第29卷第7期2009年7月生態學報ACTA ECOLOG I C A SI N I C A V o.l 29,N o .7Ju.l ,2009基金項目：國家自然科學基金資助項目(40725001,40671010,40701054,40501012)；中國科學院西部行動計劃資助項目(KZCX2-XB2-04.02)收稿日期:2008-04-03; 修訂日期:2008-12-05
*通訊作者C orres pond i ng author .E-m ai:l qifeng @lz b.ac
植物葉片水分利用效率研究綜述
曹生奎1,2，馮 起1,*，司建華1，常宗強1，卓瑪錯3，席海洋1，蘇永紅
1(1.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，蘭州 73000;2.青海師范大學生命與地理科學學院，西寧 810008;
3.青海民族學院旅游系，西寧 810007)摘要：植物能否適應當地的極限環境條件，最主要的看它們能否很好地協調碳同化和水分耗散之間的關系，即植物水分利用效率(W UE )是其生存的關鍵因子。就近來研究最多的葉片水平上的WUE ，從葉片W UE 的定義，方法，進展等方面對其進行總結概括，并就今后植物葉片水分利用效率的研究提出了幾點看法：方法上，葉片碳同位素方法是目前植物葉片長期水分利用效率研究的最佳方法，而D 13C 的替代指標將繼續是方法研究中的一個方向，前景樂觀；研究內容上，要加強極端干旱區河岸林木的D 13C 和W UE 的研究；結合植物生理生態學，生物學和穩定同位素技術，
探究植物葉片長期水分利用效率的機理，特別是要加強運用雙重同位素模型加深和理解植物葉片長期水分利用效率變化規律和內在機制的研究；要結合多種方法，加強多時空尺度植物葉片WUE 及其之間的轉換研究。
關鍵詞：植物水分利用效率；葉片水平
文章編號:1000-0933(2009)07-3882-11 中圖分類號:Q948 文獻標識碼:A
Su mmary on the plant w ater u effici ency at leaf l evel
CAO Sheng -Ku i 1,2,FENG Q i 1,*,SI Jian-H ua 1,C HANG Zong -Q iang 1,Zhuo m acuo 3,X I H a-i Yang 1
,SU Yong -H ong 1
1C ol d and A ri d R e g ions Environm e n t a l and Eng i neeri ng R e arc h Instit u te ,Ch i ne A c ade my of Sciences ,L anzhou 730000,C hina
2B iolo g ical and G eographical S cie n c e s Institute ,Qingha iN or m al University ,X i N i ng 810008,Ch i na
3Depar t m e n t of touris m,Qingha i Un i v e rsit y for N ationa lities ,X ining 810007,China
Act a Eco l og ica Sini ca ,2009,29(7):3882~3892.Abstract :Whether plants adapt the loca l c ond ition lm i ited or not m ostly de pe nd on whether the y m ay coor dinate the relationship bet wee n carbon assm i ilation and water dissi pation or not ,that is ,pl ant w ater u efficiency is the key factor of the ir survivi ng .Ho w ever ,at the different scale ,the mean i ng of plant water u effici ency i s different ,this paper su mm ed up t he study i ng progress of W UE at the leaf leve,l which it is m ost l y rearched i n the rece nt ,and prented follo w ing po i nts study i ng the l eaf water u efficiency for the future :f or the m ethods ,Fo li ar carbon isotope is the optm i al way
m easuri ng plant foliar l ong water u efficie ncy at prent ,and the substitution i nd i ces of D 13
C w ill conti nue to be a prospecti ve d irect i on ;For st udy i ng contents ,we shoul d strengthen the rearch on
D 13C and W U
E of the ri pari an trees i n the
extre m e ari d area ;Co m bi ned the plant ecophysiology ,b i ology w ith the sta b l e isotope tec hni
que ,explori ng the mec hanis m of pl ant foliar water u eff i c i enc y ,especially rei nforci ng the studying of la w s and interior m echanis m of plant foliar long w ater u efficiency vari ety by m eans of t he model of double isotope ;usi ng mult-im eans ,rearch on t heWU Es through vari ous te mpora-l spatial sca l es and conversion .
