利用二氧化碳測(cè)量?jī)x和葉綠素檢測(cè)儀研究影響蒙古櫟幼苗葉綠素含量的因素

      光合作用是植物生長(zhǎng)的重要能量來(lái)源和物質(zhì)基礎(chǔ)，而葉綠素含量的多寡及a/ b值對(duì)光合速率有直接的影響。葉片中葉綠素含量是反映植物光合能力的一個(gè)重要指標(biāo)。CO2是引起全球變化的重要溫室氣體，自19世紀(jì)70年代工業(yè)革命以來(lái)，由于人類活動(dòng)的影響，大氣CO2濃度正逐步升高，已由100多年前的不到280μmol•mol-1升高到350μmol•mol-1，并每年仍以1~2μmol•mol-1的速度繼續(xù)增加。預(yù)計(jì)在本世紀(jì)中、后期將達(dá)到650~700μmol•mol-1，比現(xiàn)在增加1倍，同時(shí)溫度也將伴隨升高1~3. 5℃。溫度對(duì)酶促反應(yīng)及其發(fā)生在細(xì)胞膜上的生理生化反應(yīng)有很大影響。CO2既是光合作用的反應(yīng)底物，同時(shí)目前大氣CO2濃度水平又是C3植物光合作用的限制因子之一，對(duì)植物生理生化過程有制約作用。因此，大氣CO2濃度的升高，除了通過溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變化對(duì)植物產(chǎn)生間接影響外，還直接影響植物光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育。這也必然反映在植物葉片中葉綠素含量上，目前CO2濃度升高對(duì)植物葉片中葉綠素含量影響的研究結(jié)果并不一致，有些研究結(jié)果表明CO2濃度升高能夠促進(jìn)葉綠素的合成，也有些結(jié)果表明CO2濃度升高使葉片中的葉綠素含量降低，本文利用二氧化碳測(cè)量?jī)x和葉綠素檢測(cè)儀研究不同氮素濃度下CO2濃度、溫度對(duì)蒙古櫟幼苗葉綠素含量的影響。

      氮是植物中基本的礦物元素，占植物干物質(zhì)的1. 5% ~2%和總植物蛋白的16%左右。氮素是植物需求量最大的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也是植物個(gè)體乃至自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)(包括農(nóng)業(yè)系統(tǒng))生長(zhǎng)最常見的限制因子。氮素缺乏是大多數(shù)北半球森林生態(tài)系統(tǒng)普遍存在的現(xiàn)象，是森林生長(zhǎng)的主要限制因子之一。在東北，森林凋落物因受溫度影響分解速度和有機(jī)物礦質(zhì)化過程緩慢，森林樹木常受到氮營(yíng)養(yǎng)脅迫。由于未來(lái)氣候變化，植物的光合作用和生長(zhǎng)將受到多種環(huán)境因子的協(xié)同作用的影響，因此揭示這種外界環(huán)境因子對(duì)植物綜合作用的結(jié)果非常重要。

      蒙古櫟為東北次生落葉闊葉林的主要組成樹種及我國(guó)的主要用材樹種之一。在該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位。本文的目的在于通過研究在CO2倍增、高溫條件下不同氮素水平蒙古櫟葉片葉綠素含量的變化來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)CO2濃度升高，并伴隨溫度上升的情況下，蒙古櫟幼苗在不同的氮素營(yíng)養(yǎng)水平下光合作用的變化，從而對(duì)蒙古櫟生物量的早期預(yù)測(cè)和未來(lái)全球變化對(duì)氮素的需求量預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1. 1　材料

      實(shí)驗(yàn)所用蒙古櫟種子于2004年秋季采自東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)的蒙古櫟林，幼苗于2005年春季播種，溫室條件下生長(zhǎng)一階段，每株幼苗分別移栽至15 cm×13 cm的塑料缽中，用砂土(土：沙為3：1)培養(yǎng)。待幼苗長(zhǎng)至10 cm左右，選擇株高及生長(zhǎng)狀況基本一致的幼苗移至人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1. 2　方法

1. 2. 1　二氧化碳倍增處理和高溫處理

      利用加拿大公司生產(chǎn)的E8型人工氣候箱進(jìn)行二氧化碳倍增及溫度升高處理，模擬的正常溫度條件為帽兒山地區(qū)6~8月份的平均溫度日變化(圖1)。高溫處理是在此正常溫度條件下平均增加4℃。濕度平均為60%，由人工氣候箱自動(dòng)控制。同時(shí)在另一相同型號(hào)的人工氣候箱內(nèi)設(shè)一對(duì)照進(jìn)行比較(二氧化碳濃度正常，為400μmol CO2•mol-1air)。人工氣候箱有3組燈管，每組燈管包括一個(gè)鈉燈和一個(gè)金屬鹵素?zé)簦瑑煞N燈的光質(zhì)是不同的，可以通過對(duì)3組燈管的開閉來(lái)模擬外界的光照強(qiáng)度的日變化，每鈉燈和每金屬鹵素?zé)舻恼斩染鶠?00~250μmol photos•m-2•s-1，同時(shí)開放3組燈時(shí)，光照強(qiáng)度可以達(dá)到1200~1500μmolpho2tos•m-2•s-1，能滿足植物正常生長(zhǎng)的需要。濕度平均為60%，由人工氣候箱自動(dòng)控制。

