CO2浓度升高和磷素亏缺对黑麦草气孔特征及气体交换参数的影响

郑云普，常志杰，范晓懂，张运鑫，刘 亮，陈文娜，刘媛媛，郝立华

CO2浓度升高和磷素亏缺对黑麦草气孔特征及气体交换参数的影响

郑云普1，常志杰1，范晓懂2，张运鑫1，刘 亮1，陈文娜3，刘媛媛1，郝立华1※

（1. 河北工程大学水利水电学院，邯郸 056038；2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100；3. 河北工程大学园林与生态工程学院，邯郸 056038）

为深入理解未来大气CO2浓度升高背景下草地生态系统结构与功能响应土壤磷亏缺的潜在机理，该研究利用可精准控制CO2浓度的大型人工气候室，探讨了正常CO2浓度400mol/mol、升高CO2浓度800mol/mol和磷素供应水平（0.004、0.012、0.02、0.06、0.1和0.5 mmol/L）对黑麦草气孔特征及其气体交换过程的影响。结果表明，CO2浓度升高使供磷水平0.1和0.5 mmol/L的气孔密度增加34.9%（=0.012）和25.4%（<0.001），但气孔开度减小13%（=0.002）和12%（=0.005），且导致供磷水平为0.06 mmol/L的黑麦草气孔分布更加规则。同时，CO2浓度升高还导致供磷水平0.1和0.5 mmol/L的净光合速率显著增加8.6%（=0.002）和15.8%（<0.001），从而提高黑麦草的水分利用效率。另外，不同供磷水平明显改变了植株生物量及其分配，且高浓度CO2对较高磷水平时地上生长产生更强的施肥效应。研究结果将为深入理解草地生态系统对大气CO2浓度升高和土壤磷素亏缺的响应机理提供理论依据和数据支撑。

光合；水分；CO2倍增；磷亏缺；黑麦草；气孔特征；水分利用效率

0 引 言

自西方工业革命以来，大气CO2浓度以每年约2.0mol/mol的速度急剧增加到当前的410mol/mol，到21世纪末期大气中的CO2浓度将达到800mol/mol[1]。然而，目前植物进行光合作用的CO2浓度并没有达到饱和状态，未来大多数植物可能从高浓度CO2产生的“施肥效应”中获益[2]。以往大量室内控制和野外CO2富集试验的研究结果均已证实，大气CO2浓度升高将提高农作物的净光合速率[3]、加速植被生长[4-5]、改变作物物候[6]、增加粮食产量[7-9]、减小气孔开度[10]和提高水分利用效率[11]。另外，磷元素是核酸（DNA和RNA）、三磷酸腺苷（ATP）和细胞膜的重要组成部分[12]，参与了植物的光合、呼吸等关键代谢过程[13]。长期土壤磷亏缺势必导致植物生长迟缓、根冠比增加、叶片出现延迟等症状[14]，从而对植物生长发育以及作物产量造成影响[15]。此外，土壤磷素的有效性还在很大程度上调控植物对大气CO2浓度升高的响应[14-15]。

黑麦草（L.）不仅是一种具有较高营养价值的常见饲用牧草[16]，而且在草地生态系统防风固沙、涵养水源、固碳增汇等方面均具有重要的生态价值[17]。植物吸收磷元素的主要形式为水溶性无机磷酸盐，但温带草原土壤磷素的80%却为有机磷酸盐，故大部分有机磷无法被植物直接吸收和利用[16-17]。因此，磷元素亏缺已经成为当前限制中国北方温带草地生态系统初级生产力的主要因素之一[18]，尤其是在未来气候变化背景下，草原生态系统的结构与功能将受到高浓度CO2和磷素亏缺的协同影响[19]。故此，深入探讨CO2浓度升高和土壤磷素亏缺对黑麦草气孔特征、光合性能以及水分利用效率的协同影响，将有助于准确评估未来大气CO2浓度升高背景下土壤磷素亏缺对草地生态系统结构和功能产生的风险和威胁。

以往大多数研究主要关注大气CO2浓度升高与土壤水分[3,20]、高温[6,10]、臭氧浓度和氮沉降等环境因素协同影响农作物物候变化[9]、生长发育过程以及粮食产量[21]的生理生化机制。然而，目前有关大气CO2浓度升高和土壤磷素亏缺协同影响黑麦草的研究还鲜见报道，尤其是针对多个磷素亏缺水平上黑麦草气孔特征和气体交换过程对CO2浓度升高产生响应与适应的潜在机理至今仍不清楚。本文利用大型人工气候室探讨CO2浓度升高和磷素亏缺对黑麦草气孔形态特征及其空间分布格局、光合性能、水分利用效率产生的影响及其交互效应，为未来高浓度CO2和土壤磷素亏缺协同影响下的草地生态系统可持续性经营与管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

