全 文 ：红松幼苗对 CO2 浓度升高的生理生态反应 3
韩士杰 3 3 　周玉梅　王琛瑞　张军辉　邹春静　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
【摘要】　研究了用开顶箱控制 CO2 浓度在 500 和 700μmol·mol - 1左右时红松幼苗的生理生态反应. 结果表明 ,
高浓度 CO2 (500、700μmol·mol - 1CO2)和对照 (对照开顶箱、裸地)条件下 ,红松幼苗的净光合速率与气孔导度之
间的变化不同. 红松幼苗在 500μmol·mol - 1CO2 条件下 ,RuBPcase 活性最高 ,呈现光合上调反应 ,日平均净光合
速率最大 ,叶绿素及可溶性糖含量最高 ;而生长在 700μmol·mol - 1CO2 的红松幼苗呈现光合下调反应 ,光合作用
明显低于对照植株 ,其酶活性及物质含量均最低.
关键词 　红松 　CO2 浓度 　净光合速率 　气孔导度 　RuBP 　叶绿素 　可溶性糖
文章编号 　1001 - 9332 (2001) 01 - 0027 - 04 　中图分类号 　Q945 　文献标识码 　A
Ecophysiological response of Pinus koraiensis seedlings to elevated CO2 . HAN Shijie , ZHOU Yumei ,WAN G Chen2
rui , ZHAN G J unhui , ZOU Chunjing ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110016) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2001 ,12 (1) :27～30.
Studies on the ecophysiological response of Pinus koraiensis seedlings were conducted in open2top chambers which were
controlled with CO2 concentration of about 500 and 700μmol·mol - 1 . The result shows that there were different re2
sponses in net photosynthetic rate and stomatal conductance at high CO2 (500 and 700μmol·mol - 1) and ambient CO2
concentrations. Under 500μmol·mol - 1 CO2 , the carboxylase activity of RuBP was the highest , the photosynthesis
showed“up2ward”,the average daily net CO2 assimilation was the greatest ,and the contents of chlorophyll and soluble
sugars were the highest . While under 700μmol·mol - 1 CO2 , the photosynthesis showed“down2ward”and was lower
than that of the control ,and the enzyme activity and the contents of substances were the lowest .
Key words 　Pinus koraiensis , Elevated CO2 , Net photosynthetic rate , Stomatal conductance , RuBP , Soluble sugar ,
Chlorophyll.
　　3 中国科学院“百人计划”、国家自然科学基金 (30070158) 和中国科
学院陆地生态过程开放研究实验室基金资助项目.
　　3 3 通讯联系人.
　　2000 - 06 - 07 收稿 ,2000 - 08 - 03 接受.
1 　引 　　言
植物对大气 CO2 浓度升高的反应极其明显 ,存在
着长期效应和短期效应、光合上调和光合下调. 在高浓
度 CO2 条件下 ,净光合速率并不总是上升 ,有时可能
表现为不变甚至是下降[6 ,16 ,17 ] . Sage 等[17 ]认为光合下
调可能是由于 Rubisco 活性降低引起的 ,但目前关于
光合作用发生变化的本质还不清楚. 不同种植物的生
长形式和发育阶段不同 ,利用高浓度 CO2 的方式也不
同. 叶绿素在光合作用过程中起着捕获、转换光能的作
用 ;RuBP 羧化酶是决定净光合速率、光合 C 代谢方向
和效率的一个关键酶[17 ,20 ,22 ] . 此酶的羧化活性高 ,固
定 CO2 的能力强 ,产生的碳水化合物含量也就相应提
高.所以 ,在 CO2 浓度升高对植物影响的研究中 ,同步
测定这几个生理指标 ,对探讨 CO2 浓度升高后植物的
生理生态反应非常必要.
在中国科学院长白山森林生态系统开放研究站开
展长期的模拟 CO2 浓度升高后的树木生理生态反应 ,
不仅可以预测林木在未来大气 CO2 浓度升高后的适
应情况 ,而且对全球的气候变化及生态系统 C 平衡研
究都有十分重要的参考价值.
