沙質草地3種優勢植物葉片光合生理對增溫和降水減少的響應

何遠政，黃文達，王懷海，朱遠忠

(1 中國科學院西北生態環境資源研究院，蘭州 730000；2 中國科學院大學，北京 100049)

近年來，氣候變暖，降水逐漸減少，水分蒸發增加[1-2]，導致干旱和半干旱地區的面積增加[1]。干旱和半干旱地區是典型的生態脆弱區，該地區的植物生長常受到溫度和濕度的限制[3]。溫度和水分作為植物生長發育重要的氣候因素[4]，強烈影響著植物的各個生理過程，尤其是光合作用[5]。有研究表明，增溫和干旱都會降低植物的光合速率[6-7]，而且增溫和降水減少的耦合作用也會改變植物的生理特征，抑制光合作用[8]。因此，研究群落中不同類型植物在氣候變化下的光合特性，可以更深入了解其生理特性和生態適應性[7]。

科爾沁沙地位于中國北方半干旱農牧交錯帶東南端，是中國生態環境最為脆弱的地區之一[9-10]。近年來，由于氣候變化和人類活動的影響，沙漠化發展嚴重，植被-土壤遭受嚴重威脅，引起了各界的高度關注[11]。優勢種在科爾沁沙質草地群落中占據著重要生態位，對群落結構與功能的穩定起著至關重要的作用，沙區植被對環境變化的響應，主要取決于其優勢種的響應和適應能力[12]。因此明確主要優勢種對氣候變化的生理生態響應與變化特征，對揭示氣候變化對沙質草地植物適應性的影響具有一定意義。近年來，關于氣候變化對沙質草地植物適應性研究主要集中在植物生長方面，而關于其群落優勢種在氣候變化下光合生理生態研究較少[13]。豬毛蒿(Artemisiascoparia)、胡枝子(Lespedezadavurica)和糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)為沙質草地群落常見種，三者在該區植被恢復中均具有較廣的分布幅度和占比，其中豬毛蒿和胡枝子分別為菊科和豆科C3植物，糙隱子草為禾本科C4植物。因此，本研究以中國北方農牧交錯帶沙質草地3種優勢植物豬毛蒿、胡枝子和糙隱子草為研究對象，通過模擬增溫和降水減少，探究氣候變化對沙質草地群落不同類型植物光合特性的影響，揭示其對增溫與降水減少的響應機制，以期為北方農牧交錯帶沙地治理過程中物種配置提供科學依據和理論支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古通遼市奈曼旗，地處中國北方農牧交錯帶東南部的科爾沁沙地腹地(120°41′～120°45′E，42°55′～42°57′N，海拔340～370 m)。該區域屬于溫帶大陸性氣候，年均降水量351.7 mm，集中在6～8月，年蒸發量1 500～2 500 mm，年均溫4～7 ℃。土壤為沙質土壤。這里地上-地下生態系統水熱條件梯度變化明顯，是中國農牧交錯帶特征最為典型的區域。研究區域天然植被主要以小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、鹽蒿(Artemisiahalodendron)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、狗尾草(Setariaviridis)、豬毛菜(Salsolacollina)、霧濱藜(Bassiadasyphylla)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)和胡枝子(Lespedezadavurica)等為主。