在河北工程大学草种场内播种黑麦草（L.）的种子，待黑麦草植株生长40 d后，将其移栽到装有蛭石的PVC管内（高50 cm，底面积78.5 cm2），并置于温室内生长60 d，温室内的温度为25 ℃/20 ℃（白天/夜晚），相对空气湿度为60%，太阳辐射量为700mol/(m2·s)。在此期间，每盆黑麦草每天浇水100 mL以确保水分充足，且每周使用Hoagland溶液2次（200 mL/次）。

为了模拟北方草地刈割和放牧措施，在冠层发育期间，每20 d将黑麦草的冠层高度修剪至5 cm。在进行CO2浓度处理之前，将黑麦草移至可以准确控制CO2浓度的大型人工气候室（高×宽×深为1 830 cm × 1 798 cm × 675 cm），温度设定为20 ℃/15 ℃（白天/夜晚），相对空气湿度为60%～65%，光照强度为800mol/(m2·s)，光照周期为12 h (7:00—19:00)。鉴于当前的大气CO2浓度约为400mol/mol，同时依据IPCC报告预测21世纪末大气CO2浓度将升高至800mol/mol[1]，故对黑麦草进行CO2浓度处理时将对照组（正常）和处理组（升高）分别设定为400和800mol/mol，每个处理4个重复。同时，对黑麦草进行不同供磷水平处理，以KH2PO4溶液为磷元素的来源，经去离子水稀释后配制6种不同磷浓度的Hoagland溶液，即0.004（P0.004）、0.012（P0.012）、0.02（P0.02）、0.06（P0.06）、0.1（P0.1）和0.5（P0.5）。90 d的CO2浓度和磷亏缺处理期间，每个处理每周均使用不同磷浓度的Hoagland营养液浇灌2次，每次用量200 mL。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 测量气孔的形态参数

利用无色透明的指甲油涂于成熟叶片表面采集气孔印迹；随后，在装备有照相机的显微镜下观察气孔形态和测量。对气孔印迹样品进行拍照时，随机选择3个不同的显微镜视野，每个视野下拍5张照片，即得到15张气孔显微照片（面积为0.3 mm × 0.45 mm），随机选择5张照片计算气孔密度。利用AutoCAD 2010软件分别测量气孔长度、气孔宽度、气孔周长、气孔面积以及气孔形状指数[11]。

1.2.2 分析气孔的空间分布格局

1.2.3 气孔形态特征观察及拍照

为了更加清晰地观察黑麦草气孔的形态结构及其开张状态，将采集后的叶片组织（2 mm × 2 mm）用2.5%（v/v）的戊二醛（0.1 mol/L 磷酸缓冲液，pH值7.0）固定样品，并在4 ℃环境下冷藏保存。在进行扫描电子显微镜观测前，将叶片样品用相同浓度的磷酸缓冲液冲洗6次，再用1%（v/v）的锇酸固定3 h。随后，叶片组织经过一系列的酒精梯度脱水，对样品进行临界点干燥后固定在观察台上用高压涂膜装置喷金。随后，在扫描电子显微镜下（FEI Corp，USA）进行气孔形态的观察和拍照[11]。

1.2.4 气体交换参数的测定

利用便携式光合测定系统（LI-6400，LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）测量叶片的气体交换参数，包括净光合速率（n）、气孔导度（s）和蒸腾速率（r）。叶片气体交换参数测量时，叶室内的温度设定为25 ℃，CO2浓度为400mol/mol，光照强度为1 000mol/(m2·s)。利用公式WUE =n/r计算叶片水平上的水分利用效率[11]。

1.2.5 植株生物量的测定

利用剪刀将黑麦草的地上和地下组织分开，并用清水将根系清洗干净。将分离后的黑麦草地上和地下组织分别装入纸袋中置于105 ℃的烘箱进行杀青处理2 h，随后将烘箱温度调至85 ℃烘烤48 h至恒定质量。最后，利用高精度电子天平分别称量烘干后的地下和地上组织的质量，即为黑麦草的地上和地下生物量。将黑麦草的地上和地下生物量相加，得到黑麦草的总生物量，而地下和地上生物量的比值即为根冠比。

