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利用二氧化碳测量仪和叶绿素检测仪研究影响蒙古栎幼苗叶绿素含量的因素

来源： http://www.polyscience.com.cn/news_list/news_2_1.html 　类别：技术文章　更新时间：2013-07-31　阅读次

光合作用是植物生长的重要能量来源和物质基础，而叶绿素含量的多寡及a/ b值对光合速率有直接的影响。叶片中叶绿素含量是反映植物光合能力的一个重要指标。CO2是引起全球变化的重要温室气体，自19世纪70年代工业革命以来，由于人类活动的影响，大气CO2浓度正逐步升高，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的速度继续增加。预计在本世纪中、后期将达到650~700μmol•mol-1，比现在增加1倍，同时温度也将伴随升高1~3. 5℃。温度对酶促反应及其发生在细胞膜上的生理生化反应有很大影响。CO2既是光合作用的反应底物，同时目前大气CO2浓度水平又是C3植物光合作用的限制因子之一，对植物生理生化过程有制约作用。因此，大气CO2浓度的升高，除了通过温室效应导致全球气候变化对植物产生间接影响外，还直接影响植物光合作用和生长发育。这也必然反映在植物叶片中叶绿素含量上，目前CO2浓度升高对植物叶片中叶绿素含量影响的研究结果并不一致，有些研究结果表明CO2浓度升高能够促进叶绿素的合成，也有些结果表明CO2浓度升高使叶片中的叶绿素含量降低，本文利用二氧化碳测量仪和叶绿素检测仪研究不同氮素浓度下CO2浓度、温度对蒙古栎幼苗叶绿素含量的影响。

氮是植物中基本的矿物元素，占植物干物质的1. 5% ~2%和总植物蛋白的16%左右。氮素是植物需求量最大的矿质营养元素，同时也是植物个体乃至自然生态系统和人工生态系统(包括农业系统)生长最常见的限制因子。氮素缺乏是大多数北半球森林生态系统普遍存在的现象，是森林生长的主要限制因子之一。在东北，森林凋落物因受温度影响分解速度和有机物矿质化过程缓慢，森林树木常受到氮营养胁迫。由于未来气候变化，植物的光合作用和生长将受到多种环境因子的协同作用的影响，因此揭示这种外界环境因子对植物综合作用的结果非常重要。

蒙古栎为东北次生落叶阔叶林的主要组成树种及我国的主要用材树种之一。在该地区森林生态系统中占有重要地位。本文的目的在于通过研究在CO2倍增、高温条件下不同氮素水平蒙古栎叶片叶绿素含量的变化来预测未来CO2浓度升高，并伴随温度上升的情况下，蒙古栎幼苗在不同的氮素营养水平下光合作用的变化，从而对蒙古栎生物量的早期预测和未来全球变化对氮素的需求量预测提供理论依据。

1　材料和方法

1. 1　材料

实验所用蒙古栎种子于2004年秋季采自东北林业大学哈尔滨实验林场的蒙古栎林，幼苗于2005年春季播种，温室条件下生长一阶段，每株幼苗分别移栽至15 cm×13 cm的塑料钵中，用砂土(土：沙为3：1)培养。待幼苗长至10 cm左右，选择株高及生长状况基本一致的幼苗移至人工气候箱内进行实验。

1. 2　方法

1. 2. 1　二氧化碳倍增处理和高温处理

图1　在生长箱中模拟帽儿山地区6~8月平均光合有效辐射和温度日变化

利用加拿大公司生产的E8型人工气候箱进行二氧化碳倍增及温度升高处理，模拟的正常温度条件为帽儿山地区6~8月份的平均温度日变化(图1)。高温处理是在此正常温度条件下平均增加4℃。湿度平均为60%，由人工气候箱自动控制。同时在另一相同型号的人工气候箱内设一对照进行比较(二氧化碳浓度正常，为400μmol CO2•mol-1air)。人工气候箱有3组灯管，每组灯管包括一个钠灯和一个金属卤素灯，两种灯的光质是不同的，可以通过对3组灯管的开闭来模拟外界的光照强度的日变化，每钠灯和每金属卤素灯的照度均为200~250μmol photos•m-2•s-1，同时开放3组灯时，光照强度可以达到1200~1500μmolpho2tos•m-2•s-1，能满足植物正常生长的需要。湿度平均为60%，由人工气候箱自动控制。

