全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015163 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
闫玉龙,张立欣,万志强,谷蕊,苏力德,杨稢,高清竹.模拟增温与增雨对克氏针茅光合作用的影响.草业学报,2016,25(2):240250.
YANYuLong,ZHANGLiXin,WANZhiQiang,GURui,SULiDe,YANGJie,GAOQingZhu.Effectsofsimulatedwarmingandprecipitation
enhancementonphotosynthesisof犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻.ActaPrataculturaeSinica,2016,25(2):240250.
模拟增温与增雨对克氏针茅光合作用的影响
闫玉龙1,2,张立欣3,万志强1,2,谷蕊1,2,苏力德1,2,杨稢1,高清竹2
(1.内蒙古大学生命科学学院,内蒙古 呼和浩特010021;2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,
北京100081;3.内蒙古林业科学研究院,内蒙古 呼和浩特010021)
摘要:本文在全球气候变化的背景下,利用开顶式生长室(OTC,opentopchamber)于2011与2012年进行模拟增
温,同时实施降水量增加的处理,研究增温与增水处理及其交互作用对内蒙古典型草原优势植物克氏针茅光合作
用的影响。于2012年生长季使用Li6400对克氏针茅叶片的各光合作用特征参数进行测量。结果表明,增温明显
降低克氏针茅的叶片光合速率(犘狀)与气孔导度(犌狊),并存在明显季节变化趋势。在7月与9月增温分别使犘狀 降
低17%和27%,使犌狊 分别降低24%和32%。同时增温降低克氏针茅蒸腾速率(犜狉)、叶绿素含量、核酮糖1,5二
磷酸(RuBP)羧化的最大速率(犞犮max)、RuBP再生能力的最大速率(犑max)、表观量子效率(AQE)与最大光合速率
(犘狀max),但使水分利用效率(WUE)增加16.5%。降水增加对高温条件下的光合作用具有补偿效应。降水增加促
进了克氏针茅的犘狀、犌狊、犜狉、叶绿素含量、犞犮max、犑max、AQE与犘狀max,但对 WUE影响不明显。温度水分对克氏针茅
光合作用与 WUE的影响,是由气孔开合与非气孔因素共同引起的。增温与增水条件下克氏针茅气孔导度在光合
速率与蒸腾速率间存在权衡。温度与降水增加显著影响克氏针茅叶片各光合特性参数,但二者交互作用对植物光
合作用无显著影响。
关键词:全球变化;光合作用;克氏针茅;典型草原;模拟增温与增雨
犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊犻犿狌犾犪狋犲犱狑犪狉犿犻狀犵犪狀犱狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犲狀犺犪狀犮犲犿犲狀狋狅狀狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狊犻狊狅犳
犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻
YANYuLong1,2,ZHANGLiXin3,WANZhiQiang1,2,GURui1,2,SULiDe1,2,YANGJie1,GAOQingZhu2
1.犛犮犺狅狅犾狅犳犔犻犳犲犛犮犻犲狀犮犲狊,犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犎狅犺犺狅狋010021,犆犺犻狀犪;2.犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪狀犱犛狌狊狋犪犻狀犪犫犾犲犇犲狏犲犾
狅狆犿犲狀狋犻狀犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲,犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犛犮犻犲狀犮犲狊,犅犲犻犼犻狀犵100081,犆犺犻狀犪;3.犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犃犮犪犱犲犿狔狅犳犳狅狉
犲狊狋狉狔,犎狅犺犺狅狋010021,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thisstudywasconductedtoexaminetheinteractiveeffectsofclimatewarmingandchangingprecipi
tationonphotosyntheticparametersof犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻toevaluatetheeffectsoffutureclimatechangeonatypi
calsteppeenvironment.Opentopchambers(OTCs)wereusedtosimulatewarming+2℃,basedonthelocal
temperatureincreasefrom1961to2010(IPCC,2007)andprecipitationenhancementof+20%,basedonthe
localaveragemonthlyprecipitationfrom1961-2010.Thephotosyntheticparametersweremeasuredbyaport
ablegasexchangesystem (LI6400)inthegrowingseasonof2012.Warmingsignificantlyreducedthephoto
syntheticrate(犘狀)andstomatalconductance(犌狊)of犛.犽狉狔犾狅狏犻犻,andtherewasaclearseasonaltrend.War
mingreduced犘狀17%and27%andreduced犌狊by24%and32%inJulyandSeptember,respectively.Warming
240-250
2016年2月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第25卷 第2期
Vol.25,No.2
收稿日期:20150327;改回日期:20150629
基金项目:国家科技支撑计划项目(2013BAC09B03)和农业部项目“国家牧草现代产业技术体系”(CARS35)资助。
作者简介:闫玉龙(1988),男,内蒙古赤峰人,硕士。Email:15904881017@163.com
通信作者Correspondingauthor.Email:yangjie@imu.edu.cn,gaoqingzhu@caas.cn
alsoreducedthetranspirationrate(犜狉),chlorophylcontent,themaximumribulose1,5bisphosphate(RuBP)
carboxylationrate(犞犮max),RuBPregenerationcapacity(犑max),apparentquantumefficiency(AQE)andthe
maximumphotosyntheticrate(犘狀max)of犛.犽狉狔犾狅狏犻犻.Conversely,wateruseefficiency(WUE)increasedby
16.5%.Precipitationenhancementproducedcompensatoryeffectsonphotosynthesisresponsestowarming.
