森林冠层是陆地生态系统与大气进行交换的重要界面(Ozanne et al., 2003)，是光合作用、呼吸作用、光合产物和生长资源分配不可或缺的重要场所(Will et al., 2001; Suvorova et al., 2009; Ryan et al., 2010)。因此，光合作用在冠层梯度上的空间变化对于森林生产力的形成与估算具有重要影响。冠层内叶的分布、大小和倾角及冠层结构会导致冠层内光辐射与传输的改变(张小全等, 1999; Niinemets, 2010a; Song et al., 2015)，而冠层光照强度的变化对叶形态特征(Koike et al., 2001; Meir et al., 2002; Migita et al., 2007; Legner et al., 2014)、养分含量(Ellsworth et al., 1993; Koike et al., 2001; Kobayashi et al., 2010; Legner et al., 2014)、叶绿素含量(Ellsworth et al., 1993; Koike et al., 2001)以及水分利用效率(肖文发等, 2002; 何春霞等, 2008)的空间异质性具有重要影响，进而导致叶光合特性的空间变异。树木上冠层叶一般会遭受强光照和高温的胁迫，有可能导致叶更易失水，另外，上冠层通常具有相对较长的水分运输距离，这一因素也可能会使叶发生干旱胁迫；而树木下冠层叶常处于弱光及高湿环境，其周围温度变化相对稳定，不易受到干旱胁迫(Sanches et al., 2010)。

针对常绿及落叶阔叶树已开展了不同冠层梯度叶片光合生理特性的相关研究(Ellsworth et al., 1993; Koike et al., 2001; 肖文发等, 2002; Niinemets, 2002; Meir et al., 2002; 郑元等, 2010; Kobayashi et al., 2010)，但关于光合特性的空间变化规律仍未形成一致的结论。有研究认为随冠层的升高，叶光合作用逐渐增加(Ellsworth et al., 1993; Koike et al., 2001)，这主要是因为光照强度随树冠升高表现为指数增加；也有研究发现随冠层升高，叶光合作用逐渐下降(Niinemets, 2002; Koch et al., 2004; 何春霞等, 2008)，这可能是由树木冠层水力限制和叶生理形态特征的变化所引起。目前对落叶针叶树种光合作用随冠层上升的变化规律尚缺乏了解(刘强等, 2016; 黄良帅等, 2017)。

落叶松(Larix spp.)枝条分为长枝和短枝，叶呈现为倒披针状线型，在长枝上散生，在短枝上簇生，天然分布于温带山区、寒温带平原及高山气候区。此外，落叶松具有适应性强、早期速生、成林快、病虫害少、材质优良的特点，是我国东北、西北、华北及南方亚高山地区的重要用材树种，也是退耕还林及防护林工程的主要生态树种(马常耕等, 2008)，在提高我国森林生产力方面发挥着重要作用。因此，本研究选择8年生日本落叶松(Larix kaempferi)，研究冠层内叶光合特性的空间异质性，揭示其光合特性的空间变化规律，以期为估算日本落叶松冠层生产力及构建冠层生产力模型提供参考。

实验地位于甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所沙坝实验基地(105°42′—106°00′E，34°07′—34°24′N)，位于西秦岭北坡，海拔1500~2 100 m。该地属暖温带湿润气候区，是暖温带向北亚热带过渡的区域，年均日照时数为1 553 h，年均气温为7.2 ℃，年均降水量为757 mm，年均蒸发量为1 012 mm，全年无霜期约120~218天。

