利用二氧化碳測量儀和葉綠素檢測儀研究影響蒙古櫟幼苗葉綠素含量的因素

      光合作用是植物生長的重要能量來源和物質(zhì)基礎(chǔ)，而葉綠素含量的多寡及a/ b值對光合速率有直接的影響。葉片中葉綠素含量是反映植物光合能力的一個重要指標(biāo)。CO2是引起全球變化的重要溫室氣體，自19世紀(jì)70年代工業(yè)革命以來，由于人類活動的影響，大氣CO2濃度正逐步升高，已由100多年前的不到280μmol•mol-1升高到350μmol•mol-1，并每年仍以1~2μmol•mol-1的速度繼續(xù)增加。預(yù)計在本世紀(jì)中、后期將達(dá)到650~700μmol•mol-1，比現(xiàn)在增加1倍，同時溫度也將伴隨升高1~3. 5℃。溫度對酶促反應(yīng)及其發(fā)生在細(xì)胞膜上的生理生化反應(yīng)有很大影響。CO2既是光合作用的反應(yīng)底物，同時目前大氣CO2濃度水平又是C3植物光合作用的限制因子之一，對植物生理生化過程有制約作用。因此，大氣CO2濃度的升高，除了通過溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變化對植物產(chǎn)生間接影響外，還直接影響植物光合作用和生長發(fā)育。這也必然反映在植物葉片中葉綠素含量上，目前CO2濃度升高對植物葉片中葉綠素含量影響的研究結(jié)果并不一致，有些研究結(jié)果表明CO2濃度升高能夠促進(jìn)葉綠素的合成，也有些結(jié)果表明CO2濃度升高使葉片中的葉綠素含量降低，本文利用二氧化碳測量儀和葉綠素檢測儀研究不同氮素濃度下CO2濃度、溫度對蒙古櫟幼苗葉綠素含量的影響。

      氮是植物中基本的礦物元素，占植物干物質(zhì)的1. 5% ~2%和總植物蛋白的16%左右。氮素是植物需求量最大的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，同時也是植物個體乃至自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)(包括農(nóng)業(yè)系統(tǒng))生長最常見的限制因子。氮素缺乏是大多數(shù)北半球森林生態(tài)系統(tǒng)普遍存在的現(xiàn)象，是森林生長的主要限制因子之一。在東北，森林凋落物因受溫度影響分解速度和有機物礦質(zhì)化過程緩慢，森林樹木常受到氮營養(yǎng)脅迫。由于未來氣候變化，植物的光合作用和生長將受到多種環(huán)境因子的協(xié)同作用的影響，因此揭示這種外界環(huán)境因子對植物綜合作用的結(jié)果非常重要。

      蒙古櫟為東北次生落葉闊葉林的主要組成樹種及我國的主要用材樹種之一。在該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位。本文的目的在于通過研究在CO2倍增、高溫條件下不同氮素水平蒙古櫟葉片葉綠素含量的變化來預(yù)測未來CO2濃度升高，并伴隨溫度上升的情況下，蒙古櫟幼苗在不同的氮素營養(yǎng)水平下光合作用的變化，從而對蒙古櫟生物量的早期預(yù)測和未來全球變化對氮素的需求量預(yù)測提供理論依據(jù)。

1. 1　材料

      實驗所用蒙古櫟種子于2004年秋季采自東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實驗林場的蒙古櫟林，幼苗于2005年春季播種，溫室條件下生長一階段，每株幼苗分別移栽至15 cm×13 cm的塑料缽中，用砂土(土：沙為3：1)培養(yǎng)。待幼苗長至10 cm左右，選擇株高及生長狀況基本一致的幼苗移至人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行實驗。

1. 2　方法

1. 2. 1　二氧化碳倍增處理和高溫處理

      利用加拿大公司生產(chǎn)的E8型人工氣候箱進(jìn)行二氧化碳倍增及溫度升高處理，模擬的正常溫度條件為帽兒山地區(qū)6~8月份的平均溫度日變化(圖1)。高溫處理是在此正常溫度條件下平均增加4℃。濕度平均為60%，由人工氣候箱自動控制。同時在另一相同型號的人工氣候箱內(nèi)設(shè)一對照進(jìn)行比較(二氧化碳濃度正常，為400μmol CO2•mol-1air)。人工氣候箱有3組燈管，每組燈管包括一個鈉燈和一個金屬鹵素?zé)�，兩種燈的光質(zhì)是不同的，可以通過對3組燈管的開閉來模擬外界的光照強度的日變化，每鈉燈和每金屬鹵素?zé)舻恼斩染鶠?00~250μmol photos•m-2•s-1，同時開放3組燈時，光照強度可以達(dá)到1200~1500μmolpho2tos•m-2•s-1，能滿足植物正常生長的需要。濕度平均為60%，由人工氣候箱自動控制。