Precipitationenhancementpromote犘狀,犌狊,犜狉,chlorophylcontent,犞犮max,犑max,AQEandthe犘狀maxof犛.犽狉狔
犾狅狏犻犻buthaddidnotaffectWUE.TheeffectsoftemperatureandprecipitationonphotosynthesisandWUEof
犛.犽狉狔犾狅狏犻犻wascausedbystomatalandnonstomatalfactors.Underwarmconditionsandprecipitationen
hancement,犌狊influencedboth犘狀and犜狉.Nointeractiveeffectswereobserved.
犓犲狔狑狅狉犱狊:globalchange;photosynthesis;犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻;typicalsteppe;warmingandprecipitationenhance
ment
光合作用是陆地生态系统物质循环与能量流动的基础[1],易受植物自身的生长状况(如犌狊、犞犮max与犑max)[26]
和外界环境条件(如光照、温度和水分等)的影响[712]。以降水格局变化和温度升高为主要特征的全球气候变化
已成为不争的事实。研究表明,增加降水会促进植物光合速率、气孔导度和蒸腾速率,但植物水分利用效率降
低[1314]。而水分减少会降低植物光合速率和气孔导度,但植物水分利用效率升高[1516]。中度增温可以增加植物
光合速率及水分利用效率[1718],但过度增温会导致植物光合速率的下降[1921]。全球气候变化背景下,在气温升
高的同时,常常伴随水分胁迫的发生[14]。
内蒙古典型草原地处干旱半干旱区,对气候变化非常敏感[22],并且降水与温度有明显的变化[23]。以克氏针
茅(犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻)为建群种的草原是一类重要的草地资源,在畜牧业生产中占有重要地位[24]。针对克氏针茅的
研究大多集中在群落尺度上评价群落结构和生产力方面[2527],而基于叶片层次的光合作用对温度增加与降水变
化的适应性方面的研究较少。在研究全球变化与陆地生态系统关系中,长期的模拟增温与降水[28]控制试验能较
好地模拟气候变化所导致的环境因素变化对植物生理生态的影响[24],并能够为生态模型提供参数估计和模型验
证[29]。
本文利用OTC模拟增温与降水增加过程,从而探讨两者与其交互作用对内蒙古典型草原克氏针茅叶片各
光合特征参数的影响,有助于增进克氏针茅对气候变化的响应与适应机制的认识,为典型草原科学应对气候变化
和草地畜牧业可持续发展提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
实验区位于锡林浩特市毛登牧场内蒙古大学草地生态学研究基地(44°09′N,116°29′E,海拔1102m)。土
壤类型为栗钙土,属温带草原区栗钙土亚区。该区年平均气温2.6℃,极端高温为24.9℃,极端低温为-23.8℃。
年平均降水量约271.42mm。降水量的季节和年际变化很大,降水主要集中于5-9月,占全年降水量的
87.33%。年蒸发量1600~1800mm,蒸发量远远大于降水量。多冬春降雪,稳定降雪日数90d左右。无霜期从
每年的5月初到9月初,约120d。克氏针茅、羊草(犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊)为优势种,其他物种有大针茅(犛狋犻狆犪
犵狉犪狀犱犻狊)、糙隐子草(犆犾犲犻狊狋狅犵犲狀犲狊狊狇狌犪狉狉狅狊犪)、冷蒿(犃狉狋犲犿犻狊犻犪犳狉犻犵犻犱犪)、瓣蕊唐松草(犜犺犪犾犻犮狋狉狌犿狆犲狋犪犾狅犻犱犲狌犿)、
防风(犛犪狆狅狊犺狀犻犽狅狏犻犪犱犻狏犪狉犻犮犪狋犪)、芨芨草(犃犮犺狀犪狋犺犲狉狌犿狊狆犾犲狀犱犲狀狊)、阿尔泰狗娃花(犎犲狋犲狉狅狆犪狆狆狌狊犪犾狋犪犻犮狌狊)等。
1.2 实验设计与温湿度监测
OTC设计:开顶式生长室(opentopchamber,OTC)顶部与底部直径分别为0.7m与1.2m,高为0.4m,制
作材料为聚氯乙烯塑料,圆台型框架用细钢筋制作[30]。
实验设计:在试验样地共设16个实验小区,分4个不同处理,将安有风扇可与外界进行气体循环的OTC作
142第25卷第2期 草业学报2016年
为增温(W)处理,在增温处理基础上增加降水作为增
温增雨(WP)处理,自然状态设为对照(CK)处理,与自
然状态下增加降水为(P)处理,每个处理4个重复。
试验小区采用随机区组设计。增温幅度根据当地50
年(1961-2010)生长季温度增幅(表 1)与IPCC
(2007)报告而定为2℃,以OTC内空气温度和CK样
地空气温度差值进行设定,当差值≥2℃时,风扇自动
运行进行空气流通来降低温度,保证温度的增幅在
2℃内。试验按本地50年平均降水量为准,降水增幅
为月平均降水量的20%(表1),在每个月的月初月末
固定时间分两次于晚上6:00施加,施水后48h开始
各参数测量。
温湿度监测:用温湿度数据采集器记录地下10
cm土壤温湿度与距地表20cm的地表空气温度。从
表1 过去50年(1961-2010)月平均温度
增幅、月平均降水量与施加降水量
犜犪犫犾犲1 犕狅狀狋犺犾狔犿犲犪狀狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狀犱狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犻狀狋犺犲
