 mmol·m－2·s－1，空氣相對濕度分別設(shè)定為20%和50%;按照上述方法進(jìn)行處理并測定葉片相對含水量，用Licor－6400型便攜式光合測定系統(tǒng)分別測定每株幼苗的 Pn、Gs、Ci和 Tr。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2003統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行線性擬合與數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 高溫處理對供試7個樹種幼苗葉片光合參數(shù)的影響

2.1.1 不同溫度條件下葉片凈光合速率(Pn)與葉片含水量的關(guān)系 在干季或干熱季，干熱河谷植被恢復(fù)樹種除常遭受空氣低濕脅迫外，土壤干旱脅迫也是主要的影響因素。在人工氣候室空氣濕度恒定以及高溫(30℃和40℃)條件下，供試7個樹種幼苗葉片凈光合速率(Pn)與葉片含水量的關(guān)系見圖1。

由圖1可知，在30℃和40℃條件下，供試7個樹種幼苗葉片的Pn值均隨葉片含水量的增加呈逐漸升高的趨勢，表明葉片含水量高有利于各樹種幼苗葉片Pn的提高。當(dāng)空氣溫度為30℃時，葉片含水量達(dá)到一定的范圍，供試7個樹種幼苗的Pn均較高，表明30℃的氣溫對干熱河谷區(qū)植被恢復(fù)樹種干季的光合作用較為適宜;而當(dāng)空氣溫度上升至40℃高溫時，供試樹種幼苗的Pn大幅度下降，表明40℃的高溫嚴(yán)重制約了這些樹種的光合作用。

2.1.2 非干旱條件下高溫對葉片光合參數(shù)的影響

為排除盆栽土壤水分脅迫因素，對非干旱條件下(充分澆水，干旱脅迫時間0 d)經(jīng)高溫(30℃和40℃)處理后供試7個樹種幼苗葉片的各項(xiàng)光合參數(shù)進(jìn)行測定，結(jié)果見表1。

由表1可知:在非干旱條件下，不同樹種幼苗的Pn受高溫的影響程度不同。其中印楝和赤桉的Pn降幅最小，在40℃條件下Pn分別較30℃條件下降低了22.15%和22.56%，表明這2個樹種的光合機(jī)構(gòu)對高溫具有較強(qiáng)的抵抗能力，對干熱河谷區(qū)的高溫干旱環(huán)境具有很強(qiáng)的潛在適應(yīng)能力;與30℃條件下相比，在40℃條件下藍(lán)桉及麻風(fēng)樹的Pn降幅最大，分別下降了72.06%和66.09%，表明這2個樹種的光合機(jī)構(gòu)受高溫的抑制作用最大，對高溫干旱環(huán)境的適應(yīng)能力有限;檸檬桉、大葉相思及木豆3個樹種幼苗的Pn降幅居中，表明這3個樹種具有一定的抵抗高溫的能力。

由表1還可見:在非干旱(充分澆水)條件下，當(dāng)人工氣候室內(nèi)的溫度由30℃升至40℃時，供試各樹種幼苗葉片的胞間CO2濃度(Ci)均明顯上升。根據(jù)Farquhar和Sharkey有關(guān)光合氣孔限制的觀點(diǎn)［7］，當(dāng)Pn下降、Ci上升時，不論氣孔導(dǎo)度上升或下降，光合限制因子均以非氣孔限制因子為主。據(jù)此可推斷高溫是供試樹種發(fā)生以非氣孔限制因子為主導(dǎo)因素的光合限制作用的誘因。在非干旱(充分澆水)條件下，大葉相思、藍(lán)桉和木豆幼苗的氣孔導(dǎo)度(Gs)隨溫度的上升而增大，表明40℃高溫導(dǎo)致這3個樹種葉片葉肉細(xì)胞光合活性的下降。此外，在供試的7個樹種中，除印楝外，高溫明顯加劇了其他6個樹種葉片的蒸騰速率(Tr)，并導(dǎo)致各樹種幼苗葉片水分利用效率的降低。

