全 文 ：植物生态学报 2011, 35 (4): 452–462 doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.00452
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2010-06-22 接受日期Accepted: 2011-01-18
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: wangck-cf@nefu.edu.cn)
东北主要树种光合作用可行的离体测定方法
唐 艳 王传宽*
东北林业大学林学院, 哈尔滨 150040
摘 要 树木光合作用的测定常因植株高大而难以开展, 其中离体测定是解决途径之一。但离体测定的方法及其可靠性因树
种而异。选取东北东部温带森林中特性各异的7种主要树种: 针叶树(红松(Pinus koraiensis)、长白落叶松(Larix olgensis))、散
孔材(白桦(Betula platyphylla)、胡桃楸(Juglans mandshurica))和环孔材(水曲柳(Fraxinus mandshurica)、黄榆(Ulmus macro-
carpa)、蒙古栎(Quercus mongolica)), 首先采用光合速率恢复到光合诱导前稳定值90%的时间(T90)长短和叶片蒸腾速率(E)的
大小评估离体叶片水分供应状况及其光合活力, 以此确定较优的离体测定方案; 同时, 观测离体叶片的光合活力稳定时间;
最后通过比较原位测定和采用所确定的较优离体方案测定的各树种叶片气体交换参数, 论证采用离体测定光合作用的可靠
性。结果表明: 除蒙古栎外的6个树种的离体叶片均具有较高、较稳定的水分供应和光合活力。离体枝条或复叶插入水中, 环
剥去除切口处3 cm左右的韧皮部和剩余叶片的方法, 是这6个温带树种叶片光合能力的较优离体测定方法。6个树种叶片的T90
受树木特性的影响而差异显著(p < 0.05), 其中环孔材树种的T90显著高于散孔材和针叶树种。6个树种离体叶片在1 h内均有较
高、较稳定的水分供应和光合活力。在此期间离体所测得的绝大多数叶片的气体交换参数与其原位测定值之间的差异不显著。
该研究提出了可行的树木叶片光合作用的离体测定方案, 适用于蒙古栎以外的其他6个温带树种。
关键词 气体交换, 原位, 离体, 光合活力, 温带森林, 稳定时间
A feasible method for measuring photosynthesis in vitro for major tree species in northeastern
China
TANG Yan and WANG Chuan-Kuan*
College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract
Aims Tree leaf photosynthesis is often difficult to measure in situ because of the physical inaccessibility of the
tree canopy. One simple, inexpensive solution is to measure photosynthesis in vitro, but its validity and reliability
for specific tree species need verification. Our goals were to determine (a) which in vitro measurement methods
would result in detached leaves maintaining as high photosynthetic activity as in situ, (b) how long the photosyn-
thetic activity of detached leaves can be sustained and (c) the reliability and feasibility of in vitro measurements.
Methods We selected seven major tree species with divergent ecophysiological characteristics in the temperate
forest of northeastern China: coniferous (Pinus koraiensis and Larix olgensis), diffuse-porous (Betula platyphylla
and Juglans mandshurica) and ring-porous (Fraxinus mandshurica, Ulmus macrocarpa and Quercus mongolica)
species. We used the time for the photosynthetic rate to recover 90% of its pre-photoinducement value (T90) and
leaf transpiration rate (E) to assess the water supply and photosynthetic activity of detached leaves. Based on this,
we determined an optimal in vitro protocol for measuring photosynthesis of detached leaves. We simultaneously
monitored the duration of relatively stable photosynthetic rates after leaves had been detached. We then compared
the differences in gas exchange parameters between in situ and in vitro measurements with the chosen protocol to
determine the reliability of the protocol for each tree species.
Important findings The detached leaves of all measured tree species except for Q. mongolica had the potential
to maintain relatively high, stable water supply and photosynthetic activity. The optimal protocol of in vitro pho-
tosynthesis measurements for the other six tree species was to insert the twigs or compound leaves into water im-
mediately following detaching, girdle phloem about 3 cm from the cut and remove all leaves except the target
ones. T90 differed significantly among the six tree species (p < 0.05), and the ring-porous tree species had signifi-
cantly greater T90 than the other species. The leaf water supply and photosynthetic activity for the six species was
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effectively maintained for one hour following detachment, during which most of the gas exchange parameters
measured did not differ significantly between in situ and in vitro measurements. Therefore, this study provided a
feasible protocol of in vitro measurement of leaf photosynthesis for the six temperate tree species.