狆犪狊狋50狔犲犪狉狊(1961-2010)犪狀犱犻狀犮狉犲犪狊犲犱
犪犿狅狌狀狋狅犳狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀
月份
Month
温度增幅
Temperatureincrease
range(℃)
降水量
Precipitation
(mm)
降水增幅20%
Precipitation
(20%)(mm)
5 1.23 25.06 5.01
6 2.12 45.11 9.02
7 1.74 77.85 15.57
8 1.95 64.44 12.89
9 3.26 24.58 4.92
2011年5月初至2012年9月末每隔15min自动记录1次温湿度数据,计算OTC的增温效果。
1.3 参数测定
(1)植物光合速率、气孔导度与蒸腾速率测定。
于2012年生长季,每月月初与月末选择晴朗天气,自6:00至20:00每隔2h使用Li6400便携式光合仪
(LiCorInc.,Lincoln,NE,USA)对各处理长势良好的克氏针茅进行光合速率、气孔导度与蒸腾速率的测量。
每个处理4个重复,每个重复选取3组叶片进行测量,Photoshop软件对测量叶片面积进行计算。每月选择1个
晴朗天气于上午9:00-11:00进行光合月动态和季节动态测量,方法同上。
(2)二氧化碳响应曲线的测定。
2012年7月中旬,利用Li6400在25℃条件下对不同处理克氏针茅的CO2 响应曲线进行测量。CO2 浓度依
次设为1500,1200,1000,750,375,200,100,50μmol/mol。
Farquhar等[3](1980)根据Rubisco在体外的动力学变化及光合作用中与CO2 和O2 浓度变化的相互关系提
出了C3 植物光合作用的生化模型(公式1、2、3):
低CO2 浓度下,光合速率受RuBP碳羧化反应制约,此时的光合速率(Pc)与胞间CO2 浓度(Ci)有以下关系:
犘犮=
犞犮max(犆犻-Г)
犆犻+犓犮(1+犗/犓狅)
(1)
式中:犘犮为光合速率;犞犮max指RuBP羧化的最大速率;犓犮、犓狅 分别是Rubisco的CO2、O2 的 MichaelisMenten常
数;犗是O2 浓度;Г是不考虑线粒体呼吸的CO2 补偿点。
高CO2 浓度下,光合速率(Pr)受RuBP再生反应的制约:
犘狉=
犑max(犆犻-Г)
4犆犻+8Г
(2)
式中:犘狉为光合速率;犑max指RuBP再生速率(表示电子传递的速率)的最大值。
而实际的光合速率为:
犘=min{犘犮,犘狉}-犚犱 (3)
式中:犚犱 表示暗呼吸速率(犚dark)。
(3)光响应曲线的测定。
2012年7月中旬,利用Li6400在控温25℃条件下对不同处理内克氏针茅的光响应与CO2 响应曲线进行测
量。光强梯度分别设为2000,1800,1500,1200,1000,800,600,400,200,100,50,25,0μmol/(m
2·s)。光响应非
直角双曲线模型[31]:
犘狀=α
犐+犘狀max- (α犐+犘狀max)2-4θα犐犘狀槡 max
2θ -犚day
(4)
242 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2
式中:犘狀 为净光合速率;犘狀max为没有光强限制时的最大净光合速率;θ为曲线的曲率,表示总物理阻力与CO2 扩
散力的比率;犐为光合有效辐射;α为表观量子效率(AQE),表示低光强时光合作用的光化学效率;犚day为有光时
的呼吸速率。
根据公式1、2、3、4计算犞犮max、犑max与犘狀max等光合参数。
(4)植物叶片水分利用效率测定。
使用Li6400测得9:00-11:00净光合速率(犘狀)与蒸腾速率(犜狉)数据,计算克氏针茅的水分利用效率
(WUE)[32]。
WUE=犘狀/犜狉
(5)叶绿素含量测定。
于植物生长旺季(7月底8月初)使用叶绿素测定仪(MinoltaSPAD502;KonicafiMinoltaSensing,INC.)
对各处理克氏针茅叶绿素含量进行测定,每个处理4个重复,每个重复选取3组叶片进行测量。
1.4 数据统计
使用Excel2003和PASWStatistics18(SPSSInc.,Chicago,IL,USA)对数据进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 温度与湿度的变化特征
分析2011和2012年生长季温湿度数据显示,增温(W)与增温增雨(WP)处理明显改变了空气温度与土壤含
水量(图1A,B),W与 WP处理使全天平均空气温度分别增加1.90与1.64℃(图1C),并分别与对照(CK)达到
显著差异(犘<0.05)。2个生长季白天平均空气温度分别增加3.14与1.89℃,夜晚平均空气温度分别增加0.27
与0.03℃。其中 W与 WP处理不同程度降低地下10cm土层土壤的含水量(图1D),W 处理与CK处理土壤相
对含水量达到显著差异(犘<0.05),而与 WP处理却无显著差异,是因为增温引起土壤的蒸发,说明增温造成了
土壤含水量的下降。
图1 增温与增温增水对空气温度(犃)、土壤含水量(犅)、空气温差(Δ犜犪犻狉)(犆)与土壤含水量差(Δ犕狊狅犻犾)(犇)的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狑犪狉犿犻狀犵犪狀犱狑犪狉犿犻狀犵牔狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犲狀犺犪狀犮犲犿犲狀狋狅狀犪犻狉狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲(犃),狊狅犻犾犿狅犻狊狋狌狉犲(犅),