1.3 数据统计与分析

本研究采用单因素和双因素方差分析的方法比较不同CO2浓度和供磷水平对黑麦草气孔特征、气体交换参数、叶绿素含量和生物量的影响及其交互效应，再利用S-N-K法比较组内的显著性差异（<0.05）。利用SPSS 13.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度升高和磷亏缺对气孔形态特征的影响

在当前的CO2浓度下（400mol/mol），随着供磷水平的提高，黑麦草气孔密度呈现先减少后增加的变化趋势（表1和图1）。然而，CO2浓度升高导致供磷水平为P0.1和P0.5处理下的气孔密度显著提高34.9%（=0.012）和25.4%（<0.001），但供磷水平为P0.004、P0.02和P0.06时的气孔密度却分别降低17.1%（=0.002）、26.9%（<0.001）和35.7%（<0.001；表1）。另外，2个CO2浓度条件下的黑麦草气孔面积均随着供磷水平的提高呈现先增加后降低的变化趋势，且均在供磷水平为P0.1时达到最大值（表1和图2）。同时，在供磷水平为P0.004、P0.1和P0.5时，CO2浓度倍增导致气孔面积分别降低13.7%（=0.001）、12.5%（=0.002）和11.6%（=0.005；表1）。此外，双因素方差分析的结果也表明，CO2和磷互作显著改变了气孔密度（<0.001）、气孔长度（=0.038）、气孔宽度（=0.021）、气孔面积（=0.003）和气孔形状指数（=0.037；表1）。上述结果表明，黑麦草气孔形态特征对CO2浓度升高的响应在不同磷素亏缺水平上存在明显的不对称性，即在较高供磷水平时黑麦草通过增加气孔数量和增大气孔开度在高CO2浓度条件下获益，而在较低供磷水平时则可以减小气孔密度和气孔开度来适应升高的CO2浓度。

表1 CO2浓度升高和磷亏缺对黑麦草气孔形态参数的影响

注：P0.004表示磷浓度为0.004 mmol·L-1，P0.012表示磷浓度为0.012 mmol·L-1，P0.02表示磷浓度为0.02 mmol·L-1，P0.06表示磷浓度为0.06 mmol·L-1，P0.1表示磷浓度为0.1 mmol·L-1，P0.5表示磷浓度为0.5 mmol·L-1。不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05），下同；值是检验的统计量，为组间与组内的离差平方和与自由度的比值，值越大则代表组间差异越显著，值的可信度也就越高。

Note: P0.004indicates phosphorus levelis 0.004 mmol·L-1, P0.012indicates phosphorus levelis 0.012 mmol·L-1, P0.02indicates phosphorus levelis 0.02 mmol·L-1, P0.06indicates phosphorus levelis 0.06 mmol·L-1, P0.1indicates phosphorus levelis 0.1 mmol·L-1, P0.5indicates phosphorus levelis 0.5 mmol·L-1.Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at the 0.05 level, the same as below; Thevalue is the statistic of thetest, which is the ratio of the sum of squared deviations between groups and within the group to the degree of freedom. The larger thevalue, the more significant the difference.

2.2 CO2浓度升高和磷亏缺对气孔空间分布格局的影响

本研究对黑麦草气孔空间分布格局分析的结果显示，2种CO2浓度和6个供磷水平处理下，黑麦草的气孔均是在小尺度范围内（60～150m）呈规则分布，而在较大尺度上（>200m）呈现随机分布的空间格局（图3）。然而，CO2浓度升高使供磷水平为P0.06处理下黑麦草气孔由规则转换为随机分布的空间尺度从150m增加至190m，但却在不同程度上导致其他供磷水平条件下（P0.004、P0.012、P0.02、P0.1和P0.5）气孔由规则转换为随机分布的空间尺度的减小（图 3）。另外，不同大气CO2浓度和供磷水平条件下，黑麦草气孔均在约110m空间尺度上的最小邻域距离Lhat()值最小，暗示此时气孔在110m空间尺度上分布的规则程度最高；其中，CO2浓度升高和供磷水平为P0.06处理下黑麦草的最小邻域距离Lhat()为-9.24，明显低于其他的CO2浓度和供磷水平处理，表明CO2浓度升高和供磷水平为P0.06时的气孔空间分布格局最规则，且最有利于黑麦草与大气环境之间的气体交换过程。因此，未来大气CO2浓度升高情景下，供磷水平为P0.06的黑麦草可能会通过调整气孔空间分布格局的规则程度来缓解低磷造成的生理胁迫（图3）。

