CO₂是绿色植物进行光合作用的基本原料之一, 目前大气中的CO₂浓度一般为355 μ mol·mol^-1, 而在温室中, 由于植物光合作用的大量消耗, 白天CO₂浓度常常降至300 μ mol·mol^-1以下, 而成为温室植物生长的限制因子。西方一些发达国家早在20世纪60年代就开始了CO₂气肥试验, 在一些温室植物上获得了较明显的增产效果, 但同时由于气源的不洁净和CO₂浓度过高产生污染, 使植物受害; 进入80年代后, 由于设施技术的进步, 特别是北欧国家开始较大规模在园艺作物上应用CO₂气肥增产技术(Mortensen, 1987)。Kimball(1983)收集了37种植物(24种为农作物)的资料, 得出大气CO₂浓度倍增条件下, 植物产量相对增长率为33 %, 但植物种间差异极显著, 不同植物种对CO₂气肥的反应差异, 也与实验设计方案及实验条件不尽一致有关(刘世荣, 1998), 不过有关植物生长与光合作用对高浓度CO₂的反应机理仍不十分清楚, 有关木本植物的资料更是稀少(林舜化等, 1997; Tissue et al., 1993)。本课题利用酒厂的制酒废气作为CO₂源, 选择北京地区的主要造林绿化树种国槐, 在塑料大棚内进行CO₂气肥试验, 以求变废为宝, 促进林业生产, 对探究木本植物对未来全球CO₂浓度增加的反应也有重要意义。

1 材料与方法 1.1 试验地点与设施

1987 ~ 1989年连续3 a进行试验, 试验在北京农学院苗圃塑料大棚内进行。棚体为LPB-2小型, 长13 m, 宽5 m, 高2.7m, 采用防老化聚乙烯薄膜, 厚0.12 mm, 棚体南北向; 设置600、800、1000、1500和2000 μ mol·mol^-1等5水平CO₂气肥处理, 用自行研制的BEM-1系统自动测控CO₂浓度, 误差≤50 μ mol·mol^-1, 气源为瓶装液化CO₂气, 纯度99.9 %, 同时自动监测温度与光照强度, 当塑料大棚内温度超过35 ℃, 则报警通风降温。

1.2 试验方法

3月下旬用温水浸泡国槐种子过夜, 选大小一致种子播于营养杯中, 营养杯高11 cm, 直径6 cm, 营养基质为草炭:砂子:苗圃土(3: 1: 2, v: v: v)。4月中旬国槐全部长出子叶, 此后至7月初, 每天6 : 30时开始施CO₂气肥, 自动测控各处理棚CO₂浓度稳定在设定值, 直至中午开门通风; 5月中旬以后, 由于大棚内温度过高, 开门通风时间提前到10 : 00 ~ 12 : 00, 到6月中旬后, 采用卷棚法通风降温。对国槐苗进行常规田间管理。

1.3 分析方法

6月中旬晴天, 在CO₂气肥处理棚与对照棚内选取国槐幼苗叶龄一致叶片, 用Li-6200光合作用测定系统测定其光合速率, 测定光合作用在9 : 00 ~ 10 : 00进行, 棚内光合有效辐射为700 μ mol photons· m²s^-1左右, 同时在早晨与中午分别采国槐成熟叶样测定碳水化合物含量以及叶绿素与氨基酸含量, 另于中午采1000 μ mol·mol^-1处理棚与对照棚内成熟叶样迅速冷冻, 待进行电镜分析。

7月初, 采各处理棚与对照棚内国槐苗全株苗, 洗干净, 分茎叶与根, 在烘箱中烘干, 分别称重。叶绿素用丙酮乙醇混合液提取, Aron法测定含量。水溶性糖与淀粉含量用水提取, 斐林试剂滴定法测定。氨基酸总量采用茚三酮比色法测定。

电镜分析:于叶片中脉两侧切取1 mm ×1 mm小块, 先后放入3 %戊二醛磷酸缓冲液和2 %锇酸水溶液中固定, 在各级浓度丙酮浓液中顺序脱水, 用50 %丙酮混合spurr氏树脂液过度, 100 %sperr氏树脂包埋, 在70 ℃烘箱中固化, 用LKB-5型超薄切片机切片, 用醋酸双氧铀和柠檬酸铅双染, 在EM-400T透视电镜下观察并照相。

2 结果与分析 2.1 CO₂气肥对国槐干物质的影响

一般太阳出来后, 由于植物光合作用的消耗, 塑料大棚内CO₂浓度迅速下降, 不通风时, 白天CO₂浓度常低于300 μ mol·mol^-1。从春季开始对塑料大棚内国槐幼苗连续80 d进行CO₂气肥处理, 结果(表 1)表明, 增施CO₂气肥能显著增加国槐幼苗生物量, 随着CO₂气肥浓度提高, 幼苗生物量相应增加, 到1500 μ mol·mol^-1时达最大值, 为4.266 g, 比大棚对照(3.016 g)高出41.45 %, 当CO₂浓度为2000 μ mol· mol^-1时, 国槐幼苗生物量为3.865g, 比对照高28.15 %, 但比1000与1500 μ mol·mol^-1CO₂气肥处理低, 显然, 过高的CO₂浓度并不有利于国槐幼苗的生长。

