沙质草地3种优势植物叶片光合生理对增温和降水减少的响应

何远政，黄文达，王怀海，朱远忠

(1 中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000；2 中国科学院大学，北京 100049)

近年来，气候变暖，降水逐渐减少，水分蒸发增加[1-2]，导致干旱和半干旱地区的面积增加[1]。干旱和半干旱地区是典型的生态脆弱区，该地区的植物生长常受到温度和湿度的限制[3]。温度和水分作为植物生长发育重要的气候因素[4]，强烈影响着植物的各个生理过程，尤其是光合作用[5]。有研究表明，增温和干旱都会降低植物的光合速率[6-7]，而且增温和降水减少的耦合作用也会改变植物的生理特征，抑制光合作用[8]。因此，研究群落中不同类型植物在气候变化下的光合特性，可以更深入了解其生理特性和生态适应性[7]。

科尔沁沙地位于中国北方半干旱农牧交错带东南端，是中国生态环境最为脆弱的地区之一[9-10]。近年来，由于气候变化和人类活动的影响，沙漠化发展严重，植被-土壤遭受严重威胁，引起了各界的高度关注[11]。优势种在科尔沁沙质草地群落中占据着重要生态位，对群落结构与功能的稳定起着至关重要的作用，沙区植被对环境变化的响应，主要取决于其优势种的响应和适应能力[12]。因此明确主要优势种对气候变化的生理生态响应与变化特征，对揭示气候变化对沙质草地植物适应性的影响具有一定意义。近年来，关于气候变化对沙质草地植物适应性研究主要集中在植物生长方面，而关于其群落优势种在气候变化下光合生理生态研究较少[13]。猪毛蒿(Artemisiascoparia)、胡枝子(Lespedezadavurica)和糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)为沙质草地群落常见种，三者在该区植被恢复中均具有较广的分布幅度和占比，其中猪毛蒿和胡枝子分别为菊科和豆科C3植物，糙隐子草为禾本科C4植物。因此，本研究以中国北方农牧交错带沙质草地3种优势植物猪毛蒿、胡枝子和糙隐子草为研究对象，通过模拟增温和降水减少，探究气候变化对沙质草地群落不同类型植物光合特性的影响，揭示其对增温与降水减少的响应机制，以期为北方农牧交错带沙地治理过程中物种配置提供科学依据和理论支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古通辽市奈曼旗，地处中国北方农牧交错带东南部的科尔沁沙地腹地(120°41′～120°45′E，42°55′～42°57′N，海拔340～370 m)。该区域属于温带大陆性气候，年均降水量351.7 mm，集中在6～8月，年蒸发量1 500～2 500 mm，年均温4～7 ℃。土壤为沙质土壤。这里地上-地下生态系统水热条件梯度变化明显，是中国农牧交错带特征最为典型的区域。研究区域天然植被主要以小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)、盐蒿(Artemisiahalodendron)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、狗尾草(Setariaviridis)、猪毛菜(Salsolacollina)、雾滨藜(Bassiadasyphylla)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)和胡枝子(Lespedezadavurica)等为主。

1.2 实验设计

2019年9月将试验布设于中国科学院奈曼沙漠化试验站长期围封样地内，全年增温样地利用开顶式生长室(Open-top chamber，OTC)作为增温设施 (生长季大气温度平均升高2.1 ℃)(图1，a)。OTC为正六边形圆台结构，底部直径2.0 m，顶部直径1.8 m，高 0.5 m，材料为白钢骨架和高透光性、低泛黄度指数、高 UV 穿透的透明丙烯酸塑料板。无增温样地利用与增温OTC一样的白钢骨架和不锈钢窗纱制作另外一种OTC，无增温效果，属于自然温度样地。全年降水减少设施利用奈曼站自主研发的减雨装置(专利号：ZL 2012 2 0126834.3)(图1，b)。该减雨装置长2.5 m×宽2.5 m×高1.5 m，由支撑架和截雨槽两部分构成，顶部倾斜15°。截雨槽用高透明有机玻璃板压热成直角角槽，其透光率可达95%，不影响植物生长。通过截雨槽截留部分降雨来控制减雨量。试验采用气温和降水两因素全因子随机区组设计，气温设自然温度(T0)和增温(T)两个水平，降水设减少降水0(W0，对照)、20%(W20，轻度干旱)、40%(W40，中度干旱)和60%(W60，重度干旱)4个水平，共组成8个处理组合，48个试验样方。每块样地降水减少区面积为 2.5 m×2.5 m，样地间隔2 m，每块样地的正中放置增温或者无增温OTC，OTC中央2 m2的区域作为主要研究区域。试验样地周围使用围栏进行保护，以防止自然或者人为放牧破坏。

a.增温装置；b.降水减少装置；c.增温×降水减少装置图1 模拟气候变化实验装置a. Warming apparatus; b. Precipitation reduction apparatus; c. Warming and precipitation reduction union apparatusFig.1 The experimental apparatus to simulate climate change