犪犻狉狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋(Δ犜犪犻狉)(犆)犪狀犱狊狅犻犾犿狅犻狊狋狌狉犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋(Δ犕狊狅犻犾)(犇)
342第25卷第2期 草业学报2016年
2.2 增温和增水处理对光合速率与气孔导度的影响
各处理中克氏针茅净光合速率(netphotosyntheticrate,犘狀)日变化均呈典型的双峰曲线(图2A,B),具有明
显的“午休”(12:00-14:00)现象。第1个峰值出现在上午的10:00-12:00,第2个峰值出现在下午14:00-
16:00。生长旺季与生长季末,W处理使克氏针茅的犘狀 明显降低,特别是在植物“午休”与两个峰值时段(犘<
0.01)。P处理明显促进了克氏针茅“午休”与峰值时段犘狀(犘<0.05)。在25℃,各处理犘狀 表现为:P>WP>CK
>W,而在增温处理条件下,各处理犘狀 表现为:P>CK>WP>W,说明 W 处理是由于造成水分胁迫而降低植物
犘狀。WP处理与CK处理克氏针茅的犘狀 无显著差异,说明增加降水解除或缓解增温造成的水分胁迫作用,从而
影响克氏针茅犘狀 对温度的响应特征。例如,与在 W处理下的犘狀 下降相比,WP处理下的犘狀 变化不明显。增温
与增加降水的交互作用对克氏针茅犘狀 没有产生显著差异(表2)。
图2 各处理7月15日(犃,犆)与9月20日(犅,犇)净光合速率(犘狀)与气孔导度(犌狊)日变化(均值±标准误差)
犉犻犵.2 犇犻狌狉狀犪犾犮犺犪狀犵犲狊犻狀狀犲狋狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮狉犪狋犲(犘狀)犪狀犱狊狋狅犿犪狋犪犾犮狅狀犱狌犮狋犪狀犮犲
(犌狊)狅犳犲犪犮犺狋狉犲犪狋犿犲狀狋狅狀15犑狌犾狔(犃,犆)犪狀犱20犛犲狆狋犲犿犫犲狉(犅,犇)
气孔导度(stomatalconductance,犌狊)日变化规律
图3 各处理光合速率(犘狀)季节动态
犉犻犵.3 犛犲犪狊狅狀犪犾犮犺犪狀犵犲狊犻狀狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮狉犪狋犲(犘狀)
与犘狀 日变化规律相似,呈双峰曲线趋势,但其第一个
峰值除7月15日的P处理外都出现在上午8:00-
10:00。整个生长季,与CK处理相比,W 处理降低了
克氏针茅的犌狊(图2C,D),在犌狊 最大最小时段更加显
著(犘<0.01),P处理增大了植物犌狊,但未达到显著性
差异。CK与 WP处理间无显著性差异(表2),说明温
度增加情况下水分对克氏针茅的犌狊 变化有明显补偿
作用。
各处理间犘狀 与犌狊 的差异随季节而增大,7月15
日P处理犘狀 分别比 W、WP与CK高26%,11%与
9%,P处理的最大犌狊 分别比 W、WP与CK高30%,
442 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2
13%与6%。而9月20日P处理的犘狀 分别比 W、WP与CK高44%,27%与17%,而P处理的最大犌狊 分别是
W、WP与CK的39%,11%与7%。
如图3所示,整个生长季,各处理克氏针茅的犘狀 在5月末至6月末快速增加,7月初至8月初缓慢增加,至8
月初达到最大,然后又急速下降。各处理对克氏针茅最大犘狀 出现的时间影响不明显。在6月末至8月初期间与
CK比较,P处理明显促进了植物犘狀(犘<0.05),而 W处理使植物犘狀 明显下降(犘<0.01),WP处理使植物光合
速率略微下降,但未达到显著性差异(犘>0.05)。整个生长季,P处理的犘狀 分别比 W、WP与CK高34%,17%
与13%。
2.3 增温和增雨处理对犞犮max、犑max、AQE与犘狀max的影响
从光响应与二氧化碳响应曲线由公式1、2、3、4计算得出犞犮max、犑max、AQE与犘狀max等参数并分析(图4),W
处理明显降低克氏针茅的犞犮max(图4A)(犘<0.05)与犑max(图4B)(犘<0.05),P明显增加克氏针茅的犞犮max(犘<
0.05)、犑max(犘<0.05),W 和P处理分别降低与增加克氏针茅的AQE与犘狀max,但未达到显著水平。WP处理对
各参数却无明显的影响(表3)。
图4 各处理对最大净光合速率犞犮犿犪狓(犃),最大电子传递速率犑犿犪狓(犅),
表观量子效率犃犙犈(犆),最大净光合速率犘狀犿犪狓(犇)的影响
犉犻犵.4 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犲犪犮犺狋狉犲犪狋犿犲狀狋狋狅犿犪狓犻犿狌犿狀犲狋狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮狉犪狋犲(犞犮犿犪狓)(犃),犿犪狓犻犿狌犿犲犾犲犮狋狉狅狀狋狉犪狀狊犳犲狉
狉犪狋犲(犑犿犪狓)(犅),犪狆狆犪狉犲狀狋狇狌犪狀狋狌犿犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔(犃犙犈)(犆)犪狀犱犿犪狓犻犿狌犿狀犲狋狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮狉犪狋犲(犘狀犿犪狓)(犇)
相同字母表示差异不显著(犘>0.05),不同字母表示差异显著(犘<0.05)。下同。Thesamelettermeantthatthedifferenceisnotsignificant
(犘>0.05),thedifferentlettermeantthatdifferenceissignificant(犘<0.05).Thesamebelow.