选择8年生日本落叶松人工林，在林内设置3块20 m×30 m的样地，并从样地中选择3株生长良好的平均木作为测定样木，树形特征见表 1。在样木四周利用钢管搭设与样木等高的架子作为观测平台，将树冠去除梢头后，平均等分为8个层级，从上到下分别为第1~8层级，每一层级长度见表 1。选择每一层级的南向一级侧枝作为光合测定枝，在光合测定枝上选择生长健康的簇生叶作为测定针叶，于2015年8月上旬利用便携式光合测定系统Li-6400XT连接透明的簇状叶室(Li-6400-05)测定日本落叶松不同冠层针叶的光合日变化。所有样木同一冠层光合作用的测定在15 min内完成，且每簇针叶重复测定3~5次，每隔2 h测定1次，测定时间为8:00—20:00。该研究中测定的微环境参数主要有光合有效辐射PAR(μmol·m^-2s^-1)、气温T_a (℃)、叶温T_l (℃)、水汽压亏缺VPD (kPa)和空气相对湿度RH (%)，光合参数主要有净光合速率P_n (μmol·m^-2s^-1)、气孔导度G_s (mol·m^-2s^-1)、蒸腾速率Tr (mmol·m^-2s^-1)、胞间CO₂浓度C_i (μmol·mol^-1)和气孔限制值L_s。L_s的计算方法为：

表 1 日本落叶松光合测定样木的树形特征 Tab.1 Characteristics of sample trees for measuring photosynthesis in L. kaempferi

表 1 日本落叶松光合测定样木的树形特征 Tab.1 Characteristics of sample trees for measuring photosynthesis in L. kaempferi 样木 Sample trees 树高 Tree height/m 胸径 Diameter at breast height/cm 冠长 Canopy length/m 枝下高 Clear bole height/m 冠幅 Canopy width/m 分层长度 Length of each layer/m 1 10.3 7.6 6.2 4.1 2.4 0.64 2 9.8 7.5 5.5 4.3 2.3 0.56 3 9.8 7.5 5.9 3.9 2.2 0.63

式中，C_i为胞间CO₂浓度，C_a为大气CO₂浓度(μmol·mol^-1)。

取下测定光合日变化的针叶放入冰盒中带回实验室，将针叶依次平整地铺在Scan Maker i800 Plus扫描仪(上海中晶科技有限公司，上海)上，并确保针叶间无相互遮挡，扫描针叶图像。采用Photoshop软件(Adobe Systems，San Jose，CA)计算图像的总像素和面积，可以得到单位像素所占的面积，而后从扫描图像中提取针叶所占的像素，进而可以得到针叶叶面积。将扫描后的针叶70 ℃烘干至恒质量，根据针叶叶面积和干质量计算比叶面积SLA (cm²·g^-1)，计算公式(Marshall et al., 2003)为：

式中，S为针叶投影面积(cm²)，W_dry为针叶干质量(g)。

将每株样木同一层级同一时段所测数据的平均值作为此样木该时段的光合参数和微环境因子，据此进行统计分析。数据分析前，检验数据是否符合正态分布，将非正态分布数据作Johnson转换，使其呈正态分布。利用方差分析比较冠层间各参数日均值的差异，差异显著时(P < 0.05)，进行LSD多重比较。利用回归分析拟合光合参数和微环境因子与相对冠高的关系。利用通径分析进一步确定微环境因子对净光合速率的直接和间接作用。利用SPSS19.0 (SPSS Inc. Chicago, USA)进行数据统计分析采用Sigmaplot12.0 (Sysstat Software Inc., San Jose, CA, USA)作图，通径分析利用R软件中的SEM包完成。

由图 1可知，日本落叶松不同冠层光合参数和微环境因子日变化规律大致相似。冠层的净光合速率、光合有效辐射、气温、水汽压亏缺、蒸腾速率和气孔限制值多表现为明显的单峰曲线，气孔导度从上午开始逐渐降低。各冠层光合有效辐射、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和气孔限制值在9:00—11:00达到最大值，气温和水汽压亏缺的最大值均出现在13:00。胞间CO₂浓度表现为先降低后升高的趋势，从早上9:00开始下降，在11:00左右降至最低值，随后逐渐增加。

图 1 日本落叶松不同冠层光合参数和微环境因子的日变化 Fig. 1 Diurnal changes of photosynthetic physiological parameters and micro-environmental factors in different canopy layers of L. kaempferi