CO₂气肥对国槐幼苗地上部分与地下部分的影响有所不同。由表 1可知, CO₂气肥处理的国槐幼苗根冠比比对照略低, 一般随CO₂处理浓度增加, 根冠比呈下降趋势, 1000与1500 μ mol·mol^-1CO₂浓度处理的幼苗根冠比相对较低, 分别为0.48和0.47, 比对照(0.54)低12.14 %和15.52 %, 根冠比最大的是露天幼苗, 为0.74。在5、6、7月份分别对国槐幼苗的高生长量与粗生长量进行调查时也得到类似结果, CO₂气肥对高生长量的促进作用显著大于对粗生长的促进作用, 而且随着幼苗生长时间的延长, CO₂气肥处理下幼苗高生长量的增加值与粗生长量的增加值的差距在加大(数据另文发表)。

2.2 CO₂气肥对国槐光合作用的影响

对CO₂气肥处理棚与对照棚国槐幼苗的光合作用指标进行测定, 结果见图 1。CO₂气肥对国槐幼苗的光合速率有极显著促进作用, 随着CO₂气肥浓度的增加, 幼苗光合速率迅速增加, 当CO₂气肥浓度为1500 μ mol·mol^-1时, 光合速率达最大值, 为11.03 μ mol·m ^-2s^-1, 比对照4.25 μ mol·m ^{- 2} s^-1高出160 %倍。光合速率的增加主要是叶内CO₂浓度增加所导致的, 叶内CO₂浓度与CO₂气肥处理浓度基本呈正相线性相关关系, 随着CO₂气肥浓度增加, 国槐幼苗叶片气孔阻力增加, 气孔导度下降, 在1500 μ mol·mol^-1 CO₂浓度下, 气孔阻力最大, 为1.46 m² s·mol^-1, 比对照0.51 m²s·mol^-1高出186 %。

2.3 CO₂气肥对国槐幼苗叶绿素含量影响

增施CO₂气肥使国槐幼苗叶绿素含量下降(表 2), 当CO₂气肥浓度较大时, 叶绿素含量下降较多, 600 μ mol·mol^-1CO₂气肥处理的幼苗叶绿素含量为1.836 mg·g^-1, 比对照2.04 mg·g^-1低近10 %; 1000 ~ 2000 μ mol·mol^-1CO₂气肥处理的叶绿素含量为1.723 ~ 1.779 mg·g^-1, 比对照低12.8 %~ 15.45 %。增施CO₂气肥也使Chl a/b(叶绿素a/b)比值降低, 在不同浓度CO₂气肥处理下Chl a/b比值的变化与叶绿素含量的变化相类似, 但变幅较小, 这可能显示增CO₂气肥更不有利于Chl a的合成。

2.4 CO₂气肥对国槐幼苗碳水化合物与氨基酸含量的影响

在CO₂气肥处理后5 h(11 : 30)采叶样测定还原糖, 蔗糖与淀粉含量, 结果(表 3)表明, 增施CO₂气肥能普遍增加国槐幼苗碳水化合物含量, 碳水化合物含量与对照相比增加8.26 %~ 46.42 %, 其中对还原糖影响相对较小, 其次是蔗糖、对淀粉的增加作用最为显著。随着CO₂气肥浓度的增加, 碳水化合物含量相应增加, 在1000 ~ 1500 μ mol·mol^-1CO₂气肥浓度处理范围, 碳水化合物含量达最大值, 其还原糖、蔗糖与淀粉含量最大值分别比对照高出9.12 %、45.19 %和44.95 %。

清晨6 : 30时碳水化合物含量的变化表明(表 3), CO₂气肥处理的国槐幼苗还原糖、蔗糖与淀粉含量皆比对照略高, 其中淀粉含量差异较显著, 1500 μ mol·mol^-1 CO₂气肥处理的淀粉含量为178.32 mg· g^-1, 比对照的156.11 mg·g^-1高14.22 %, 其差异与中午11 : 30时的数据相比较小得多。比较当天CO₂气肥处理前后幼苗碳水化合物含量的变化, 经过几小时的光合作用后, 中午碳水化合物含量普遍比早晨高, 其中还原糖与蔗糖含量差异不显著, 中午11 : 30时叶片淀粉含量比早晨6 : 30时高出20.10 %~ 41.42 %, 而对照同期高出17.67 %。

增施CO₂气肥会降低国槐幼苗叶片氨基酸含量(图 2), 1500 μ mol·mol^-1CO₂气肥处理下总氨基酸含量最低, 为62.21 mg·(100g) ^-1, 比对照的70.44 mg·(100g) ^-1低13.62 %。在高浓度CO₂气肥处理下, 氨基酸含量的减少, 说明施用CO₂气肥能增加国槐幼苗C/N比, 这可能是植物生物量增加导致植物组织内氮含量稀释所引起。

