1 引言(Introduction)

20世纪以来, 由于废水、汽车尾气等含氮(N)化合物的排放, 导致生态系统的外源N输入持续增强, 其发展趋势较为严峻, 成为重要的全球性环境问题(Morillas et al., 2015).由于N是植物体内氨基酸和蛋白质的重要组成部分, 同时植物N营养物质的代谢对植物光合特性有着重要的影响, 可利用N的增加必然显著影响植物生长和光合固碳(C)过程(周志强等, 2015), 甚至可以改变生态系统的C、N循环过程和生态系统的功能(Bukaveckas et al., 2013; 周晓兵等, 2010).因此, 外源N输入增强对植物光合特性和固C的影响成为当前全球环境变化研究的热点问题之一(Thomas et al., 2010; Gundale et al., 2014).

近年来, 河口湿地外源N输入的增强也成为改变河口湿地生态系统结构和功能的重要因素.河口湿地由于特殊的潮汐水淹作用, 地表常为干湿交替状态, 植物水淹时长和水淹深度呈周期性变化, 造成植物光合生长常受制于干旱或水淹胁迫.水淹状态显著影响植物根系N的吸收, 这是由于N素溶解在溶液中, N的吸收依靠从土壤到根系的水流及N在根系土壤中的分布(Keller et al., 2005).另外, 水分能够对N的生态效应进行调节, 可能影响植物光合速率及叶片中可溶性蛋白含量(Nakaji et al., 2001), 这些生理效应的改变直接影响植物的光合生长.众多研究表明, 水、N对植物的光合特性存在显著的相互促进和制约的交互作用, 针对不同水分和N输入条件下植物光合生理特性的研究就显得尤为重要(李静等, 2016).作为湿地重要类型的河口潮汐湿地是对全球环境变化响应最敏感的生态系统(Bianchi et al., 2009), 但目前不同水淹下N输入对河口湿地植物光合特性的影响仍缺乏深入的研究.

闽江河口湿地处于中国东南沿海的高N沉降区(遆超普等, 2010)和高N营养盐输入区(郑小宏, 2010).如此高的N输入对闽江河口湿地生态系统植物光合生长和养分循环必然造成深刻影响.短叶茳芏(Cyperus malaccensis)为莎草科莎草属多年生草本植物, 是中国东南沿海最为常见的优势盐沼植被, 在闽江河口区也广泛分布.短叶茳芏是C₄植物(δ¹³C丰度实测值为-12.45‰~-13.54‰), 具有较强的光合固C能力.而前期的研究表明, 闽江河口地区的短叶茳芏N/P < 14, 光合生长仍受N养分限制(胡伟芳等, 2014).因此, 对于受N限制、光合固C能力较强的闽江河口湿地土著优势群落, 开展其光合特性对于N输入和水淹差异的响应研究, 对于深入理解全球环境变化对河口潮汐湿地植物光合固C和抗逆性的影响, 促进河口潮汐湿地的恢复与保育等具有重要意义.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况

闽江河口湿地是中国东南沿海典型的天然河口潮汐湿地, 地处南亚热带与中亚热带季风气候过渡区, 其地理坐标为119°5′36″~119°41′5″E, 25°50′43″~26°9′42″N.该区气候暖热湿润, 雨热同期, 降水集中在3—9月, 受台风影响显著; 土壤盐分较高, pH偏酸性; 区系植物热带性质明显, 维管束草本植物占绝对优势.区内包括鳝鱼滩、蝙蝠洲、浦下洲、道庆洲等多个洲滩湿地, 其中, 鳝鱼滩湿地位于闽江入海口, 是闽江河口区最大的洲滩湿地, 面积约3120 hm², 由于动植物多样, 是珍稀鸟类的理想栖息地, 具有重要的生态保护价值.区内主要分布红树林、沙生和滨海盐沼等植被类型, 分布较广的主要土著优势种有芦苇(Phragmites australis)、短叶茳芏、藨草(Scirpus triqueter)等, 以及近年来的入侵种互花米草(Spartina alterniflora), 其中, 在高程差约1.5~2.0 m的中、高潮滩, 短叶茳芏均有分布(刘剑秋等, 2010).