由方差分析可知，光合参数和微环境因子在冠层间差异显著(表 2)。在冠层梯度上，净光合速率、气孔导度、光合有效辐射、蒸腾速率和气孔限制值均随冠层的升高而增加，净光合速率和气孔导度的变异系数相对较大，分别为92.8%和64.2%。冠层底部针叶净光合速率一直为负值，说明冠层底部针叶始终处于碳消耗状态。胞间CO₂浓度和比叶面积随冠层的升高而减小，变异系数分别为10.8%和16.6%。水汽压亏缺和气温随冠层的升高表现为先增加后降低的趋势，最大均值分别出现在第4和第3冠层，变异系数分别为6.6%和2.9%。净光合速率、气孔导度、水气压亏缺、气温、光合有效辐射、蒸腾速率、胞间CO₂浓度、气孔限制值和比叶面积的冠层均值分别为2.78 μmol·m^-2s^-1、0.08 mol·m^-2s^-1、2.30 kPa、30.0 ℃、375.2 μmol·m^-2s^-1、1.96 mmol·m^-2s^-1、311.6 μmol·mol^-1、0.15和86.0 cm²·g^-1，各参数的冠层均值与第4或第5冠层的参数值相一致。因此，冠层光合参数和环境因子均具有明显的空间变化特征。

表 2 日本落叶松光合参数与微环境因子空间变化^① Tab.2 Spatial changes in photosynthetic parameters and micro-environmental factors of L. kaempferi (mean±SE)

表 2 日本落叶松光合参数与微环境因子空间变化① Tab.2 Spatial changes in photosynthetic parameters and micro-environmental factors of L. kaempferi (mean±SE) 树冠层级 Canopy layers 光合参数和环境因子Photosynthetic parameters and micro-environmental factors 净光合速率 Pn/ (μmol·m-2s-1) 气孔导度 Gs/ (mol·m-2s-1) 水汽压亏缺 VPD/kPa 气温 Ta/℃ 光合有效辐射 PAR/ (μmol·m-2s-1) 蒸腾速率 Tr/ (mmol·m-2s-1) 胞间CO2浓度 Ci/ (μmol·mol-1) 气孔限制值 Ls 比叶面积 SLA/ (cm2·g-1) Layer 1 7.77±0.29a 0.17±0.00a 2.07±0.06a 29.4±0.42cd 836.8±22.15a 3.70±0.02a 272.0±7.26a 0.22±0.01a 62.2±2.55a Layer 2 4.85±0.17b 0.13±0.01b 2.32±0.05cd 30.7±0.15ab 784.7±85.91a 3.14±0.11b 284.5±5.33ab 0.21±0.02ab 69.7±5.60ab Layer 3 3.52±0.17c 0.10±0.01b 2.44±0.02ef 30.9±0.01a 448.6±55.46b 2.55±0.09c 297.8±4.35b 0.19±0.01abc 76.5±4.46bc Layer 4 2.75±0.30c 0.07±0.00c 2.52±0.02f 30.9±0.03a 410.6±85.66b 1.98±0.11c 291.9±10.55ab 0.20±0.02ab 74.3±5.66ab Layer 5 1.72±0.12d 0.05±0.00d 2.39±0.04de 30.3±0.19bc 224.7±26.01b 1.3±0.14 d 301.7±7.60b 0.18±0.02bc 87.9±4.04c Layer 6 1.21±0.26d 0.05±0.00d 2.26±0.02c 29.6±0.12b 213.2±67.95b 1.29±0.12 d 326.0±9.62c 0.12±0.02cd 102.4±3.36d Layer 7 0.54±0.14e 0.04±0.00d 2.22±0.02bc 29.3±0.04cd 64.5±18.89c 1.07±0.06d 351.8±1.06d 0.07±0.01d 107.6±2.63d Layer 8 -0.10±0.05f 0.03±0.00e 2.15±0.01ab 28.6±0.15d 18.5±5.49d 0.63±0.08e 367.2±1.23e 0.03±0.01d 107.8±3.68d ①同一列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。Different letters in the same column indicated significant difference of 0.05 significant level.

