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摘 要：以4年生蒙古栎（Quercus mongolica）幼树为实验材料，分别于2007,2008年6～9月采用开顶箱法,研究了高浓度CO2和O3及复合作用对蒙古栎叶片光合量变化和生长的影响。
关键词：蒙古栎叶片；高浓度CO2、O3；日光合总量；生长；
1材料与方法
1.1研究区域与实验设备
研究区位于中国科学院沈阳树木园内(41º46´N，123 º 26´E)，占地面积约5hm².2005年，在树木园内建立了一套适用于木本植物生长的OTC-I型开顶式气室气体监控测试系统，气室完全采用钢制骨架，底面为正六边形直径为400cm，高为300cm，气室上部为向内倾斜45º斜面，以减少充入气体从顶部飘出，钢梁之间全部镶玻璃，玻璃表面保持清洁以达到较高的透光率，以环保型玻璃胶密封各处接缝，保持气室下部良好的气密性，防止气体散失．各气室之问的距离为400cm，避免气室之问相互遮光。
CO2气体以钢瓶装纯CO2提供气源，O3气体利用GP-5J型高频O3发生器，采用高性能瑞典SenseAir CO2传感器与新西兰Series 90003分析仪直接吸入气体，分别实现对CO2与O3的监测，输出标准电压及电流信号，进入气室控制系统。
1.2實验材料与处理
选取4年生蒙古栎幼苗（Quercus mongolica）为实验材料，于2007年4月将其移栽于开顶箱内每箱各20株，随机分布。实验采用露地栽培，为确保各箱土质、肥力均匀，取出 30cm厚度内表层土壤拌匀灭菌后回填，实验期问保证水分充足，无水、肥、病虫害等非实验因索影响，分别于2007年6月18 日～9月20 日，2008年6月13日～9月15日针对同一实验材料进行通气处理，CO2每天24h不间断通气，O3每天9h （08：00～17：00)熏蒸。
实验共设4个处理T1~T4)，每个处理设3次重复，共12个开顶箱T1 (AA) )为OTC对照箱，气室内不通任何气体，CO2浓度约为380μmol/mol，O3浓度为40 nmol/mol，均为本底浓度；T2 (EO) )中O3浓度为80 nmol/mol，约为日前本底O3浓度的2倍，CO2为本底浓度；T3 (EC)中CO2浓度为700μmol/mol，约为日前大气本底CO2浓度的2倍，O3为本底浓度；T4 (EO+EC)中CO2浓度为700“μmol/mol，浓度为nmol/mol。
1.3测定方法
1.3.1日光合总最测定采用Li-6400便携式光合测定仪，分别在2007和2008年度选取晴好、无风的典型观测日，对开顶箱内蒙古栎叶片进行环境条件下的定位观测，通气处理前测定1次，之后每间隔15d测定1次，取样方法：随机选取测试树木东南方方向阳枝条中部叶，待系统稳定后，读取3～5个瞬时光合速率值，每个处理重复3次( 即从3个开顶箱分别取样)，计算其平均值，绘制树木光合作用日变化曲线，根据光合日变化曲线计算日光合总量．其同化量是净光合速率曲线与时间横轴围合的面积以此为基础，设净同化量为P，其计算公式如式(1)所示：
式中，p为测定日的光合总量，mmo/(m². d); Pi为初测点的瞬时光合速率，Pi+1为下一测点的瞬时光合速率μmol/（m²·s）; t i为初测点的瞬时间，t i+1为下一测点的时间，h:j为测试次数3600为每小时3600s，1000为lmmol为10001μmol。
1.3.2叶片鲜重、干重和含水量测定2007年，通气20d和90d时测定蒙古栎叶片鲜重、干重，并计算20-90d各处理增量，2008年度，通气0d和90d时测定蒙古栎叶片鲜重、干重。