Key words gas exchange, in situ, in vitro, photosynthetic activity, stable time, temperate forest

森林是陆地生态系统的重要部分, 其面积、生
物量和净生产力分别占陆地生态系统总量的33%、
86%和70% (Dixon et al., 1994)。森林植物通过光合
作用固定大气中的CO2, 同时通过呼吸作用向大气
排放CO2, 从而使森林生态系统成为陆地生态系统
中的重要碳汇/源(方精云等, 2000), 在全球碳平衡
中具有重要的调节作用(Canadell et al., 2000)。因此,
森林植物光合作用的测定对于深入理解森林碳循
环过程及其机理模型构建至关重要。然而, 树木的
光合作用原位连体测定往往因植株高大而难以开
展; 运用塔吊或搭建观测塔进行原位测定(陈德祥
等, 2003; 赵晓焱等, 2008)又常受到地形条件、研究
费用等因素制约而受限制。其解决方法之一是采用
离体测定。
以往已有许多有关树木叶片水平气体交换的
离体测定, 其中关注的焦点是: 在野外条件下采用
哪种离体测定方法能够使离体材料保持与连体状
态相当的光合活力?这种光合活力能持续多长时间,
以便完成不同研究目的所需的测定?离体测定叶片
光合能力的可靠性和真实性如何?有研究提出将叶
柄插入水中(许大全, 2006)、通过斜切或去除部分韧
皮部等处理的粗枝或当年生细枝插入水中(Koike,
1986; 宋清海等, 2006)、剪取3 cm基径枝条用湿布
包裹切口(吴家兵等, 2006)、将剪取的枝条迅速插到
湿土团中并用塑料膜包上(黄玉清等, 2008)等离体
测定叶片光合能力的方案, 但具体方案的选择可能
因树种和环境条件而变。例如, 黄玉清等(2008)比较
青冈栎(Cyclobalanopsis glauca)原位与离体叶片气
体交换特征发现, 离体叶片气体交换参数在一定时
间范围内可靠, 但可靠时间的长短取决于叶片的温
度。
如何评价叶片离体测定的可行性呢? 叶片离
体主要是切断了其水分供应。水分不但是光合作用
的原料(刘贤德和沈允钢, 2005), 而且水分状况的变
化会引发气孔或非气孔因素的限制(Saliendra et al.,
1995; Flexas & Medrano, 2002)。缺水会导致气孔关
闭、三磷酸腺苷(ATP)和核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)
水平降低、核酮糖 -1,5-二磷酸羧化酶 /加氧酶
(Rubisco)含量和活性降低等一系列现象, 使光合速
率降低(Gimenez et al., 1992; Flexas & Medrano,
2002; 许大全, 2002)。另外, 缺水还会引发木质部的
空穴和栓塞化, 阻碍水分运输(申卫军, 1999)。当叶
片的水分状况不良时, 气孔在暗中关闭后, 在光下
重新开放的速度变慢, 需要经过一个较长的诱导期
才能恢复到原来的稳态水平 (许大全和徐宝基 ,
1989)。在叶片的水分亏缺严重时, 其光合速率则难
以恢复到原来的稳态水平。相反, 如果离体枝条供
水状况良好, 在暗处理后照光, 气孔开放速度较快,
RuBP再生速率和Rubisco活化速率也较快, 其光合
速率达到最大稳定值所需要的时间就较短(Salien-
dra et al., 1995; Allen & Pearcy, 2000)。因此, Koike
和Sakagami (1984)、Koike (1986)在离体测定日本北
海道落叶阔叶树种光合能力时采用了光合速率恢
复到光合诱导前稳定值90%的时间(T90)长短作为评
估树木离体叶片水分状况及其光合活力的指标。黄
玉清等(2008)离体测定盆栽青冈栎小苗叶片时, 采
用离体净光合速率(Pn)波动在原位Pn的–10%–10%
范围内作为评判离体测定的可靠范围。此外, 植物
叶片蒸腾速率(E)与叶水势关系密切, 也是判断植
物水分亏缺常用的生理指标之一。通常植物水分状
况较好时, 叶片蒸腾速率也较大(Ackerson & Krieg,
1977)。
东北森林占我国森林面积和蓄积量的1/3以上,
在国家和区域的碳平衡中起着重要的作用(Wang,
2006), 但目前对其碳循环及其机理模型研究还很
少(Peng et al., 2009), 需要对其组成树种的光合生
理测定加以改进。东北东部森林树种的生理生态特
性分异较大 , 有针叶树种红松 (Pinus koraiensis)
(HS)、长白落叶松(Larix olgensis) (LYS)等, 散孔材
的白桦(Betula platyphylla) (BH)、胡桃楸(Juglans