1.3 测定指标及方法

1.3.1 气体交换特征采用Li-6400便携式光合测定系统(LI-COR，Lincoln，USA)，在无风晴朗天气里连续3 d依次测定猪毛蒿、胡枝子和糙隐子草的光合生理特征。本次测定于2021年8月8～10日9:00～11:30进行。每种植物选取生长状况一致的植株，取枝条上部相同叶位且发育成熟并完全展开的叶片，测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)。每个处理3次重复。测定时均采用2 cm×3 cm标准叶室，但由于3种植物单叶面积均小于标准叶室面积，测定时将叶片尽量平铺于整个叶室，避免相互遮挡。不能完全充满叶室的，光合测定结束后，剪下叶室中的叶片，经扫描后计算出实际光合叶面积，并根据实际叶面积值换算Pn、Gs、Tr等气体交换参数。叶片瞬时水分利用效率根据WUE=Pn/Tr公式进行计算[14]，气孔限制值(Ls)根据Ls=1-Ci/Ca计算[15]。

1.3.2 叶绿素荧光特征在测定光合气体交换特征的同时，利用便携式荧光仪(HandyPEA，英国，Hansatech公司)测定同一植株的叶绿素荧光特征，每个处理3次重复。测定前，先将叶片用暗适应夹夹住以适应20～30 min。测定指标包括叶绿素初始荧光(Fo)和最大荧光(Fm)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)。

1.4 数据处理与分析

采用Excel软件进行数据整理，采用SPSS 21.0处理数据，先对数据进行方差齐性检验和正态性检验，然后利用双因素方差分析(Two-way ANOVA)检验增温和降水减少的交互作用对3种优势物种光合气体交换参数和叶绿素荧光参数影响的差异显著性。处理间的光合气体交换参数和叶绿素荧光参数用单因素方差(One-way ANOVA)进行分析，用Duncan法进行多重比较(α=0.05)。采用t检验分析了增温和对照处理下各光合气体交换和叶绿素荧光参数的显著性差异，显著性水平设为α=0.05。采用一元线性回归分析Pn与PS Ⅱ最大光化学效率和PS Ⅱ潜在活性之间的关系。采用Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 沙质草地3种优势植物叶片气体交换参数

由图2和图3可以看出增温和降水减少对3种植物光合生理产生了不同程度影响。

2.1.1 气孔导度增温显著降低胡枝子和糙隐子草Gs，对猪毛蒿Gs无显著影响。其中，无论增温与否，猪毛蒿Gs随水分胁迫加剧而降低，在重度干旱胁迫(T0W60、TW60)时分别显著低于相应对照(T0W0、TW0)28.0%和21.9%。在自然温度条件下，中度和重度干旱胁迫时(T0W40、T0W60)糙隐子草Gs分别显著低于对照(T0W0)59.0%和76.1%；在增温条件下，中度干旱胁迫时(TW40)胡枝子Gs显著低于对照38.1%(图2)。

T0表示自然温度；T表示增温；W0、W20、W40和W60分别表示降水减少0%、20%、40%和60%。不同小写字母表示同一温度条件下降水处理之间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示同一降水条件下温度处理之间差异显著(P<0.05)；括号内数字为不同处理下的F值；*和**分别表示P<0.05和P<0.01；n.s. 表示无显著差异。下同图2 增温与降水减少对沙质草地3种优势植物气孔导度、胞间CO2浓度、气孔限制值的影响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 胞间CO2浓度增温显著增加了猪毛蒿Ci，对胡枝子Ci无显著影响；在轻度干旱胁迫时，增温显著降低糙隐子草Ci。其中，在自然温度条件下，重度干旱胁迫时(T0W60)胡枝子Ci显著高于对照(T0W0)10.7%，而此时糙隐子草Ci则显著低于对照(T0W0)12.2%。在增温条件下，所有干旱处理猪毛蒿Ci均显著高于对照(TW0)，增幅分别达4.5%、6.0%和8.4%(P<0.05)；中度干旱胁迫时(TW40)，糙隐子草Ci显著高于对照(TW0)14.9%(图2)。