2 　材料与方法
211 　材料
1 年生红松实生苗种植在开顶式同化箱内 . 同化箱为长
112m、宽 019m、高 0. 9m 的铝合金框架 ,四周罩以 3mm 厚的有
机玻璃构成 ,顶部与大气相通.
同化箱内 CO2 浓度的控制方式为箱底部四周固定内径约
为 2cm 的硬塑管 ,上面均匀扎以小孔 ,高浓度 CO2 由此注入同
化箱内. 硬塑管与箱外气袋相连 ,气袋内 CO2 (由钢瓶内高纯
CO2 供给) 与空气的混合气体经由气泵进入同化箱内. 箱内
CO2 浓度通过调节钢瓶的节压阀、气袋内空气流量及气泵供气
流量来实现. 实验过程中红松幼苗分别控制在 700 ±50μmol·
mol - 1CO2 、500 ±50μmol·mol - 1 CO2 、对照开顶箱及裸地 4 种不
同的环境条件下. 自 1999 年 6 月起 ,每天昼夜持续供给幼苗
CO2 气体 ,箱内 CO2 浓度定期核对调节.
212 　研究方法
1999 年 8 月下旬 ,同步测定了 CO2 浓度升高与对照条件
下红松幼苗的相关生理生态指标.
21211 净光合速率和气孔导度 　由美国 CID 公司生产的便携
应 用 生 态 学 报 　2001 年 2 月 　第 12 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2001 ,12 (1)∶27～30
式远红外 CI2301 气体分析仪测定完成. 净光合速率和气孔导
度的数据由仪器自动记录 ,采集时段为 0. 5min.
21212 分光光度计法测定 RuBP 羧化酶粗酶液的活性 [8 ] 　用
1g 液 N 固定的红松针叶 ,加入 5ml p H 7. 8 Tris2HCl 100mmol·
L - 1 ,EDTA 2mmol·L - 1 ,2 %PVP 缓冲液 ,低温下研磨 ,11000 ×
g 离心 10min ,上清液为 RuBP 羧化酶粗酶液 ,于 - 80 ℃冰箱保
存待测. 测定活性时 ,取 0. 3ml 粗酶液 ,加入 0. 3ml 0. 1M Tris2
HCl(p H 7. 8) ,013ml 0. 2M MgCl2 , 0. 3ml 50mM DTT ,013ml
1mM NADH ,0. 3ml 1mM EDTA 和 0. 1ml 0. 5M NaHCO3 活化
液 ,于 40 ℃保温 20min ,加入 0. 2ml PGK和 0. 2ml GAPDH ,测
定 340nm 处的吸光度 ;再加入 0. 1ml 0. 5mM RuBP ,根据吸光
度的变化值 ,求出 RuBP 羧化酶的活性.
21213 叶绿素含量[1 ] 　用 80 %丙酮提取叶绿素 ,测定 645nm 和
663nm 处的光密度 ,根据以下公式计算叶绿素 a、叶绿素 b 和叶
绿素总量 :
Chla = [12. 7 (D663) - 2. 69 (D645) ] ×0. 1mg·g - 1
Chlb = [22. 9 (D645) - 4. 68 (D663) ] ×0. 1mg·g - 1
Total Chl = [20. 2 (D645) + 8. 02 (D663) ] ×0. 1mg·g - 1
21214 蔗糖、果糖和总糖含量 [4 ] 　鲜叶在 80 ℃条件下烘干至恒
重 ,用 80 %酒精在 80 ℃提取 30min ,离心 ,保留上清液 ,反复 3
次即可得可溶性糖提取液.
1)蔗糖 ,一定量可溶性糖提取液 ,加入 0. 1ml 30 %KOH ,在
沸水浴中加热 10min ,冷却后加入 3ml 蒽酮试剂 ,在 40 ℃条件
下保温 10min ,于 620nm 处测光密度值.