 1. 2. 2　不同氮素水平處理

      在上述3組人工氣候箱內(nèi)，將蒙古櫟幼苗設(shè)置高氮、正常氮和不施氮3種氮素水平處理，氮素采用NH4NO3進(jìn)行控制，氮濃度梯度處理分別為： 15mmol•L-1N(高氮)， 7. 5mmol•L-1N和不施氮(其中7. 5 mmol•L-1為對照，作為正常供氮水平)。用Hogland缺氮營養(yǎng)液每隔4天施用一次，保證其他營養(yǎng)成分的供應(yīng)。并且每天上午定時澆水，處理3個月。

1. 2. 3　葉綠素含量的測定

      葉綠素含量的測定采用葉綠素測量儀法：用1 cm2的打孔器從蒙古櫟的葉片中取下兩塊，稱重，放于試管中，加入5mL二甲基亞砜，放于60℃水浴中3小時(暗處)，至葉子綠色退去為止。每株葉樣盡量在葉片的相同部位取得。用可見光分光光度計(WJF2100上海)測定649和665 nm兩個波長處的吸光度。葉綠素濃度(μg•ml-1)按Küster等人的方法計算。

 繪圖在Origin7. 5中完成，所有統(tǒng)計分析采用SPSS軟件。

2. 1　不同氮素水平對蒙古櫟幼苗的影響

      實驗結(jié)果表明，在對照實驗中，3種氮素水平對葉綠素a的合成(圖2.5)，其含量隨著施氮水平的下降遞減。高氮水平下的葉綠素a、b和總量極顯著地高于正常氮和不施氮，而在正常氮和不施氮條件下差異不顯著，但不施氮水平下的葉綠素總量與正常氮相比有下降的趨勢，但差異不顯著(圖2.2)。氮素是葉綠素分子重要的組成元素，培養(yǎng)基質(zhì)中氮的含量直接影響蒙古櫟幼苗葉中葉綠素的合成，尤其對葉綠素a的合成影響較大，在營養(yǎng)充足的情況下也促進(jìn)葉綠素b的合成。

2. 2　CO2倍增和不同氮素水平對葉綠素含量的協(xié)同作用

      在高氮素水平下，CO2倍增使蒙古櫟幼苗的葉綠素a， b和總含量與對照相比極顯著地增加；而葉綠素a/b明顯低于對照(表1)，說明在營養(yǎng)充足的條件下，CO2倍增有效促進(jìn)了葉綠素含量的增加，尤其促進(jìn)了葉綠素b的合成。在正常氮水平下，CO2倍增在一定程度上促進(jìn)了葉綠素a， b和總含量的合成，而葉綠素a/b有下降趨勢，但差異不顯著(表1)。在不施氮的水平下，CO2倍增使葉綠素a和a/b極顯著地增加，而對葉綠素b和總含量沒有影響(表1)。

      在CO2倍增條件下，高氮素水平與正常氮素和不施氮素差異極其顯著，葉綠素含量(a，b和總量)明顯增加，葉綠素a/b在3種處理之間比較穩(wěn)定，沒有變化(圖2：1)。正常氮和不施氮對葉綠素含量也沒有影響(圖2)。由此說明CO2倍增所帶來的充足的碳源，植物必須有相應(yīng)較高的氮源不斷供應(yīng)，以保證一定水平的C/N比例，滿足植物正常生長的需要。因此在CO2倍增和高氮的相互作用下，葉綠素含量顯著增加(表1)，而在氮源不足的情況下，即使有充足的碳源供應(yīng)，C/N失衡，葉綠素含量也不會產(chǎn)生影響。

2. 3　高溫和不同氮素水平對葉綠素含量的影響

      在高氮水平下，高溫(正常溫度+ 4℃)只對蒙古櫟幼苗的葉綠素a產(chǎn)生影響，使其顯著增加(表1)；而葉綠素b和總含量有增加趨勢，但差異不顯著；正常氮水平下，高溫對葉綠素含量均有增加趨勢，但差異都不顯著；在不施氮的水平下，葉綠素a/b顯著增加。從生長狀態(tài)上看，溫度升高4℃使蒙古櫟幼苗并沒有達(dá)到脅迫，而是在一定程度上促進(jìn)了幼苗的生長，也可能溫度升高4℃接近該種生長的最適溫度，但對葉綠素含量的影響不大，僅在高氮的情況下促進(jìn)了葉綠素a的合成，不施氮的水平下，相對促進(jìn)了葉綠素a或減少了葉綠素b(表1)。