2.1.3 气孔限制值增温显著降低了轻度和重度干旱胁迫时猪毛蒿Ls，增温同样显著降低了中度干旱胁迫时糙隐子草Ls，但对胡枝子Ls无显著影响。其中，在自然温度条件下，与对照(W0)相比，重度干旱胁迫时胡枝子Ls显著降低了33.6%；轻度干旱胁迫时糙隐子草Ls显著低于重度胁迫36.8%。在增温条件下，重度干旱胁迫时猪毛蒿Ls显著低于对照和轻度胁迫，降幅达29.1%，糙隐子草和胡枝子的Ls在干旱处理间差异不显著(P>0.05)(图2)。

2.1.4 净光合速率增温显著降低糙隐子草Pn，对猪毛蒿Pn无显著影响；增温显著降低在轻度和重度干旱胁迫时胡枝子Pn。无论增温与否，猪毛蒿Pn随水分胁迫加剧而降低，其在重度干旱胁迫时(T0W60、TW60)，分别显著低于对照(T0W0、TW0)38.9%和71.3%；胡枝子和糙隐子草的Pn随水分处理梯度变化一致，均表现为中度及重度干旱胁迫时其值显著低于对照，自然温度和增温处理下两种植物Pn降幅分别达47.8%、51.5%和26.4%、37.5%(图3)。

2.1.5 蒸腾速率和水分利用效率增温显著增加了轻度干旱胁迫时猪毛蒿Tr，显著降低了轻度干旱胁迫时胡枝子Tr和自然降雨条件下糙隐子草Tr。在自然温度条件下，轻度干旱胁迫时(T0W20)猪毛蒿Tr显著低于对照(T0W0)；糙隐子草Tr随干旱胁迫加剧而降低，且轻度及以下干旱胁迫时显著高于中度及重度干旱胁迫，差异幅度达54.5%。在增温条件下，所有干旱处理下胡枝子Tr均显著低于对照(TW0)，差异幅度达57.8%(P<0.05)。另外，重度干旱胁迫时，猪毛蒿WUE低于对照，在自然温度和增温处理下降幅分别达23.6%和54%(图3)。

图3 增温与降水减少对沙质草地3种优势植物净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的影响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 沙质草地3种优势植物叶绿素荧光特征

由图4可以看出，增温和降水减少对3种植物叶绿素荧光特征产生了不同程度影响。

图4 增温与降水减少对沙质草地3种优势植物叶绿素荧光的影响Fig.4 Effects of warming and precipitation reduction on chlorophyll fluorescence of three dominant species in sandy grassland

首先，增温显著影响了自然降雨条件时猪毛蒿Fo，而对所有处理下胡枝子和糙隐子草Fo均无显著影响 (图4)。无论增温与否，随着降水减少，3种优势植物的Fo在水分处理间差异均不显著(P>0.05)(图4)。

其次，增温对糙隐子草Fv/Fm和Fv/Fo均无显著影响(P>0.05)，但显著降低了中度干旱胁迫时猪毛蒿和胡枝子Fv/Fm和Fv/Fo(P<0.05)，也显著降低了轻度干旱胁迫时胡枝子Fv/Fo(P<0.05)。在自然温度条件下，与对照(T0W0)相比，猪毛蒿Fv/Fm和Fv/Fo随干旱胁迫加剧而降低，在重度干旱胁迫时(T0W60)达到最低，并显著低于其他处理，降幅分别达14.7%和68.4%(P<0.05)；轻度干旱胁迫时(T0W20)胡枝子Fv/Fm和Fv/Fo显著高于其他处理，增加幅度分别为5.9%和19.6%(P<0.05)；糙隐子草Fv/Fm随干旱胁迫加剧而降低，重度干旱胁迫时其Fv/Fm和Fv/Fo分别显著低于对照14.3%和43.8%(P<0.05)。在增温条件下，与对照(TW0)相比，猪毛蒿和胡枝子Fv/Fm和Fv/Fo在重度干旱胁迫时(TW60)分别显著降低了10.9%、20.6%和36.8%、86.8%(P<0.05)；糙隐子草Fv/Fm和Fv/Fo随干旱胁迫加剧而降低，在中度(TW40)和重度干旱胁迫时显著低于对照，降低幅度分别达32.7%和89.7%(P<0.05)(图4)。

