植物光合作用限制因素与植被生产力研究进展

随着全球气候变化的加剧,陆地生态系统中植物光合作用限制影响程度的增加已成为降低全球植被净初级生产力的主要因素。系统了解植物光合作用限制因素是科学评估植被生产力的重要前提,也是缓解植物光合作用限制,增加植物光合碳同化能力的先决条件。对植物光合作用限制因素进行了系统解析,分析了光合作用三种限制因素生化限制(Biochemical limitation,lb)、气孔限制(Stomatal limitation,ls)、叶肉限制(Mesophyll limitation,lm)的环境响应,重点讨论了叶肉限制及其影响机理,述评了光合作用限制定量分析方法及改善措施,最后以提高植被生产力为驱使目标,对未来植物光合作用限制因素研究提出以下内容:(1)基因工程技术与系统生物学数据相结合提高植被生产力;(2)气孔响应速度对植物光合作用的影响机制;(3)水通道蛋白(Aquaporin,AQPs)和碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CAs)感知环境信号变化的驱动基因。以期为未来气候变化背景下,深入认识和降低植物光合作用限制,提高植物光合碳同化能力提供参考。

土壤氮添加对水曲柳和蒙古栎光合限制作用的影响

本文以试验地常年大气氮(N)沉降量(23 kg·ha^(−1)·year^(−1))为依据,设计了低度(LN,23 kg·ha^(−1)·year^(−1))、中度(MN,46 kg·ha^(−1)·year^(−1))和高度(HN,69 kg·ha^(−1)·year^(−1))3种氮添加水平以模拟大气氮沉降,以无氮添加处理为对照(CK),探究过度氮沉降对森林阔叶树种水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)和蒙古栎(Quercus mongolica Fish.ex Ledeb)的生理生态效应。结果显示:(1)两树种CO_(2)扩散性限制作用(即气孔限制lsc和叶肉限制lm)在氮添加后减弱,而后随氮量的增加先减弱后增强;其生化限制lb则在氮添加后增强,后随氮量增加先增强后减弱;(2)3种光合限制作用均在MN下达到最值,中度土壤氮添加量对植株光合的促进效应最高;(3)土壤氮添加期间植株光合能力的增强主要源于CO_(2)扩散性限制作用的减弱,而gsc变化(即lsc)为扩散性限制的主角作用因子;(4)3种光合限制作用(lsc、lm和lb)在不同生长期(7月和8月)均未表现出显著差异,表明lsc的光合主角限制“角色”无季节性差异;(5)一定范围内的土壤氮添加不会对植株的水分利用潜力产生显著影响。

黄栌幼苗叶片气体交换对干旱胁迫的短期响应

【目的】本研究探讨不同产地黄栌苗木叶片气体交换特性对土壤水分胁迫的短期响应特点及规律。【方法】采用田间模拟试验,选取北京西山、山东泰山和山西绛县3个产地的1年生黄栌幼苗为供试材料,设置对照（CK,土壤田间持水量的75%~80%）、中度胁迫（MS,土壤田间持水量的55%~65%）和重度胁迫（SS,土壤田间持水量的35%~45%）3个水分梯度,利用LI-6400便携式光合测定系统和SPSS 20.0统计分析软件测定和拟合幼苗成熟叶片的光响应曲线（Pn-PAR）及CO2响应曲线（Pn-Ci）,根据非线性最小二乘法的Levenberg-Marquardt迭代原理计算各光合参数。【结果】1）黄栌幼苗的CO2同化能力随干旱胁迫程度的加剧及胁迫时间的增加显著（P〈0.05）下降,主要原因是持续干旱胁迫环境中幼苗叶片CO2传导及光合电子传递受阻、光能利用率下降。受重度胁迫处理幼苗的CO2气孔导度＋叶肉导度（gsc＋gm）、表观量子产量（AQY）、光饱和点-光补偿点（LSPLCP）、最大电子传递速率（Jmax）和最大电子传递速率/最大羧化速率（Jmax/Vc,max）分别比对照低50.5%,12.0%,21.0%,37.9%和16.9%,干旱胁迫环境中幼苗的gsc,gm,AQY,LSP-LCP,Jmax/Vc,max在胁迫后期比胁迫中期分别低18.7%,81.0%,19.3%,4.6%,5.5%。2）水分亏缺可在一定程度上刺激黄栌幼苗提高弱光利用效率及CO2羧化速率。3）受中度胁迫处理黄栌苗木的CO2气孔限制值（ls）、叶肉扩散限制值（lm）分别比对照高36.9%和25.3%,而受重度胁迫处理幼苗的ls,lm分别比对照高9.7%和103.0%;干旱胁迫环境中黄栌幼苗的平均ls及平均lm在胁迫中期分别比对照高17.7%和46.0%,在胁迫后期则分别比对照高47.0%和71.1%,说明气孔限制和叶肉扩散限制分别是适度干旱胁迫和严重干旱胁迫环境中导致幼苗净光合速率下降的主要原因。4）重度胁迫环境中,山西产地幼苗光饱和时的最大净光合速率（Pn,max）、CO2饱和时的最大净光合速率（Amax）、Rubisco活性和数量限制的最大净光合速率（Ac,max）、Ru BP再生限制的最大净光合速率（Aj,max）、Vc,max、磷酸丙糖利用速率（VTPU）的降幅（相对胁迫处理前）分别比北京产地和山东产地的幼苗高38.0%和50.3%、40.7%和46.3%、45.7%和51.2%、52.4%和54.2%、47.3%和55.8%、55.5%和82.6%,而山西产地受持续干旱胁迫处理幼苗的LCP和暗呼吸速率（Rd）分别比北京产地和山东产地的幼苗低31.2%和47.5%、27.2%和9.2%。【结论】北京西山、山东泰山和山西绛县3个产地黄栌幼苗对持续干旱胁迫环境反应的敏感性具有显著差异。总体而言,重度胁迫环境中山东泰山幼苗叶片的碳同化能力显著高于北京产地和山西产地,而北京产地幼苗叶片的碳同化能力显著高于山西产地。持续干旱胁迫环境中山西产地幼苗的CO2扩散阻力及光合电子传递阻力显著高于其他两产地,而该产地的LCP及Rd均高于其他两产地,因此,山西产地黄栌幼苗光合参数对水分亏缺的反应较北京产地和山东产地剧烈,但该产地幼苗通过降低光补偿点及暗呼吸代谢水平以保证光合同化产物积累的能力相对较强。