2.2 实验材料

实验采用中型生态系模拟法(Cheng et al., 2007).2014年4月下旬, 在闽江河口鳝鱼滩湿地实验采样地, 选取短叶茳芏幼苗长势和高度相对一致的地段, 采集整株植株及0~20 cm的原位土层, 小心地放置到塑料桶中.植株和土壤带回实验室后, 挑选大小高度一致(约高15 cm)、健康的植株, 随机移植到直径30 cm、高30 cm的PVC桶中构建中型生态系.每个桶中植株数目保持一致(10株), 土层深为20 cm.为防止边缘效应, 将边缘土样压实并随机摆放.用采集的土壤上覆水预培养1周, 并经过15 d的稳定期后开始进行不同N输入和不同水淹等各处理实验.实验持续15个月, 整个实验期间植株在自然条件下生长.

2.3 实验处理

鳝鱼滩湿地中、高潮滩短叶茳芏植物水淹状况有明显差异, 在一个大、小潮周期内, 高潮滩平均水淹时间约为5%~10%, 土壤含水量相对较低; 中潮滩平均水淹时间约为40%~50%, 短叶茳芏群落处于频繁水淹状态.因此，本研究参考徐高峰等(2013)的方法, 在桶侧面和底部打孔并定时放水, 设计短时水淹和中度水淹2种水淹处理.同时, 根据该区域2012年测定的N沉降通量9.1 g·m^-2·a^-1(李明月等, 2013), 参考亚热带农田施N量15 g·m^-2·a^-1(谭立敏等, 2014), 以NaNO₃为施N种类, 设置3种N输入水平, 结合2种水淹差异开展交互实验(表 1).

2.4 分析方法 2.4.1 光合特性分析方法

植物光合特性的测定包括光响应曲线测定和光合日变化的测定.实验选取靠近植株上部成熟、健康和生长方向一致的新叶, 使用Li-6400(LI-COR, Lincoln, Nebraska, USA)便携式光合作用测定仪进行测定.

光响应曲线:在短叶茳芏生长旺期(实验开展3个月后, 2014年7月), 选择多云、风速较小的天气进行测定.在每天上午9:00—11:30进行测定, 连续观测2 d, 每个处理3次重复.光源为Li-6400红蓝LED光源, 设定叶室温度为35 ℃, 大气CO₂浓度设定为400 μmol·mol^-1, 气流速度为500 μmol·s^-1, 设定的光强梯度为1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50、20和0 μmol·m^-2·s^-1, 测定短叶茳芏的净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)等光合参数, 光响应曲线方程采用新型的指数方程进行拟合(Ye, 2007):

(1)

式中, α、β、γ为3个与光强无关的系数；P_n为净光合速率；I为光合有效辐射(μmol·m^-2·s^-1)；I_C为光补偿点(μmol·m^-2·s^-1).根据拟合方程, 进一步计算最大净光合速率(P_nmax)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、表观量子效率(AQY)及暗呼吸速率(R_d)等光响应特征参数.

光合日变化:光合日变化的测定在实验开展6个月(2014年10月, 植株成熟期)、15个月(2015年7月, 植株生长旺期)后进行.在风速较小的晴天, 选择长势正常、健康的叶片进行测定, 时间从上午7:00开始至下午17:00, 每隔2 h测定, 连续观测3 d.记录P_n、G_s、胞间CO₂浓度(C_i)、蒸腾速率(T_r)等主要光合参数, 同时记录基于叶温的蒸气压差、叶温、气温、大气CO₂浓度、相对湿度和光合有效辐射等生理生态因子.光合作用的气孔限制值用L_s表示, 其计算公式见式(2).

(2)

式中, C_i表示胞间CO₂浓度, C_a表示大气CO₂浓度(杨泽粟等, 2015).

