近半个世纪来, 随着工业的发展, 大气CO₂不断浓度上升。预计到本世纪中叶达到550μmol/mol, 到本世纪末将将超过730μmol/mol^[1-2]。大气CO₂的这种不正常升高引起的以气候变暖为标志的全球气候变化可能导致中国干旱、半干旱区降雨量发生改变^[3-5]。陆生植物为了适应这些变化, 在生长发育、生物量以及碳氮元素在各器官中的分配等方面发生着改变^[6-10]。CO₂浓度升高和降水的变化对陆地生态系统碳贮量和碳通量产生影响, 同时碳贮量和碳通量又受氮循环的密切调控^[11]。陆地生态系统中的氮主要通过影响植物的光合作用、有机碳的分解以及同化产物在植物器官中的分配和生态系统对气候变化的响应等影响碳循环过程^[12]。大气中CO₂浓度升高常常提高植物的水分利用效率, 并改变体内碳素与氮素的分配模式^[13]。CO₂浓度升高和干旱胁迫会增加植物对地下部的碳素投资比例, 二者的交互作用使植株根冠比增加更为明显^[14]；而植株对生物量分配则受体内氮素和非结构性碳水化合物含量的共同控制^[15]。在干旱条件下, 碳水化合物在根系中长期积累进一步抑制对氮素的吸收能力, 导致体内氮含量降低, 限制CO₂的气肥作用, 减少植物氮利用率, 限制植物生长^[16]。而CO₂浓度升高和降雨量增加会直接促进植物的光合作用, 提高、固定碳量的增加, 相应的促进了植物对养分的吸收, 特别是氮, 进而影响植物的C/N^[17-19]。未来全球气候变化条件下, CO₂升高和降雨的变化会协同出现, 对植物也会产生耦合影响, 但目前就CO₂浓度升高在不同水分条件对植物的影响作用结果并不完全一致^[20-21]。造成这种结果的差异是由于不同的物种、发育阶段以及不同环境因子导致的。

在荒漠生态系统, CO₂对植被的影响一般会受到主要限制因子水分的调控, 所以降雨量变化和CO₂浓度升高的交互作用对植物生物量及碳氮分配的影响更为重要。红砂(Reaumuria soongorica)是荒漠地区优势种植物之一, 具有耐瘠薄、适应性广、集沙能力强等特点, 对荒漠地区的生态保护具有重要作用^[22]。但因其长期生长在条件严酷, 人类活动频繁的环境中, 致使分布面积缩小, 种群数量减少, 严重影响了荒漠生态系统的稳定性。虽然, 前人逐渐认识到红砂研究的重要性, 在红砂叶片、根系、生物量分配以及碳氮分配等方面已做了部分的研究^[23-27], 但在未来荒漠生态系统对大气CO₂浓度升高响应的敏感度很大程度上依赖于降水量多少的形势下^[28], 红砂如何应对这种变化还未得知。为此, 本论文以两年生红砂为研究对象, 在其生长季节内通过人工控制CO₂浓度和降水量来开展模拟试验, 旨在探讨高浓度CO₂对红砂生物量分配及碳氮分配特征响应不同降雨量的调节作用, 以期为我国干旱、半干旱地区降雨量变化环境条件下, 红砂生长对大气CO₂浓度升高的响应积累资料。

1 材料与方法 1.1 试验材料和设计 1.1.1 试验材料

本实验于2015年4月—11月在甘肃农业大学校内实验基地进行。以前期红砂种质资源研究所培育好的同一批民勤种源2年生实生苗为试验材料。4月底, 从苗圃选取生长一致的幼苗移栽到30cm×60cm, 高50cm的种植盒内培育, 每盒栽种8株。盒内实验用土均取自种源地民勤红砂灌木林下0—20cm土壤。种植盒底部有排水孔, 并在排水孔下套塑料袋, 以防止水泄露。待缓苗1个月后于5月初开始进行CO₂熏气和降水处理。选择民勤种源红砂作为研究材料的主要原因有：(1)民勤是红砂自然集中分布区。(2)应对全球气候变暖该区降水格局发生了明显变化。因此可在此降水的基础上, 合理的设计不同降水处理。