mandshurica) (HTQ)等, 环孔材的水曲柳(Fraxinus
mandshurica) (SQL)、黄榆 (Ulmus macrocarpa)
(HY)、蒙古栎(Quercus mongolica) (MGL)等。基于
以往的研究结果(Koike & Sakagami, 1984; Koike,
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1986)可以设想, 这些不同特性树种的叶片光合作
用离体测定的方法及其可靠性可能有差异, 但至今
尚未实验验证。本研究以上述7个温带森林主要组
成树种为对象, 首先通过原位观测、斜切、环剥去
除3 cm左右韧皮部等方法处理离体植物材料(直径2
cm左右的粗枝、当年生细枝或复叶), 采用T90和E评
估这些树种离体叶片的水分状况及其光合活力, 以
此确定较优的离体测定方案; 同时, 观测离体叶片
的光合活力稳定时间; 最后, 通过比较原位测定和
采用所确定的较优离体方案测定的各树种叶片气
体交换参数, 论证采用离体方法测定光合作用的可
靠性。该研究结果将为进一步研究树木气体交换过
程提供理论基础和方法。
1 研究方法
1.1 研究地自然概况
研究地位于黑龙江省帽儿山森林生态站
(45°24′ N, 127° 40′ E)。平均海拔约400 m, 平均坡度
10°–15°, 地带性土壤为暗棕色森林土。气候属于大
陆性季风气候。根据1989–2009年的气候数据, 平均
年降水量629 mm, 72%的降水集中于6–8月; 年蒸发
量864 mm; 年平均气温3.1 , ℃ 1月平均气温–18.5
, 7℃ 月平均气温22.0 ; ℃ 无霜期为120–140天。现有
植被是原地带性植被——阔叶红松混交林屡遭人
为干扰后演替成的天然次生林和人工林, 代表着东
北东部山区典型的森林林型( Wang et al., 2006)。
1.2 较优离体方案的确定和离体叶片光合活力稳
定时间的测定
选取7个特性各异的树种(红松、长白落叶松、
白桦、胡桃楸、水曲柳、黄榆和蒙古栎)的幼树(高2–4
m), 针对不同的离体材料(粗枝、细枝、复叶), 采用
随机区组设计(randomized block design), 按树种划
分区组, 每个区组中含有3–4个处理(表1)。于2009
年6月15–30日, 在无雨天气7:00–16:00(避开中午时
段)选取树冠中部(约离地面1.5 m高)向阳方位光照
充足当年生枝条上的健康完整的叶片, 连体或离体
测定其气体交换参数。
叶片气体交换采用安装了LED红蓝光源和CO2
注入系统的LI-6400便携式CO2/H2O红外分析仪
(IRGA, LI-COR, Lincoln, USA)测定。测定采用自动
测定程序, 记录间隔时间为10 s, 叶室环境温度控
制在25 , CO℃ 2浓度为400 µmolCO2·mol–1。测定时,
先将叶片在光量子通量密度(PFD)为1 000 μmol·
m–2·s–1条件下诱导, 使其Pn达到稳定值(Ps); 然后将
其在PFD为0条件下诱导约5 min; 之后再将PFD设
回1 000 μmol·m–2·s–1, 观测叶片Pn能否恢复到Ps的
90%以上及其所需要的时间(T90); 在PFD为1 000
μmol·m–2·s–1条件下继续测定其Pn 1 h左右, 以便确
定离体叶片光合活力的稳定时间。在此, 我们将离
体叶片的Pn与Ps之差占Ps的百分比定义为Pn相对变
异(RV, %), 即:
RV = (Pn – Ps) / Ps × 100 % (1)

表1 供试叶片光合作用的离体测定方案
Table 1 Protocols applied for in vitro measurements of leaf photosynthesis
随机区组设计
Randomized
block design
处理
Treatment
处理描述
Treatment description
供试树种
Applied tree
species
1 1 原位 in situ BH、HY
2 斜切细枝: 切口斜切的当年生细枝
Bevel twigs: current-year twigs were beveled from the cut
BH、HY
3 环剥细枝: 切口处环剥去除3 cm左右韧皮部的当年生细枝
Girdle twigs: current-year twigs were girdled phloem about 3 cm from the cut
BH、HY
4 环剥粗枝: 切口处环剥去除3 cm左右韧皮部的直径为2 cm左右的粗枝