2.4.2 生物量及叶绿素相对含量(SPAD值)测定

采用收获法获取植物地上、地下生物量.植物收获后去除死根、立枯等杂物, 用蒸馏水冲洗干净, 地上部分在105 ℃下杀青30 min, 其余在80 ℃条件下烘干至恒重, 然后测定地上、地下的干重.选取植株中3片有代表性、上部成熟、健康和生长方向一致的叶片, 使用SPAD-502(日本)测定中部叶片的SPAD值.

2.5 统计分析

利用SPSS 17.0软件的双因素方差分析(two-way ANOVA)比较不同水淹和N输入处理各指标的差异.在进行方差分析前, 对数据进行方差齐性检验, 检验不通过则进行适当的数据转换, 再进行方差分析.p＜0.05和p＜0.01表示差异达到显著和极显著水平.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 植株生长状况

不同N输入水平和水淹差异对短叶茳芏地上和地下生物量的影响如图 1所示.植物的地下生物量高于地上生物量, 根冠比>1, 由于培养6个月后短叶茳芏为成熟期, 其生物量高于培养15个月后的生物量.方差分析表明, 6个月后, 水淹状况和各N输入对植物地上、地下生物量产生显著影响:短时水淹的地上、地下生物量显著高于中度水淹处理的生物量, 8 g·m^-2·a^-1 N输入处理的植物地上、地下生物量显著高于0和16 g·m^-2·a^-1 N输入处理的植物生物量(p < 0.05), 其中以N输入水平对植物地上、地下生物量的影响更为显著.15个月后, 水淹状况和各N输入处理仍对植物生物量产生显著影响, 但此时中度水淹的地上、地下生物量显著高于短时水淹处理的地上、地下生物量(p < 0.05), 8和16 g·m^-2·a^-1处理的植物地上生物量显著高于0 g·m^-2·a^-1处理的地上生物量(p < 0.05), 并且主要影响因素从N输入水平转为水淹状况的差异.这也表明经过15个月的实验后, 中度水淹可以显著地提高植物地上和地下生物量, 中、高N(8、16 g·m^-2·a^-1)处理也可以对地上生物量产生明显影响.

N输入和水淹对短叶茳芏SPAD值的影响如图 2所示.植株的SPAD值在生长旺盛期较高, 成熟期较低.双因素方差分析表明, 第6个月, 短时水淹和中度水淹对植株SPAD值无显著影响, 8、16 g·m^-2·a^-1 N输入的植株SPAD值则显著高于0 g·m^-2·a^-1处理(p < 0.05), 但交互作用不明显.第15个月, 各水淹处理和N输入处理都无显著差异(p>0.05), 但水淹和N输入交互作用的效果都很显著:0 g·m^-2·a^-1处理下短时水淹植株的SPAD值显著高于中度水淹的SPAD值(p < 0.05), 8、16 g·m^-2·a^-1处理下中度水淹植株的SPAD值显著高于短时水淹植珠的SPAD值(p < 0.05).

3.2 光响应特征 3.2.1 光响应曲线

图 3为不同水淹下N输入后短叶茳芏的P_n(以CO₂计)随光合有效辐射(PAR)的变化情况.各处理的光响应曲线趋势比较一致, 光强在0~200 μmol·m^-2·s^-1范围内P_n呈线性增长, 之后增长变缓, 当光强达到光饱和点时P_n呈不变甚至下降趋势.相对于中度水淹, 短时水淹的各N输入处理的P_n较中度水淹更高; 这也表明短期内短叶茳芏短时水淹光合能力较中度水淹更强.而2种水淹状况下, 都以8 g·m^-2·a^-1处理下P_n最高, 不施N处理最低.