1. 2. 2　不同氮素水平处理

在上述3组人工气候箱内，将蒙古栎幼苗设置高氮、正常氮和不施氮3种氮素水平处理，氮素采用NH4NO3进行控制，氮浓度梯度处理分别为： 15mmol•L-1N(高氮)， 7. 5mmol•L-1N和不施氮(其中7. 5 mmol•L-1为对照，作为正常供氮水平)。用Hogland缺氮营养液每隔4天施用一次，保证其他营养成分的供应。并且每天上午定时浇水，处理3个月。

1. 2. 3　叶绿素含量的测定

叶绿素含量的测定采用叶绿素测量仪法：用1 cm2的打孔器从蒙古栎的叶片中取下两块，称重，放于试管中，加入5mL二甲基亚砜，放于60℃水浴中3小时(暗处)，至叶子绿色退去为止。每株叶样尽量在叶片的相同部位取得。用可见光分光光度计(WJF2100上海)测定649和665 nm两个波长处的吸光度。叶绿素浓度(μg•ml-1)按Küster等人的方法计算。

叶绿素浓度的计算方法

绘图在Origin7. 5中完成，所有统计分析采用SPSS软件。

2　实验结果

2. 1　不同氮素水平对蒙古栎幼苗的影响

图2　不同氮素水平下蒙古栎幼苗叶绿素a, b和总含量的变化

实验结果表明，在对照实验中，3种氮素水平对叶绿素a的合成(图2.5)，其含量随着施氮水平的下降递减。高氮水平下的叶绿素a、b和总量极显著地高于正常氮和不施氮，而在正常氮和不施氮条件下差异不显著，但不施氮水平下的叶绿素总量与正常氮相比有下降的趋势，但差异不显著(图2.2)。氮素是叶绿素分子重要的组成元素，培养基质中氮的含量直接影响蒙古栎幼苗叶中叶绿素的合成，尤其对叶绿素a的合成影响较大，在营养充足的情况下也促进叶绿素b的合成。

2. 2　CO2倍增和不同氮素水平对叶绿素含量的协同作用

表1　CO2倍增和高温对叶绿素含量的影响

在高氮素水平下，CO2倍增使蒙古栎幼苗的叶绿素a， b和总含量与对照相比极显著地增加；而叶绿素a/b明显低于对照(表1)，说明在营养充足的条件下，CO2倍增有效促进了叶绿素含量的增加，尤其促进了叶绿素b的合成。在正常氮水平下，CO2倍增在一定程度上促进了叶绿素a， b和总含量的合成，而叶绿素a/b有下降趋势，但差异不显著(表1)。在不施氮的水平下，CO2倍增使叶绿素a和a/b极显著地增加，而对叶绿素b和总含量没有影响(表1)。

在CO2倍增条件下，高氮素水平与正常氮素和不施氮素差异极其显著，叶绿素含量(a，b和总量)明显增加，叶绿素a/b在3种处理之间比较稳定，没有变化(图2：1)。正常氮和不施氮对叶绿素含量也没有影响(图2)。由此说明CO2倍增所带来的充足的碳源，植物必须有相应较高的氮源不断供应，以保证一定水平的C/N比例，满足植物正常生长的需要。因此在CO2倍增和高氮的相互作用下，叶绿素含量显著增加(表1)，而在氮源不足的情况下，即使有充足的碳源供应，C/N失衡，叶绿素含量也不会产生影响。

