賀同鑫,趙國華,劉蘭蘭,孫建飛,張忠華,張建兵,楊慶朋,3,*

1 中國科學(xué)院森林生態(tài)與管理重點實驗室,中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,沈陽 1100162 廣西師范學(xué)院北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室,廣西地表過程與智能模擬重點實驗室,南寧 5300013 中國科學(xué)院會同森林生態(tài)實驗站,亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與服務(wù)功能湖南省重點實驗室,會同 4183074 國家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,杭州 310019

森林生態(tài)系統(tǒng)的自養(yǎng)呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分[1],每年釋放到大氣中的CO2量是化石燃料釋放量的6—7倍,占整個大氣CO2總量的1/15[2]。樹干表面CO2通量占自養(yǎng)呼吸的12%—42%[3-4],其變化將對大氣CO2濃度以及全球碳平衡產(chǎn)生重要影響。近年來,由于全球變化如CO2濃度增加、溫度升高以及旱澇災(zāi)害頻發(fā)等,導(dǎo)致植物光合產(chǎn)物供應(yīng)發(fā)生改變,其對樹干表面CO2通量的影響及機理越來越受到研究學(xué)者的關(guān)注[5- 8]。樹干表面CO2通量是一個生物學(xué)過程,受環(huán)境(溫度、濕度、大氣CO2濃度、光合有效輻射、土壤養(yǎng)分和水分等)和生物(樹種、樹齡、徑階、林木含氮量等)因素的共同調(diào)控。外源環(huán)境的變化可以通過影響植物的生長狀態(tài),間接的改變植物光合產(chǎn)物供應(yīng),進一步影響樹干表面CO2通量[9]；而且這種影響因樹種、樹齡等生物因素的不同而存在差異[8]?，F(xiàn)有研究表明增加光合產(chǎn)物供應(yīng)能夠增加樹干表面CO2通量33%—130%[10-11],而減少光合產(chǎn)物供應(yīng)則導(dǎo)致其降低14%—65%[6,11-12]。環(huán)剝和修枝是常用的減少植物光合產(chǎn)物供應(yīng)的手段[6- 7,13- 14],但這些方法通常會對植物造成較大的傷害,破壞其生理過程進而產(chǎn)生較大的誤差。光能是植物進行光合作用合成碳水化合物的必需條件,因此遮光能夠通過改變植物的光合特性以及相關(guān)的生理過程(光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率等),從而影響光合產(chǎn)物在植物體內(nèi)的形成、運輸和分配[15-16],進而改變植物光合產(chǎn)物的供應(yīng)狀況[17-18]。如Bahn等[18]的研究表明遮光降低植物莖葉中蔗糖和淀粉含量導(dǎo)致葉片呼吸速率下降。

溫度是影響樹干表面CO2通量最為重要的環(huán)境因素,一般來說,樹干表面CO2通量會隨著溫度的上升而增強[8]。然而,光合產(chǎn)物供應(yīng)變化可能會改變樹干表面CO2通量對溫度變化的響應(yīng)程度[19-22],Q10通常用來指示樹干表面CO2通量對溫度變化的敏感程度。如Maier等[6]在火炬松(Pinustaeda)林進行的樹木環(huán)剝研究表明,環(huán)剝位置上方的樹干表面CO2通量Q10值增加,下方的Q10值下降；而Yang等[23]在杉木林(Cunninghamialanceolata)中的研究表明光合產(chǎn)物供應(yīng)變化對Q10值沒有產(chǎn)生顯著的影響。Edwards等[10]在楓香林中(Liquidambarstyraciflua)的研究表明增加光合產(chǎn)物供應(yīng)導(dǎo)致生長季Q10值降低,而非生長季Q10升高。可見,光合產(chǎn)物供應(yīng)變化對樹干表面CO2通量及其溫度敏感性的影響可能因樹種和植物生長期等不同而有所不同。然而,目前受研究方法所限,關(guān)于光合產(chǎn)物供應(yīng)變化怎樣影響樹干表面CO2通量及其溫度敏感性的研究較少,限制了對樹干表面CO2通量變化機理的深入探討。