 1. 2. 2　不同氮素水平處理

      在上述3組人工氣候箱內(nèi)，將蒙古櫟幼苗設(shè)置高氮、正常氮和不施氮3種氮素水平處理，氮素采用NH4NO3進(jìn)行控制，氮濃度梯度處理分別為： 15mmol•L-1N(高氮)， 7. 5mmol•L-1N和不施氮(其中7. 5 mmol•L-1為對(duì)照，作為正常供氮水平)。用Hogland缺氮營(yíng)養(yǎng)液每隔4天施用一次，保證其他營(yíng)養(yǎng)成分的供應(yīng)。并且每天上午定時(shí)澆水，處理3個(gè)月。

1. 2. 3　葉綠素含量的測(cè)定

      葉綠素含量的測(cè)定采用葉綠素測(cè)量?jī)x法：用1 cm2的打孔器從蒙古櫟的葉片中取下兩塊，稱重，放于試管中，加入5mL二甲基亞砜，放于60℃水浴中3小時(shí)(暗處)，至葉子綠色退去為止。每株葉樣盡量在葉片的相同部位取得。用可見光分光光度計(jì)(WJF2100上海)測(cè)定649和665 nm兩個(gè)波長(zhǎng)處的吸光度。葉綠素濃度(μg•ml-1)按Küster等人的方法計(jì)算。

 繪圖在Origin7. 5中完成，所有統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS軟件。

2. 1　不同氮素水平對(duì)蒙古櫟幼苗的影響

      實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，3種氮素水平對(duì)葉綠素a的合成(圖2.5)，其含量隨著施氮水平的下降遞減。高氮水平下的葉綠素a、b和總量極顯著地高于正常氮和不施氮，而在正常氮和不施氮條件下差異不顯著，但不施氮水平下的葉綠素總量與正常氮相比有下降的趨勢(shì)，但差異不顯著(圖2.2)。氮素是葉綠素分子重要的組成元素，培養(yǎng)基質(zhì)中氮的含量直接影響蒙古櫟幼苗葉中葉綠素的合成，尤其對(duì)葉綠素a的合成影響較大，在營(yíng)養(yǎng)充足的情況下也促進(jìn)葉綠素b的合成。

2. 2　CO2倍增和不同氮素水平對(duì)葉綠素含量的協(xié)同作用

      在高氮素水平下，CO2倍增使蒙古櫟幼苗的葉綠素a， b和總含量與對(duì)照相比極顯著地增加；而葉綠素a/b明顯低于對(duì)照(表1)，說明在營(yíng)養(yǎng)充足的條件下，CO2倍增有效促進(jìn)了葉綠素含量的增加，尤其促進(jìn)了葉綠素b的合成。在正常氮水平下，CO2倍增在一定程度上促進(jìn)了葉綠素a， b和總含量的合成，而葉綠素a/b有下降趨勢(shì)，但差異不顯著(表1)。在不施氮的水平下，CO2倍增使葉綠素a和a/b極顯著地增加，而對(duì)葉綠素b和總含量沒有影響(表1)。

      在CO2倍增條件下，高氮素水平與正常氮素和不施氮素差異極其顯著，葉綠素含量(a，b和總量)明顯增加，葉綠素a/b在3種處理之間比較穩(wěn)定，沒有變化(圖2：1)。正常氮和不施氮對(duì)葉綠素含量也沒有影響(圖2)。由此說明CO2倍增所帶來(lái)的充足的碳源，植物必須有相應(yīng)較高的氮源不斷供應(yīng)，以保證一定水平的C/N比例，滿足植物正常生長(zhǎng)的需要。因此在CO2倍增和高氮的相互作用下，葉綠素含量顯著增加(表1)，而在氮源不足的情況下，即使有充足的碳源供應(yīng)，C/N失衡，葉綠素含量也不會(huì)產(chǎn)生影響。

2. 3　高溫和不同氮素水平對(duì)葉綠素含量的影響

      在高氮水平下，高溫(正常溫度+ 4℃)只對(duì)蒙古櫟幼苗的葉綠素a產(chǎn)生影響，使其顯著增加(表1)；而葉綠素b和總含量有增加趨勢(shì)，但差異不顯著；正常氮水平下，高溫對(duì)葉綠素含量均有增加趨勢(shì)，但差異都不顯著；在不施氮的水平下，葉綠素a/b顯著增加。從生長(zhǎng)狀態(tài)上看，溫度升高4℃使蒙古櫟幼苗并沒有達(dá)到脅迫，而是在一定程度上促進(jìn)了幼苗的生長(zhǎng)，也可能溫度升高4℃接近該種生長(zhǎng)的最適溫度，但對(duì)葉綠素含量的影響不大，僅在高氮的情況下促進(jìn)了葉綠素a的合成，不施氮的水平下，相對(duì)促進(jìn)了葉綠素a或減少了葉綠素b(表1)。