对不同处理条件下的植株每个开顶箱随机测定10片，即每个处理30片，叶片子重的测定方法，于上午9：00采摘叶片，测定其鲜重，先在烘箱内105ºC杀青10min，然后降至70℃，24h烘干，测其千重。
1.3.3叶面积测定2007年，通气0d、20d、90d时分别测定蒙古栎单叶面积，2008年度，通气0d、90d时分别测定蒙古栎单叶面积。
对不同处理条件下的植株每个开顶箱同样随机测定10片，即每个处理30片，用LI -3000型便携式叶面积仪测量出单叶面积。
1.3.4数据处理，部分数据采用方差分析(one-wayANOVA)和LDS多重比较检验进行统计分析，并以平均值±标准差表示，P<0.05为差异显著。
2结果
2.1对蒙古栎叶片生长的影响
2.1.1对蒙古栎叶片干、鲜重的影响如表1所示，2007年，高浓度O3处下，蒙古栎20~90 d单叶鲜重、单叶干重平均增长量显著（P<0.05)低于对照处理,降低比率分别达到60.2％和35.8％; 相反，高浓度CO2处理下，叶片干鲜重增最显著(P<0.05)高于对照，与对照相比鲜重提高38.4％，干重提高35.1％；复合处理下，单叶鲜重增长量显著(P<0.05)低于对照，但高于O3单独处理，与对照相比下降比率为26.1％，单叶干重增长量显著(P<0.05) 高于O3单独处理，与对照比较略有下降，但差异未达到显著水平。
表1
2007年高浓度CO2、O3对蒙古栎叶片单叶鲜重和单叶干重的影响
注：同列相同小写字母表示差异不显著(P<0.05)，不同小写字母
表示差异显著(P<0.05)
图l2008年高浓度CO2、O3对蒙古栎叶片单叶鲜重和单叶干重的影响
如图l所示，2008年度各处理蒙古栎叶片变化趋势与2007年基本一致，处理90d时，高浓度O3处理下，单叶鲜重、干重低于对照；而高浓度CO2处理使单叶鲜重、干重高于对照；复合处理后单叶鲜重、干重均低于对照而高于O3单独处理．但各处理差异均不显著。
2.1.2 对蒙古栎叶片面积的影响2007年蒙古栎各处理单叶面积变化如图2所示，高O3处理20，90d 时单叶面积低于对照，90d时差异显著(P<0.05)，高CO2处理90d时单叶面积高于对照，复合处理20，90d时单叶面积则低于对照而高于O3单独处理，2008年度蒙古栎各处理单叶面积变化趋势同2007年度相一致，但差异均不显著。
图2高浓度CO2、O3对蒙古栎单叶面积的影响
2.1.3 对蒙古栎日光合总景影响，本实验结果表明，蒙占栎叶片日光合总最表现为：高浓度O3处理下低于对照；商浓度CO2处理下，2007年处理30d后高于对照；2008年则75d前普遍高于对照；两年度复合处理下，叶片日光合总量低于对照而普遍高于O3单独处理(图3)。
图3蒙古栎单位叶面积日光合总量对高浓度CO2和O3的动态响应
3讨论
3.1高浓度O3和CO2对蒙古栎叶片生长的影响。
植物的生长依赖于光合作用，由于O3对植物光合有抑制作用，因此对植物的生长发育和产量产生负面影响。还有观点认为，植物以消耗用于维持生长的能量为代价，将其用于抵御和修复逆境伤害。不同植物对O3的响应有很大差异，有研究运用模型来解释不同种类植物对近地层大气O3的敏感性，得出结论：草本植物比落叶乔木敏感，而落叶乔木又比针叶树敏感。本实验中高浓度O3降低了蒙古栎单叶鲜重、单叶干重、单叶面积，2007年与对照相比差异显著，降低比率可分别达到60.2％、35.8％和26.22％。