2.3 CO2浓度升高和磷亏缺对气体交换参数的影响

在正常CO2浓度条件下（400mol/mol），黑麦草叶片的净光合速率（n）随供磷水平的提高呈先增加后降低的变化趋势（表2），且当供磷水平为P0.06时n达到其最大值14.5mol/(m2·s)。然而，CO2浓度升高（800mol/mol）却导致n随着供磷水平的升高而持续增大，即其最大值13.6mol/(m2·s)出现在P0.5的供磷水平处理（表2），表明高浓度CO2提高了黑麦草n的最适磷浓度。另外，CO2浓度升高导致供磷水平P0.004、P0.02和P0.06条件下的n比正常CO2浓度分别降低13.6%（=0.008）、19.8%（<0.001）和16.9%（<0.001），但却使供磷水平为P0.1和P0.5的n提高8.6%（=0.002）和25.9%（<0.001；表2），表明CO2浓度升高对较低供磷水平黑麦草的n产生不利影响，但却对较高供磷水平的n产生一定的施肥效应。同时，两因素方差分析的结果也表明，不同CO2浓度和供磷水平对n产生显著的交互效应（<0.001，表2）。

尽管正常CO2浓度条件下不同供磷水平没有对黑麦草的蒸腾速率（r）产生显著影响，但气孔导度（s）和水分利用效率（WUE）却随着供磷水平的升高呈现先增加后降低的变化趋势（表2），且s在供磷水平为P0.02时达到最大值1.13mol/(m2·s)，而WUE在P0.06时达到最大值3.21 mmol/mol。然而，CO2浓度升高使r随供磷水平的升高呈现“钟形”的变化，在供磷水平为P0.06时达到最大值4.84 mmol/(m2·s)，且相比当前CO2浓度处理的r提高约10%（=0.005）。与r相反，CO2浓度升高导致不同供磷水平下s的降低，尤其是供磷水平为P0.012、P0.02、P0.06和P0.1的s分别降低54.2%（<0.001）、56.0%（<0.001）、39.6%（=0.001）和47.3%（<0.001），表明CO2浓度升高导致黑麦草部分气孔开度减小甚至关闭。相似地，CO2浓度升高还导致供磷水平为P0.004、P0.02和P0.06的叶片WUE分别降低13.1%（=0.021）、13.5%（=0.002）和27.1%（<0.001），但却使供磷水平为P0.1和P0.5的WUE分别提高22.3%（<0.001）和24.8%（<0.001），暗示CO2浓度和供磷水平可能对WUE产生协同影响。同时，两因素方差分析的结果也证实，[CO2]×Pi对r（=0.017）、s（=0.043）和WUE（<0.001）均产生显著的交互作用（表2）。

表2 CO2浓度升高和磷亏缺对黑麦草净光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及水分利用效率的影响

2.4 CO2浓度升高和磷亏缺对叶绿素含量的影响

不同CO2浓度处理下的黑麦草叶绿素含量均随供磷水平的提高先增加后降低，且均在供磷水平P0.1时总叶绿素的值最高，但同一供磷水平上的叶绿素含量在2个CO2浓度之间并不存在显著性差异（表3）。然而，值得注意的是，尽管CO2浓度升高并没有影响供磷水平为P0.5时黑麦草叶绿素的总量，但却改变了叶绿素a和叶绿素b的比值，即导致叶绿素a/叶绿素b显著降低36.9%（=0.02），这主要是由于高CO2浓度导致叶绿素b含量增加47.9%（=0.006）而造成的，表明CO2浓度升高和磷素供应充足条件下，相比于叶绿素a而言，黑麦草优先合成叶绿素b（表3）。此外，本研究还发现，CO2浓度升高导致供磷水平在P0.012处理下的叶绿素含量的显著降低25.8%（=0.019），表明不同供磷水平条件下黑麦草叶绿素含量对CO2浓度升高的响应存在明显的差异（表3）。

