草海流域优势种碳酸酐酶与固碳释氧的关系

范怡雯，喻理飞

(贵州大学林学院，贵州贵阳550025)

草海流域优势种碳酸酐酶与固碳释氧的关系

范怡雯，喻理飞

(贵州大学林学院，贵州贵阳550025)

采用不同浓度Ca溶液对贵州草海流域优势树种华山松、滇杨、白栎一年生幼苗进行处理，测定不同处理下碳酸酐酶活性、叶绿素含量、光合参数及固碳释氧量的变化，分析其对光合固碳能力影响。结果表明：(1) Ca浓度对CA活性呈低促高抑的趋势，阔叶树种滇杨和白栎CA活性高于针叶树种华山松；(2) Ca浓度的升高会抑制PSΙΙ反应中心的电子传递速率，植物通过增大叶片CA活性，提升PSΙΙ反应中心的原初光能转化效率，以增强实际光合效率；(3)阔叶树种滇杨和白栎对Ca最适浓度为100 mg/L，针叶树种华山松为50 mg/L，植物固碳释氧能力与CA活性具有相关性。这说明喀斯特高钙适生植物能够利用生境特点，增强植物叶片碳酸酐酶活性，有效促进其光合固碳能力，这对优化喀斯特岩溶地区植物固碳能力具有重要意义。

恢复生态学；优势种；碳酸酐酶；固碳释氧；草海流域；贵州

碳 酸 酐 酶（Carbonic anhydrase, CA, EC 4.2.1.1）是一种含Zn2+金属酶，它广泛的存在于动物、植物、细菌和微生物中。它主要的生物学功能是催化CO2的可逆水合反应CO2+H2O=H2CO3=HCO3-+H+[1]。

很多研究表明，不同浓度的金属处理[2-5]，会影响植物的CA活性，并对植物光合作用有影响。绿色植物作为生态系统的初级生产者，通过光合作用调节大气碳氧平衡。其固碳释氧的天然生理机能在自然界的物质循环和能量流动中起着重要的调节作用[6]。而光合作用的原初反应将吸收光能传递、转换为电能的过程中，有一部分光能损耗时以较长的荧光方式释放的，自然条件下的叶绿素荧光和光合作用有着十分密切的关系[7]。

制约西部地区可持续发展的两大环境问题分别是“南石（石漠化）北沙（沙漠化）”。贵州草海流域属于典型的岩溶环境，其脆弱性主要表现在基岩裸露（石漠化）、土壤瘠薄（低营养）、高钙镁浓度、高pH、岩石透水漏水（岩溶干旱）以及高重碳酸盐以等特征上[8-10]；这些脆弱性严重影响了植物的生长发育以及其固碳增释氧的能力。因此，要提高岩溶地区适生植物的固碳增汇能力，应充分利用其生境高钙的特点，进一步研究喀斯特适生植物生理机制，配合当地生境来治理和恢复脆弱喀斯特生态环境。

但目前对木本植物在钙离子浓度处理下，植物碳酸酐酶的变化和固碳释氧关系的的研究鲜有报道。因此，本文从岩溶地区土壤高钙性的角度出发，研究不同浓度的钙对贵州草海流域优势树种华山松 Pinus armandii、滇杨 Populus Yunnanensis、白栎White OakCA活性及光合特性的影响，揭示高钙条件下CA与固碳释氧的关系，对最大限度地挖掘喀斯特适生植物光合潜能，将喀斯特生态环境治理与固碳释氧技术融合，构建配置喀斯特适生植物的固碳释氧技术体系，从而减少喀斯特生态该系统的净CO2排放量，达到改善喀斯特生态系统的最终目的具有一定的理论与现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

实验所用植被均从贵州省威宁县草海流域花果山林业局苗圃采取。地理位置为北纬26°51′、东经 104°13′，海拔为 2 615 m，该地属于属亚热带季风气候。年均温11.2℃，年降水量739 mm。供试材料在贵州大学林学院苗圃进行培育，地理位置为北纬 26°34′、东经 106°42′，海拔为 1 100 m，该地年平均气温为15.8℃，年平均总降水量为1 229 mm。