2.2 低濕處理對麻風(fēng)樹幼苗葉片光合參數(shù)的影響

在金沙江干熱河谷區(qū)，空氣相對濕度低、高溫、土壤含水量低以及土壤貧瘠共同成為植被恢復(fù)工作所面臨的環(huán)境限制因子。在空氣相對濕度20%和50%的條件下，麻風(fēng)樹幼苗葉片光合參數(shù)與其葉片含水量的關(guān)系見圖2。

由圖2可見:當(dāng)人工氣候室內(nèi)的空氣相對濕度由20%提高至50%時，麻風(fēng)樹幼苗葉片的Pn、Gs、Ci及Tr均明顯提高，但在空氣相對濕度20%和50%的條件下，麻風(fēng)樹幼苗葉片的Pn、Gs及Tr均隨葉片含水量的下降而降低，表明在其他環(huán)境條件一致的情況下，葉片含水量的下降成為麻風(fēng)樹幼苗葉片光合作用減弱的主要限制因素。此外，由圖2還可見:隨麻風(fēng)樹幼苗葉片含水量的降低，因空氣相對濕度不同而導(dǎo)致的葉片Pn的差異逐漸減小。

2.3 高溫對供試7個樹種幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm的影響

葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm指示出PSⅡ反應(yīng)中心處于關(guān)閉時的原初光能轉(zhuǎn)換效率，是葉綠素光化學(xué)反應(yīng)狀況的重要描述性指標(biāo)，該指標(biāo)具有一定的穩(wěn)定性，僅在脅迫狀態(tài)下降低［18］。在人工氣候室空氣相對濕度恒定以及高溫(30℃和40℃)條件下，供試7個樹種幼苗葉片F(xiàn)v/Fm值與葉片含水量的關(guān)系見圖3。

圖1 在30℃和40℃條件下供試7個樹種幼苗葉片的凈光合速率(Pn)與含水量的關(guān)系Fig.1 Relationship between net photosynthesis rate(Pn)and water content of leaf of seedlings of seven tree species tested under 30℃and 40℃conditions

表1 在非干旱條件下不同溫度處理(30℃和40℃)對供試7個樹種葉片光合參數(shù)的影響Table 1 Effect of different temperature treatments(30℃ and 40℃)on photosynthetic parameters of seedling’s leaf of seven tree species tested under non-drought condition

圖2 在相對濕度20%和50%的條件下麻風(fēng)樹幼苗葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)與葉片含水量的關(guān)系Fig.2 Relationship between net photosynthesis rate(Pn)，stomatal conductance(Gs)，intercellular CO2concentration(Ci)，transpiration rate(Tr)and water content of leaf of Jatropha curcas Linn.seedling under relative air humidity 20%and 50%conditions

圖3 在30℃和40℃條件下供試7個樹種幼苗葉片的PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)與含水量的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximal photochemical efficiency of PSⅡ(Fv/Fm)and water content of leaf of seedlings of seven tree species tested under 30℃and 40℃conditions

由圖3可見:在溫度30℃和40℃的條件下，隨葉片含水量的增加，供試7個樹種葉片的Fv/Fm值迅速增大，表明葉片含水量高有利于其原初光能轉(zhuǎn)換效率的提高;當(dāng)溫度由30℃升至40℃時，供試7個樹種葉片的Fv/Fm值均明顯下降，表明40℃高溫對各樹種的葉綠素光化學(xué)效率有明顯的抑制作用。相比較而言在供試的7個樹種中，在葉片含水量較高的狀況下印楝和赤桉的Fv/Fm值受高溫的影響較小，而藍(lán)桉、木豆及大葉相思的Fv/Fm值受高溫的影響程度相對較大。這與高溫對供試樹種Pn的影響差異基本一致。