Girdle branches: branches with diameter about 2 cm were girdled phloem about 3 cm from the cut
BH、HY
2 1 原位 in situ HTQ、SQL
3 环剥细枝 Girdle twigs HTQ、SQL
5 环剥复叶: 切口处环剥去除3 cm左右韧皮部的复叶
Girdle compound leaves: compound leaves were girdled phloem about 3 cm from the cut
HTQ、SQL
随机区组设计1用以确定采用斜切还是环剥去除3 cm左右的韧皮部的方法, 选取直径2 cm左右的粗枝还是当年生细枝为离体材料; 随机区组
设计2用以确定选取当年生细枝还是复叶为离体材料。BH, 白桦; HTQ, 胡桃楸; HY, 黄榆; SQL, 水曲柳。
Randomized block design 1 was used to determine adoption of the method to bevel or girdle phloem about 3 cm, and selection of branches with
diameter about 2 cm or current-year twigs for detached material; randomized block design 2 was used to determine selection of current-year twigs or
compound leaves for detached material. BH, Betula platyphylla; HTQ, Juglans mandshurica; HY, Ulmus macrocarpa; SQL, Fraxinus mandshurica.
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将RV波动在–10%–10%的时间范围, 作为离体叶片
Pn的稳定时期(黄玉清等, 2008)。最后, 根据T90的长
短(Koike, 1986; 许大全和徐宝基, 1989)和达到Ps期
间E的大小, 筛选较优的离体测定方案。
在处理离体材料时, 用修枝剪剪取枝条或复叶
后, 迅速将其插入水中, 并在水下在距切口末端约
3 cm处再次剪切, 以防止空气从切口进入导管而阻
碍水分吸收; 同时去除枝条上的大部分叶片或复叶
上的大部分小叶, 以减少离体材料的水分丢失(许
大全, 2006)。
1.3 原位和离体测定气体交换参数的比较
对叶片Pn能恢复到Ps的90%以上的树种, 用同
样的IRGA在原位和离体(采用确定的较优离体测定
方案)间分别交替地进行光响应和CO2响应曲线测
定, 每个树种重复3次。采用的测定设置为: (1) 光
响应曲线: 叶室温度为25 , CO℃ 2浓度为400 µmol
CO2·mol–1, PFD梯度为: 1 500、1 000、650、400、
200、150、100、50和0 µmol·m–2·s–1; (2) CO2响应曲
线: 叶室温度为25 , ℃ PFD为1 000 μmol·m–2·s–1,
CO2浓度梯度为: 400、200、150、100、50、400、
700、1 000和2 000 µmol CO2·mol–1。
1.4 数据分析
采用Photosynthesis Work Bench程序拟合光响
应曲线 (Choudhury, 2000) , 求得最大光合速率
(Pmax)、表观量子效率(AQE)、光饱和点(Ls)、光补
偿点(Lc)、暗呼吸速率(Rd)。采用SPSS 16.0 (SPSS
Inc., USA)软件, 根据Farquhar方程拟合CO2响应曲
线(Farquhar et al., 1980; Long & Bernacchi, 2003) ,
即:
Pn = min{wc, wj ,wp}(1 – Γ∗／Ci) – RD (1)
wc = Vcmax × Ci／[Ci + Kc × (1 + O／Ko)] (2)
wj = J × Ci／(4.5 × Ci + 10.5 × Γ∗) (3)
wp = 3 × TPU／(1 – Γ∗／Ci) (4)
分别将公式(2)、(3)或(4)代入公式(1), 求得最大
羧化速率(Vcmax)、最大电子传递速率(Jmax)和磷酸丙
糖利用速率 (TPU)。式中 , wc、wj和wp分别为由
Rubisco活力、RuBP和无机磷的再生支持的潜在的
CO2同化速率, Kc (406.07 µmol·mol–1)和Ko (276.9
mmol·mol–1)分别为Rubisco羧化和氧化的米氏常数,