3.2.2 光响应特征参数

不同水淹状况和N输入下短叶茳芏的光合特征参数如表 2所示.双因素方差分析表明, N输入下2种水淹状况的短叶茳芏P_nmax无显著差异(p>0.05), 但各N输入处理P_nmax有显著差异, 8和16 g·m^-2·a^-1处理显著高于0 g·m^-2·a^-1处理(p＜0.05).水淹状况同样对短叶茳芏LCP、R_d和AQY都无显著影响, 但N输入都导致R_d和AQY下降, 以8 g·m^-2·a^-1处理显著较低(p＜0.05), 尤其是中度水淹下降低最明显.水淹和N输入对短叶茳芏的LSP有显著影响, 不仅短时水淹LSP显著高于中度水淹, 而且8 g·m^-2·a^-1处理显著高于0 g·m^-2·a^-1处理(p < 0.05).

3.3 光合日变化特征 3.3.1 气温日变化

实验期间气温的日变化如表 3所示.实验6个月后, 此时为秋季, 7:00—17:00温度变化范围为(23.54±0.08)~(33.94±0.34) ℃, 温差为10.40 ℃.实验15个月后, 此时为夏季, 7:00—17:00温度变化范围为(31.66±0.23)~(42.56±0.22) ℃, 温差为10.90 ℃, 平均温度显著较高(p＜0.05).实验期间的日气温最高值均出现在午后13:00.

3.3.2 净光合速率

不同水淹状况下N输入对短叶茳芏P_n日变化的影响如图 4所示.短时水淹在各个生长期P_n日变化都为“单峰”曲线, 中度水淹则在第15个月变为“双峰”曲线.第6个月, 短时水淹下N输入短叶茳芏P_n最高值出现时间为11:00;中度水淹在N输入后P_n最高值出现在13:00.第15个月, 中度水淹在N输入后P_n日变化为“双峰”曲线, 在11:00和15:00出现峰值.双因素方差分析表明(表 4), 实验第6个月, 水淹和N输入对P_n日均值的影响不大, 但交互作用明显, 特别是中度水淹下N输入显著增加了P_n日均值; 第15个月, N输入极显著增加了短叶茳芏P_n日均值(p＜0.01), 中度水淹也显著增加了P_n日均值(p＜0.05).

3.3.3 气孔导度

图 5显示了不同水淹状况下N输入对短叶茳芏G_s(以H₂O计)日变化的影响.短时水淹植物G_s日变化主要呈现为“单峰”曲线, 第6个月G_s最高值出现在13:00, 15个月后峰值不明显; 中度水淹日变化曲线波动较大, 峰值主要出现在9:00.双因素方差分析表明(表 5), 第6个月N输入对短叶茳芏G_s日均值的影响不大, 但中度水淹G_s日均值显著高于短时水淹, 2种因素的交互作用也比较明显(p＜0.05).第15个月, N输入对短叶茳芏G_s日均值的影响也不显著, 但中度水淹G_s日均值极显著高于短时水淹(p＜0.01).总体上, 水淹状况对植物G_s有较大影响.

3.3.4 胞间CO₂浓度

不同水淹状况下N输入后短叶茳芏C_i日变化的趋势和P_n的日变化大致相反(图 6).短时水淹植物C_i日变化主要呈现为单“V”曲线, 而中度水淹C_i日变化曲线波动较大.双因素方差分析表明(表 6), 第6个月, 水淹状况对短叶茳芏C_i日均值无显著影响, 8和16 g·m^-2·a^-1处理植物C_i日均值极显著低于0 g·m^-2·a^-1处理(p＜0.01).实验15个月, N输入对短叶茳芏C_i日均值无显著影响, 中度水淹C_i日均值极显著高于短时水淹(p＜0.01).实验6个月, 以N输入对C_i日均值影响更大, 实验15个月后, 以水淹为主要影响因素.