杉木作為亞熱帶地區(qū)主要的造林樹種,2014年其造林面積已達到8.95萬hm2[24],作為潛在的巨大碳匯在緩解大氣CO2濃度升高和全球變暖方面發(fā)揮著重要作用[25]。因此,本研究以杉木為研究對象,采用盆栽和遮光的方法探討光合產(chǎn)物供應(yīng)對杉木樹干表面CO2通量的影響及其機理。研究目標(biāo)：1)探討光合產(chǎn)物供應(yīng)變化對樹干表面CO2通量的影響；2)光合產(chǎn)物供應(yīng)變化對樹干表面CO2通量溫度敏感性的影響。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤采自中國科學(xué)院會同國家森林生態(tài)實驗站(110.13°E、27.15°N)26年生杉木人工林。其密度為1200株/hm2,平均樹高和胸徑分別為16.3 m和18.5 cm。于杉木人工林中隨機選取6塊10 m×10 m的樣地小區(qū),每個小區(qū)采用5點采樣法采集0—20 cm土壤。將采集的所有土壤完全混勻,過2 mm篩,去除石礫和植物根系等雜物,風(fēng)干備用。土壤類型為山地紅黃壤,其砂粒、粉粒和黏粒含量分別為(8.7%±1.9%),(42.8%±1.3%),(48.5%±1.9%),土壤pH為(4.7±0.1),土壤全碳含量為(17.1±0.3) g/kg。供試植物為長勢良好且生長情況基本一致的2年生杉木幼苗。

1.2 研究設(shè)計

杉木的生長季為4—10月,因此本研究于2015年4月選取35株杉木幼苗分別移栽至直徑55 cm,深度35 cm的花盆(1棵/盆),每盆裝入50 kg上述土壤,并加入等量的水,保持含水量為最大田間持水量的60%,保證幼苗的成活,隨后進行3個月的緩苗期。緩苗1個月后,即5月份測定1次幼苗地徑、樹高和枝長。選取長勢基本一致,地徑、樹高和枝長均無顯著差異的20盆幼苗隨機分成A(對照)、B(遮光處理)兩組,每組各10盆。6月份再測定1次幼苗地徑、樹高和枝長,具體數(shù)據(jù)如表1所示。B組用遮光率60%的遮光網(wǎng)在樹木上方1 m處進行遮光,改變植物的光照條件。試驗期間盆栽幼苗置于室外擋雨棚中,除遮光處理外其他條件均相同。7月28日到8月28日期間進行遮光處理,8月29日以后恢復(fù)光照。遮光處理前測定1次樹干表面CO2通量,遮光處理1周后開始測定,每10天測量1次,連續(xù)測量1個月。1個月后進行破壞性取樣：即在A、B兩組中各隨機選取5盆杉木苗,分別測定樹干可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳含量。對B組剩余的5盆杉木幼苗進行恢復(fù)光照處理,A組繼續(xù)作為對照組。每10天測量1次樹干呼吸,共測量2次。9月18日實驗結(jié)束后,破壞性取樣測量兩組樹干可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳含量。

表1 杉木幼苗地徑、樹高及枝長

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準誤(n=10);A：對照,Control；B：遮光,Shade