CO2是植物光合作用唯一碳源，大量实验表明，在大气CO2浓度升高条件下，植物生物量和农作物产量均得到增加。其原因可能是光合的增加和呼吸的减少引起的，最终导致植物生物量的增加。但是并不是所有植物的生物量都是随着CO2浓度的增加而提高，如有研究发现，高浓度CO2胁迫下绿豆生长受到严重抑制，植株在形态上表现为单叶面积减少、茎细和根长下降．生长25d的绿豆植株总生物量下降50％左右。本研究结果表明，高浓度CO2处理下，蒙古栎叶片干、鲜重以及单叶面积均高于对照，2年度结果相一致。有关2种气体同时增加对树木生长的影响机制目前尚无定论，Kellomaki等对松树的研究指出：O3和CO2的混合气体对生长的影响和单独O3气体双倍浓度处理很相似。而对北美鹅掌楸(Liriodendron tulipifera L．) 的研究表明复合作用促进了叶的生长，高浓度CO2缓解了O3对鹅掌楸生长和根的生物量的抑制作用。本实验结果表明，复合处理下，蒙古栎单叶鲜重、单叶干重、单叶面积均低于对照，但高于O3单独处理，两年度实验结果一致。两种气体共同作用结果表明高浓度O3对生物最的負效应高于高浓度CO2所引起的正效应。
3.2浓度O3、CO2及其复合作用对蒙古栎叶片日光合总量季节变化的影响。
本实验结果表明，高浓度O3降低了蒙古栎叶片日光合总量，进而抑制了叶的生长量；相反，高浓度CO2处理下，蒙古栎日光合总量前期高于对照处理，2008年后期(90d)与对照无明显差异，但总体表现为高于对照，进而促进叶总同化量，使其季末干鲜重高于对照。复合处理下，蒙古栎光合总量则低于对照而高于O3单独处理，说明高浓度CO2可以通过减缓O3对植物光合的抑制进而减少O3伤害，这一点也可以从叶片干重变化上得以体现。
4结论
4.1浓度CO2处理后，蒙古栎叶片未出现明显可视伤害症状，蒙古栎叶片日光合总量总体高于对照，进而促进叶总同化量，使其叶片干鲜重及单叶面积均高于对照，2年度结果相一致．可见，作为植物光合作用唯一碳源，大气CO2浓度升高条件下，蒙古栎叶片生物量增加。
4.2复合处理下。2007年蒙古栎叶片72 d出现棕斑，伤害症状出现时间晚于O3单独处理，且伤害比率减少，表明CO2能减轻O3对蒙古栎叶片可视伤害程度。复合作用下，日光合总量低于对照而高于O3单独处理，说明高浓度CO2可以通过减缓O3对植物光合的抑制进而减轻高浓度O3伤害，这一点也可以从叶片干重变化上得以体现。
关键词：蒙古栎叶片；高浓度CO2、O3；日光合总量；生长；
1材料与方法
1.1研究区域与实验设备
研究区位于中国科学院沈阳树木园内(41º46´N，123 º 26´E)，占地面积约5hm².2005年，在树木园内建立了一套适用于木本植物生长的OTC-I型开顶式气室气体监控测试系统，气室完全采用钢制骨架，底面为正六边形直径为400cm，高为300cm，气室上部为向内倾斜45º斜面，以减少充入气体从顶部飘出，钢梁之间全部镶玻璃，玻璃表面保持清洁以达到较高的透光率，以环保型玻璃胶密封各处接缝，保持气室下部良好的气密性，防止气体散失．各气室之问的距离为400cm，避免气室之问相互遮光。
CO2气体以钢瓶装纯CO2提供气源，O3气体利用GP-5J型高频O3发生器，采用高性能瑞典SenseAir CO2传感器与新西兰Series 90003分析仪直接吸入气体，分别实现对CO2与O3的监测，输出标准电压及电流信号，进入气室控制系统。
1.2實验材料与处理
选取4年生蒙古栎幼苗（Quercus mongolica）为实验材料，于2007年4月将其移栽于开顶箱内每箱各20株，随机分布。实验采用露地栽培，为确保各箱土质、肥力均匀，取出 30cm厚度内表层土壤拌匀灭菌后回填，实验期问保证水分充足，无水、肥、病虫害等非实验因索影响，分别于2007年6月18 日～9月20 日，2008年6月13日～9月15日针对同一实验材料进行通气处理，CO2每天24h不间断通气，O3每天9h （08：00～17：00)熏蒸。