3.3.5 蒸腾速率

不同水淹状况下N输入后短叶茳芏T_r日变化同G_s的日变化规律比较一致, 主要表现为“单峰”曲线(图 7).短时水淹T_r峰值出现在13:00;中度水淹在第6个月后, 峰值出现时间由13:00提前到11:00.双因素方差分析表明, 第6个月, 水淹状况和N输入对T_r日均值都无影响, 但二者的交互作用显著:短时水淹下N输入降低了T_r日均值, 中度水淹下N输入增加了T_r日均值(p＜0.05).第15个月, 水淹状况和N输入对短叶茳芏T_r日均值都有显著影响:短时水淹显著高于中度水淹, 16 g·m^-2·a^-1处理显著高于8和0 g·m^-2·a^-1处理, 其中以水淹状况对T_r日均值影响更为显著(p＜0.05).

4 讨论(Discussion) 4.1 N输入和水淹对光响应特征参数的影响

光响应曲线和特征参数有助于了解植物光合作用的能力受环境变化影响的程度(陆燕元等, 2015).本研究结果表明, 短时水淹LSP显著高于中度水淹, 这是由于较长水淹下电子传递反应、Rubisco活性受影响, CO₂浓度成为光合作用的限制因素, 因此LSP下降(潘瑞炽, 2004), 这也解释了短期内(6个月)短时水淹的地上、地下生物量极显著高于中度水淹的原因.但2种水淹处理之间的短叶茳芏P_nmax无显著差异, 这是由于2种水淹状况对短叶茳芏光响应特征其他重要参数如LCP、R_d和AQY等都无显著影响造成的.

不同水淹下N输入后短叶茳芏P_nmax则有显著提高.由表 2可知, 8 g·m^-2·a^-1处理LSP显著升高, 反映N输入后短叶茳芏对强光的吸收和适应能力增强, 提高对光能的利用范围(焦念元等, 2015); 8和16 g·m^-2·a^-1处理R_d下降, 表明N输入降低了由于暗呼吸导致的C损失; 同时, N输入后6个月内, SPAD值显著提高(图 2), 这是由于N输入后利于叶片叶绿素合成, 提高了植物光合能力(王强等, 2012), 因此, N输入后显著促进了短叶茳芏地上、地下生物量的增加.

4.2 N输入和水淹对净光合速率的影响

水、N是影响植物光合作用的重要因素, 水分不仅影响植物对N的需求(Otsus et al., 2004), 水分和N输入对植物光合特性和生物量的影响可能还存在交互作用(李文娇等, 2015; Meyer Grünefeldt et al., 2015).P_n作为植物生理性状和光合特性的重要指标, 其变化不仅决定于植株本身的生物学特性, 还受水、N等环境因子的影响(李静等, 2016).本研究中, 从P_n的日变化看, 短叶茳芏在实验15个月后, 中度水淹各处理P_n的日变化为明显的“双峰”曲线, 即出现光合午休现象.引起植物光合午休的原因可分为气孔因素和非气孔因素(Farquhar et al., 1982).本研究在中午阶段(11:00—13:00) P_n值逐渐下降, 同时G_s也下降, 但C_i却是上升的, L_s也逐渐下降, P_n下降应为非气孔限制因素.主要是由于此时的实验时间为7月, 平均温度较高(表 2), 午间光照非常强烈, 光能过剩, 植物蒸腾作用强烈, 叶片光合作用出现光抑制和光呼吸增强造成的(刘春华等, 2009); 也可能是研究期间午间的温度较高(13:00温度高达(42.56±0.22) ℃), 引起CO₂溶解度和RuBP(Ribulose-1, 5-Bisphosphate)浓度变低, 光合酶的活性受到抑制, 羧化效率下降造成(陈模舜等, 2005).短叶茳芏在短时水淹条件下在7月并没有出现光合午休现象, 这可能是由于短时水淹条件下蒸腾速率较中度水淹低导致.本研究中, 短时水淹条件下在0、8和16 g·m^-2·a^-1处理的日均蒸腾速率分别为(2.25±0.14)、(1.95±0.22) 和(2.51±0.11) mmol·m^-2·s^-1, 中度水淹条件下在0、8和16 g·m^-2·a^-1处理的日均蒸腾速率分别为(3.94±0.30)、(4.26±0.44) 和(4.84±0.34) mmol·m^-2·s^-1, 短时水淹各N处理日均蒸腾速率显著较低(图 7), 表明短叶茳芏在短时水淹下, 能通过降低蒸腾速率保持植物体内水分不过度损失, 同时又能维持一定的净光合速率(赵颖等, 2013).高温条件的午间, 不同水淹处理的短叶茳芏采取的不同光合日变化策略, 反映的是短叶茳芏对高温环境和水分及N输入条件变化的适应性, 体现了短叶茳芏较强的抗逆性.