1.2 實驗設計

2019年9月將試驗布設于中國科學院奈曼沙漠化試驗站長期圍封樣地內，全年增溫樣地利用開頂式生長室(Open-top chamber，OTC)作為增溫設施 (生長季大氣溫度平均升高2.1 ℃)(圖1，a)。OTC為正六邊形圓臺結構，底部直徑2.0 m，頂部直徑1.8 m，高 0.5 m，材料為白鋼骨架和高透光性、低泛黃度指數、高 UV 穿透的透明丙烯酸塑料板。無增溫樣地利用與增溫OTC一樣的白鋼骨架和不銹鋼窗紗制作另外一種OTC，無增溫效果，屬于自然溫度樣地。全年降水減少設施利用奈曼站自主研發的減雨裝置(專利號：ZL 2012 2 0126834.3)(圖1，b)。該減雨裝置長2.5 m×寬2.5 m×高1.5 m，由支撐架和截雨槽兩部分構成，頂部傾斜15°。截雨槽用高透明有機玻璃板壓熱成直角角槽，其透光率可達95%，不影響植物生長。通過截雨槽截留部分降雨來控制減雨量。試驗采用氣溫和降水兩因素全因子隨機區組設計，氣溫設自然溫度(T0)和增溫(T)兩個水平，降水設減少降水0(W0，對照)、20%(W20，輕度干旱)、40%(W40，中度干旱)和60%(W60，重度干旱)4個水平，共組成8個處理組合，48個試驗樣方。每塊樣地降水減少區面積為 2.5 m×2.5 m，樣地間隔2 m，每塊樣地的正中放置增溫或者無增溫OTC，OTC中央2 m2的區域作為主要研究區域。試驗樣地周圍使用圍欄進行保護，以防止自然或者人為放牧破壞。

a.增溫裝置；b.降水減少裝置；c.增溫×降水減少裝置圖1 模擬氣候變化實驗裝置a. Warming apparatus; b. Precipitation reduction apparatus; c. Warming and precipitation reduction union apparatusFig.1 The experimental apparatus to simulate climate change

1.3 測定指標及方法

1.3.1 氣體交換特征采用Li-6400便攜式光合測定系統(LI-COR，Lincoln，USA)，在無風晴朗天氣里連續3 d依次測定豬毛蒿、胡枝子和糙隱子草的光合生理特征。本次測定于2021年8月8～10日9:00～11:30進行。每種植物選取生長狀況一致的植株，取枝條上部相同葉位且發育成熟并完全展開的葉片，測定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。每個處理3次重復。測定時均采用2 cm×3 cm標準葉室，但由于3種植物單葉面積均小于標準葉室面積，測定時將葉片盡量平鋪于整個葉室，避免相互遮擋。不能完全充滿葉室的，光合測定結束后，剪下葉室中的葉片，經掃描后計算出實際光合葉面積，并根據實際葉面積值換算Pn、Gs、Tr等氣體交換參數。葉片瞬時水分利用效率根據WUE=Pn/Tr公式進行計算[14]，氣孔限制值(Ls)根據Ls=1-Ci/Ca計算[15]。

1.3.2 葉綠素熒光特征在測定光合氣體交換特征的同時，利用便攜式熒光儀(HandyPEA，英國，Hansatech公司)測定同一植株的葉綠素熒光特征，每個處理3次重復。測定前，先將葉片用暗適應夾夾住以適應20～30 min。測定指標包括葉綠素初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)。

1.4 數據處理與分析

采用Excel軟件進行數據整理，采用SPSS 21.0處理數據，先對數據進行方差齊性檢驗和正態性檢驗，然后利用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗增溫和降水減少的交互作用對3種優勢物種光合氣體交換參數和葉綠素熒光參數影響的差異顯著性。處理間的光合氣體交換參數和葉綠素熒光參數用單因素方差(One-way ANOVA)進行分析，用Duncan法進行多重比較(α=0.05)。采用t檢驗分析了增溫和對照處理下各光合氣體交換和葉綠素熒光參數的顯著性差異，顯著性水平設為α=0.05。采用一元線性回歸分析Pn與PS Ⅱ最大光化學效率和PS Ⅱ潛在活性之間的關系。采用Origin 2018繪圖。

2 結果與分析

2.1 沙質草地3種優勢植物葉片氣體交換參數

由圖2和圖3可以看出增溫和降水減少對3種植物光合生理產生了不同程度影響。

2.1.1 氣孔導度增溫顯著降低胡枝子和糙隱子草Gs，對豬毛蒿Gs無顯著影響。其中，無論增溫與否，豬毛蒿Gs隨水分脅迫加劇而降低，在重度干旱脅迫(T0W60、TW60)時分別顯著低于相應對照(T0W0、TW0)28.0%和21.9%。在自然溫度條件下，中度和重度干旱脅迫時(T0W40、T0W60)糙隱子草Gs分別顯著低于對照(T0W0)59.0%和76.1%；在增溫條件下，中度干旱脅迫時(TW40)胡枝子Gs顯著低于對照38.1%(圖2)。