2)果糖 ,一定量可溶性糖提取液 ,加入 3ml 蒽酮试剂 ,20 ℃
左右静置 90min ,于 620nm 处测光密度值.
3)总糖 ,一定量可溶性糖提取液 ,加入 3ml 蒽酮试剂 ,于
90 ℃保温 15min ,620nm 处测光密度值.
3 　结果与分析
311 　不同 CO2 条件下红松幼苗净光合速率 Pn 及气
孔导度 gs 的日变化
CO2 调控与对照组的红松幼苗净光合速率 Pn 及
气孔导度 gs 的日进程见图 1. 在 500 和 700μmol ·
mol - 1CO2 条件下 ,红松幼苗的光合作用日进程为单峰
曲线型 ,而在对照开顶箱和裸地条件下则为双峰曲线
型 ;gs 的变化趋势与 Pn 略有不同. 总的看来 , Pn 与 gs
呈正相关 ,即 gs 越小 ,其 Pn 就越小 ,反之亦然. gs 小 ,
外界 CO2 进入细胞内的阻力增大[9 ] ,进而影响胞间
CO2 浓度和光合状况. 高浓度 CO2 条件下 ,gs 在14∶00
略有回升 ,而在对照开顶箱和裸地正常空气 CO2 浓度
下 ,自最高值后基本保持下降趋势 ,反应不完全相同.
为了说明 CO2 浓度升高对红松幼苗 Pn 与 gs 的影响 ,
将4种不同环境下的 Pn及 gs日平均值列于表1 . 从
Pn 和 gs 的日平均值可看出 , 500μmol ·mol - 1 CO2
条件下红松幼苗Pn最高 ,其次是裸地与对照箱内的
表 1 　净光合速率及气孔导度的日进程平均值
Table 1 Mean values and standard errors of Pn and gs during one day
CO2
(μmol·mol - 1)
Pn
(μmol CO2·m - 2·s - 1)
gs
(mmol CO2·m - 2·s - 1)
700 1. 57 ±0. 82 47. 31 ±17. 32
500 3. 51 ±1. 54 59. 59 ±22. 78
对照箱 CK 2. 60 ±1. 16 84. 37 ±12. 08
裸地 Open site 2. 68 ±1. 21 89. 99 ±30. 82
植株 ,而 700μmol·mol - 1 CO2 条件下的植株 Pn 明显偏
低.
　　红松是 C3 植物 ,目前的空气 CO2 浓度是光合作
用的主要限制因子 ,与其它条件相比 ,500μmol·mol - 1
左右的 CO2 能有效提高红松幼苗的胞间 CO2 浓度 ,进
而促进光合作用. gs 是裸地和对照箱内的植株偏高 ,
而 500 和 700μmol·mol - 1 CO2 条件下的红松幼苗较
低 ,尤其是 700μmol·mol - 1 CO2 条件下的植株 ,其 Pn
和 gs 都明显低于其它条件下的植株. 以上结果表明 ,
500μmol·mol - 1 CO2 能提高 1 年生红松幼苗的 Pn ,虽
然此条件下的 gs 低于裸地和对照箱内的植株 ,但由于
胞间 CO2 浓度的提高补偿了由气孔阻力增加带来的
负效应. 700μmol·mol - 1CO2 对红松光合作用产生抑制
效果[9 ,10 ] ,Pn 明显低于未经 CO2 处理的植株.
图 1 　红松幼苗在不同 CO2 浓度下的 Pn (A)与 gs(B)的日变化
Fig. 1 Daily changes of net photosynthetic rate ( A) and stomatal conduc2
tance (B) of Pinus koraiensis seedling under different CO2 concentration.
Ⅰ1700μmol·mol - 1CO2 , Ⅱ1500μmol·mol - 1CO2 , Ⅲ1 对照 CK , Ⅳ1 裸地
Open site.