2.4 增温和增水处理对蒸腾与瞬时水分利用效率的影响
在植物的整个生长周期中,克氏针茅蒸腾速率(transpirationrates,犜狉),呈现单峰趋势,并在8月4日达到
最大,生长旺季各处理克氏针茅的犜狉显著高于生长季其他时段(犘<0.05)。整个生长季,克氏针茅的犜狉 始终都
是P>CK>W,在8月4日植物的犜狉达到最大,与CK处理相比,W 与P处理均有显著差异(犘<0.05),说明增
温会降低克氏针茅的犜狉,而增加降水可以促进植物的犜狉(图5A)。生长旺季,W处理使克氏针茅的犜狉下降
542第25卷第2期 草业学报2016年
17%,而P处理使犜狉 上升了5%。整个生长季,W 处
理使克氏针茅犜狉 下降27%,而P处理使犜狉 上升了
15%。但 WP与CK处理间却无显著性差异(表2),
说明增加降水可有效缓解增温造成水分胁迫对植物
犜狉的影响。
整个生长季克氏针茅水分利用效率(wateruse
efficiency,WUE)呈现先增大后减少再增大的趋势,
与CK相比 W 处理除7月15日外均增加克氏针茅
WUE(图5B)。整个生长季 W处理使克氏针茅 WUE
增加16.5%,而在6月30日与8月25日 W处理分别
使克氏针茅 WUE增加19.7%与51.9%,并与其他处
理都达到极显著差异(犘<0.01),说明增温有助于植
物的水分利用。P处理与 WP处理对克氏针茅 WUE
影响不明显。增温增雨对克氏针茅的犜狉 与 WUE无
交互作用(表2)。
表2 日期(犇)、增加降水(犘)与增加温度(犠)对植物光合速率
(犘狀)、气孔导度(犌狊)、蒸腾速率(犜狉)与水分利用效率
(犠犝犈)的影响(三因素方差分析)
犜犪犫犾犲2 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犱犪狋犲(犇),狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犲狀犺犪狀犮犲犿犲狀狋(犘)
犪狀犱狑犪狉犿犻狀犵(犠)狅狀犘狀,犌狊,犜狉犪狀犱犠犝犈
(狋犺狉犲犲狑犪狔犃犖犗犞犃狊)
项目Item 犘狀 犌狊 犜狉 WUE
W 78.832 9.963 32.779 8.506
P 44.022 3.887 20.913 5.547
D×W 1.310 0.022 0.668 2.806
D×P 0.061 <0.001 0.426 1.128
W×P 0.486 1.623 0.800 3.851
D×W×P 0.140 0.013 0.385 1.717
犖=6,犘<0.05,犘<0.01.
图5 降水与温度增加对植物蒸腾速率(犃)与水分利用效率(犅)的影响
犉犻犵.5 犜犺犲犲犳犳犲犮狋狊狅犳狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犲狀犺犪狀犮犲犿犲狀狋犪狀犱狑犪狉犿犻狀犵狋狅狋狉犪狀狊狆犻狉犪狋犻狅狀狉犪狋犲犪狀犱狑犪狋犲狉狌狊犲犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔
不同大、小写字母分别代表不同时间相同处理与相同时间不同处理的显著性差异。Differentbiglettersmeantsignificantdifferenceofdifferent
timeswithinthesametreatment(犘<0.05).Differentsmallettersmeantsignificantdifferenceofdifferenttreatmentswithinthesametime(犘<
0.05).
表3 增温(犠)与增加降水(犘)对犞犮犿犪狓、犑犿犪狓、犃犙犈、
犘狀犿犪狓与叶绿素含量的影响,双因素方差分析
犜犪犫犾犲3 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犲狀犺犪狀犮犲犿犲狀狋(犘)犪狀犱
狑犪狉犿犻狀犵(犠)狅狀犞犮犿犪狓,犑犿犪狓,犃犙犈,犘狀犿犪狓
犪狀犱犮犺犾狅狉狅狆犺狔犾,狋狑狅狑犪狔犃犖犗犞犃狊
变量
Source
犞犮max 犑max AQE 犘狀max 叶绿素量
Contentofchlorophyl
W 2.78 2.31 0.79 1.97 12.08
P 6.09 6.38 2.39 3.86 35.83
W×P 0.23 0.28 0.05 0.20 2.44
犖=2,犘<0.05,犘<0.01,犘<0.01.
图6 各处理对植物叶绿素含量的影响
犉犻犵.6 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犲犪犮犺狋狉犲犪狋犿犲狀狋狋狅狋犺犲犮狅狀狋犲狀狋狅犳犮犺犾狅狉狅狆犺狔犾
642 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2
2.5 增温和增雨处理对叶绿素含量的影响
在植物生长最旺季(7月底8月初)对克氏针茅叶绿素含量测定显示(图6),W 处理明显降低克氏针茅叶绿
素含量(犘<0.001),而P处理明显增加克氏针茅叶绿素含量(犘<0.01),WP处理即增温与增加降水交互作用对
叶绿素含量无明显的影响(表3)。
3 讨论
目前,温度对植物光合速率的影响仍然存在争议,温度增加对植物光合作用或促进[3334]、或抑制[1516,35]、或无
影响[3638]。在内蒙古典型草原,有研究发现增温促进了克氏针茅的犘狀[2,33],但本文研究发现增温降低了克氏针
茅的犘狀(图2A,B,图3),并且随着季节变化降低程度有所加大。由于温度增加常常引起植物其他环境或其他方
面的变化,如叶片叶绿素含量的变化。本研究使用增温装置为 OTC,在干旱与半干旱的典型草原,整个生长季
OTC对白天空气增温幅度较大,增温通过加大克氏针茅的犜狉(图5A)与蒸散而降低了克氏针茅生长环境的土壤