利用日本落叶松光合参数及微环境因子分别与相对冠高进行回归分析，结果表明其净光合速率、光合有效辐射、气孔导度和蒸腾速率均与相对冠高具有较好的指数关系(图 2)，均随冠层升高表现为指数增长的变化规律。随冠层升高，针叶间的相互遮挡减弱，使光合有效辐射逐渐增强，同时针叶也从弱光胁迫转为正常生长，进而导致净光合速率、气孔导度和蒸腾速率逐渐增大，可见，针叶净光合速率、气孔导度及蒸腾速率在冠层间具有明显的空间变化，且气孔的开关和蒸腾作用对净光合速率具有较大影响。随冠层升高，水汽压亏缺和气温表现为一元二次曲线变化(图 2)，相对冠高为0.42和0.47时，水汽压亏缺(R²=0.79)和气温(R²=0.86)分别达到最大值，冠层内微环境因子随冠层高度的变化也具有明显的空间差异，但二者对针叶净光合速率的影响相对较小。比叶面积随冠层的升高表现为线性(R²=0.94)下降的规律(图 2)，由此可知，不同冠层梯度的针叶对光照的利用以及对光合产物的分配策略具有差异性。

图 2 日本落叶松光合参数及微环境因子与相对冠高的关系 Fig. 2 The relationships among photosynthetic parameters, micro-environmental factors and relative canopy height of L. kaempferi

由图 3可知，净光合速率与光合有效辐射呈正相关关系，随光合有效辐射升高而增加。净光合速率随气温及水汽压亏缺的变化因冠层不同而异，在上冠层，净光合速率随气温及水汽压亏缺的升高而下降；在下冠层，随气温及水汽压亏缺的升高而增加。

图 3 日本落叶松光合参数与微环境因子的关系 Fig. 3 The relationships between photosynthetic parameters and micro-environmental factors of L. kaempferi

利用通径模型分析微环境因子和气孔导度对净光合速率的直接和间接影响(图 4)。从各微环境因子对净光合速率影响的总效应来看，光合有效辐射的影响最大，气温次之，空气相对湿度最小。光合有效辐射通过多种方式影响净光合速率，首先直接作用于净光合速率，其次通过直接或间接作用于气孔导度影响净光合速率，另外还通过作用于叶温来影响净光合速率。气温通过2种方式影响净光合速率，一方面通过叶温影响净光合速率，另一方面通过间接作用于水汽压亏缺和气孔导度，进而影响净光合速率。空气相对湿度通过影响水汽压亏缺和气孔导度作用于净光合速率。光合有效辐射、叶温和气孔导度对净光合速率具有直接效应，气孔导度对净光合速率的直接效应最大，光合有效辐射次之，叶温最小。光合有效辐射和空气相对湿度主要通过正的间接效应影响净光合速率，而气温、叶温和水汽压亏缺主要通过负的间接效应影响净光合速率，光合有效辐射的间接效应最大，叶温的间接效应最小。

图 4 微环境因子与日本落叶松净光合速率的通径分析 Fig. 4 Path analysis for describing the effects of micro-environmental factors on net photosynthetic rate of L. kaempferi

林冠结构和功能的时空变化使其形成了不同梯度的冠层微环境，进而通过各种生理生态过程影响冠层的水汽交换(Baldocchi et al., 2002)。随着树木高度的增加，冠层内的叶通常会受到水分限制，这主要是由冠层环境条件的改变和冠层内水分运输阻力增加引起的(Rijkers et al. 2000)。水力限制假说(hydraulic limitation hypothesis)认为，随着树木长高，水分运输路径和重力增加，引起叶片水势增大、气孔关闭，进而导致光合速率下降(Ryan et al., 1997)。本研究中，净光合速率、气孔导度和气孔限制值随冠层的升高而增加，胞间CO₂浓度则随冠层的升高而减小，由此可以判定净光合速率随冠层升高而增加是由叶肉细胞的光合活性决定，而非气孔和水分胁迫限制(Ryan et al., 1997; 刘柿良等，2012)。Kobayashi等(2010)对日本柳杉(Cryptomeria japonica)研究认为气孔限制是光合作用随冠层下降而降低的主要原因。方晓雨等(2013)认为红松(Pinus koraiensis)上冠层针叶光合作用不受水分胁迫，而蒙古栎(Quercus mongolica)和紫椴(Tilia amurensis)很可能受到水分胁迫。何春霞等(2008)对4种落叶乔木的研究认为上冠层叶光合作用均受到水分胁迫。本研究与其他研究结果差异的原因可能是该林龄日本落叶松的树高相对较低，仅为10 m左右，还未达到水力限制的高度，而何春霞等(2008)和方晓雨等(2013)所选取样木均在15 m以上；此外，树种特性的不同可能也是产生差异的原因之一。