Γ∗ (42.89 µmol·mol–1)为无暗呼吸的CO2补偿点, O
(198 mmol·mol–1)为羧化部位氧浓度, J为电子传递
速率(饱和光强下的得到的J即为Jmax), RD为光呼吸
速率, Ci为胞间CO2浓度。水分利用效率(WUE, μmol
CO2·mmol–1H2O)由Pn /E求得(霍宏和王传宽, 2007)。
采用ANOVA和LSD多重比较分析不同处理下
的T90、E及树种间T90的差异显著性。采用双侧成对
t检验来比较不同树种原位与离体测定气体交换参
数的差异。所有统计分析均采用SPSS 16.0 (SPSS
Inc., USA)软件完成。
2 结果
2.1 不同离体测定方案的比较
除MGL之外, 其他6个树种叶片的Pn在各种离
体测定处理中均能恢复到Ps的90%以上(图1)。MGL
原位和离体测定的Pn分别恢复到Ps的39%和61%
(图1G)。不同处理的平均T90差异不显著(p > 0.05)。
随机区组设计1中原位处理的平均T90约为8 min; 斜
切细枝(8 min)大于环剥细枝(6 min); 环剥粗枝(5
min)和环剥细枝(6 min)接近。随机区组设计2中, 原
位处理的平均T90约为8 min; 环剥细枝和环剥复叶
很接近(均约为11 min)。然而, 对于供试的4个树种
而言 , 不同离体测定处理之间E的差异显著(p <
0.05) (图2)。虽然环剥细枝、粗枝或复叶处理的E值
大小因树种而异, 但是环剥处理的E值始终显著高
于斜切处理(图2)。
2.2 不同树种离体叶片净光合速率的恢复速率及
其稳定时间的比较
不同树种的平均T90差异显著 (p < 0.05) (图3),
大小顺序分别为: HY (12 min) > SQL和HTQ (均为
10 min) > BH (2 min) > HS和LYS (均为1 min)。总体
看来, 环孔材树种的平均T90最大(11 min), 其次是
散孔材树种(6 min), 针叶树种最小(1 min)。
与原位相比, 离体处理对T90的影响有增有减,
因树种而异(图3)。原位和离体的T90之差(ΔT90)的平
均值分别为: HS –0.3 min、LYS 0.4 min、BH 0.4 min、
HTQ 6.2 min、SQL –0.9 min、HY –3.7 min, 其中ΔT90
的绝对值以HTQ最大、HS最小。
除MGL之外, 其他6个树种离体叶片在1 h以内
均具有较高、较稳定的光合活力(图1, 图4)。然而,
不同树种叶片经过光合诱导后Pn恢复的快慢及其
持续的时间长短不一(图3, 图4), 因而离体叶片Pn
的稳定时期(即RV波动在±10%以内)随树种而变。6
个树种离体叶片的稳定时期分别为: HY 28 min,
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图1 7个树种不同处理下净光合速率的时间进程。BH, 白桦; HS, 红松; HTQ, 胡桃楸; HY, 黄榆; LYS, 长白落叶松; MGL,
蒙古栎; SQL,水曲柳。
Fig. 1 Temporal dynamics of net photosynthetic rates (Pn) for the seven tree species with various treatments. BH, Betula platy-
phylla; HS, Pinus koraiensis; HTQ, Juglans mandshurica; HY, Ulmus macrocarpa; LYS, Larix olgensis; MGL, Quercus mongo-
lica; SQL, Fraxinus mandshurica.






图2 比较不同处理下4个树种的叶片蒸腾速率(E) (平均值±标准误差)。BH, 白桦; HTQ, 胡桃楸; HY, 黄榆; SQL, 水曲柳。
不同小写字母表示处理间差异显著(p < 0.05)。
Fig. 2 Comparison of leaf transpiration rate (E) for the four tree species with various treatments (mean ± SE). BH, Betula platy-
phylla; HTQ, Juglans mandshurica; HY, Ulmus macrocarpa; SQL, Fraxinus mandshurica. Different lowercase letters mean signifi-
cant differences among different treatments at p < 0.05 level.