312 　不同 CO2 条件下红松幼苗 RuBP 羧化酶活性及
物质含量的分析
各生理指标的测定结果表明 , RuBP 羧化酶活性
82 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷
与叶片的叶绿素含量及可溶性糖含量呈正相关性 ,同
时也与 Pn 的变化吻合[12 ,19 ] .
由表 2 可知 ,500μmol·mol - 1CO2 条件下红松幼苗
的各项生理指标测定值均高于其它植株. Rubisco 具有
羧化、氧化两种相反的生理功能 ,CO2 与 O2 竞争 Ru2
bisco 的同一位点[5 ] ,在高 CO2/ O2 分压条件下 ,Rubis2
co 表现为羧化作用 ; 相反 , 则表现为氧化作用.
500μmol·mol - 1 CO2 能提高胞间 CO2 浓度 ,增强 CO2
对 O2 的竞争 ,抑制加氧酶活性 ,提高羧化酶的羧化效
率 ,所以此条件下的 Rubisco 羧化活性最高. RuBP 羧
化酶是光合碳固定的关键酶 ,酶活性高促进了 Pn 的
增加 ,使叶片形成较高含量的糖[7 ,13 ,14 ]
表 2 　RuBP羧化酶活性及物质含量的测定值
Table 2 Measures of enzyme activity and substance contents
项目
Item
700
(μmol CO2
·mol - 1)
500
(μmol CO2
·mol - 1)
对照箱
CK
裸 　地
Open site
RuBP 羧化酶 0. 410 0. 534 0. 447 0. 472
RuBPcase (μmolCO2·min - 1mg - 1Pr)
叶绿素 a
Chlorophyll a
0. 127 ±0. 008 0. 264 ±0. 040 0. 236 ±0. 020 0. 256 ±0. 020
叶绿素 b
Chlorophyll b
0. 081 ±0. 004 0. 173 ±0. 040 0. 155 ±0. 010 0. 165 ±0. 030
叶绿素总量 0. 208 ±0. 010 0. 436 ±0. 080 0. 391 ±0. 030 0. 421 ±0. 040
Total chlorophyll (mg·g - 1leaf FW)
蔗 　糖
Sucrose
11. 33 ±1. 27 12. 87 ±1. 13 10. 13 ±0. 26 12. 40 ±2. 32
果 　糖
Fructose
8. 79 ±0. 83 8. 97 ±1. 06 8. 85 ±0. 89 6. 47 ±2. 41
总 　糖 29. 63 ±3. 41 32. 56 ±3. 87 30. 38 ±2. 67 30. 44 ±4. 71
Total sugar (mg·g - 1leaf DW)
　　700μmol·mol - 1 CO2 条件下的红松幼苗各项生理
指标测定值最低. 酶活性与 500μmol·mol - 1 CO2 条件
下的植株相比降低了 23. 2 % ,与对照箱和裸地植株比
分别降低了 8. 3 %和 13. 1 % ; 可溶性总糖含量与
500μmol·mol - 1CO2 条件下的植株相比降低了 8. 9 % ,
与对照箱和裸地植株比分别降低了 2. 5 %和 2. 7 % ;叶
绿素含量降低较明显 ,与 500μmol·mol - 1 CO2 条件下
的植株相比降低 52. 3 % ,与对照箱和裸地植株比分别
降低 46. 8 %和 50. 6 %.
4 　讨 　　论
各种条件下的植株在中午 Pn 和 gs 都较低 ,原因
可能是中午温度较高 ,使气孔关闭而造成 gs 降低 ;高
温影响 RuBP 羧化酶活性 ,使 Pn 降低 ;另外 ,温度升
高 ,植物体的呼吸作用增强 ,所测得的 Pn 也会降
低[11 ] . 在本项研究中 ,1 年生红松幼苗的 Pn 与 gs 之间
的关系在高浓度和正常 CO2 浓度下的反应略有不同 ,
高浓度 CO2 下的植株 ,自 12∶00 后 gs 回升 ,14∶00 后
才降低 ,而对照组的植株尽管 Pn 在 14∶00 回升 ,但 gs
却基本保持下降趋势. 这说明还有其它因素影响光合
作用 ,所以 ,仅用 gs 降低来解释光合下降的说法是不
充分的. gs 与 Pn 之间的不同步性在许多研究中都被
提到[3 ] .