表3 CO2浓度升高和磷亏缺对黑麦草叶绿素含量的影响

2.5 CO2浓度升高和磷亏缺对黑麦草生物量的影响

不同供磷水平显著改变了黑麦草植株的总生物量（<0.001）、地上生物量（<0.001）、地下生物量（<0.001）以及根冠比（<0.001，表4）。然而，尽管CO2浓度升高显著改变了黑麦草的地下生物量（=0.019），但却并没有对黑麦草总生物量（=0.696）、地上生物量（=0.388）以及根冠比（=0.148）产生显著影响（表4）。CO2浓度升高导致最低供磷水平下（P0.004）黑麦草的总生物量显著降低6.6%（0.019），但却使供磷水平为P0.02和P0.06条件下黑麦草的总生物量分别提高7.1%（=0.022）和10.4%（=0.001）。同时，在正常CO2浓度下，供磷水平P0.5的地上生物量高于P0.004约30%（<0.001），而CO2浓度升高条件下，供磷水平P0.5的地上生物量高于P0.004约40%（<0.001），表明CO2浓度升高对较高供磷水平下的黑麦草地上部分生长产生更强施肥效应。

不同供磷条件下黑麦草地下生物量对CO2浓度升高的响应也存在明显差异（表4）。CO2浓度升高导致供磷水平为P0.5、P0.004和P0.012条件下黑麦草的地下生物量分别显著降低11.1%（=0.006）、13.7%（=0.017）和9.2%（=0.005），但却没有改变其他供磷水平条件下黑麦草的地上生物量（>0.05；表4）。此外，CO2浓度升高还改变了黑麦草地上和地下生物量的分配状况（根冠比），即P0.004、P0.012和P0.5供磷水平下，CO2浓度升高使黑麦草的根冠比分别显著降低11.9%（=0.019）、11.4%（=0.008）和18.5%（=0.016），但供磷水平为P0.06的黑麦草根冠比却在高CO2浓度条件下显著提高31.5%（<0.001）。此外，本研究中双因素方差分析结果也显示，[CO2]×Pi对黑麦草的总生物量（<0.001）、地上生物量（=0.002）、地下生物量（=0.001）以及根冠比（<0. 001）均产生了显著的交互作用（表4）。

表4 CO2浓度升高和磷亏缺对黑麦草生物量的影响

3 讨 论

本研究发现CO2浓度升高导致低磷水平下黑麦草的气孔面积显著降低，而Sun等[23]的研究也证实在低磷水平下珠江三角洲植物中较小的气孔可以更加高效地控制叶片的气体交换过程，从而提高植物叶片水平的水分利用效率。另外，本研究结果还表明低磷供应条件下大气CO2浓度倍增诱导气孔密度降低可能解释了叶片碳同化能力的下调，这主要是由于气孔密度在很大程度上决定着CO2从大气向叶肉组织的扩散效率[24]。Lenka等[25]的研究结果表明，土壤磷的有效性将削弱高CO2浓度对植物产生的施肥效应，可能是由于高浓度CO2提高了植物对磷营养的需求，故植物在低磷条件下通过减少气孔密度来维持其最佳的生长速度和生理特性。然而，本研究中CO2浓度升高导致低磷浓度下黑麦草气孔密度降低的现象也恰好证实了上述结论。此外，本研究中黑麦草在低磷条件下的气孔空间分布相比高磷水平的分布格局更为规则，暗示低磷水平处理下的黑麦草叶片气体交换过程相比高磷水平更加高效。Soares等[26]的研究结果也表明植物的气孔空间分布格局在较大程度上调控叶片的净光合速率和蒸腾速率。此外，本研究中不同供磷水平处理中，黑麦草的气孔空间格局在CO2浓度升高条件下分布得更加规则，表明高浓度CO2可能有效提高黑麦草叶片的气体交换效率。

长期的高浓度CO2处理可能导致净光合反应速率（n）的下降，尤其是当养分供给限制植物生长时n的下调更为明显[27]。本研究中较高的供磷水平条件下CO2浓度升高可以提高n，表现出明显的施肥效应，而在较低供磷水平下却降低n，表明磷素亏缺在很大程度上限制了高浓度CO2对黑麦草生理过程产生的施肥效应。同时，本研究中黑麦草生物量的相关结果也表明，相比较低的供磷水平而言，CO2浓度升高对较高供磷水平下的黑麦草的生长过程产生更加强烈的施肥效应，这也间接证实了磷素亏缺可能会限制高浓度CO2对黑麦草产生的施肥效应，暗示未来大气CO2浓度升高条件下，磷素亏缺可能通过限制黑麦草根系的生长发育过程进一步削弱高浓度CO2的施肥效应。另外，本研究中低磷浓度条件下CO2浓度升高导致叶绿素含量的明显下降，可能是引起黑麦草净光合速率（n）降低的一个重要因素。以往相关研究认为，磷有效性可能会对氮素的吸收与利用产生影响[28]，这主要是由于磷素亏缺条件下植物的氮吸收过程及其利用效率均会受到明显的限制，最终导致叶绿素的降解和消失。然而，尽管本研究中CO2浓度升高并未对磷充足条件下黑麦草的叶绿素总含量产生显著影响，但却由于叶绿素b含量的增加而导致叶绿素a/叶绿素b的降低。因此，本研究结果表明CO2浓度升高条件下叶绿素b含量的增加可能是提高黑麦草n的主导因素。