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图3 6个树种净光合速率恢复到光合诱导前稳定值90%的
时间(T90)及原位和离体的T90之差(ΔT90 = T90离体–T90原位) (平均
值±标准误差)。各树种的T90是不同处理方法下(表1; 图1) T90
的平均值; ΔT90是原位和不同离体处理方法的T90之差的平均
值。BH, 白桦; HS, 红松; HTQ, 胡桃楸; HY, 黄榆; LYS, 长
白落叶松; SQL,水曲柳。不同小写字母表示处理间差异显著
(p < 0.05)。
Fig. 3 The time for the net photosynthetic rate recovering to
90% of its pre-photoinducement value (T90) and the difference
in T90 between in situ and in vitro measurements (ΔT90) for the
six tree species (mean ± SE). T90 for each species was the mean
of T90 in various treatments (Table 1; Fig. 1); ΔT90 was the mean
difference in T90 between in situ and various in vitro measure-
ments. BH, Betula platyphylla; HS, Pinus koraiensis; HTQ,
Juglans mandshurica; HY, Ulmus macrocarpa; LYS, Larix
olgensis; SQL, Fraxinus mandshurica. Different lowercase
letters mean significant differences among different treatments
at p < 0.05 level.


LYS 33 min, BH 35 min, HS、HTQ和SQL均在35 min
以上。其中, HS和SQL的RV分别在8–10 min 时和
29–31 min时, 稍高于10%, 随后迅速回复到±10%
以内, 并保持基本稳定。
2.3 原位与离体测定叶片气体交换参数的比较
除了AQE、Vcmax、Jmax和E之外, 所有被测树种
的其他叶片气体交换参数(包括Pmax、Ls、Lc、Rd、TPU
和WUE)的原位和离体测定值之间均无显著差异(p
> 0.05, 图5)。LYS和HY叶片AQE的原位和离体测定
值之间差异显著(图5B); 而Vcmax和Jmax的差异都仅
在SQL中表现为显著(图5F)。除了LYS和BH之外,
其他树种叶片E的原位和离体测定值之间均存在显
著差异(图5J)。
3 讨论
3.1 树木叶片气体交换的离体测定方案
离体测定方案的选用直接影响树木叶片气体
交换的测定结果, 其中最关键的问题是保证离体植
物材料在测定期间的供水状况良好, 以便保持原有
的光合活力。树木枝条在离体时很容易出现水分亏
缺, 往往会使其木质部输水管道产生空穴和栓塞
化, 使木质部的输水能力下降(Edwards & Jarvis,
1982; 申卫军, 1999)。良好的供水条件能为离体叶
片光合作用过程中的电子传递、光合磷酸化的完成
及碳同化力的产生提供可靠的保障(刘贤德和沈允
钢, 2005), 也能更好地避免因缺水引发气孔关闭
(Saliendra et al., 1995)、RuBP水平降低(Gimenez et
al., 1992)、Rubisco的含量和活性降低(Flexas &
Medrano, 2002)等现象的发生。本研究的7个树种,

图4 离体条件下6个树种净光合速率相对变异(RV)的时间变化。BH、HY、HS和LYS采用环剥细枝的离体方法, HTQ和SQL
采用环剥复叶的离体方法。BH, 白桦; HS, 红松; HTQ, 胡桃楸; HY, 黄榆; LYS, 长白落叶松; SQL,水曲柳。
Fig. 4 Temporal changes of the relative variation of net photosynthetic rates in vitro for the six tree species. BH, HY, HS and LYS
use the method of girdling twigs, HTQ and SQL use the method of girdling compound leaves. BH, Betula platyphylla; HS, Pinus
koraiensis; HTQ, Juglans mandshurica; HY, Ulmus macrocarpa; LYS, Larix olgensis; SQL, Fraxinus mandshurica.
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图5 6个树种的最大净光合速率(Pmax)、表观量子效率(AQE)、光饱和点(Ls)、光补偿点(Lc)、暗呼吸速率(Rd)、最大羧化速率
(Vcmax)、最大电子传递速率(Jmax)、磷酸丙糖利用速率(TPU)、水分利用效率(WUE)和蒸腾速率(E)原位测定值与离体测定值之
间的比较(平均值±标准误差)。BH、HY、HS和LYS采用环剥细枝的离体方法, HTQ和SQL采用环剥复叶的离体方法。*, 某个
树种叶片的某个参数的原位测定值和离体测定值之间差异显著(p < 0.05, 双侧成对t检验)。BH, 白桦; HS, 红松; HTQ, 胡桃
楸; HY, 黄榆; LYS, 长白落叶松; SQL, 水曲柳。
Fig. 5 Comparison between in situ and in vitro measurements of light-saturated net photosynthetic rates (Pmax), apparent quantum
yield (AQE), light saturation point (Ls), light compensation point (Lc), dark respiration rate (Rd), maximum rate of Rubisco carboxy-
lation (Vcmax), maximum electron transport rate (Jmax), triose phosphate use rate (TPU), water use efficiency (WUE) and transpiration
rate (E) for the six tree species (mean ± SE). BH, HY, HS and LYS use the method of girdling twigs, HTQ and SQL use the method
of girdling detached compound leaves. *, difference in a specific parameter between in situ and in vitro measurements is significant
(p < 0.05, two-tailed paired t-test) for a specific tree species. BH, Betula platyphylla; HS, Pinus koraiensis; HTQ, Juglans mand-
shurica; HY, Ulmus macrocarpa; LYS, Larix olgensis; SQL, Fraxinus mandshurica.