2.3 3种优势植物净光合速率与PSⅡ最大光化学效率和潜在光化学活性之间的相关性

相关性分析表明(图5)，3个优势种的Pn与Fv/Fm均呈显著正相关，其中猪毛蒿和胡枝子的Pn—Fv/Fm斜率明显高于糙隐子草。3个优势种的Pn与Fv/Fo也均呈显著正相关，其中胡枝子和糙隐子草的Pn—Fv/Fo斜率明显高于猪毛蒿。

图5 增温和降水减少处理下3种优势植物叶片净光合速率与PSⅡ 最大光化学效率和PSⅡ 潜在活性的关系Fig.5 Relationships between leaf net photosynthetic rate with PSⅡ maximum photochemical efficiency and PSⅡ potential activity of the three dominant species

3 讨 论

3.1 增温对3种优势植物叶片气体交换参数和叶绿素荧光特征的影响

温度和降水是影响植物叶片水分代谢和光合作用的重要环境因子[16]。有研究表明，温度升高会降低植物的光合速率[6]。本研究也得出了相似的结果，即增温显著降低了胡枝子和糙隐子草叶片Pn，抑制了两种植物的光合作用。植物吸收的水分大部分消耗于蒸腾作用，蒸腾速率(Tr)反映了植物的耗水情况[17]。本研究结果显示，增温显著降低了胡枝子叶片Tr，这是因为温度升高，植物通过反馈调节使叶片气孔关闭，Gs下降，导致植物Tr下降[18]。水分利用效率(WUE)作为植物光合和蒸腾特性的综合反映，能快速捕捉到植物叶片水分动态变化。本研究发现温度显著影响了猪毛蒿和胡枝子WUE，这表明这两种植物WUE对温度变化较为敏感，这与Xu和Zhou[16]对羊草(Leymuschinensis)的研究结果相似。气孔调节是植物抵御水分胁迫的第一道防线[19]。本研究结果显示，猪毛蒿的叶片气孔限制值(Ls)随增温显著降低，可能是因为增温降低了Gs，通过气孔进入叶肉细胞的CO2浓度减少，由于叶肉细胞受到损伤导致叶肉细胞中的Ci未能及时同化固定，从而导致叶肉细胞中的CO2浓度积累增加，Ls降低。

叶绿素荧光特征能从内在揭示植物光合生理的表现[20]。已有研究发现增温会显著影响植物叶绿素荧光特征[21]。在 25～40 ℃时，植物Fo增幅不大[22]。这与本研究结果相同，增温处理下，3种优势植物的Fo均无显著变化，表明增温对3种植物PSⅡ反应中心造成的损伤不大。Fv/Fm代表原初光能转化的最大效率，Fv/Fo表示PSⅡ的潜在光化学活性[23]。本研究结果显示，猪毛蒿和胡枝子的Fv/Fm和Fv/Fo随温度升高显著降低，表明增温使两种植物PSⅡ反应中心开放程度降低，抑制了叶片光合原初反应电子传递过程，导致原初光化学效率降低，潜在光化学活性中心受损，引起光抑制。而糙隐子草Fv/Fm和Fv/Fo随增温均无显著变化，反映出糙隐子草PSⅡ反应中心处于较为稳定的生理状态，免受增温伤害的能力较强，也表明不同物种对温度的响应存在显著差异[24]。

3.2 降水减少对3种优势植物叶片气体交换参数和叶绿素荧光特征的影响

与增温效应相同，水分胁迫也会降低植物Pn，抑制植物生长[7,25]。本研究结果显示自然温度下轻度和中度以上干旱胁迫分别显著降低了猪毛蒿和糙隐子草Tr，而且糙隐子草的变化幅度大于猪毛蒿。这是因为沙质草地群落草本植物为了保证呼吸作用正常进行，选择降低蒸腾速率，这也是一种避旱机制。当植物受到水分胁迫时，减少水分散失是植物首要选择[26]。本研究发现降水减少只对猪毛蒿WUE起显著作用，而且重度干旱胁迫时猪毛蒿WUE显著低于自然降雨，这是因为随着干旱加剧，猪毛蒿叶片光合器官受到损害，气孔调节作用减弱，Pn和Tr均下降，Pn降幅大于Tr导致WUE大幅降低，这和已有的研究结果一致[27]，这也体现了沙质草地群落一年生植物的避旱策略。本研究发现，在自然温度下，随着降水梯度增加，胡枝子Ls显著下降，而糙隐子草Ls变化趋势与之相反，这可能是因为两种植物的光合途径不同，即糙隐子草是C4植物，水分胁迫条件下，其叶片Pn的下降受到了“气孔限制”的影响，进入叶片的CO2供应受阻，通过气孔进入叶肉细胞的CO2浓度减少，导致Ls升高。