水淹或干旱胁迫通过气孔、非气孔和植物光合面积限制等因素影响光合活性(刘菊莲等, 2015).胁迫环境下, 叶片光合性能和叶绿素含量显著下降(Tan et al., 2008), 植株净光合速率受到抑制(Huseynova, 2012).通常认为, N输入可以减轻水分缺乏对植物生长和光合的抑制作用, 增强植物抵抗胁迫的能力, 提高植物的净光合速率和光合效率(Song et al., 2010).本研究表明, 实验第15个月, 2种水淹下N输入都增加了植物P_n的日均值(图 4).短时水淹状况下N输入后, C_i和L_s值变化不大, 表明气孔因素并非是P_n升高的主要原因.由于植株对水分亏缺胁迫的最敏感反应就是通过气孔关闭避开低水势(Pinheiro et al., 2011), 节约大量水分消耗(杨泽粟等, 2015), 避免因过多蒸腾失水而伤害叶肉组织, 此时G_s下降; 同时T_r下降, 但提高了水分利用效率, 从而减轻干旱对植物生长和光合的抑制作用.有研究表明, 施用适量的N素减轻了干旱胁迫对叶肉细胞光合机构的伤害, 具有保护叶片细胞膜稳定性的能力(金微微, 2012); 贺正山等(2010)的研究也认为水分缺乏时N添加后P_n的升高可能是由于叶肉光合活性升高远大于气孔导度的降低而造成的.因此, 本研究中短时水淹和N输入处理P_n升高的主导因素是非气孔因素.中度水淹状况下N输入后, L_s值随着N输入增加由0.22升高至0.33, 但P_n却升高, 表明P_n的升高也是非气孔因素造成的, 因为中度水淹后植物也可能通过形成复杂的抗氧化酶系清除活性氧积累对光合细胞的破坏(Tan et al., 2010), 还可以通过调整激素含量应对水淹胁迫(Chen et al., 2010), 同时T_r升高使根部获得更多的N素, 增强叶肉细胞光合能力(Brueck, 2008).这表明无论何种水淹处理, N输入主要通过非气孔因素促进短叶茳芏P_n日均值的提高.但也有研究认为, 低水分条件下N输入处理的光合作用主要受非气孔因素的限制, 中水分条件下主要受气孔因素的限制, 高水分条件下各氮肥处理的光合作用受气孔因素和非气孔因素的共同限制(闫建文等, 2014)；还有研究认为, 水分与N输入交互作用对植物光合特性和生物量分配均无显著影响, 这可能和生态系统类型、物种、土壤N饱和状态、实验时间等有关(吴永宏等, 2016).

5 结论(Conclusions)

1) N输入和水淹交互实验表明, 水淹对短叶茳芏的光合特征参数P_nmax、LCP、R_d和AQY都无显著影响, 但短时间内短时水淹LSP显著高于中度水淹, 光能利用率较高, 生物量较大; N输入则主要通过提高LSP和SPAD值, 同时降低R_d值, 提高光合固C能力, 促进生物量的增加.

2) 短时水淹处理下, 短叶茳芏在各个生长期P_n日变化都为“单峰”曲线, 中度水淹处理则在第15个月变为“双峰”曲线.2种水淹处理的N输入都显著增加了短叶茳芏P_n日均值, P_n升高主要是非气孔因素造成的.闽江口湿地的短叶茳芏抗逆性较强, 对N输入增强和水分条件等环境变化具有较好的适应性.