1.2 试验材料

供试材料为贵州草海林场培育的长势均一、无病害的华山松、滇杨、白栎一年生苗木。用草海流域原状土（pH 8.07，交换性 Ca 2 867.39 mg/kg），将苗木移栽至花盆中，每盆一株，带回贵州大学林学院苗圃大棚培育。

1.3 研究方法

1.3.1 实验设计

实验根据Hoagland不完全营养液配方，采用分析纯的Ca(NO3)2·4H2O作为高钙处理材料，将浓度梯度设计为 50 mg·L-1、100 mg·L-1、200 mg·L-1、400 mg·L-1、600 mg·L-1，对照组（0 mg·L-1）的营养元素按照Hoagland完全营养液配方，实验共18个处理，每个处理3个重复。

1.3.2 测定方法

CA活性采用吴沿友[11]的PH计改良法进行测定，酶的活力用WA-unit表示(WA =t0/t1-1)；叶绿素含量测定采用张宪政的乙醇-丙酮提取法[12]；光合参数采用Li-6400便携式光合作用测定系统（美国Li-cor公司）测定；叶绿素荧光参数采用用基础型调制叶绿素荧光仪JUNΙOR-PAM（德国WALZ公司）和数据采集软件WinControl-3测定。固碳释氧量计算方法参照刘丰亮[13]净同化量的计算方法。

1.4 统计分析

所有样品均重复测定3次，采用Excel和SPSS17.0数据分析软件进行数据处理，实验结果为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 钙处理对幼苗 CA 活性的影响

如图1所示，对照组针叶树种华山松幼苗CA活性低于阔叶树种白栎和滇杨。钙处理下，三种树种幼苗的CA活性随Ca浓度增加呈先升高后降低趋势，CA活性达峰值时的钙浓度分别为华山松50 mg·L-1、滇杨和白栎 100 mg·L-1。

图1 不同浓度Ca处理植物幼苗 CA活性Fig. 1 Effects of different concentrations of Ca processing on CA activity of seedlings

2.2 钙对幼苗叶绿素含量的影响

CA主要存在于植物的叶绿体中[14]，叶绿素含量的变化也会影响植物的CA活性。

如图2所示，三树种幼苗叶绿素含量与CA活性正相关（p＜0.05），在钙处理下均先增加后减少的趋势，但叶绿素含量峰呈出现的钙浓度不同，华山松、滇杨和华山松叶绿素含量峰时的钙浓度分别为 50 mg·L-1、100 mg·L-1和 100 mg·L-1处。

图2 不同浓度Ca处理植物幼苗叶绿素含量Fig.2 Effects of different concentrations of Ca processing on chlorophyll content of seedlings

2.3 钙对一年生植物幼苗叶绿素荧光特性的影响

叶绿素荧光是研究植物光合生理与逆境胁迫关系的理想探针，通过对各种荧光参数分析可获得有关光能途径的信息，其中 Y(ΙΙ)表示 PSΙΙ实际光合效率、ETR表示电子传递速率、Fv/Fm表示PSΙΙ原初光能转化效率，是PSΙΙ最大光化学量子产量[15]，胁迫条件下这些参数值下降，表明叶片光合结构受到损伤，光合电子传递效率降低，PSΙΙ潜在活性中心受损，导致其实际光合效率较小，光合作用受到抑制qP表示光化学淬灭系数，反映的是PSΙΙ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，在一定程度上反映了PSΙΙ反应中心的开放程度，qP越大，PSΙΙ的电子传递活性越大[16]；qN非光化学淬灭系数，qN代表叶绿素荧光的非光化学淬灭，即PSΙΙ的天线系统将过量的光能热耗散掉的指标，在外界环境发生变化时，通过qN的调节使得qP保持恒定，确保电子传递速率与CO2的固定速率一致，当PSΙΙ反应中心天线色数吸收了过量的光能时，如不能及时地耗散将对光合机构造成失活或破坏，所以非光化学淬灭是一种自我保护机制，对光合机构起一定的保护作用。

如图3所示，钙处理下，三树种幼苗的Y(ΙΙ)、ETR、qP、Fv/Fm值与CA有相似的变化规律，针叶树华山松幼苗的 Y(ΙΙ)、ETR、qP、Fv/Fm值在Ca浓度为50 mg·L-1上升，之后呈下降趋势，阔叶树滇杨和白栎在Ca浓度100 mg·L-1时达到峰值，随后略微下降，下降趋势平缓；三树种的qN值都没有太大变化，参数值上下浮动。