      在高溫條件下，高氮使幼苗的葉綠素a和總含量極顯著地高于正常氮和不施氮，葉綠素b含量只在高氮和不施氮間差異顯著。正常氮和不施氮間沒有變化，葉綠素a/b趨于穩(wěn)定(圖2)。

      大部分植物對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的需求與對(duì)其他資源———能量和水的需求一樣，需要一個(gè)平衡的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)以維持最理想的生長(zhǎng)。氮素是植物需求量最大的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也是葉綠素的關(guān)鍵組成成分，缺乏時(shí)就不能形成葉綠素，所以在CO2倍增、高溫、對(duì)照條件下都表現(xiàn)出高氮水平下葉綠素a、b、總量都高于低氮和不施氮的處理(圖2)。CO2和溫度對(duì)葉綠素含量的影響受到氮素的制約，氮素水平的不同， CO2和溫度對(duì)葉綠素含量的影響也不同：

      在高氮的條件下葉綠素a的含量在CO2倍增和高溫條件相對(duì)于對(duì)照條件都有顯著提高(表1)，從能量傳遞效率看，葉綠素a較多，預(yù)示著可以被能量激發(fā)的分子數(shù)就多，參加光合作用的分子數(shù)也多，因而光合產(chǎn)物就高，所以，在養(yǎng)分充足的條件下，CO2倍增和提高一定的溫度能夠促進(jìn)植物的光合作用能力。CO2倍增條件下葉綠素b的含量也有顯著提高(表1)，而且從葉綠素a/b比值變化可知，當(dāng)CO2濃度倍增處理時(shí)，該值的減小幅度最為明顯。這意味著葉綠素b相對(duì)含量增多，葉綠素a/b比值主要是由葉綠素b的變化引起的，葉綠素b有利于植株更充分地吸收漫射光與反射光中的藍(lán)紫光，增強(qiáng)光合效能，從而促進(jìn)群體的光合作用。

      在正常的氮素條件下CO2倍增和高溫對(duì)葉綠素a，葉綠素b及總量的影響均不顯著(表1)，表明沒有充足的氮素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的情況下，CO2和溫度對(duì)葉綠素促進(jìn)作用不明顯；在不施氮的條件下，雖然葉綠素的含量很低，但是在CO2倍增和高溫的條件下葉綠素a的含量顯著高于對(duì)照，而葉綠素b的含量和總量差異不顯著(表1)，說明在養(yǎng)分條件嚴(yán)重脅迫時(shí)CO2倍增和升高適當(dāng)?shù)臏囟仍谝欢ǖ某潭壬峡梢源龠M(jìn)葉綠素a的合成，從而保證植物的光合能力，但是由于養(yǎng)分的限制，不能同時(shí)保證葉綠素b的合成。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，帽兒山地區(qū)生長(zhǎng)季的氣溫并不是蒙古櫟生長(zhǎng)的最適溫度，而是低于最適溫度。這一點(diǎn)與該種很寬的生態(tài)幅有密切關(guān)系，其天然分布區(qū)很廣，我國(guó)華北和東北都有分布。因此，在未來(lái)氣候變暖的條件下在一定意義上能夠促進(jìn)該種的生長(zhǎng)，當(dāng)然主要還是取決于各項(xiàng)環(huán)境因子的綜合作用。

本項(xiàng)研究結(jié)果表明，CO2濃度升高明顯導(dǎo)致蒙古櫟幼苗對(duì)氮素水平的需求也增加，高溫條件下的蒙古櫟幼苗也在一定程度上增加了對(duì)氮素的需求�！　�

      CO2倍增所帶來(lái)的充足的碳源，植物必須有相應(yīng)較高的氮源不斷供應(yīng)，以保證一定水平的C/N比例，滿足植物正常生長(zhǎng)的需要。因此在CO2倍增和高氮的協(xié)同作用下，葉綠素含量顯著增加，而在氮源不足的情況下，即使有充足的碳源供應(yīng)，C/N失衡，葉綠素含量也不會(huì)受到影響。溫度升高4℃在營(yíng)養(yǎng)充足的情況下促進(jìn)了葉綠素a的合成，不施氮的水平下，相對(duì)促進(jìn)了葉綠素a(表1)。說明小幅的溫度升高并沒有對(duì)蒙古櫟幼苗造成脅迫，反而對(duì)其生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。因此，蒙古櫟的生物產(chǎn)量可能會(huì)增加，同時(shí)由于大氣CO2濃度增加使植物對(duì)氮素的需求量也增加，未來(lái)全球變化的情況下，可能會(huì)使北半球森林生態(tài)系統(tǒng)氮素缺乏的現(xiàn)象加劇。