1.3 樹干表面CO2通量和溫度的測定

樹干表面CO2通量利用改造的Li- 8100土壤碳通量測量系統(tǒng)進行測量。將Li- 8100主機上的進氣管和出氣管及土壤同化室拆除,截兩段與Li- 8100出氣管和進氣管相同的塑料管插到主機上,形成新的出氣管與進氣管。截取一段長10 cm,直徑4.5 cm的PVC環(huán),劈開形成兩個半圓形的環(huán),用于制作氣室。在每個半圓形環(huán)的中間部位鉆一個小孔,把新的出氣管和進氣管分別從PVC環(huán)的外部插入小孔里,用硅橡膠把小孔與管之間的縫隙密封。其中,把插入小孔內(nèi)的進氣管部分擰成螺旋狀,并用針在上邊均勻的鉆幾個小孔,并將PVC環(huán)內(nèi)的進氣管纏繞在杉木苗的樹干以確保自制氣室內(nèi)空氣混合均勻。最后,將橡膠皮剪成兩個直徑大于PVC環(huán)的圓片,在圓片的中間鉆兩個與樹干直徑差不多的圓孔,將圓孔到圓片的外邊緣之間剪開。測量時,將其中一個橡膠圓片放在盆栽的土壤上,圓片的圓孔與樹干之間用中性硅膠密封,然后將PVC環(huán)放到橡膠圓片上,之后再把另一個橡膠圓片放到PVC環(huán)上,將圓片與PVC環(huán),兩個PVC半環(huán)之間以及橡膠圓片與樹干之間全部密封。檢查氣密性符合要求后開始測定樹干表面CO2通量。測量結(jié)束后,將裝置取下,每次測定時需要重新安裝。由于研究對象為杉木幼苗,鉆孔測定樹干溫度對樹苗的破壞性太大,因此我們使用Li- 8100自帶的溫度探頭測定樹干表皮溫度以代替樹干溫度。

1.4 非結(jié)構(gòu)性碳的測定

本文中的非結(jié)構(gòu)性碳含量是可溶性糖(葡萄糖、果糖和蔗糖)和淀粉含量的總和。為盡可能的減少碳水化合物日變化的影響,通常在9:00—11:00之間采集樹干樣品,并立即放入冰盒帶回實驗室。樣品于105℃殺青15 min,然后70℃烘干至恒重。

可溶性糖和淀粉采用酶分析法測定[26-27]。具體操作步驟為：將樹干樣品粉碎磨細過0.5 mm篩,稱取約100 mg的烘干樣品置于離心管中,并在離心管中加入10 mL乙醇溶液(體積分數(shù)為80%),用漩渦振蕩器充分搖勻30 s之后放入80℃的水浴鍋中水浴10 min,然后3000 rpm離心10 min,收集上清液于比色管中,將離心管中剩余的沉淀物質(zhì)重復(fù)上述操作并再次收集上清液。將2次收集的上清液合并,用于測量可溶性糖含量,最終剩余的沉淀物質(zhì)用于測定淀粉含量?？扇苄蕴呛坎捎肒-SUFRG 試劑盒(Megazyme,Wicklow,Ireland)測定。各種試劑均按試劑盒配套的說明書進行添加,在340 nm下比色(對照為用蒸餾水代替樣品加入同樣試劑),根據(jù)說明書所設(shè)公式計算可溶性糖含量。淀粉濃度采用K-TSTA 試劑盒(Megazyme,Wicklow,Ireland)測定。其原理為淀粉在α-耐熱淀粉酶(α-amylase)的作用下水解為麥芽糖糊精,麥芽糖糊精在淀粉葡糖苷酶的進一步作用下水解為葡萄糖。葡萄糖濃度的測定方法為先加入葡萄糖氧化酶/過氧化物酶,然后在510 nm波長下測定吸光度(對照為在蒸餾水中加入葡萄糖氧化酶/過氧化物酶),根據(jù)說明書所設(shè)公式計算淀粉含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

PVC環(huán)覆蓋的樹干表面積計算公式如下：

S=π×D×H

(1)

式中,S為PVC環(huán)所覆蓋的樹干表面積(cm2),D為樹干直徑(cm),H為PVC環(huán)的高度(cm)。

樹干表面CO2通量的溫度敏感性(Q10)計算公式如下：

R=aebT

(2)