树木冠层的光环境随冠层的下降通常表现为指数减少，从而导致树叶形态和生理特征随冠层的下降而变化(Ellsworth et al., 1993; Koike et al., 2001; Song et al., 2015; 曹永慧等, 2016)。冠层内光照变化主要发生在上冠层和中冠层，而下冠层变化相对较小(Ellsworth et al., 1993; Legner et al., 2014; Song et al., 2015)，这主要是由枝条及叶的分布引起的，与下冠层相比，上冠层和中冠层具有较高的叶面积密度(Song et al., 2015)。在形态特征方面，比叶面积随冠层高度的降低而增加，而叶厚度、栅栏叶肉细胞层数量和气孔密度则表现为相反的变化趋势(Niinemets, 2007; Legner et al., 2014)。在生理特征方面，叶绿素含量随冠层的降低而增加，但叶中的氮含量则随冠层的降低而减少(Niinemets, 2007; Legner et al., 2014)。多数研究发现光合能力与比叶面积线性负相关，与氮含量呈线性正相关(Legner et al., 2014; Scartazza et al., 2016)，因此导致树叶光合能力随冠层的升高而增加(Rijkers et al., 2000)。本研究中，净光合速率随冠层上升呈指数增长，与光合有效辐射的变化相似，而比叶面积则随冠层上升而减小，这与其他树种的研究相似(Legner et al., 2014; 刘强等, 2016; 黄良帅等, 2017)。曹永慧等(2016)对毛竹(Phyllostachys edulis)、Legner等(2014)对温带阔叶树光合生理特性的研究认为不同冠层叶片通过改变形态及氮分配来适应生长环境的变化，以便于充分利用光照提高其光合能力。Scartazza等(2016)对欧洲山毛榉(Fagus sylvatica)的研究认为叶结构、生理及生物化学特性的相互作用能够使其对不同冠层光环境产生动态适应。Ellsworth等(1993)将糖枫(Acer saccharum)光合能力随冠层上升而增加归因于比叶面积的改变。

树木在生长过程中受到冠层微环境因子的影响，这些微环境因子通过单一或交互作用影响树木的光合作用(Bassow et al., 1998; Baldocchi et al., 2002; 郑元等, 2010; Niinemets, 2010b)。本研究表明，多数冠层的气孔限制值在上午11:00达到最大值，而此时净光合速率和气孔导度均处于下降或开始下降的趋势，胞间CO₂浓度大都处于最小值，且气孔限制值增加。因此，此时净光合速率的下降可归因于气孔限制作用。在同等光照水平下，下午净光合速率小于上午，这是因为下午温度升高会引起呼吸速率增加及气孔关闭(Bassow et al., 1998; Bauerle et al., 2007; Tucci et al., 2010)，此外，非结构性碳水化合物在叶中积累量的日变化也可能会抑制净光合速率(Iglesias et al., 2002; Peng et al., 2014)。光合效率的内在变化可能是影响光合速率下降的另一原因(Saraswathi et al., 2008)。