图3 不同浓度Ca处理植物幼苗各光合指标Fig. 3 Effects of different concentrations of Ca processing on photosynthetic indicators of seedlings

在对三树种荧光参数和CA活性的相关性分析中，华山松幼苗CA活性与Y(ΙΙ)正相关（p＜0.05），与其他参数不相关（p＞0.05）；滇杨幼苗CA活性与Y(ΙΙ)、Fv/Fm正相关（p＜0.05），与ETR参数负相关（p＜0.05），与其余参数不相关（p＞ 0.05）。白栎幼苗 CA 活性与 Y(ΙΙ)、ETR分别为正相关和负相关（p＜0.05），与其他参数不相关（p＞0.05）。

2.4 钙处理对幼苗光合作用的影响

2.4.1 环境因子日变化

在叶片发育成熟并处于生长旺季的7月中旬，选择晴朗天气对研究区域的大气温度、大气CO2浓度及光合有效辐射等环境因子的日变化进行了测定，由图4和图5可以看出，气温在14∶00时达到最高值（33.45℃），光合有效辐射在12∶00出现最高值，两者在一天中均出现一个最高值，但出现最高值的时间不一致，光合有效辐射的最高值比气温达到的最高温度早，大气CO2浓度在一天当中的变化趋势为早晚高、中午低，最低值出现在中午12∶00左右，这与光合有效辐射的最大值出现时间相同。由此可见随着太阳辐射的增强，植物可利用的光合有效辐射也随之升高，植物同化CO2的能力也在增强。

图4 气温日变化Fig. 4 Daily changes of temperature

图5 大气CO2浓度、光合有效辐射日变化Fig.5 Daily changes of atmospheric CO2 concentration and photosynthetically active radiation

2.4.2 幼苗净光合速率光合日变化

由于影响叶片光合作用的环境因子(温度、光照、水分等)在1 d中发生明显的变化，因此叶片光合速率也呈现出相应的变化规律。叶片光合速率在晴天的日变化进程典型曲线一般为单峰或双峰曲线。逆境时，叶片光合速率的日进程可以变成一条双峰曲线，上、下午各有一个高峰，在两峰之间形成一个低估。这个低估被称为光合作用的中午降低或“午休”。国内有学者对部分树种的光合作用日变化进行了研究，如在有关麻栎净光合速率的日变化的研究结果表明，在生长初期和末期为单峰曲线，而在生长盛期为双峰型[17]，张小全[18]对杉木光合作用日变化进行研究，认为在夏季晴天为双峰曲线，在阴天为单峰曲线。对于有关光合“午休”的现象，人们已经做过不少研究，并提出许多假说，许大全[19]对有关研究进行综合分析，认为低空气湿度、气孔导度降低、ABA合成增加、光系统ΙΙ光化学效率下降、光呼吸升高、RUBP羧化酶活性降低等因素是导致光合“午休”现象的可能原因，然而，光合“午休”现象发生的机制迄今还不很确定。

本实验研究发现，如图6所示，不同钙处理下，华山松针叶净光合速率日变化呈单峰型，对照组最高峰值出现在12∶00左右，50～200 mg/L处理下，最高峰出现在10∶00左右，50 mg/L的净光合速率时所有对照组中的最大值，为 5.09 μmol·(m2s)-1，相比对照组 4.99 μmol·(m2s)-1变化不大，之后各处理的最大值逐渐降低，在400～600 mg/L浓度处理下，峰值的出现提前到8∶00，且仅有3.14 μmol·(m2s)-1，显著低于对照组（p＜0.05），说明华山松对Ca的耐受范围很小，高钙对华山松针叶的净光合速率主要表现为抑制性的。