以往的相关研究已经证实，CO2浓度升高将诱导植物气孔的关闭，进一步导致气孔导度和蒸腾速率降低[22]。同样，本研究也发现高浓度CO2导致较高磷水平下黑麦草气孔导度（s）的显著降低，表明CO2浓度升高确实引起黑麦草部分气孔的关闭或者开度减小，且对于黑麦草气孔开度的直接观察和测量的结果也直接证实了上述推论。尽管高浓度CO2降低了较高供磷水平黑麦草的s，但却导致n的增加，暗示s的降低并不是限制n的主导因素，而CO2浓度升高可能提高了光合反应位点的同化效率。然而，低磷水平条件下高浓度CO2导致黑麦草s和n均降低，表明黑麦草s和n对CO2浓度升高的响应可能与磷素亏缺程度紧密相关。因此，笔者认为，不同供磷水平可能对核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的活性产生影响，进一步调控黑麦草n对CO2浓度升高的响应过程。Singh等[29]的研究结果也认为，低磷供应条件下s的降低并不是限制棉花n的主要因素，而可能是光合反应位点的同化效率的降低造成的。然而，本研究并没有探究Rubisco及其活化酶对CO2浓度升高和磷素亏缺的响应机理。

本研究结果表明，CO2浓度升高导致较高磷水平下黑麦草WUE的增加，但却使低磷水平下WUE降低，而大气CO2浓度升高却并未对不同供磷水平下的r产生显著影响。因此，本文认为，不同供磷水平下大气CO2浓度升高对WUE的影响可能仅是由于黑麦草n的变化而造成的。相似地，Kimball等[30]的研究也发现，CO2浓度倍增提高WUE是由于n增大所致，而r的变化并不明显，这与本研究的结论基本一致。然而，Lindroth等[31]的研究结果却表明，高浓度CO2条件下叶片WUE的提高是n增加和r降低共同作用的结果。此外，刘亮等[32]的研究发现，大气CO2浓度升高显著提高玉米叶片WUE的主要原因是由于高浓度CO2抑制了叶片的蒸腾过程（r），而并未对n产生显著影响。通常而言，大气CO2浓度升高会导致气孔导度的降低[11]，同时减小单位叶面积上的蒸腾速率[22]。然而，CO2浓度升高还会引起植株冠层温度的升高[30]，进一步导致叶肉内部蒸气压的增大，从而提高叶片的蒸腾速率。故此，本研究中由于高浓度CO2引起冠层增温所导致叶片r的提高可能在一定程度上抵消了因气孔导度降低而造成的r降低，最终表现为不同供磷水平下CO2浓度升高并未对r产生显著影响。

4 结 论

本研究利用大型人工气候箱探讨了CO2浓度升高和磷素亏缺对黑麦草气孔特征和气体交换参数的影响机理，得到如下结论：

1）在较高供磷水平时（0.1和0.5 mmol/L），CO2浓度升高能够使黑麦草的净光合速率比正常CO2浓度显著增加8.6%（=0.002）和25.9%（<0.001），且导致CO2浓度升高下0.5 mmol/L磷水平的黑麦草地上生物量相比低磷水平0.004 mmol/L提高约40%，表明未来气候变化下黑麦草将得益于高浓度CO2的施肥效应。

2）CO2浓度升高导致低磷水平（0.004 mmol/L）的黑麦草总生物量下降6.6%（=0.019），同时还使低磷水平0.004、0.02和0.06 mmol/L的黑麦草净光合速率分别降低13.6%（=0.008）、19.8%（<0.001）和16.9%（<0.001），说明将来草原生态系统土壤磷亏缺可能会削弱CO2浓度升高对黑麦草产生的施肥效应。