水分含量(图1B,D)[38],进而对植物光合作用产生胁迫。而 Wan等[33]和Niu等[29]利用红外辐射器加热的方法,
对土壤水分含量影响较小,没有造成对植物光合作用产生胁迫的影响。在本研究中,增温降低土壤水分含量与克
氏针茅犌狊的同时也降低了克氏针茅叶绿素的含量(图6)、犞犮max、犑max与AQE(图4A,B,C)。这些变化与增温的共
同作用导致了克氏针茅犘狀 的下降。
温度增加,会使叶片气孔关闭[39],使犌狊 下降[15],从而使植物犜狉 下降。这与本研究结果相同(图2C,D,图
5A)。同在内蒙古典型草原,Niu等[29]发现,温度增加对植物个体叶片的 WUE无影响,Xu和Zhou[35]却发现增
温使植物 WUE降低,但本研究发现温度增加使克氏针茅的 WUE增加,其可能原因是温度增加降低克氏针茅
犜狉,同时也降低了其犘狀。由于OTC白天对空气增温效果较大,植物本身存在自我反馈调节功能,通过降低犌狊来
减小植物犜狉的幅度要大于降低犘狀 的幅度,从而使克氏针茅的 WUE增加(图5B)。
水分是影响干旱和半干旱地区植物生长与生产力的主要环境因子[4041]。本研究发现,增加降水明显促进克
氏针茅的犘狀,这与Niu等[14]的研究相同,与增温降低植物犘狀 一样,增加降水对犘狀 的影响分为气孔和非气孔因
素,P处理增加克氏针茅犌狊的同时也增加了磷酸三碳糖的消化能力、光合磷酸化过程中磷再生能力与叶绿素含
量(图6,图4A,B),说明水分增加对光合的影响既有气孔因素也有非气孔因素。Gu等[28]同样发现,水分胁迫下
藏北紫花针茅(犛狋犻狆犪狆狌狉狆狌狉犲犪)犘狀 降低的原因可能是缺水导致叶片光合结构的损害,而非单纯由气孔闭合所导
致。
植物生长的水分条件可影响植物叶片犌狊、犜狉与 WUE,王英宇等[42]发现灌溉增大了高羊茅(犉犲狊狋狌犮犪犪狉狌狀犱犻
狀犪犮犲犪)与早熟禾(犘狅犪狆狉犪狋犲狀狊犻狊)等草地植物光合作用的同时,也增大叶片犌狊 与犜狉。而周秋平等[43]对本氏针茅
(犛狋犻狆犪犫狌狀犵犲犪狀犪)的研究发现,干旱胁迫下植物叶片犌狊和犜狉明显下降,WUE则升高。在本研究中,P处理促进
犌狊的同时,也加大了叶片的犜狉,但植物叶片 WUE无显著变化(图5A,B),可能是由于对犘狀 与犜狉 增加速率不同
造成,王慧等[13]研究发现增加降水使犘狀 增加速率小于犜狉从而使短花针茅 WUE降低。
水分是限制植物叶片的关键因素。当外界温度增加,植物通过反馈调节采取气孔闭合的方式来减少蒸腾引
起的水分丧失。根据Case和Barrett[2]研究发现,植物对水分充足与胁迫等不同条件采用不同气孔行为,水分胁
迫下植物在最大限度减少水分丧失的前提下促进CO2 的吸收,即单位CO2 收获下最小的水分散失。而在水分
条件良好的情况下,植物会保证单位失水下最大的CO2 收获。所以当植物处于水分胁迫条件时,就可能对保水
与CO2 吸收进行权衡,从而达到对环境的最大适应。本研究证实了这一点,P处理增加犘狀 与犌狊同时,也加大了
犜狉。即植物保证单位失水下最大的CO2 收获。而CT处理对植物造成了水分胁迫,使克氏针茅犘狀、犌狊 与犜狉 都
有所降低,植物此时的权衡策略是单位CO2 收获下最小的水分散失。同时,增温或增加降水改变了磷酸三碳糖
的消化能力、光合磷酸化过程中磷再生能力、表观量子效率与叶绿素含量等非气孔因素,这些共同引起了植物犘狀
的变化。WUE代表CO2 同化与水分丧失的比例[30],植物在对两者权衡时,温度与降水引起的气孔与非气孔因
素变化就会共同影响植物的 WUE。
在全球变化背景下,在干旱与半干旱地区温度增加抑制光合作用[15,33],本研究也证实了这一点。但增加降
742第25卷第2期 草业学报2016年
水可有效缓解增温造成水分胁迫对植物光合作用的影响,说明降水是影响本研究区植物光合作用的主要因素,这
与Knapp等[40]和 Weltzin等[41]研究结果一致。
4 结论
(1)增温引起水分胁迫而降低克氏针茅的犘狀,增加降水将导致克氏针茅的犘狀 增大。增温与增水的交互作用
对克氏针茅的犘狀 无显著影响。
(2)增加降水可有效缓解增温造成水分胁迫对植物犘狀 与犜狉的影响,同时,各光合参数对增加降水的响应易
受温度的影响。
(3)温度和水分对克氏针茅光合作用与 WUE的影响,是由气孔开合与非气孔因素共同引起的。
(4)增温与增水条件下克氏针茅的犌狊对犘狀 与犜狉存在权衡,温度上升造成植物水分胁迫而降低犌狊与犜狉,但
增加降水增加犌狊与犜狉。增温使植物 WUE增加,但增加降水对克氏针茅 WUE无明显影响。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
[1] JiangGM.Plant犈犮狅狆犺狔狊犻狅犾狅犵狔[M].Beijing:HigherEducationPress,2004:4344.
[2] CaseAL,BarrettSCH.Ecologicaldifferentiationofcombinedandseparatesexesof犠狌狉犿犫犲犪犱犻狅犻犮犪(Colchicaceae)insym
patry.Ecology,2001,82:26012616.
[3] FarquharGD,VonCS,BerryJA.AbiochemicalmodelofphotosyntheticCO2assimilationinleavesofC3plants.Planta,
1980,149:7890.
[4] PanRC.PlantPhysiology[M].Beijing:HigherEducationPress,1982:101111.
[5] MaeT.Physiologicalnitrogenefficiencyinrice:Nitrogenutilization,photosynthesis,andyieldpotential.PlantSoil,1997,
196:201210.