实验共设4个处理T1~T4)，每个处理设3次重复，共12个开顶箱T1 (AA) )为OTC对照箱，气室内不通任何气体，CO2浓度约为380μmol/mol，O3浓度为40 nmol/mol，均为本底浓度；T2 (EO) )中O3浓度为80 nmol/mol，约为日前本底O3浓度的2倍，CO2为本底浓度；T3 (EC)中CO2浓度为700μmol/mol，约为日前大气本底CO2浓度的2倍，O3为本底浓度；T4 (EO+EC)中CO2浓度为700“μmol/mol，浓度为nmol/mol。
1.3测定方法
1.3.1日光合总最测定采用Li-6400便携式光合测定仪，分别在2007和2008年度选取晴好、无风的典型观测日，对开顶箱内蒙古栎叶片进行环境条件下的定位观测，通气处理前测定1次，之后每间隔15d测定1次，取样方法：随机选取测试树木东南方方向阳枝条中部叶，待系统稳定后，读取3～5个瞬时光合速率值，每个处理重复3次( 即从3个开顶箱分别取样)，计算其平均值，绘制树木光合作用日变化曲线，根据光合日变化曲线计算日光合总量．其同化量是净光合速率曲线与时间横轴围合的面积以此为基础，设净同化量为P，其计算公式如式(1)所示：
式中，p为测定日的光合总量，mmo/(m². d); Pi为初测点的瞬时光合速率，Pi+1为下一测点的瞬时光合速率μmol/（m²·s）; t i为初测点的瞬时间，t i+1为下一测点的时间，h:j为测试次数3600为每小时3600s，1000为lmmol为10001μmol。
1.3.2叶片鲜重、干重和含水量测定2007年，通气20d和90d时测定蒙古栎叶片鲜重、干重，并计算20-90d各处理增量，2008年度，通气0d和90d时测定蒙古栎叶片鲜重、干重。
对不同处理条件下的植株每个开顶箱随机测定10片，即每个处理30片，叶片子重的测定方法，于上午9：00采摘叶片，测定其鲜重，先在烘箱内105ºC杀青10min，然后降至70℃，24h烘干，测其千重。
1.3.3叶面积测定2007年，通气0d、20d、90d时分别测定蒙古栎单叶面积，2008年度，通气0d、90d时分别测定蒙古栎单叶面积。
对不同处理条件下的植株每个开顶箱同样随机测定10片，即每个处理30片，用LI -3000型便携式叶面积仪测量出单叶面积。
1.3.4数据处理，部分数据采用方差分析(one-wayANOVA)和LDS多重比较检验进行统计分析，并以平均值±标准差表示，P<0.05为差异显著。
2结果
2.1对蒙古栎叶片生长的影响
2.1.1对蒙古栎叶片干、鲜重的影响如表1所示，2007年，高浓度O3处下，蒙古栎20~90 d单叶鲜重、单叶干重平均增长量显著（P<0.05)低于对照处理,降低比率分别达到60.2％和35.8％; 相反，高浓度CO2处理下，叶片干鲜重增最显著(P<0.05)高于对照，与对照相比鲜重提高38.4％，干重提高35.1％；复合处理下，单叶鲜重增长量显著(P<0.05)低于对照，但高于O3单独处理，与对照相比下降比率为26.1％，单叶干重增长量显著(P<0.05) 高于O3单独处理，与对照比较略有下降，但差异未达到显著水平。
表1
2007年高浓度CO2、O3对蒙古栎叶片单叶鲜重和单叶干重的影响
注：同列相同小写字母表示差异不显著(P<0.05)，不同小写字母
表示差异显著(P<0.05)
图l2008年高浓度CO2、O3对蒙古栎叶片单叶鲜重和单叶干重的影响
如图l所示，2008年度各处理蒙古栎叶片变化趋势与2007年基本一致，处理90d时，高浓度O3处理下，单叶鲜重、干重低于对照；而高浓度CO2处理使单叶鲜重、干重高于对照；复合处理后单叶鲜重、干重均低于对照而高于O3单独处理．但各处理差异均不显著。