3 討論和結(jié)論

目前，高溫對農(nóng)作物或經(jīng)濟(jì)作物光合作用的影響研究較多，而樹木光合作用對高溫脅迫響應(yīng)的相關(guān)研究尚不多見。以往的研究結(jié)果表明:高溫往往導(dǎo)致植物凈光合速率的下降［13］;與28℃條件下相比，在40℃高溫條件下2個甘藍(lán)(Brassica oleracea Linn.)品種的凈光合速率分別下降7%和24%［19］;經(jīng)40℃高溫脅迫處理12 h后，辣椒(Capsicum annuum Linn.)不同品種幼苗的凈光合速率均受到明顯抑制［20］。本研究結(jié)果表明:在光照與濕度條件恒定的條件下，經(jīng)30℃和40℃高溫處理后供試的7個干熱河谷植被恢復(fù)樹種葉片的凈光合速率均隨葉片含水量的提高呈逐漸增加的趨勢，表明葉片含水量高有利于各樹種幼苗葉片凈光合速率的提高。與30℃氣溫相比，干熱河谷干季常出現(xiàn)的40℃高溫嚴(yán)重制約了植株的凈光合速率，并加劇了絕大部分樹種幼苗的蒸騰作用、導(dǎo)致其水分利用效率降低。

高溫脅迫導(dǎo)致植物凈光合速率降低可能具有氣孔限制和非氣孔限制2條途徑，但二者沒有嚴(yán)格的區(qū)分。Berry等［21］認(rèn)為:高溫下氣孔導(dǎo)度降低并不是凈光合速率降低的主要原因。因?yàn)樵诤愣ɑ蜉^低蒸汽壓差下，葉片氣孔導(dǎo)度會出現(xiàn)隨溫度提高而增大的現(xiàn)象，且在光合器官受到破壞時氣孔依然開放，這樣胞間CO2濃度就不會降低，而氣孔限制也不會發(fā)生。對于供試的7個干熱河谷主要植被恢復(fù)樹種而言，在土壤水分環(huán)境良好的條件下高溫顯然導(dǎo)致了以非氣孔限制為主導(dǎo)因素的光合限制的發(fā)生，這是因?yàn)楣┰嚇浞N葉片的胞間CO2濃度均隨溫度的升高表現(xiàn)為增加趨勢;經(jīng)40℃高溫處理后供試樹種幼苗的Fv/Fm也被不同程度抑制，這一現(xiàn)象表明高溫導(dǎo)致了葉片葉肉細(xì)胞光合活性的下降，佐證了“光合作用非氣孔限制占據(jù)主導(dǎo)”的結(jié)論。這與霍俊偉等［22］對高溫脅迫下黑穗醋栗(Ribes nigrum Linn.)幼苗的相關(guān)研究結(jié)果一致。而在供試的7個樹種中，有3個樹種葉片的氣孔導(dǎo)度隨溫度的升高而增大，另有3個樹種的氣孔導(dǎo)度則隨溫度的升高而減小，這一現(xiàn)象可能與樹種自身的生物學(xué)特性及抗熱機(jī)制差異有關(guān)。

干熱河谷季節(jié)性的氣候干旱和土壤水分匱乏是該區(qū)域植被恢復(fù)的主要限制因子。供試的7個樹種幼苗葉片的凈光合速率均隨葉片含水量的降低明顯下降，表明葉片含水量高有利于其凈光合速率的提高。張宇等［14］認(rèn)為:大氣濕度越大越有利于植物光合作用和物質(zhì)積累。本研究結(jié)果表明:與空氣相對濕度50%的高濕條件相比，空氣相對濕度20%的低濕環(huán)境明顯降低了麻風(fēng)樹幼苗的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度，且這些光合參數(shù)均隨其葉片含水量的下降而降低。從樹種差異來看，在非干旱(充分澆水)條件下，各樹種幼苗的凈光合速率受高溫的影響程度不同，印楝與赤桉的凈光合速率降幅較小、藍(lán)桉及麻風(fēng)樹的凈光合速率降幅較大，因而，與藍(lán)桉和麻風(fēng)樹相比，印楝和赤桉適應(yīng)或忍耐干熱河谷高溫干旱生境的能力可能更強(qiáng)。這一結(jié)論可以從這些樹種在干熱河谷的實(shí)際生長狀況得到佐證，藍(lán)桉僅能在干熱河谷區(qū)溫度相對較低的高海拔區(qū)域生長良好，而麻風(fēng)樹則以落葉的方式避開了干熱季節(jié)的大部分時期。

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