在不同浓度Ca处理下，滇杨净光合速率日变化曲线呈双峰型，对照组最大峰值出现在10∶00左右，第二峰值出现在14∶00左右，当Ca处理浓度在50～100mg/L时，最大净光合速率增大，最大值达到 10.08 μmol·(m2s)-1，第二峰值出现时间推后到16∶00左右，且降幅减小，当Ca浓继续增加，达到200～600 mg/L时，最大净光合速率开始下降，峰值在 600 mg/L 时达到最小值 6.07 μmol·(m2s)-1，略小于对照组，净光合速率日变化曲线转为单峰型，峰值出现在10∶00左右。这说明高钙处理会对滇杨的光合作用产生影响，在一定浓度范围内（0～100 mg/L）能够激发净光合速率的增大，虽然第二峰值出现时间推后，但光合“午休”期间净光合速率的降幅明显减小，超出该浓度范围（0～100 mg/L）日变化曲线转变为单峰型，说明Ca的浓度已经开始抑制滇杨叶片的净光合速率，但滇杨自身的机制使其能够适应高钙的影响，缓解光合“午休”现象。

图6 不同浓度Ca处理华山松、滇杨、白栎幼苗净光合速率日变化Fig.6 Effexts of different Ca concentrations treaments on daily changes of net photosynthetic rate of P.armandi, P. yunnanensis and Q. fabri seedlings

在不同浓度Ca处理下，白栎净光合速率日变化曲线呈双峰型，最大峰值出现在10∶00左右，当Ca处理浓度在50～100 mg/L时，最大净光合速率增大，最大值达到 10.90 μmol·(m2s)-1，当Ca浓继续增加，达到200～600 mg/L时，最大净光合速率开始下降，峰值在600 mg/L时达到最小值 7.19 μmol·(m2s)-1，但仍比对照组的最大净光合速率高，净光合速率日变化曲线转为单峰型，峰值出现推后到12∶00左右。这说明白栎对高钙的环境具有较强的耐受力，在一定浓度范围内（0～100 mg/L）能够激发净光合速率的增大，光合“午休”期间净光合速率的降幅明显减小，超出该浓度范围（0～100 mg/L）日变化曲线转变为单峰型，说明白栎的自身的机制使其能够适应高钙的影响，缓解光合“午休”现象对无机碳转化的影响。

2.5 钙处理对幼苗固碳释氧的影响

2.5.1 固碳释氧量计算方法

净同化量是在植物光合作用的日变化曲线中，其净光合曲线和时间横轴围合的面积，即图7中的阴影部分。

图7 植物光合作用日同化量计算Fig.7 Calculation of tree daily photosynthesis assimilation

以此为基础，设净同化量为p，各种植物在测定当日的净同化量计算公式为：

其中：

P——测定日的通化总量 (mmol·m-2s-1)；

Pi——初测点的瞬时光合作用速率；

Pi+1——下一测点的瞬时光合作用速率(μmol·m-2s-1)；

ti——初测点的瞬时时间；

ti+1——下一测点的时间(h)；

j——测试次数。

固碳量：

mCO2=p44/1000。

释氧量：

mO2=p32/1 000。

式中：P 为测定日的通化总量 (mmol·m-2s-1)；44为二氧化碳的摩尔质量；32为氧气的摩尔质量；mCO2为单位面积的叶片固定CO2的质量(g·m-2d-1)。mO2为单位面积的叶片固定O2的质量(g·m-2d-1)。

一般认为，植物在光呼吸过程中消耗光合作用固定的CO2的20%～50%，因此上述固碳释氧量公式还应乘以一个光合系影响系数，本文计算取中值0.7。

2.5.2 幼苗固碳释氧量变化

图8 不同浓度Ca处理华山松幼苗固碳释氧量Fig. 8 The impact of different concentrations of Ca processing on carbon f i xation and oxygen release of P. armandi seedlings

图9 不同浓度Ca处理滇杨幼苗固碳释氧量Fig. 9 Effexts of different Ca concentrations treatments on carbon f i xation and oxygen release of P.yunnanensis seedlings

图10 不同浓度Ca处理白栎幼苗固碳释氧量Fig. 10 Effects of different Ca concentrations treatmentson carbon f i xation and oxygen release of Q. fabri seedlings

如图8、图9和图10所示，华山松幼苗一天的净同化量、固碳释氧量在Ca浓度50 mg/L时达到峰值，超过该浓度范围，三个值上下波动，总体呈下降趋势；滇杨幼苗的的净同化量和固碳释氧量在50 mg/L达到峰值，100 mg/L的参数值较50 mg/L略小；白栎的净同化量和固碳释氧量在200 mg/L时达到峰值，100 mg/L的参数值略小于200 mg/L。三种植物的净同化量和固碳释氧量与CA均具正相关（p＜0.05）。