除MGL之外, 其他6个树种的叶片Pn在供试的离体
处理方案下均能恢复到光合诱导前稳定值的90%以
上(图1)。这说明本研究所采用的离体测定方案均适
用于该6个树种叶片气体交换的离体测定。而MGL
是一个特例, 不论在原位还是离体测定中, 只要经
过短短5 min的暗处理之后, 其叶片光合速率就难
以恢复到处理前的水平(图1G)。引起该现象的原因
尚不清楚, 但可以推测这不是由于叶片离体后水分
供应发生变化而引起的, 可能与MGL的生理特性
(王淼等, 2004)及输导组织的构造有关(彭海源等,
1988)。
本研究结果显示, 虽然环剥法的T90较小, 但不
同离体方案的T90差异并不显著(图1)。进一步比较各
种离体处理方案的E值发现, 不同树种采用环剥法
测定的E值均显著高于斜切法(图2)。这说明环剥法
更有利于保持离体叶片良好的水分供应。Koike和
Sakagami (1984)、Koike (1986)在离体测定北海道落
叶阔叶树种叶片光合作用时发现, 斜切法扩大了枝
唐艳等: 东北主要树种光合作用可行的离体测定方法 459

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条吸水面积, 适于大部分树种; 但对于表皮细胞或
韧皮部细胞分泌胶质样液的树种, 采用本生喷灯炭
化杀死切口表皮细胞或环剥基部韧皮部的方法, 可
以防止枝条切口处被胶质样液阻塞而阻碍水分的
吸收。他们还报道, 采用当年生细枝更有利于叶片
光合离体测定, 而在本研究中, 直径为2 cm的粗枝
和当年生细枝的T90很接近(图1)。通常枝条直径越
大 , 其木质部越容易出现栓塞化 (Zimmermann,
1983; Tyree & Sperry, 1989; Cochard & Tyree,
1990)。为防止木质部空穴化的发生而阻碍水分吸
收, 在剪取枝条或复叶后, 要将其迅速插入水中,
并在水下再次剪切切口末端(许大全, 2006)。剪切的
长度与所测树种的木材解剖结构特征相关, 特别是
最长导管分子长度。目前对我们所测定的7个树种
的木材解剖结构的研究较少, 其中, BH和HTQ的导
管分子长度分别为273 (张大维和石福臣, 2004)和
480 μm (韩丽娟等, 2002), HS和LYS小枝的管胞分
子长度为10–30 mm (陈广胜等 , 2001; 郭明辉 ,
2001), 但尚未见到有关这7个树种最长导管分子长
度的报道。总之, 采用将离体枝条或复叶插入水中、
环剥去除切口处3 cm左右的韧皮部并除去剩余叶
片的方法, 不但扩大了枝条的吸水面积, 有效地防
止了切口堵塞, 而且减少了水分的耗散, 较好地避
免了离体材料水分亏缺的发生, 保持了离体叶片的
光合活力。
3.2 离体叶片光合速率的恢复速率和稳定时间
以往研究报道的离体叶片光合速率稳定时间
差异较大, 因树种和测定时的温度而变化在3 min
(34 ℃以上测定青冈栎离体叶片(黄玉清等, 2008))
至4 h (棉花(Gossypium hirsutum)和毛竹(Phyllost-
achys pubescens)离体叶片的测定(许大全, 2006))之
间(Koike & Sakagami, 1984)。本研究没有特地观测
离体叶片稳定光合速率持续的时间。我们发现树种
之间离体叶片光合速率的稳定时间虽然有差异, 但
是除MGL之外的树种离体叶片在1 h内均具有较高
的光合活力, 且Pn也较稳定(图4)。这个时段通常足
以完成光响应曲线和CO2响应曲线的测定。
离体叶片的光合速率恢复速率和稳定时间与
所处的环境条件有关。通常叶片离体后, 其气孔开
张度略有增大, 随后逐渐降低, 这是叶片供水中断
发生水分亏缺、气孔关闭前出现的一个开放反应(许
大全, 1984)。黄玉清等(2008)将剪取的枝条迅速插
到湿土中, 并用塑料包上。这样, 离体枝条不能从
土壤中充分地补充水分, 会很快产生水分胁迫, 而
且水分胁迫会随温度的升高而加剧。此外, 养分状
况也可能影响离体叶片光合速率的稳定时间。植物