1.1.2 试验设计

实验设对照(现在的大气CO₂浓度, 345—355μmol/mol)和690—7105μmol/mol 2个CO₂浓度水平, 每个浓度水平3个重复, 共设6个开顶式CO₂控制气室。气室面积1.5m×2.5m, 高1.5m。以液体钢瓶CO₂为气源, CO₂自动控制系统24h不间断进行控和监测气室CO₂浓度。气室内光源为自然光, 温度通过顶部气体流通和气室侧面换气扇控制在外界温度±1.5℃, 气室内温、湿度用干湿温度计进行测定。在每个CO₂浓度水平下根据选取红砂民勤种源生长季(5—9月)每月平均降水(1961—2008年近50年这几个月的月平均值降水量为基准)设置降水。根据民勤荒漠区气象资料显示1961—2008年的年平均降水主要集中在5—9月份, 这几个月的总降水量为95.5mm, 月均降水量为19.5mm, 占年降水量的86.08%；资料还显示, 该区多年平均降水量为116.7mm, 降水量较高的年份多为154.2mm左右, 比多年平均水平高出约30%, 降水量最低为81.5mm, 比多年平均水平低30%, 因而设定试验期间降水量增减30%的处理, 并在中间设置增减15%处理的两个梯度^[29], 这样降水控制试验设置5个梯度：降水量减少30%(-30%)、减少15%(-15%)、对照(0)、增加15%(15%)和增加30%(30%), 对照是指以民勤荒漠区近50年红砂生长旺盛期(5—9月)每月的降水量为基准对照, 换算为各处理每月的总灌水量, 分10次施入(每3d一次), 雨天及时扣上罩子防雨。每个气室内每个水分处理3个重复。月平均降水量及各水分处理每次灌水量见表 1。

1.2 测定指标与方法

于10月中旬在每个处理下选3盆红砂, 每盆选2株具有代表性植株进行破坏性取样, 先从茎基部截断, 对地上部分分为叶和茎, 取样过程中采用根系追踪法和过筛把每层根系全部取出, 放置在湿纱布中以保持其活性, 分别称量鲜重后置入105℃烘箱中杀青10min, 然后在80℃下烘干至恒重, 再称量各部分干重, 进一步计算总生物量。根、茎、叶有机碳含量用重铬酸钾氧化外加热法测定, 根、茎、叶全氮采用凯氏定氮仪(浙江托普仪器有限公司KDN系列)测定。根据测定结果计算红砂各个器官的C/N。

1.3 数据分析

基本数据分析和绘图采用Microsoft Excel 2010, 采用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA), 显著性检验采用LSD法；用一般线性模型对降雨量和CO₂浓度的主效应以及交互效应进行双因素方差分析。

2 结果分析 2.1 CO₂升高和降雨量变化对红砂生物量及其分配的影响

双因素方差分析结果(表 2)显示, CO₂浓度升高、降水量变化及二者的交互作用对红砂茎叶生物量、和根系生物量均有显著影响(P＜0.05), 降水量变化对根冠比有显著影响(P＜0.05), CO₂浓度及与降雨量的交互作用对根冠比无显著影响(P>0.05)。如图 1所示, CO₂浓度倍增(700μmol/mol)显著性地促进了红砂茎叶生物量, 降雨量增加或减少也显著性的促进或抑制了红砂茎叶生物量的增加, 5种降雨条件下(-30%、-15%、0、15%、30%)分别比自然CO₂浓度下的增加44.81%、17.92%、42.14%、64.82%和74.32%(P>0.05)。CO₂浓度倍增可以显著提高红砂的根系生物量, 降雨量增加或减少也显著性的促进或抑制了红砂根生物量的增加, 5种降雨条件下(-30%、-15%、0、15%、30%)分别比自然CO₂浓度下的增加22.98%、17.82%、21.15%、39.74%和31.60%。CO₂浓度倍增显著降低了红砂的根冠比, 降雨量增加或减少也显著性的促进或抑制了红砂的根冠比, 5种降雨条件下(-30%、-15%、0、15%、30%)分别比自然CO₂浓度下的降低了4.57%、16.88%、14.77%、15.22%和24.51%。