2. 3　高温和不同氮素水平对叶绿素含量的影响

在高氮水平下，高温(正常温度+ 4℃)只对蒙古栎幼苗的叶绿素a产生影响，使其显著增加(表1)；而叶绿素b和总含量有增加趋势，但差异不显著；正常氮水平下，高温对叶绿素含量均有增加趋势，但差异都不显著；在不施氮的水平下，叶绿素a/b显著增加。从生长状态上看，温度升高4℃使蒙古栎幼苗并没有达到胁迫，而是在一定程度上促进了幼苗的生长，也可能温度升高4℃接近该种生长的最适温度，但对叶绿素含量的影响不大，仅在高氮的情况下促进了叶绿素a的合成，不施氮的水平下，相对促进了叶绿素a或减少了叶绿素b(表1)。

在高温条件下，高氮使幼苗的叶绿素a和总含量极显著地高于正常氮和不施氮，叶绿素b含量只在高氮和不施氮间差异显著。正常氮和不施氮间没有变化，叶绿素a/b趋于稳定(图2)。

3　讨论

大部分植物对矿质营养的需求与对其他资源———能量和水的需求一样，需要一个平衡的营养状态以维持最理想的生长。氮素是植物需求量最大的矿质营养元素，同时也是叶绿素的关键组成成分，缺乏时就不能形成叶绿素，所以在CO2倍增、高温、对照条件下都表现出高氮水平下叶绿素a、b、总量都高于低氮和不施氮的处理(图2)。CO2和温度对叶绿素含量的影响受到氮素的制约，氮素水平的不同， CO2和温度对叶绿素含量的影响也不同：

在高氮的条件下叶绿素a的含量在CO2倍增和高温条件相对于对照条件都有显著提高(表1)，从能量传递效率看，叶绿素a较多，预示着可以被能量激发的分子数就多，参加光合作用的分子数也多，因而光合产物就高，所以，在养分充足的条件下，CO2倍增和提高一定的温度能够促进植物的光合作用能力。CO2倍增条件下叶绿素b的含量也有显著提高(表1)，而且从叶绿素a/b比值变化可知，当CO2浓度倍增处理时，该值的减小幅度最为明显。这意味着叶绿素b相对含量增多，叶绿素a/b比值主要是由叶绿素b的变化引起的，叶绿素b有利于植株更充分地吸收漫射光与反射光中的蓝紫光，增强光合效能，从而促进群体的光合作用。

在正常的氮素条件下CO2倍增和高温对叶绿素a，叶绿素b及总量的影响均不显著(表1)，表明没有充足的氮素营养供应的情况下，CO2和温度对叶绿素促进作用不明显；在不施氮的条件下，虽然叶绿素的含量很低，但是在CO2倍增和高温的条件下叶绿素a的含量显著高于对照，而叶绿素b的含量和总量差异不显著(表1)，说明在养分条件严重胁迫时CO2倍增和升高适当的温度在一定的程度上可以促进叶绿素a的合成，从而保证植物的光合能力，但是由于养分的限制，不能同时保证叶绿素b的合成。

本实验结果也表明，帽儿山地区生长季的气温并不是蒙古栎生长的最适温度，而是低于最适温度。这一点与该种很宽的生态幅有密切关系，其天然分布区很广，我国华北和东北都有分布。因此，在未来气候变暖的条件下在一定意义上能够促进该种的生长，当然主要还是取决于各项环境因子的综合作用。

本项研究结果表明，CO2浓度升高明显导致蒙古栎幼苗对氮素水平的需求也增加，高温条件下的蒙古栎幼苗也在一定程度上增加了对氮素的需求�！　�

4　结论

CO2倍增所带来的充足的碳源，植物必须有相应较高的氮源不断供应，以保证一定水平的C/N比例，满足植物正常生长的需要。因此在CO2倍增和高氮的协同作用下，叶绿素含量显著增加，而在氮源不足的情况下，即使有充足的碳源供应，C/N失衡，叶绿素含量也不会受到影响。温度升高4℃在营养充足的情况下促进了叶绿素a的合成，不施氮的水平下，相对促进了叶绿素a(表1)。说明小幅的温度升高并没有对蒙古栎幼苗造成胁迫，反而对其生长有一定的促进作用。因此，蒙古栎的生物产量可能会增加，同时由于大气CO2浓度增加使植物对氮素的需求量也增加，未来全球变化的情况下，可能会使北半球森林生态系统氮素缺乏的现象加剧。