养分中的氮、镁、铁等不仅是叶绿素合成所必需的
元素, 而且还参与了光合电子传递和水裂解过程
(Vassiliev et al., 1995); 磷是Rubisco的活化剂
(Bhagwat, 1981), 并参与光合作用中间产物的转变
和能量传递(Rao et al., 1989, 1990); 缺钾会抑制气
孔张开(许大全, 2002), 降低蒸腾拉力, 阻碍水分吸
收 , 进而引发气孔和非气孔因素限制 (Flexas &
Medrano, 2002)。
离体叶片的光合速率恢复速率和稳定时间还
受树种特性的影响。本研究结果表明, 6个树种的T90
差异显著, 其中环孔材树种的T90显著高于散孔材
和针叶树种(图3)。这与Koike (1986)的研究结果相
符。这一结果也意味着环孔材树种离体测定叶片光
合能力较难, 花费时间较长。造成这种现象的主要
原因可能有以下3个方面: (1)环孔材的导管通常较
大, 导水率较高, 因而其木质部的栓塞脆弱性较散
孔材和针叶树种大(Zimmermann, 1983; Cochard &
Tyree, 1990; McCulloh et al., 2010)。(2)不同树种的
水分运输方式不一。环孔材水分是从根部特殊部位
沿幼嫩木质部上升到树冠; 而散孔材水分输送则为
螺旋式上升, 即使有少数导管被堵塞, 水分仍然可
以沿其他导管继续上升(Koike, 1986)。(3)不同树种
的气孔开放速度(Fay & Knapp, 1995)及生物化学调
控速率(Allen & Pearcy, 2000)不同。例如, 卡尔文循
环中 , 不同树种的RuBP再生 (Sassenrath-Cole &
Pearcy, 1992)和Rubisco活化 (Woodrow & Mott,
1989)的速率存在差异。本研究中HTQ的ΔT90最大
(图3), 可能与其导管腔中的侵填体 (彭海源等 ,
1990)有关。离体处理容易使导管腔中的侵填体破
裂, 流出后阻塞部分导管, 从而使水分传导效率降
低, T90延长。
3.3 离体测定树木叶片气体交换参数的可靠性
树木叶片气体交换参数的原位和离体比较研
究报道甚少。本研究中绝大多数测定的气体交换参
数的离体测定值和原位测定值之间没有显著差异
(图5)。这说明采用本研究提出的离体方案测定这6
个树种叶片的气体交换参数是可靠的。个别树种的
极少数气体交换参数在原位与离体间存在差异可
460 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (4): 452–462

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能是由于诸如气孔分布、色素含量等的异质性所致
(许大全, 2002; 王碧霞等, 2009)。除了LYS和BH之
外, 其他树种叶片蒸腾速率的原位和离体测定值之
间的显著差异(图5J)可能与上节讨论的木质部栓塞
现象和导水率有关。
4 结论
对于HS、LYS、BH、HTQ、SQL和HY来说, 将
枝条或复叶离体后迅速插入水中、环剥去除切口处
3 cm左右的韧皮部并除去剩余叶片的方法是离体
测定气体交换的较优方法。虽然不同树种叶片光合
诱导后的恢复速率受树木特性的影响而差异显著,
但其离体叶片在1 h内均具有较高、较稳定的水分供
应和光合活力, 基本可以满足相应的光合生理测定
(如光响应曲线和CO2响应曲线)。对于绝大多数被测
树种的气体交换参数来说, 离体测定值和原位测定
值之间没有显著差异, 表明本研究提出的离体方案
是可行和可靠的。MGL叶片气体交换过程的离体测
定尚需进一步探索。
致谢 “十二五”科技支撑项目(2011BAD03FB01)、
林业公益性行业科研专项(200804001)和国家林业
局重点项目(2006-77)共同资助。帽儿山森林生态站
提供了野外基础支持。
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特邀编委: 张守仁 责任编辑: 李 敏