Q10=e10b

(3)

式中,R表示樹干表面CO2通量；T表示樹干溫度；利用SPSS軟件將R和T數(shù)據(jù)按照公式(2)進行擬合,b為式(2)擬合的溫度反應(yīng)系數(shù)。

本文中樹干表面CO2通量、樹干溫度和樹干非結(jié)構(gòu)性碳含量的比較均采用單因素方差分析,統(tǒng)計顯著性水平設(shè)定為P=0.05。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0完成,繪圖采用Origin 8.5。

2 結(jié)果

2.1 樹干非結(jié)構(gòu)性碳含量

圖1 樹干非結(jié)構(gòu)性碳含量變化(平均值±標(biāo)準誤差) Fig.1 The changes in stem non-structural carbon content (mean ± SE) 不同大寫字母、小寫字母分別表示淀粉和可溶性糖含量在不同處理間差異顯著,*代表非結(jié)構(gòu)性碳含量差異顯著,ns表示差異不顯著

遮光顯著降低了樹干可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳含量(P<0.01,圖1)。對照組可溶性糖、淀粉和總非結(jié)構(gòu)性碳含量分別為83.5±1.7、49.0±6.3、132.5±8.0 mg/g,遮光組分別為37.6±7.6、10.3±0.5、47.3±7.2 mg/g,分別減少了55.0%、78.9%、64.3%?；謴?fù)光照后,對照和遮光處理的樹干可溶性糖、淀粉和總非結(jié)構(gòu)性碳含量均無顯著差別(P>0.05)。

2.2 樹干溫度

遮光處理前兩組的樹干溫度沒有顯著差異。遮光后第一次測定(8月6日)樹干溫度顯著降低4.4℃；第二次測定(8月15日)樹干溫度略有降低,但不顯著；第三次測定(8月28日)樹干溫度顯著降低3.8℃?；謴?fù)光照后樹干溫度恢復(fù)至對照組水平(圖2)。

圖2 樹干溫度動態(tài)變化(平均值±標(biāo)準誤差)Fig.2 Dynamics of tree stem temperature (mean ± SE)

2.3 樹干表面CO2通量

遮光處理前對照和遮光組的樹干表面CO2通量沒有顯著差異(P>0.05,圖3),分別為1.17±0.14和1.19±0.11 μmol m-2s-1。遮光處理后3次測定的樹干表面CO2通量均顯著低于對照處理(P<0.05),遮光處理階段平均樹干表面CO2通量顯著降低了39.9%(對照和遮光分別為：1.34±0.08和0.81 ± 0.04 μmol m-2s-1)；而且隨著遮光處理時間的延長,樹干表面CO2通量的降低幅度有逐漸增加的趨勢,分別為36.1%,39.3%和46.1%。遮光處理的杉木幼苗在恢復(fù)光照后樹干表面CO2通量顯著上升了43.2%(P<0.001),遮光和恢復(fù)光照處理分別為0.81±0.04 μmol m-2s-1和1.16±0.05 μmol m-2s-1,對照組在遮光和恢復(fù)遮光處理階段樹干表面CO2通量并無顯著差異(P>0.05)；而且恢復(fù)光照后兩個處理間的樹干表面CO2通量差異不顯著(P>0.05,圖3)。樹干表面CO2通量與溫度擬合曲線結(jié)果表明對照處理中溫度與樹干表面CO2通量存在顯著相關(guān)性,遮光處理導(dǎo)致兩者相關(guān)性不顯著,而且遮光處理導(dǎo)致樹干表面CO2通量的Q10值下降(表2)。