[6] MakinoA,OsmondB.Effectsofnitrogennutritiononpeaandwheat.PlantPhysiol,1991,96:355362.
[7] MoYW,GuoZF,XieJH.Effectsoftemperaturestressonchlorophylfluorescenceparametersandphotosyntheticratesof
犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊.ActaPrataculturaeSinica,2011,20:96101.
[8] ZhangJZ,ZhangQY,SunGF,犲狋犪犾.EffectsofdroughtstressandrewateringongrowthandphotosynthesisofHosta.Ac
taPrataculturaeSinica,2014,23:167176.
[9] YuGR,WangQF.犈犮狅狆犺狔狊犻狅犾狅犵狔ofPlantPhotosynthesis,Transpiration,andWaterUse[M].Beijing:SciencePress,
2010,64:171172.
[10] ZhengYY,XieZX,RimmingtonGM,犲狋犪犾.ElevatedCO2acceleratesnetassimilationrateandenhancegrowthofdomi
nantshrubspeciesinasandduneincentralInnerMongolia.EnvironmentalandExperimentalBotany,2010,68:3136.
[11] LeeJS.CombinedeffectofelevatedCO2andtemperatureonthegrowthandphenologyoftwoannualC3andC4weedyspe
cies.Agriculture,EcosystemsandEnvironment,2011,140:484491.
[12] MorganJA,LecainDR,PendalE,犲狋犪犾.C4grassesprosperascarbondioxideeliminatesdesiccationinwarmedsemiarid
grassland.Nature,2011,476:202205.
[13] WangH,ZhouGS,JiangYL,犲狋犪犾.InteractiveeffectsofchangingprecipitationandelevatedCO2concentrationonphoto
syntheticparametersof犛狋犻狆犪犫狉犲狏犻犳犾狅狉犪.ChineseJournalofPlantEcology,2012,36:597606.
[14] NiuSL,YuanZY,ZhangYF,犲狋犪犾.PhotosyntheticresponsesofC3andC4speciestoseasonalwatervariabilityandcompe
tition.JournalofExperimentalBotany,2005,56:28672876.
[15] ShahNH,PaulsenGM.Interactionofdroughtandhightemperatureonphotosynthesisandgrainfilingofwheat.Plantand
Soil,2003,257:219226.
[16] HamerlynckEP,HuxmanTE,MichaelEL,犲狋犪犾.Effectsofextremehightemperature,droughtandelevatedCO2onpho
tosynthesisoftheMojaveDesertevergreenshrub,犔犪狉狉犲犪狋狉犻犱犲狀狋犪狋犪.PlantEcology,2000,148:183193.
[17] BerryJ,BjorkmanO.Photosyntheticresponseandadaptationtotemperatureinhigherplants.AnnualReviewPlantPhysiol
ogy,1980,31:491643.
[18] LeeBH,WonSH,LeeHS,犲狋犪犾.Expressionofthechloroplastlocalizedsmalheatshockproteinbyoxidativestressin
rice.Gene,2000,245:283290.
[19] DelgadoE,MitchelRAC,ParryMAJ,犲狋犪犾.InteractingeffectsofCO2concentration,temperatureandnitrogensupply
onphotosynthesisandcompositionofwinterwheatleaves.PlantCelandEnvironment,1994,17:12051213.
[20] TaubDR,SeemannJR,ColemanJS.GrowthinelevatedCO2protectsphotosynthesisagainsthightemperaturedamage.
842 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2
PlantCelandEnvironment,2000,23:649656.
[21] WolenweberB,PorterJR,SchelbergJ.Lackofinteractionbetweenextremehightemperatureeventsatvegetativeandre
productivestagesinwheat.JournalofAgronomyandCropScience,2003,189:142150.
[22] ChristensenL,CoughenourMB,ElisJE,犲狋犪犾.VulnerabilityoftheAsiantypicalsteppetograzingandclimaticchange.
ClimaticChange,2004,63:351368.
[23] GongDY,ShiPJ,WangJA.DailyprecipitationchangesinthesemiaridregionovernorthernChina.JournalofAridEnvi
ronments,2004,59:771784.
[24] BaiYF.Influenceofseasonaldistributionofprecipitationonprimaryproductivityof犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻community.Chinese
JournalofPlantEcology,1999,2:6065.
[25] BaiYF,XuZX,LiDX.Studyonadiversityoffour犛狋犻狆犪communitiesinInnerMongoliaPlateau.ChineseBiodiversity,
2000,8:353360.
[26] BaiYF,LiLH,HuangJH,犲狋犪犾.Theinfluenceofplantdiversityandfunctionalcompositiononecosystemstabilityoffour
犛狋犻狆犪communitiesintheInnerMongoliaPlateau.ActaBotanicaSinica,2001,43:280287.
[27] ZhaoDL,LiuZL,YangGX,犲狋犪犾.Grazingimpactondistributionpatternoftheplantcommunitiesandpopulationsin犛狋犻
狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻steppe.ActaPratculturaeSinica,2010,19:613.
[28] GuR,ChaoLM,ZhangLX,犲狋犪犾.Theinfluenceofhydrothermalfactoronthesoilrespirationandsoiltemperaturesensi
tivityof犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻steppe,InnerMongolia,China.ActaPrataculturaeSinica,2015,24(4):2129.
[29] NiuSL,HanXG,MaKP,犲狋犪犾.Fieldfacilitiesinglobalwarmingandterrestrialecosystemresearch.ChineseJournalof
PlantEcology,2007,31:262271.
[30] WanYF,YouSC,LiYE,犲狋犪犾.InfluenceofelevatedatmosphericCO2concentrationandtemperatureongrowthandyield
ofearlyrice.JournalofAgroEnvironmentScience,2014,33:16931698.