3 结论与讨论

CA活性受叶绿素含量的影响，叶绿素含量越多CA活性越强针叶树种华山松幼苗CA活性低于阔叶树种白栎和滇杨，且Ca浓度对植物叶片CA活性呈低促高抑的趋势，针叶树种华山松对Ca浓度适应范围较小（0～50 mg/L），阔叶树种滇杨和白栎对Ca浓度的适应范围在0～100 mg/L，这一结论可说明贵州草海周边喀斯特地貌条件下滇杨、白栎、华山松能成为优势种的原因，也可印证在喀斯特区阔叶树种多，针叶树种很少这一现象。植物的净光合速率也在该浓度范围内有较好的表达[20]。

高钙浓度会影响植物的叶绿素荧光生理指标的变化，CA活性的变化主要影响Y(ΙΙ)、Fv/Fm和ETR三个指标，其中与Y(ΙΙ)的关系最密切，钙浓度的升高会抑制PSΙΙ反应中心的电子传递速率，植物通过增大叶片CA活性，提升PSΙΙ反应中心的原初光能转化效率，以增强实际光合效率。有研究表明微藻及其CA对石灰岩土壤系统中的Ca元素迁移有较强的驱动作用，植物叶片中的CA是否对植物体内Ca2+也有驱动作用，以使植物能更好的适应高钙环境还需要进一步深入研究。

植物固碳释氧能力与CA活性又密切关系，在植物对钙的适应范围内，CA活性表达良好，固碳释氧量较高，滇杨和白栎幼苗100 mg/L的固碳释氧量也远大于对照组，虽然比峰值略小，但在钙浓度处理下其他生理指标都具有良好表达，因此阔叶树种滇杨和白栎对Ca最适浓度为100 mg/L，针叶树种华山松为50 mg/L。

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Relationship between carbonic anhydrase and carbon f i xation and oxygen release of dominant tree species in Caohai watershed

FAN Yi-wen, YU Li-fei
(College of Forestry, Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou, China)

The one-year-old young seedlings of three dominant tree species (Pinus armandi, Populus yunnanensis and Quercus fabri) in Caohai watershed were treated with different concentriations of Ca solutions, the carbonic anhydrase (CA) activity, chlorophyll, fl uorescence and carbonfi xation and oxygen release were determined and the effects of 4 variables on photosynthetic carbonfi xation capacity of the tested trees were analyzed. The results show that (1) The CA activity was promoted with low concentration of Ca and suppressed with high concentration of Ca, the CA activities of broad-leaved species, P.s yunnanensis and Q. fabri, were stronger than that of P. armandi; (2) As the Ca concentration was elevated, the electron transporting rate of PSΙΙ reaction center was inhibited, the primary light energy conversion ef fi cienty of PSΙΙ reaction center could be enhanced through the increase of CA activity of tree leaf, and the actual photosynthetic ef fi ciency can be enhanced as well; (3) The optimum Ca concentration of broad-leaved tree species, P.yunnanensis and Q. fabri, was 100 mg/L, that of the conifer species P. armandii was 50 mg/L, there existed correlation between carbon fi xation and oxygen release and CA activity. Therefore, the adaptive tree species in karst with high calcium environment could take advantage of local habitat characteristics, which could enhance the CA activity of tree leaves and effectively promote the photosynthetic carbon sequestration capacity. This is signi fi cant to the carbon sequestration ability optimization of the tree species in karst areas.

restoration ecology; dominant tree species; carbonic anhydrase; carbonfi xation and oxygen releas；Caohai watershed; Guizhou province

S751； Q945.78；Q948.11

A

1673-923X(2013)12-0106-07

2013-03-24

国家“十二五”科技支撑计划课题“草海湿地生态系统恢复与重建关键技术研究与示范”(2011BAC02B02)

范怡雯（1987-），女，贵州贵阳人，硕士研究生，研究方向：恢复生态学

喻理飞（1963-），男，贵州贵阳人，博导，教授，研究方向：恢复生态学；E-mail：gdyulifei@163.com

[本文编校：吴 彬 ]