1 年生红松幼苗长期在 700μmol·mol - 1 CO2 条件
下 ,各项生理指标测定值均较低 , 可能是在供给
700μmol·mol - 1CO2 的初期 ,Pn 会出现短暂的上升 ,但
由于幼苗的根系、输导组织等营养器官发育还不尽完
善 ,不能充分吸收、转化、利用光合产物 ,造成碳水化合
物在叶片中积累 ,导致源库平衡失调[12 ,18 ] ,进而抑制
了 CO2 的进一步扩散 ,使 Pn 降低 ,碳水化合物含量也
降低. 造成 700μmol·mol - 1 CO2 条件下的各项生理指
标较低还可能是由于 RuBP 羧化酶的影响. 很多研究
表明 ,CO2 浓度增加会导致 Rubisco 活性降低 ,尤其是
经过较长时间高浓度 CO2 处理的植株[15 ,21 ] . 当环境
CO2 浓度升高后 ,植物体内磷酸的再生能力会成为植
物体充分利用 CO2 的限制因子[2 ] ,使 RuBP 羧化酶催
化 CO2 和 RuBP 的能力受阻 ,结果 RuBP 羧化酶羧化
活性降低 ,导致 Pn 降低 ,进而合成的碳水化合物含量
也受到影响.
对 1 年生红松幼苗来说 ,不能简单地概括其对高
浓度 CO2 的反应是积极的还是被限制的. 目前空气
CO2 浓度维持在 350μmol·mol - 1左右 ,不能满足植物
体的光合需求 ,500μmol·mol - 1CO2 能够有效提高胞间
CO2 浓度 ,使 RuBP 羧化酶羧化活性增强 , Pn 和物质
含量也相应增加. 对红松这一特定物种来说 ,由于长期
生长在较低的空气 CO2 浓度的环境中 ,当 CO2 浓度突
然增加到 2 倍于目前空气 CO2 浓度时 ,不能够很快适
应 CO2 浓度这种大幅度增长 ,使其地上部分的生长明
显低于 500μmol·mol - 1 CO2 浓度和对照组植株. 自然
条件下 ,空气 CO2 浓度是逐渐而缓慢上升的 ,此项研
究可以预测 ,当空气 CO2 浓度增加到 500μmol·mol - 1
时 ,红松这一物种将会适应未来 700μmol·mol - 1 的
CO2 浓度 ,所以红松这一珍贵树种不会被 CO2 浓度逐
渐增长的自然环境所淘汰.
5 　结 　　论
511 　1 年生红松幼苗在不同 CO2 浓度条件下 ,生理反
应不同. 500μmol·mol - 1CO2 会促进红松幼苗地上部分
各项生理指标明显提高 ,而 700μmol·mol - 1 CO2 使红
松幼苗的 Pn 和 gs 明显降低 ,酶活性和合成的物质含
量也偏低.
512 　对照箱和裸地条件下的幼苗作为实验的参照物 ,
921 期 　　　　　　　　　　　　　　　韩士杰等 :红松幼苗对 CO2 浓度升高的生理生态反应 　　　　　　　　　
生理反应介于 500 和 700μmol·mol - 1 CO2 条件下生长
的植株之间.
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作者简介 　韩士杰 ,男 ,1956 年生 ,研究员 ,博士生导师 ,主要从
事森林界面生态学研究 ,发表论文 60 余篇. E2mail : hansj @iae.
syb. ac. cn
03 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