3）CO2浓度升高使低磷水平（0.012 mmol/L）的黑麦草叶绿素含量下降25.8%（=0.019）；相反，CO2浓度升高却增加了较高磷水平（0.5 mmol/L）的叶绿素b含量47.9%（=0.006），同时导致黑麦草的净光合速率提高25.9%（<0.001），暗示叶绿素b含量的变化可能介导了CO2浓度升高调控黑麦草对土壤磷亏缺的生理响应过程。

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Effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of ryegrass

Zheng Yunpu1, Chang Zhijie1, Fan Xiaodong2, Zhang Yunxin1, Liu Liang1, Chen Wenna3, Liu Yuanyuan1, Hao Lihua1※

(1.,,056038,;2.,,712100,;3.,,056038,)

In order to further understand the potential mechanisms of grassland structure and function in response to soil phosphorus deficiency under future CO2concentration increase, we examined the effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of annual ryegrass with environmental growth chambers, where the CO2concentration was accurately controlled at 400mol/molor 800mol/moland meanwhile these grasses were fertilized with six phosphorus levels including 0.004 mmol/L (P0.004), 0.012 mmol/L (P0.012), 0.02 mmol/L (P0.02), 0.06 mmol/L (P0.06), 0.1 mmol/L (P0.1) and 0.5 mmol/L (P0.5). The results showed that: 1) The CO2concentration increase significantly decreased the stomatal density of plants under lower phosphorus levels, but increased the stomatal density of annual ryegrass grown at higher phosphorus levels (0.1 mmol/L and 0.5 mmol/L); Meanwhile, CO2concentration increase obviously decreased the stomatal openness of annual ryegrass, and made the spatial distribution pattern of stomata more regular when plants were grown at the phosphorus level of 0.06 mmol/L. 2) The CO2concentration increase substantially enhanced the net photosynthetic rates (n) of annual ryegrass treated with higher phosphorus levels (0.1 and 0.5 mmol/L), but reduced thenof plants subjected to lower phosphorus levels, and thus increased the water use efficiency (WUE) of annual ryegrass at high phosphorus levels. 3) The responses of chlorophyll contents to CO2concentration increase were different among the six phosphorus levels, and CO2concentration increase substantially changed the ratio of chlorophyll a/b at higher phosphorus levels. 4) The total plant biomass and allocation between aboveground and belowground were obviously changed by phosphorus deficiency, and CO2concentration increase featured CO2fertilization effect on the aboveground biomass of annual ryegrass at higher phosphorus levels. These results suggested that the responses of stomatal traits and leaf gas exchange efficiency to CO2concentration increase were obviously asymmetry between low and high phosphorus levels. These grasses under higher phosphorus levels optimized the leaf gas exchange efficiency by increasing the stomatal density and stomatal openness as well as regulating the spatial distribution pattern of stomata, and thus plants might benefit from CO2fertilization effect under CO2concentration increase. By contrast, annual ryegrass plants subjected to low phosphorus levels down-regulated the morphological traits of stoma and the regular pattern of distribution, and decreased leaf gas exchange efficiency of annual ryegrass to adapt the low phosphorus conditions under high CO2concentration. Our results may have significant importance on further understanding the potential mechanisms of grassland ecosystem structure and function in response to CO2concentration increase and phosphorus deficiency under future climate change.

photosynthesis; moisture; doubling CO2concentration; phosphorus deficiency; ryegrass; stomatal traits; water use efficiency

郑云普，常志杰，范晓懂，等. CO2浓度升高和磷素亏缺对黑麦草气孔特征及气体交换参数的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(18)：82-89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.010 http://www.tcsae.org

Zheng Yunpu, Chang Zhijie, Fan Xiaodong, et al. Effects of CO2concentration increase and phosphorus deficiency on the stomatal traits and leaf gas exchange parameters of ryegrass[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 82-89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.010 http://www.tcsae.org

2020-12-14

2021-08-24

国家自然科学基金面上项目（32071608）；河北省自然科学基金面上项目（E2021402031）；邯郸市科技计划项目（19422011008-47）

郑云普，博士，副教授，研究方向为农业水土工程及全球变化生态学。Email：zhengyunpu@hebeu.edu.cn

郝立华，博士，讲师，研究方向为农业水土工程及作物水分生理生态学。Email：haolihua_000@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.010

S164.5

A

1002-6819(2021)-18-0082-08