      在高溫條件下，高氮使幼苗的葉綠素a和總含量極顯著地高于正常氮和不施氮，葉綠素b含量只在高氮和不施氮間差異顯著。正常氮和不施氮間沒有變化，葉綠素a/b趨于穩(wěn)定(圖2)。

      大部分植物對礦質(zhì)營養(yǎng)的需求與對其他資源———能量和水的需求一樣，需要一個平衡的營養(yǎng)狀態(tài)以維持最理想的生長。氮素是植物需求量最大的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，同時也是葉綠素的關(guān)鍵組成成分，缺乏時就不能形成葉綠素，所以在CO2倍增、高溫、對照條件下都表現(xiàn)出高氮水平下葉綠素a、b、總量都高于低氮和不施氮的處理(圖2)。CO2和溫度對葉綠素含量的影響受到氮素的制約，氮素水平的不同， CO2和溫度對葉綠素含量的影響也不同：

      在高氮的條件下葉綠素a的含量在CO2倍增和高溫條件相對于對照條件都有顯著提高(表1)，從能量傳遞效率看，葉綠素a較多，預(yù)示著可以被能量激發(fā)的分子數(shù)就多，參加光合作用的分子數(shù)也多，因而光合產(chǎn)物就高，所以，在養(yǎng)分充足的條件下，CO2倍增和提高一定的溫度能夠促進(jìn)植物的光合作用能力。CO2倍增條件下葉綠素b的含量也有顯著提高(表1)，而且從葉綠素a/b比值變化可知，當(dāng)CO2濃度倍增處理時，該值的減小幅度最為明顯。這意味著葉綠素b相對含量增多，葉綠素a/b比值主要是由葉綠素b的變化引起的，葉綠素b有利于植株更充分地吸收漫射光與反射光中的藍(lán)紫光，增強光合效能，從而促進(jìn)群體的光合作用。

      在正常的氮素條件下CO2倍增和高溫對葉綠素a，葉綠素b及總量的影響均不顯著(表1)，表明沒有充足的氮素營養(yǎng)供應(yīng)的情況下，CO2和溫度對葉綠素促進(jìn)作用不明顯；在不施氮的條件下，雖然葉綠素的含量很低，但是在CO2倍增和高溫的條件下葉綠素a的含量顯著高于對照，而葉綠素b的含量和總量差異不顯著(表1)，說明在養(yǎng)分條件嚴(yán)重脅迫時CO2倍增和升高適當(dāng)?shù)臏囟仍谝欢ǖ某潭壬峡梢源龠M(jìn)葉綠素a的合成，從而保證植物的光合能力，但是由于養(yǎng)分的限制，不能同時保證葉綠素b的合成。

本實驗結(jié)果也表明，帽兒山地區(qū)生長季的氣溫并不是蒙古櫟生長的最適溫度，而是低于最適溫度。這一點與該種很寬的生態(tài)幅有密切關(guān)系，其天然分布區(qū)很廣，我國華北和東北都有分布。因此，在未來氣候變暖的條件下在一定意義上能夠促進(jìn)該種的生長，當(dāng)然主要還是取決于各項環(huán)境因子的綜合作用。

本項研究結(jié)果表明，CO2濃度升高明顯導(dǎo)致蒙古櫟幼苗對氮素水平的需求也增加，高溫條件下的蒙古櫟幼苗也在一定程度上增加了對氮素的需求�！　�

      CO2倍增所帶來的充足的碳源，植物必須有相應(yīng)較高的氮源不斷供應(yīng)，以保證一定水平的C/N比例，滿足植物正常生長的需要。因此在CO2倍增和高氮的協(xié)同作用下，葉綠素含量顯著增加，而在氮源不足的情況下，即使有充足的碳源供應(yīng)，C/N失衡，葉綠素含量也不會受到影響。溫度升高4℃在營養(yǎng)充足的情況下促進(jìn)了葉綠素a的合成，不施氮的水平下，相對促進(jìn)了葉綠素a(表1)。說明小幅的溫度升高并沒有對蒙古櫟幼苗造成脅迫，反而對其生長有一定的促進(jìn)作用。因此，蒙古櫟的生物產(chǎn)量可能會增加，同時由于大氣CO2濃度增加使植物對氮素的需求量也增加，未來全球變化的情況下，可能會使北半球森林生態(tài)系統(tǒng)氮素缺乏的現(xiàn)象加劇。