[31] YeZP,LiJS.Comparativeinvestigationlightresponseofphotosynthesisonnonrectangularhyperbolamodelandmodified
modelofrectangularhyperbola.JournalofJinggangshanUniversity,2010,3:3844.
[32] NiuSL,XingXR,ZhangZ,犲狋犪犾.Wateruseefficiencyinresponsetoclimatechange:fromleaftoecosysteminatemperate
steppe.GlobalChangeBiology,2001,17:10731082.
[33] WanSQ,XiaJY,LiuWX,犲狋犪犾.Photosyntheticovercompensationundernocturnalwarmingenhancesgrasslandcarbonse
questration.Ecology,2009,90:27002710.
[34] ChapinⅢ FS,ShaverGR.Physiologicalandgrowthresponsesofarcticplantstoafieldexperimentsimulatingclimatic
change.Ecology,1996,77:822840.
[35] XuZZ,ZhouGS.Effectsofwaterstressandhighnocturnaltemperatureonphotosynthesisandnitrogenlevelofaperennial
grass犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊.PlantandSoil,2005,269:131139.
[36] LlorensL,PefnuelasJ,EstiarteM.EcophysiologicalresponsesoftwoMediterraneanshrubs,犈狉犻犮犪犿狌犾狋犻犳犾狅狉犪and犌犾狅犫狌
犾犪狉犻犪犪犾狔狆狌犿,toexperimentalydrierandwarmerconditions.PhysiologyPlantarum,2005,119:231243.
[37] LlorensL,PefnuelasJ,BeierC,犲狋犪犾.Effectsofanexperimentalanddroughtonthephotosyntheticperformanceoftwoeri
caceousshrubsspeciesalongaNorthSouthEuropeangradient.Ecosystems,2004,7:613624.
[38] LoikME,RedarSP,HarteJ.Photosyntheticresponsestoaclimatewarmingmanipulationforcontrastingmeadowspecies
intheRockyMountains,Colorado,USA.FunctionalEcology,2000,14:166175.
[39] MansfieldTA,HetheringtonA M,AtkinsonCJ.Somecurrentaspectsofstomatalphysiology.AnnualReviewofPlant
Physiology,1990,41:5575.
[40] KnappAK,FayPA,BlairJM,犲狋犪犾.Rainfalvariability,carboncycling,andplantspeciesdiversityinamesicgrassland.
Science,2002,298:22022205.
[41] WeltzinJF,LoikME,SchwinningS,犲狋犪犾.Assessingtheresponseofterrestrialecosystemstopotentialchangesinprecipi
tation.Bioscience,2003,53:941952.
[42] WangYY,YangJ,HanLB.Effectsofdifferentirrigationvolumeonphotosynthesisofturfgrass.JournalofBeijingForest
ryUniversity,2006,S1:2631.
[43] ZhouQP,ChengJM,WanHE,犲狋犪犾.Studyonthediurnalvariationsofphotosyntheticcharacteristicsandwateruseeffi
ciencyof犛狋犻狆犪犫狌狀犵犲犪狀犪Trin.underdroughtstress.ActaAgrestiaSinica,2009,4:510514.
参考文献:
[1] 蒋高明.植物生理生态学[M].北京:高等教育出版社,2004:4344.
[4] 潘瑞炽.植物生理学[M].北京:高等教育出版社,1982:101111.
[7] 莫亿伟,郭振飞,谢江辉.温度胁迫对柱花草叶绿素荧光参数和光合速率的影响.草业学报,2011,20:96101.
942第25卷第2期 草业学报2016年
[8] 张金政,张起源,孙国峰,等.干旱胁迫及复水对玉簪生长和光合作用的影响.草业学报,2014,23:167176.
[9] 于贵瑞,王秋凤.植物光合蒸腾与水分利用生理生态学[M].北京:科学出版,2010:171172.
[13] 王慧,周广胜,蒋延玲,等.降水与CO2 浓度协同作用对短花针茅光合特性的影响.植物生态学报,2012,36:597606.
[24] 白永飞.降水量季节分配对克氏针茅草原群落初级生产力的影响.植物生态学报,1999,2:6065.
[25] 白永飞,许志信,李德新.内蒙古高原针茅草原群落α多样性研究.生物多样性,2000,8:353360.
[26] 白永飞,李凌浩,黄建辉,等.内蒙古高原针茅草原植物多样性与植物功能群组成对群落初级生产力稳定性的影响(英文).
植物学报,2001,43:280287.
[27] 赵登亮,刘钟龄,杨桂霞,等.放牧对克氏针茅草原植物群落与种群格局的影响.草业学报,2010,19:613.
[28] 谷蕊,潮洛,张立欣,等.水热因子对克氏针茅草原土壤呼吸及其土壤温度敏感性的影响.草业学报,2015,24(4):21
29.
[29] 牛书丽,韩兴国,马克平,等.全球变暖与陆地生态系统研究中的野外增温装置.植物生态学报,2007,31:262271.
[30] 万运帆,游松财,李玉娥,等.CO2 浓度和温度升高对早稻生长及产量的影响.农业环境科学学报,2014,33:16931698.
[31] 叶子飘,李进省.光合作用对光响应的直角双曲线修正模型和非直角双曲线模型的对比研究.井冈山大学学报(自然科学
版),2010,3:3844.
[42] 王英宇,杨建,韩烈保.不同灌溉量对草坪草光合作用的影响.北京林业大学学报,2006,S1:2631.
[43] 周秋平,程积民,万惠娥,等.干旱胁迫下本氏针茅光合特性和水分利用效率日动态研究.草地学报,2009,4:510514.
052 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2