T0表示自然溫度；T表示增溫；W0、W20、W40和W60分別表示降水減少0%、20%、40%和60%。不同小寫字母表示同一溫度條件下降水處理之間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示同一降水條件下溫度處理之間差異顯著(P<0.05)；括號內數字為不同處理下的F值；*和**分別表示P<0.05和P<0.01；n.s. 表示無顯著差異。下同圖2 增溫與降水減少對沙質草地3種優勢植物氣孔導度、胞間CO2濃度、氣孔限制值的影響T0. Natural temperature； T. Warming； W0. Natural precipitation, W20, W40, and W60, Precipitation decreased by 20%,40% and 60%; Bars labeled with different lowercase letters represent significant differences among precipitation reduction treatments (P<0.05); Bars labeled with different capital letters differ significantly between temperature treatments (P<0.05). The numbers in brackets were F values under different treatments; * and ** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 levels; n.s means no significant difference. The same as belowFig.2 Effects of warming and precipitation reduction on leaf stomatal conductance, intercellular CO2 concentration and stomatal limiting value of three dominant species in sandy grassland

2.1.2 胞間CO2濃度增溫顯著增加了豬毛蒿Ci，對胡枝子Ci無顯著影響；在輕度干旱脅迫時，增溫顯著降低糙隱子草Ci。其中，在自然溫度條件下，重度干旱脅迫時(T0W60)胡枝子Ci顯著高于對照(T0W0)10.7%，而此時糙隱子草Ci則顯著低于對照(T0W0)12.2%。在增溫條件下，所有干旱處理豬毛蒿Ci均顯著高于對照(TW0)，增幅分別達4.5%、6.0%和8.4%(P<0.05)；中度干旱脅迫時(TW40)，糙隱子草Ci顯著高于對照(TW0)14.9%(圖2)。

2.1.3 氣孔限制值增溫顯著降低了輕度和重度干旱脅迫時豬毛蒿Ls，增溫同樣顯著降低了中度干旱脅迫時糙隱子草Ls，但對胡枝子Ls無顯著影響。其中，在自然溫度條件下，與對照(W0)相比，重度干旱脅迫時胡枝子Ls顯著降低了33.6%；輕度干旱脅迫時糙隱子草Ls顯著低于重度脅迫36.8%。在增溫條件下，重度干旱脅迫時豬毛蒿Ls顯著低于對照和輕度脅迫，降幅達29.1%，糙隱子草和胡枝子的Ls在干旱處理間差異不顯著(P>0.05)(圖2)。

2.1.4 凈光合速率增溫顯著降低糙隱子草Pn，對豬毛蒿Pn無顯著影響；增溫顯著降低在輕度和重度干旱脅迫時胡枝子Pn。無論增溫與否，豬毛蒿Pn隨水分脅迫加劇而降低，其在重度干旱脅迫時(T0W60、TW60)，分別顯著低于對照(T0W0、TW0)38.9%和71.3%；胡枝子和糙隱子草的Pn隨水分處理梯度變化一致，均表現為中度及重度干旱脅迫時其值顯著低于對照，自然溫度和增溫處理下兩種植物Pn降幅分別達47.8%、51.5%和26.4%、37.5%(圖3)。

2.1.5 蒸騰速率和水分利用效率增溫顯著增加了輕度干旱脅迫時豬毛蒿Tr，顯著降低了輕度干旱脅迫時胡枝子Tr和自然降雨條件下糙隱子草Tr。在自然溫度條件下，輕度干旱脅迫時(T0W20)豬毛蒿Tr顯著低于對照(T0W0)；糙隱子草Tr隨干旱脅迫加劇而降低，且輕度及以下干旱脅迫時顯著高于中度及重度干旱脅迫，差異幅度達54.5%。在增溫條件下，所有干旱處理下胡枝子Tr均顯著低于對照(TW0)，差異幅度達57.8%(P<0.05)。另外，重度干旱脅迫時，豬毛蒿WUE低于對照，在自然溫度和增溫處理下降幅分別達23.6%和54%(圖3)。