圖3 樹干呼吸速率動態(tài)變化(平均值±標(biāo)準誤差)Fig.3 Dynamics of tree stem respiration rate (mean ± SE)

abR2Q10n對照Control0.0820.0740.529??2.1030遮光Shade0.1460.050.085ns1.6530

**：P< 0.01；ns：無差異

3 討論

3.1 遮光對樹干表面CO2通量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)遮光顯著降低了樹干表面CO2通量,而光照恢復(fù)后樹干表面CO2通量也恢復(fù)至對照水平,表明遮光對樹干表面CO2通量產(chǎn)生顯著的影響,但其原因可能是復(fù)雜的。已有的研究表明溫度是決定樹干表面CO2通量的首要因素,通常樹干表面CO2通量隨溫度升高呈指數(shù)增加[7]。本研究中遮光導(dǎo)致樹干表面溫度下降,這在一定程度上造成了樹干表面CO2通量的下降。盡管如此,相比于對照組樹干表面CO2通量隨溫度升高顯著增加,遮光組中樹干表面CO2通量與溫度的相關(guān)性則不顯著,這表明遮光后溫度與樹干表面CO2通量的關(guān)系受到其他因素的影響。此外,在8月15日的測定中,遮光對樹干表面溫度沒有產(chǎn)生顯著影響,而樹干表面CO2通量依然大幅度下降,這進一步表明除溫度以外的其他因素導(dǎo)致了樹干表面CO2通量的顯著下降(圖2,圖3)。非結(jié)構(gòu)性碳作為植物生長代謝過程中重要的能量供應(yīng)物質(zhì)和植物呼吸作用的底物,其含量變化會對植物呼吸產(chǎn)生重要影響[6,28]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)遮光顯著降低了樹干中可溶性糖和淀粉含量；此外,本研究也發(fā)現(xiàn)隨著遮光時間的延長,樹干表面CO2通量下降幅度逐漸增加,這也間接表明遮光導(dǎo)致光合產(chǎn)物供應(yīng)下降可能是樹干表面CO2通量下降的另一個主要原因,該結(jié)果與前人的研究結(jié)果較為一致[6,10- 12]。如Maier等[6]在火炬松林中采用環(huán)割方法阻斷光合產(chǎn)物的傳輸,發(fā)現(xiàn)環(huán)割以下部分的樹干由于降低了非結(jié)構(gòu)性碳含量,從而導(dǎo)致樹干表面CO2通量下降了50%。

Wertin和Teskey[11]在美洲黑楊林(Populusdeltoides)中為期1周的研究表明CO2濃度升高引起光合產(chǎn)物供應(yīng)的增加使樹干表面CO2通量增加了130%,而全部遮光處理導(dǎo)致樹干表面CO2通量下降了65%。本研究通過為期1個月的60%的遮光處理改變杉木幼苗光合產(chǎn)物供應(yīng),導(dǎo)致樹干表面CO2通量下降了39.9%,這與上述研究相比其下降的幅度偏小。一方面是由于環(huán)割和全部遮光處理基本完全阻止植物光合產(chǎn)物對樹干的供應(yīng),而我們采用的60%的遮光處理只是部分的減少光合產(chǎn)物供應(yīng),因此樹干表面CO2通量下降幅度較低。本研究結(jié)果與Clinton等[12]在長葉松(PinuspalustrisMill.)林中的研究較為一致,其發(fā)現(xiàn)火燒處理導(dǎo)致樹木的葉面積降低,部分減少了光合產(chǎn)物對樹干的供應(yīng),因而導(dǎo)致樹干表面CO2通量降低了14%—34%。另一方面,杉木具有很強的萌芽能力,儲存的非結(jié)構(gòu)性碳含量較高[29],當(dāng)遮光降低光合速率后,樹干中儲存的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物可暫時作為樹干呼吸的底物,這在一定程度上降低了樹干表面CO2通量的下降幅度。