2.5 高浓度CO₂下国槐幼苗叶绿体结构变化

在10 : 00时采样分析国槐幼苗叶绿体显微结构(图 3), 1000 μ mol·mol^-1CO₂气肥处理下的叶绿体内淀粉颗粒数量明显多于对照, 且淀粉颗粒较大, 这与CO₂气肥处理下国槐淀粉含量明显高于对照的结果是一致的, 在CO₂气肥处理下叶绿体内的淀粉颗粒既大且多, 对基粒形成挤压现象, 这可能对光合作用产生不利影响。

3 讨论

Mortensen(1987)综述指出600 ~ 900 μ mol·mol^-1CO₂气肥浓度适宜大部分植物种生长, 过高的CO₂浓度会对植物产生伤害。本试验中国槐幼苗生长的最适CO₂气肥浓度为1500 μ mol·mol^-1, 其干重比对照高41.45 %, 而CO₂气肥浓度为2000 μ mol·mol^-1时, 幼苗生长明显减弱, 但并没有显示伤害症状。这可能与每天CO₂气肥处理时间长短相关。考虑到高浓度CO₂更易泄漏, 建议适合国槐幼苗的CO₂气肥浓度为1000 ~ 1500 μ mol·mol^-1。

高浓度CO₂对光合速率的促进作用十分显著, 1500 μ mol·mol^-1CO₂气肥处理国槐幼苗光合速率比对照高1.60倍, 这主要是增加了光合作用的底物-叶内CO₂浓度所致, 这种光合速率的增加最后表现在光合产物淀粉含量的增加。几小时的高浓度CO₂气肥处理后国槐叶绿体内淀粉含量明显高于对照, 即使经过一夜的淀粉向蔗糖转化, 在清晨淀粉含量仍明显高于对照, 电镜照片显示1000 μ mol·mol^-1CO₂浓度下叶绿体内淀粉颗粒既多且大, 对基粒造成挤压现象, 这可能会对光合作用产生反馈抑制作用(Socias et al., 1993), Farquhar (1982)认为限制光合速率的因素一是与CO₂供应相关的气孔因素, 二是与光能转化和碳同化相关的叶肉因素, 尽管由于测定条件限制未得到2000 μ mol·mol^-1CO₂气肥处理国槐幼苗光合速率数据, 但其生长量相对较低表明可能受到这种反馈抑制作用的影响, 这与在一些试验中观察到长期CO₂气肥处理下植物光合速率反而下降可能有着相似的原因(Tissue et al., 1993;冷平生, 1988)。CO₂气肥对气孔阻力有明显增加作用, 随着CO₂浓度增加, 气孔导度下降, 气孔阻力增加, 但叶内CO₂浓度仍维持较高值, 因此, 在高浓度CO₂下国槐气孔阻力的增加不会直接引起光合速率的下降, 却会降低叶片蒸腾作用, 这将有利于提高植物的水分利用率(Delucia et al., 1985;刘世荣, 1998;林舜华等, 1997)。

增施CO₂气肥会减少国槐叶绿素含量, 这与多数试验结果(Socias et al., 1993; Wulff et al., 1982; Delucia et al., 1985)一致, 这表明高浓度CO₂下光合速率的增加可能主要是光合作用底物增加与RUBP羧化酶活性提高及RUBP加氧酶活性下降的结果(Tissue et al., 1993; Sage et al., 1989; Kocb et al., 1986), 而叶绿素含量的减少, 可能与淀粉颗粒的挤压有关, 这与强光下植物叶绿素含量低于弱光下似属同一类生理生态反应。张其德等人(1997)试验得出高浓度CO₂下柽柳与杜仲叶绿素含量增加, 也可能反应了植物种间的差异。

本试验得到CO₂气肥更有利于国槐幼苗地上部分的生长, 即降低了苗木根冠比, 其原因仍不十分清楚(冷平生, 1988)。Arp等(1991)报导, 高浓度CO₂对植物生长的促进作用与容器体积大小有正相关关系, McConnaughay等人(1993)的研究进一步指出, 细高容器内生长植物的根茎比显著低于同体积粗矮容器内生长的, 显然, 容器大小与形状的限制, 会影响到植物根系的生长, 刘世荣等(1998)的研究指出, 当N素供应充足时, 根茎比不受高浓度CO₂的影响, 因此, CO₂气肥明显促进国槐幼苗的生长, 可能加剧容器空间和养分的抑制作用, 从而影响到国槐幼苗根冠比。

CO₂气肥处理降低国槐幼苗的总氨基酸含量, 即增加了C/N比, 在其它植物上也有类似结果, 较高的C/N比, 会降低食叶昆虫的取食性, 影响到植物与昆虫的关系(冷平生, 1988), 同时也表明增施CO₂气肥应补施氮肥, 会带来更明显的增产效果。