圖3 增溫與降水減少對沙質草地3種優勢植物凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率的影響Fig.3 Effects of warming and precipitation reduction on leaf net photosynthetic rate, transpiration rate and water use efficiency of three dominant species in sandy grassland

2.2 沙質草地3種優勢植物葉綠素熒光特征

由圖4可以看出，增溫和降水減少對3種植物葉綠素熒光特征產生了不同程度影響。

圖4 增溫與降水減少對沙質草地3種優勢植物葉綠素熒光的影響Fig.4 Effects of warming and precipitation reduction on chlorophyll fluorescence of three dominant species in sandy grassland

首先，增溫顯著影響了自然降雨條件時豬毛蒿Fo，而對所有處理下胡枝子和糙隱子草Fo均無顯著影響 (圖4)。無論增溫與否，隨著降水減少，3種優勢植物的Fo在水分處理間差異均不顯著(P>0.05)(圖4)。

其次，增溫對糙隱子草Fv/Fm和Fv/Fo均無顯著影響(P>0.05)，但顯著降低了中度干旱脅迫時豬毛蒿和胡枝子Fv/Fm和Fv/Fo(P<0.05)，也顯著降低了輕度干旱脅迫時胡枝子Fv/Fo(P<0.05)。在自然溫度條件下，與對照(T0W0)相比，豬毛蒿Fv/Fm和Fv/Fo隨干旱脅迫加劇而降低，在重度干旱脅迫時(T0W60)達到最低，并顯著低于其他處理，降幅分別達14.7%和68.4%(P<0.05)；輕度干旱脅迫時(T0W20)胡枝子Fv/Fm和Fv/Fo顯著高于其他處理，增加幅度分別為5.9%和19.6%(P<0.05)；糙隱子草Fv/Fm隨干旱脅迫加劇而降低，重度干旱脅迫時其Fv/Fm和Fv/Fo分別顯著低于對照14.3%和43.8%(P<0.05)。在增溫條件下，與對照(TW0)相比，豬毛蒿和胡枝子Fv/Fm和Fv/Fo在重度干旱脅迫時(TW60)分別顯著降低了10.9%、20.6%和36.8%、86.8%(P<0.05)；糙隱子草Fv/Fm和Fv/Fo隨干旱脅迫加劇而降低，在中度(TW40)和重度干旱脅迫時顯著低于對照，降低幅度分別達32.7%和89.7%(P<0.05)(圖4)。

2.3 3種優勢植物凈光合速率與PSⅡ最大光化學效率和潛在光化學活性之間的相關性

相關性分析表明(圖5)，3個優勢種的Pn與Fv/Fm均呈顯著正相關，其中豬毛蒿和胡枝子的Pn—Fv/Fm斜率明顯高于糙隱子草。3個優勢種的Pn與Fv/Fo也均呈顯著正相關，其中胡枝子和糙隱子草的Pn—Fv/Fo斜率明顯高于豬毛蒿。

圖5 增溫和降水減少處理下3種優勢植物葉片凈光合速率與PSⅡ 最大光化學效率和PSⅡ 潛在活性的關系Fig.5 Relationships between leaf net photosynthetic rate with PSⅡ maximum photochemical efficiency and PSⅡ potential activity of the three dominant species