2.2 CO₂升高和降雨量变化对红砂根、茎、叶中碳氮含量特征的影响

双因素方差分析结果(表 3)显示, CO₂浓度升高、降水量变化及二者的交互作用对红砂根、茎、叶碳含量均有显著影响(P＜0.05)。如图 2所示, CO₂浓度倍增(700μmol/mol)显著性地促进了红砂根、茎、叶的碳含量, 降雨量增加或减少也显著性的促进或抑制了红砂根茎叶的碳含量, 5种降雨条件下(-30%、-15%、0、15%、30%)根碳含量分别比自然CO₂浓度下的增加了62.99%、38.63%、14.19%、11.53%和12.91%；茎碳含量分别增加45.82%、34.04%、32.12%、22.51%和18.55%；叶碳含量分别增加61.65%、39.96%、35.33%、32.85%和30.48%。可以看出, CO₂倍增对红砂根、茎、叶中的碳含量积累作用在降雨量减少时大于降雨量增加时。

双因素方差分析结果(表 3)显示, CO₂浓度升高、降水量变化及二者的交互作用对红砂茎、叶氮含量均有显著影响(P＜0.05)；CO₂浓度升高对红砂根氮含量无显著影响(P>0.05), 降水量变化及与CO₂的交互作用对红砂根氮含量均有显著影响(P＜0.05)。如图 2所示, CO₂浓度倍增(700μmol/mol)可显著性地降低红砂根、茎、叶的氮含量, 降雨量增加或减少也显著性的促进或抑制了红砂根、茎、叶的氮含量, 5种降雨条件下(-30%、-15%、0、15%、30%)根碳含量分别比自然CO₂浓度下的降低了9.56%、11.7%、10.89%、12.11%和12.65%, 茎碳含量分别降低了28.17%、23.32%、12.22%、10.17%和14.01%, 叶碳含量分别降低46.09%、41.94%、39.41%、37.92%和36.18%。可以看出CO₂浓度倍增使红砂叶片中氮的含量下降幅度显著大于茎和根系的。

双因素方差分析结果(表 3)显示, CO₂浓度升高、降水量变化及二者的交互作用对红砂茎、叶碳氮比均有显著影响(P＜0.05)；CO₂浓度升高对红砂根碳氮比影响显著(P＜0.05), 但降水量变化及与CO₂的交互作用对红砂根碳氮比无显著影响(P＜0.05)。如图 2所示, CO₂浓度倍增(700μmol/mol)可显著性促进红砂根、茎、叶的氮碳比, 降雨量增加或减少也显著性的促进或抑制了红砂根、茎、叶的氮碳比, 5种降雨条件下(-30%、-15%、0、15%、30%)根的碳氮比分别比自然CO₂浓度下的增加了80.22%、57.03%、28.16%、26.89%和29.27%, 茎碳氮比分别增加103.02%、74.82%、50.52%、36.38%和37.87%, 叶碳氮比分别增加199.88%、141.08%、123.34%、113.94%和104.45%。可以看出, CO₂浓度倍增因使红砂叶片中氮的含量下降幅度显著大于茎和根系的, 导致其碳氮增加幅度显著大于茎和根的; 同时, CO₂增加使红砂根茎叶的碳氮比增幅在降雨量减少时大于降雨量增加时。