光照为光合作用提供能量，它能够调节光合作用过程中相关酶的活性、气孔的开关以及光合器官的发育(许大全, 2002)。通径分析表明，光合有效辐射通过直接和间接方式作用于日本落叶松净光合速率，具有最大的正总效应，且间接效应大于直接效应。光合有效辐射主要通过调节气孔关闭来影响净光合速率，此外，还通过叶温影响净光合速率，但这种影响几乎可以忽略，因为光合有效辐射增加时，气孔逐渐打开，较大的气孔导度会引起蒸腾速率升高，从而降低叶温，抵消光合有效辐射对叶温的作用(Bassow et al., 1998)。这与郑元等(2010)对刺槐(Robinia pseudoacacia)、Bassow等(1998)对落叶阔叶树的研究相一致。刘强等(2016)对长白落叶松(Larix olgensis)冠层光合作用的研究认为光合有效辐射是影响净光合速率的主要环境因子，胞间CO₂浓度是限制净光合速率的主要生理因子。黄良帅等(2017)对华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)冠层光合作用的研究认为羧化效率是影响净光合速率的主要生理因子，而叶绿素对净光合速率则无显著影响。

水汽压亏缺的升高能够限制植物的生长，这是因为随着水汽压亏缺的升高，植物会降低其气孔导度，进而限制光合作用(Ocheltree et al., 2014)。通径分析表明，水汽压亏缺对气孔导度具有负效应，而气孔导度对净光合速率具有较大的正效应，即水汽压亏缺的升高会引起气孔导度降低，阻碍水汽和CO₂进出叶肉细胞羧化位点，减少了光合作用的原料，从而降低净光合速率。这与前人对落叶阔叶树(Bassow et al., 1998)的研究结果相一致。Dai等(1992)对蓖麻(Ricinus communis)的研究表明高水汽压亏缺环境下光合作用下降主要归因于气孔的关闭和胞间CO₂浓度的减小。Dang等(1997)对北美短叶松(Pinus banksiana)、黑云杉(Picea mariana)和美洲山杨(Populus tremuloides)的研究认为水汽压亏缺对净光合速率的限制因物种不同而异，这是因为美洲山杨气孔导度对水汽压亏缺变化的敏感性和净光合速率对胞间CO₂变化的响应高于针叶树。Baligar等(2008)对可可(Theobroma cacao)幼苗的研究认为净光合速率随水汽压亏缺升高而下降与气孔关闭和胞间CO₂浓度减少无直接联系，可能与蒸腾速率的升高有关，当水汽压亏缺升高时，气孔导度和胞间CO₂浓度无显著变化，而蒸腾速率却显著升高。Shirke等(2004)对牧豆树(Prosopis juliflora)的研究发现，当水汽压亏缺大于3 kPa时，会对净光合速率产生明显的抑制作用；当水汽压亏缺大于4 kPa时，净光合速率和气孔导度将大幅度下降。水汽压亏缺升高不仅通过降低气孔导度影响净光合速率，还会降低1-，5二磷酸核酮糖羧化/加氧酶(Rubisco)活性，进而降低植物的羧化速率；此外，还通过降低新陈代谢活动和调整电子流在同化和非同化过程中的分配来抵抗高水汽压胁迫，这反过来又对碳同化过程产生了限制(Shirke et al., 2004)。而Barron-Gafford等(2007)对美洲黑杨(Populus deltoides)的研究认为净光合速率随水汽压亏缺升高而下降是由气孔关闭来调控，而非光合作用过程中的代谢限制。

1) 日本落叶松针叶净光合速率、气孔导度、气孔限制值及蒸腾速率随冠层的升高而显著增加，而胞间CO₂浓度则表现为相反的变化规律，表明冠层梯度上净光合速率的空间变化是由叶肉细胞的光合活性决定，而非气孔和水分胁迫限制。

2) 日本落叶松中上冠层净光合速率相对较高，具有较大的光合生产力，而冠层底部针叶净光合速率为负值，该部分针叶始终处于碳消耗状态，并逐渐死亡，这是树木自然疏枝的根本原因。

3) 大多数环境因子是通过调节针叶气孔的开关来影响净光合速率，光合有效辐射在冠层梯度上的空间变化是影响净光合速率的主要因素，而空气相对湿度的空间变化对净光合速率的影响最小。