3 討 論

3.1 增溫對3種優勢植物葉片氣體交換參數和葉綠素熒光特征的影響

溫度和降水是影響植物葉片水分代謝和光合作用的重要環境因子[16]。有研究表明，溫度升高會降低植物的光合速率[6]。本研究也得出了相似的結果，即增溫顯著降低了胡枝子和糙隱子草葉片Pn，抑制了兩種植物的光合作用。植物吸收的水分大部分消耗于蒸騰作用，蒸騰速率(Tr)反映了植物的耗水情況[17]。本研究結果顯示，增溫顯著降低了胡枝子葉片Tr，這是因為溫度升高，植物通過反饋調節使葉片氣孔關閉，Gs下降，導致植物Tr下降[18]。水分利用效率(WUE)作為植物光合和蒸騰特性的綜合反映，能快速捕捉到植物葉片水分動態變化。本研究發現溫度顯著影響了豬毛蒿和胡枝子WUE，這表明這兩種植物WUE對溫度變化較為敏感，這與Xu和Zhou[16]對羊草(Leymuschinensis)的研究結果相似。氣孔調節是植物抵御水分脅迫的第一道防線[19]。本研究結果顯示，豬毛蒿的葉片氣孔限制值(Ls)隨增溫顯著降低，可能是因為增溫降低了Gs，通過氣孔進入葉肉細胞的CO2濃度減少，由于葉肉細胞受到損傷導致葉肉細胞中的Ci未能及時同化固定，從而導致葉肉細胞中的CO2濃度積累增加，Ls降低。

葉綠素熒光特征能從內在揭示植物光合生理的表現[20]。已有研究發現增溫會顯著影響植物葉綠素熒光特征[21]。在 25～40 ℃時，植物Fo增幅不大[22]。這與本研究結果相同，增溫處理下，3種優勢植物的Fo均無顯著變化，表明增溫對3種植物PSⅡ反應中心造成的損傷不大。Fv/Fm代表原初光能轉化的最大效率，Fv/Fo表示PSⅡ的潛在光化學活性[23]。本研究結果顯示，豬毛蒿和胡枝子的Fv/Fm和Fv/Fo隨溫度升高顯著降低，表明增溫使兩種植物PSⅡ反應中心開放程度降低，抑制了葉片光合原初反應電子傳遞過程，導致原初光化學效率降低，潛在光化學活性中心受損，引起光抑制。而糙隱子草Fv/Fm和Fv/Fo隨增溫均無顯著變化，反映出糙隱子草PSⅡ反應中心處于較為穩定的生理狀態，免受增溫傷害的能力較強，也表明不同物種對溫度的響應存在顯著差異[24]。

3.2 降水減少對3種優勢植物葉片氣體交換參數和葉綠素熒光特征的影響

與增溫效應相同，水分脅迫也會降低植物Pn，抑制植物生長[7,25]。本研究結果顯示自然溫度下輕度和中度以上干旱脅迫分別顯著降低了豬毛蒿和糙隱子草Tr，而且糙隱子草的變化幅度大于豬毛蒿。這是因為沙質草地群落草本植物為了保證呼吸作用正常進行，選擇降低蒸騰速率，這也是一種避旱機制。當植物受到水分脅迫時，減少水分散失是植物首要選擇[26]。本研究發現降水減少只對豬毛蒿WUE起顯著作用，而且重度干旱脅迫時豬毛蒿WUE顯著低于自然降雨，這是因為隨著干旱加劇，豬毛蒿葉片光合器官受到損害，氣孔調節作用減弱，Pn和Tr均下降，Pn降幅大于Tr導致WUE大幅降低，這和已有的研究結果一致[27]，這也體現了沙質草地群落一年生植物的避旱策略。本研究發現，在自然溫度下，隨著降水梯度增加，胡枝子Ls顯著下降，而糙隱子草Ls變化趨勢與之相反，這可能是因為兩種植物的光合途徑不同，即糙隱子草是C4植物，水分脅迫條件下，其葉片Pn的下降受到了“氣孔限制”的影響，進入葉片的CO2供應受阻，通過氣孔進入葉肉細胞的CO2濃度減少，導致Ls升高。