綜合以上結(jié)果表明遮光后溫度下降和光合產(chǎn)物供應(yīng)的降低共同導(dǎo)致了杉木幼苗樹干表面CO2通量的下降,樹干光合產(chǎn)物供應(yīng)的下降是其降低的主要原因,而溫度的影響是次要的,這也間接的表明利用遮光方法來研究光合產(chǎn)物變化對樹干呼吸的影響是切實可行的。然而,本研究中很難將兩者的單獨效應(yīng)和交互作用進行區(qū)分量化,這可能需要后期進行更為精細的人為控制實驗方能對其加以區(qū)別。

3.2 遮光對樹干表面CO2通量溫度敏感性的影響

樹干表面CO2通量對溫度的響應(yīng)對于預(yù)測全球變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要意義,綜合分析研究結(jié)果表明樹干表面CO2通量的Q10值在1.0—3.0之間[30],本研究對照組樹干表面CO2通量的Q10值為2.1,在以往的研究結(jié)果范圍內(nèi)。目前的研究普遍認為樹干表面CO2通量的Q10值與溫度呈負相關(guān)關(guān)系,即溫度越低Q10值越大[31]。然而,本研究發(fā)現(xiàn)盡管遮光處理導(dǎo)致樹干溫度下降,但Q10值不增反降,這說明遮光后樹干表面CO2通量的溫度敏感性受到其他因素的調(diào)控。遮光引起的光合產(chǎn)物供應(yīng)降低可能是導(dǎo)致Q10值下降的一個重要原因。一般認為隨著溫度的升高,植物呼吸速率升高,直到達到最大反應(yīng)速率(Vmax)；然而呼吸速率能夠達到最大值的前提條件是底物供應(yīng)必須充足,光合產(chǎn)物供應(yīng)下降會限制呼吸速率升高的程度,進而導(dǎo)致Q10值的下降。此外根據(jù)Michaelis-Menten理論(R=Vmax×C(Km+C)),光合產(chǎn)物供應(yīng)濃度(C)的變化能夠通過影響半飽和常數(shù)(Km)來改變呼吸對溫度的響應(yīng)程度。該理論認為Vmax和Km均具有溫度敏感性,當(dāng)?shù)孜锕?yīng)低時,Vmax和Km的溫度敏感性部分抵消導(dǎo)致Q10值的下降。Maier等[6]在火炬松林進行的樹木環(huán)剝研究表明在環(huán)剝位置上方樹干表面CO2通量的Q10值增加,下方的Q10值降低,這表明降低樹干光合碳供應(yīng)導(dǎo)致樹干表面CO2通量的Q10值下降。Azcón-Bieto等[32]和Covey-Crump[33]通過添加外源葡萄糖增加對植物根系的碳供應(yīng),其結(jié)果也證明改變植物的碳供應(yīng)能夠影響植物呼吸的溫度敏感性。然而,由于本研究采用破壞性取樣方法,受樣本量限制,樹干非結(jié)構(gòu)性碳的數(shù)據(jù)量較少,所做的數(shù)據(jù)分析可能存在一定的不足,這限制我們深入剖析光合產(chǎn)物供應(yīng)變化如何影響樹干呼吸及其溫度敏感性。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：(1)遮光導(dǎo)致樹干溫度和非結(jié)構(gòu)性碳含量下降,兩者共同導(dǎo)致樹干表面CO2通量下降了39.9%,降低樹干光合產(chǎn)物供應(yīng)是其下降的主要原因；(2)光合產(chǎn)物供應(yīng)變化能夠影響樹干表面CO2通量對溫度變化的響應(yīng)；(3)目前的結(jié)論是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析得出的,由于樹干表面CO2通量測定比較難,而且涉及破壞性取樣,導(dǎo)致樣本數(shù)量和樹干非結(jié)構(gòu)性碳含量數(shù)據(jù)較少,而且缺少遮光梯度處理,限制了我們深入探索遮光是如何影響樹干表面CO2通量及其溫度敏感性,是本研究的不足之處。

致謝：感謝中國科學(xué)院會同國家森林生態(tài)實驗站于小軍和王曉峰在實驗布置工作中給予的幫助。