3 讨论 3.1 红砂生物量分配策略对CO₂浓度升高及降雨量的响应

平衡生长理论认为, 受限的资源会影响植物向各器官生物量的分配, 而植物则可以通过生物量分配调节来响应外界环境条件, 从而维持其最优的生长模式^[30]。CO₂和水分是影响植物生长发育的主要因素, 它们相互作用共同影响植物的光合作用, 进而影响植物生物量的分配^[31]。高素华等^[6]通过研究荒漠生态系统的优势植物认为, CO₂浓度升高有利于荒漠植物根、茎、叶生物量的增加, 但不同植物对CO₂浓度升高和水分胁迫的敏感程度不尽相同。已有研究表明, 降雨增加将显著促进植物的生长, 进而促进生物量的增加^[32]。本研究发现, 红砂地上生物量随降雨量从30%到-30%减少而减小, 根系生物量则在降雨量增加和减少时都增加。这是因为水分确实是限制荒漠植物生长发育的关键因素, 降雨量的增加会促进植被生产力, 而降雨量的减少则会产生相反的作用^[33]。降雨量的减少对以自然降雨为主的荒漠植物红砂地上生物量多少起着主要的调节作用。但红砂地下生物对降雨量变化的响应则表明当生境中可利用的水资源变化时, 其在地下生物量分配上存在可塑性, 尤其降雨量减少可利用水分减少时, 红砂会将更多的生物量分配给地下器官, 以达到最优生长^[34]。研究表明, 植物对CO₂浓度的响应往往受水分因素的影响, 一定范围内CO₂浓度升高对植物具有重要的施肥作用, 同时能够减缓干旱胁迫对植物的影响^[14]。本研究中, CO₂浓度增加对红砂任何降雨量下的地上和地下生物量均具有显著的施肥效应, 但地上和地下生物量在降雨量增多时的增幅大于降雨量减少时的增幅, 说明红砂生物量对CO₂的响应存在水分差异, 降雨增多比降雨减少响应更为积极。

根冠比(R/S)被广泛应用于生物量分配特征的研究, 成为了许多陆地生态系统碳循环模型的重要参数^[35]。许多研究认为, 荒漠植物根冠比随干旱胁迫程度的增加而增加^[36]。本研究发现, 降雨量比自然降水减少时, 红砂根冠比增加, 说明降雨量的减少引起的干旱胁迫导致植物把大量的生物量投入到根系, 保证了干旱环境下植物的生存, 也体现了荒漠植物红砂植物对干旱环境的适应能力^[26]；降雨量比自然降水增加时, 红砂根冠比也显著增加, 但上升幅度远不如降雨量减少时, 说明降雨增多, 水分便向更深的土层中渗透, 红砂投入更多生物量向地下器官, 以利用深层的地下水而保持其最优生长模式^{[26, 37]}。但目前对于高浓度CO₂是否会增加植物根冠比有不同的观念, Norby等^[38]认为, CO₂增加时为维持对地下资源的吸收, 植物增加向地下部分生物量的分配从而使根冠比提高。而Princhard和Rogers^[39]则认为CO₂浓度升高没有改变植物的根冠比。本研究结果发现, CO₂浓度增加导致红砂根冠比降低。这是可能因为, CO₂浓度升高增加了红砂碳同化物的积累, 使得碳水化合物向地上和地下迁移增加导致茎叶和根系生物量都显著增多, 但红砂茎叶生长对CO₂的响应比根系积极(地上生物量增幅48.8%大于地下生物量增幅26.7%), 导致CO₂浓度升高对茎叶生物量分配的刺激作用显著高于对根系生物量的分配。