Fv/Fm反映植物利用光能的最大能力[23]。本研究中3種優勢植物Fv/Fm值均低于正常水平(Fv/Fm≥0.8)，而且隨著干旱脅迫的加劇，豬毛蒿和糙隱子草Fv/Fm均呈現顯著下降趨勢，并在重度干旱脅迫時達到最低，說明重度干旱脅迫使得兩種植物PSⅡ反應中心的電子傳遞嚴重受阻，導致PSⅡ反應中心光化學能力減弱[28]，這與梭梭(Haloxylonammodendron)、白刺(Nitrariatangutorum)和沙蒿(Artemisiadesertorum)的相關研究結果相一致[29]。此外，在相同實驗梯度下，糙隱子草Fv/Fm比豬毛蒿和胡枝子下降更明顯，說明糙隱子草PSⅡ的光抑制更強烈，這與部分研究結果一致[23,30]。

3.3 溫度和降水減少交互作用對葉片氣體交換參數和葉綠素熒光特征的影響

氣候因子之間的交互作用會對植物的光合作用產生影響[31-32]。例如，增溫和減少降水的耦合作用會抑制植物的光合作用[8]。本研究中，無論增溫與否，隨著降水減少梯度的增加，3種優勢植物葉片Pn均顯著下降，而且均表現為重度干旱脅迫時其值顯著低于自然降雨。這與許多研究中水分脅迫對植物葉片Pn影響的結論一致[16,33]。說明在相同的生境條件下，不同類型沙生植物Pn具有一定的趨同效應。研究還發現增溫與降水減少交互作用下3種植物Pn下降幅度大于降水減少單因子處理。說明增溫加劇了降水減少對3種優勢植物Pn的抑制作用。增溫與降水減少交互作用顯著影響了胡枝子和糙隱子草Tr。這說明沙質草地群落多年生植物Tr受氣候條件的影響較大。在增溫條件下，隨著降水減少梯度的增加，胡枝子Tr顯著下降，這可能是因為溫度增加而水分供應不足時，氣孔主動調節張開的大小以避免葉片被灼傷，因此Tr會大幅度下降[34]。本研究結果指出重度干旱脅迫時，豬毛蒿WUE顯著低于自然降雨，且增溫與降水減少交互作用下豬毛蒿WUE降幅更大。這是因為隨著干旱加劇，豬毛蒿葉片光合器官受到損害，氣孔調節作用減弱，Pn和Tr均下降，Pn降幅大于Tr導致WUE大幅降低，這和已有的研究結果一致[27]，這也體現了沙質草地群落一年生植物的避旱策略。隨著增溫和降水減少交互作用的加強，糙隱子草WUE逐漸提高，這是植物葉片氣孔關閉的直接結果，也是Pn下降的間接原因[35]。然而，無論增溫與否，降水減少并沒有引起胡枝子WUE的顯著變化，這可能取決于其光合特性對水分脅迫的敏感度。

本研究中無論增溫與否，降水減少對3種優勢植物Fo比對照處理都有所增加，但增幅不大，說明增溫和降水減少導致PSⅡ反應中心受到一定程度的破壞。在增溫條件下，3種優勢植物葉片的Fv/Fm隨干旱脅迫加劇下降幅度更大，說明增溫加劇了降水減少對3種優勢植物Fv/Fm的抑制作用。無論增溫與否，3種優勢植物的Fv/Fo與Fv/Fm具有相同的變化趨勢，即隨著降水減少梯度的增加而逐漸降低，表明增溫與降水減少處理對3種優勢植物光合機構造成了一定程度的損傷。

3.4 Pn與PSⅡ最大光化學效率和PSⅡ潛在活性之間的關系

相關性結果指出3種優勢植物葉片的Pn與Fv/Fm和Fv/Fo均呈顯著正相關，表明增溫和降水減少降低了各優勢植物的PSⅡ反應中心光化學效率和潛在活性，進而降低了光合能力。這也進一步說明，PSⅡ反應中心光化學效率和潛在活性的高低直接決定了光合作用的強弱，由于脅迫環境造成的低光化學效率和潛在活性會成為光合作用的重要限制因子。付士磊等的研究結果支持了本項研究，即隨著Fv/Fo與Fv/Fm的降低，植物的PSⅡ反應中心受到一定程度的破壞，導致光能用于熱耗散的比例增加，加劇了光合速率的下降[36]。