Fv/Fm反映植物利用光能的最大能力[23]。本研究中3种优势植物Fv/Fm值均低于正常水平(Fv/Fm≥0.8)，而且随着干旱胁迫的加剧，猪毛蒿和糙隐子草Fv/Fm均呈现显著下降趋势，并在重度干旱胁迫时达到最低，说明重度干旱胁迫使得两种植物PSⅡ反应中心的电子传递严重受阻，导致PSⅡ反应中心光化学能力减弱[28]，这与梭梭(Haloxylonammodendron)、白刺(Nitrariatangutorum)和沙蒿(Artemisiadesertorum)的相关研究结果相一致[29]。此外，在相同实验梯度下，糙隐子草Fv/Fm比猪毛蒿和胡枝子下降更明显，说明糙隐子草PSⅡ的光抑制更强烈，这与部分研究结果一致[23,30]。

3.3 温度和降水减少交互作用对叶片气体交换参数和叶绿素荧光特征的影响

气候因子之间的交互作用会对植物的光合作用产生影响[31-32]。例如，增温和减少降水的耦合作用会抑制植物的光合作用[8]。本研究中，无论增温与否，随着降水减少梯度的增加，3种优势植物叶片Pn均显著下降，而且均表现为重度干旱胁迫时其值显著低于自然降雨。这与许多研究中水分胁迫对植物叶片Pn影响的结论一致[16,33]。说明在相同的生境条件下，不同类型沙生植物Pn具有一定的趋同效应。研究还发现增温与降水减少交互作用下3种植物Pn下降幅度大于降水减少单因子处理。说明增温加剧了降水减少对3种优势植物Pn的抑制作用。增温与降水减少交互作用显著影响了胡枝子和糙隐子草Tr。这说明沙质草地群落多年生植物Tr受气候条件的影响较大。在增温条件下，随着降水减少梯度的增加，胡枝子Tr显著下降，这可能是因为温度增加而水分供应不足时，气孔主动调节张开的大小以避免叶片被灼伤，因此Tr会大幅度下降[34]。本研究结果指出重度干旱胁迫时，猪毛蒿WUE显著低于自然降雨，且增温与降水减少交互作用下猪毛蒿WUE降幅更大。这是因为随着干旱加剧，猪毛蒿叶片光合器官受到损害，气孔调节作用减弱，Pn和Tr均下降，Pn降幅大于Tr导致WUE大幅降低，这和已有的研究结果一致[27]，这也体现了沙质草地群落一年生植物的避旱策略。随着增温和降水减少交互作用的加强，糙隐子草WUE逐渐提高，这是植物叶片气孔关闭的直接结果，也是Pn下降的间接原因[35]。然而，无论增温与否，降水减少并没有引起胡枝子WUE的显著变化，这可能取决于其光合特性对水分胁迫的敏感度。

本研究中无论增温与否，降水减少对3种优势植物Fo比对照处理都有所增加，但增幅不大，说明增温和降水减少导致PSⅡ反应中心受到一定程度的破坏。在增温条件下，3种优势植物叶片的Fv/Fm随干旱胁迫加剧下降幅度更大，说明增温加剧了降水减少对3种优势植物Fv/Fm的抑制作用。无论增温与否，3种优势植物的Fv/Fo与Fv/Fm具有相同的变化趋势，即随着降水减少梯度的增加而逐渐降低，表明增温与降水减少处理对3种优势植物光合机构造成了一定程度的损伤。

3.4 Pn与PSⅡ最大光化学效率和PSⅡ潜在活性之间的关系

相关性结果指出3种优势植物叶片的Pn与Fv/Fm和Fv/Fo均呈显著正相关，表明增温和降水减少降低了各优势植物的PSⅡ反应中心光化学效率和潜在活性，进而降低了光合能力。这也进一步说明，PSⅡ反应中心光化学效率和潜在活性的高低直接决定了光合作用的强弱，由于胁迫环境造成的低光化学效率和潜在活性会成为光合作用的重要限制因子。付士磊等的研究结果支持了本项研究，即随着Fv/Fo与Fv/Fm的降低，植物的PSⅡ反应中心受到一定程度的破坏，导致光能用于热耗散的比例增加，加剧了光合速率的下降[36]。