3.2 红砂碳氮特征对CO₂浓度升高及降雨量的响应

全球气候变化导致植物在生理生态、碳氮循环以及形态结构等方面发生着改变, 而碳氮营养及其分配对环境变化的调节作用是其中最重要的变化之一^[40]。高浓度CO₂导致植物主要器官对碳、氮化合物分配发生不同程度变化^[41]。本研究发现, CO₂浓度倍增时红砂根、茎、叶的碳含量显著增加, 氮含量显著降低, 根、茎、叶碳氮比显著升高, 降雨量增加导致茎叶中碳的积累大于根中碳的积累。这因为大气CO₂浓度升高, 红砂生物量显著增加(图 1), 导致产生了“稀释效应”, 即高浓度CO₂条件下植株碳积累和生物量的增长导致植株氮素利用效率提高^[42], 叶片中氮含量显著下降(平均下降24.86%), C/N显著升高, 建立新的碳氮分配格局^[43-44]。此外, 本研究中CO₂倍增导致红砂根茎叶的碳、氮含量发生改变, 碳向叶片中的分配增多(平均增幅40.05%), 向根系中的分配减少(平均增加28.05%), 氮向叶片中的分配减少(平均下降最多24.81%), 向根系中分配增多(平均减少5.59%)。这是植物响应高CO₂时在不同器官中对碳、氮的重新分配的结果^[45], 即CO₂升高, 植物光合速率增加, 植物光合作用产生的糖、淀粉等非结构性碳水化合物含量增加, 而这些物质的增加对组织中的氮素含量进行稀释^[42], 使得氮含量减少, 但叶片中的碳水化合物增加较多, 导致对氮素的稀释液较多, 所以氮含量下降较多, 因此叶片中的C/N增加也最多。

在干旱半干旱地区, 水分亏缺是限制植物生长的关键因素。适当的干旱促进根冠比增加, 使更多的碳分配给地下部分^[14]。本研究结果发现, 自然CO₂浓度下, 降雨量减少造成的干旱胁迫使红砂根系含碳量显著降低；高CO₂浓度, 降雨减少时红砂根系的含碳量却在比自然降水条件下的显著升高。这是因为CO₂浓度升高后, 植物将提高输入到根部的碳量以满足其生长对营养物质需求的增加且不受干旱的影响^[38]。干旱对根和根茎氮分配有着不同适应策略^[46]。本研究中, 红砂茎叶的氮含量随降雨量从30%到-30%的减少而减小, 根含氮量在降雨量从0到30%时增加, CO₂增加促进了根、茎、叶的氮含量显著降低, 但却没有改变其随降雨变化而产生的变化趋势。这是因为, 干旱增加氮素对根部的投资亦加大, 在受到外界胁迫时, 氮素往往最先分配给植物生长和生殖最需要的器官, 即所谓的氮“库”^[47], 在降雨量减少时, 红砂把大量的资源投入到根系, 保证了干旱荒漠环境植株存活^[26], 而在降雨量增加时由于碳源和水分的充足供给而保证了红砂地上地下地生物量的等速生长^[24]。同时, 研究还发现, CO₂倍增对于降雨量减少条件下红砂根茎叶的C/N的增肥效应大于降雨量增加时。这说明, 未来CO₂浓度升高时, 荒漠植物红砂碳氮在根茎叶中的分配与降雨量的多少有关, 红砂根茎叶的C/N对降雨量减少的响应更加积极。

4 结论

研究植物生理生态过程对全球气候变化的响应在预测未来个体生长策略、群体组成结构与陆地生态系统物质循环中占据十分重要的地位。本研究中, CO₂浓度升高显著提高了红砂生物量的积累和根、茎、叶中碳的含量, 却显著降低根、茎、叶中氮的含量。降雨量增加或减少显著地促进或抑制了这一作用, 但因碳、氮在根、茎、叶中分配的多少与降雨量的大小有显著关系而导致红砂根冠比在降雨量减少时大于降雨量增加时。所以, 未来在降雨量增加的地区, 红砂因充足的碳源和水分而得以恢复；而在降雨减少的地区, 虽然降雨限值了红砂的生长, 但CO₂的升高则对干旱胁迫造成的后果有一定的补偿作用, 同时红砂也将充分发挥其抗旱特性, 以较高的根冠比来维持其在荒漠生态系统中地位。