2.1.2 对蒙古栎叶片面积的影响2007年蒙古栎各处理单叶面积变化如图2所示，高O3处理20，90d 时单叶面积低于对照，90d时差异显著(P<0.05)，高CO2处理90d时单叶面积高于对照，复合处理20，90d时单叶面积则低于对照而高于O3单独处理，2008年度蒙古栎各处理单叶面积变化趋势同2007年度相一致，但差异均不显著。
图2高浓度CO2、O3对蒙古栎单叶面积的影响
2.1.3 对蒙古栎日光合总景影响，本实验结果表明，蒙占栎叶片日光合总最表现为：高浓度O3处理下低于对照；商浓度CO2处理下，2007年处理30d后高于对照；2008年则75d前普遍高于对照；两年度复合处理下，叶片日光合总量低于对照而普遍高于O3单独处理(图3)。
图3蒙古栎单位叶面积日光合总量对高浓度CO2和O3的动态响应
3讨论
3.1高浓度O3和CO2对蒙古栎叶片生长的影响。
植物的生长依赖于光合作用，由于O3对植物光合有抑制作用，因此对植物的生长发育和产量产生负面影响。还有观点认为，植物以消耗用于维持生长的能量为代价，将其用于抵御和修复逆境伤害。不同植物对O3的响应有很大差异，有研究运用模型来解释不同种类植物对近地层大气O3的敏感性，得出结论：草本植物比落叶乔木敏感，而落叶乔木又比针叶树敏感。本实验中高浓度O3降低了蒙古栎单叶鲜重、单叶干重、单叶面积，2007年与对照相比差异显著，降低比率可分别达到60.2％、35.8％和26.22％。
CO2是植物光合作用唯一碳源，大量实验表明，在大气CO2浓度升高条件下，植物生物量和农作物产量均得到增加。其原因可能是光合的增加和呼吸的减少引起的，最终导致植物生物量的增加。但是并不是所有植物的生物量都是随着CO2浓度的增加而提高，如有研究发现，高浓度CO2胁迫下绿豆生长受到严重抑制，植株在形态上表现为单叶面积减少、茎细和根长下降．生长25d的绿豆植株总生物量下降50％左右。本研究结果表明，高浓度CO2处理下，蒙古栎叶片干、鲜重以及单叶面积均高于对照，2年度结果相一致。有关2种气体同时增加对树木生长的影响机制目前尚无定论，Kellomaki等对松树的研究指出：O3和CO2的混合气体对生长的影响和单独O3气体双倍浓度处理很相似。而对北美鹅掌楸(Liriodendron tulipifera L．) 的研究表明复合作用促进了叶的生长，高浓度CO2缓解了O3对鹅掌楸生长和根的生物量的抑制作用。本实验结果表明，复合处理下，蒙古栎单叶鲜重、单叶干重、单叶面积均低于对照，但高于O3单独处理，两年度实验结果一致。两种气体共同作用结果表明高浓度O3对生物最的負效应高于高浓度CO2所引起的正效应。
3.2浓度O3、CO2及其复合作用对蒙古栎叶片日光合总量季节变化的影响。
本实验结果表明，高浓度O3降低了蒙古栎叶片日光合总量，进而抑制了叶的生长量；相反，高浓度CO2处理下，蒙古栎日光合总量前期高于对照处理，2008年后期(90d)与对照无明显差异，但总体表现为高于对照，进而促进叶总同化量，使其季末干鲜重高于对照。复合处理下，蒙古栎光合总量则低于对照而高于O3单独处理，说明高浓度CO2可以通过减缓O3对植物光合的抑制进而减少O3伤害，这一点也可以从叶片干重变化上得以体现。
4结论
4.1浓度CO2处理后，蒙古栎叶片未出现明显可视伤害症状，蒙古栎叶片日光合总量总体高于对照，进而促进叶总同化量，使其叶片干鲜重及单叶面积均高于对照，2年度结果相一致．可见，作为植物光合作用唯一碳源，大气CO2浓度升高条件下，蒙古栎叶片生物量增加。
4.2复合处理下。2007年蒙古栎叶片72 d出现棕斑，伤害症状出现时间晚于O3单独处理，且伤害比率减少，表明CO2能减轻O3对蒙古栎叶片可视伤害程度。复合作用下，日光合总量低于对照而高于O3单独处理，说明高浓度CO2可以通过减缓O3对植物光合的抑制进而减轻高浓度O3伤害，这一点也可以从叶片干重变化上得以体现。