K eyW ords :plant water u effi c i enc y ;leaf leve;l progress
植物水分利用效率長期以來一直是人們比較關注的問題。了解植物的水分利用效率不僅可以掌握植物的生存適應對策，同時還可以人為調控有限的水資源來獲得最高的產量或經濟效益。近年來，植物水分利用效率(W UE )已經成為國內外干旱、半干旱和半濕潤地區農業和生物學研究的一個熱點問題。水分利用效率是對植物性能的一種測量，在農作物系統中，提高水分利用效率是面對有限的水供給時增加農作物產量的有效方法[1]；在森林系統中，水分利用效率是樹木生產和水分管理間的關鍵環節；在全球變化研究中，水分利用
效率聯系陸地植物碳、水循環，并被期望在將來高C O 2條件下能提高它[2~4]。高WUE 被認為是在干旱和半干
旱環境里植物能夠成功/良好地生長和生產的一個有貢獻的特征。目前對農作物WUE 的研究和普通植物的WUE 已經做了系統地歸納和總結，但都涉及到不同的尺度(葉片、單株、林分，群落)問題，綜合
國內外近來研究的尺度，較多涉及葉片水平WUE ，因為葉片水平上水分利用效率的研究可以揭示植物內在的耗水機制，為植被的合理供水提供科學依據，這對極度缺水的干旱區植被恢復和保育十分有益。對此，本文專門就葉片水平上的水分利用效率研究進行概括，為今后植物葉片WUE 的研究提供借鑒和參考。
1 葉片水平水分利用效率的定義和測定方法
WUE 經常被松散地作為一般術語使用。F ischer 最初提出了用蒸發單位水所生產的干物質作為蒸騰效率的術語使用[5]。葉片水平上的水分利用效率，有2種定義：即內部水分利用效率(WUE i )和蒸騰效率(WT )。其中，蒸騰效率又表達為瞬時水分利用效率(WUET )和長期水分利用效率(WUEL )。內部水分利用效率(WUE i ))))定義為葉片凈CO 2吸收率(P n )與適合于水汽壓的氣孔導度(g W )之比，是蒸騰效率(生物量積累與蒸騰耗水之比,WT =P n /E )的一個決定因素[6]。
WUE 一般根據它們所提供的信息類型和洞察力的不同，可以用4種技術方法確定。最老的方法是確定植物蒸騰所消耗的水與生物量之比作為整個植物的水分利用效率(WUE )
[7]。田間測定時因難以將蒸騰蒸發分開，對其測定幾乎不可能，需要大量細致繁瑣的工作，同時花費很昂貴[8]。因此，此方法多用于農作物和樹木優良品種/變種的選擇，適用于控制實驗。理論上，它是測定水分有效性對干物質生產影響最準確的方法。隨著現代氣體交換方法的發展，在單葉水平上，蒸
騰效率一般通過瞬時的C O 2吸收率(P n )與蒸發效率(E )或者葉片導度(gs )之比來確定[9.10]。通常利用便攜紅外氣體分析儀測定植物葉片的光合速率和氣孔導度，所測
的值可以確定被測植物當時的生理狀況。由于所測值是植物葉片在當時測定條件下的瞬時值，用這些值解釋植物長期的生理變化是很困難的
[11]，因此，只適用于短時間和瞬時植物水分利用效率研究。近20a 來，植物
組織對碳同位素13C 的自然識別作為碳同位素識別力($)已經被發展成為一種測量植物葉片水分利用效率的方法[6]。碳同位素比值(通常報道表示為D 13C )已經成功地被用于估計C3植物生長季平均水分利用效率
(WUE )[12]。D 13C 與WUE 間關系的存在是因為植物的同位素識別同C i/Ca 比值有線性聯系(C i 是葉片細胞
間隙的CO 2濃度,Ca 是空氣濃度)
[6]。在許多研究中，這個模型已被證明是有效的，特別是對于生長在干旱環境的植物[13]。它消除了在大尺度環境下測量許多個體水分平衡的限制性需要。D 13
C 是植物生活期間的一個
綜合值，僅僅需要小部分干物質樣；測量精確，而且在植物生活的任何時段/階段可對其進行測量。D 13C 不僅可以精確地反映植物的水分狀況，而且葉片D 13C 可以綜合反映植物的生理意義，是目前植物葉片長期水分利
用效率研究的最佳方法。但此法仍有其局限性：在用到C O 2的吸收是否被氣孔或者生物化學因素強烈影響時，它的使用受到限制。例如，葉片中D 13C 的增加在Farquhar 模型中解釋為C i 的減小，可能是氣孔導度的減小(P n m ax 恒定)或者光合能力增加(gl 恒定)的結果或者兩者均有；碳同位素組成(D 13C )較高的測試成本[14,15]，較高的測試技術要求[16,17]，嚴重限制了D 13C 的應用。正因如此，近幾年，許多研究者都試圖尋求碳
同位素組成的替代指標，用于研究植物葉片WUE ，并已獲得許多有價值的結果
[16~20]。主要的替代指標包括:
灰分含量,K,S i 濃度,N 濃度，單位葉面積的干物質量(LDM )，具體關系如下:1灰分含量 在C3植物中，植物組織的礦物質或者灰分含量與蒸騰比(1/TE )或者D 13C 的負相關關系
已被發現[16~20]。這些負相關關系的存在說明礦物質是通過蒸騰液流被消極被動地積累的[20]。D 13
C 和礦物質或者灰分含量的負相關關系尚未被很好的理解，但可歸因于一個事實：植物組織中礦物質
的積累至少部分
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7期 曹生奎 等：植物葉片水分利用效率研究綜述
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地是通過蒸騰流而消極被動地發生[19]。
oK,S i濃度D13C和K濃度[17,19],S i[21,22]發現呈負相關關系。但在單一礦物質，如硅(S i)和鉀(K)被作為D13C的替代指標來評價時，與總礦物質或者灰分含量相比，它們一貫地顯示有低的相關性[17,19,21,22]。
?N濃度葉片D13C和N濃度間有正相關關系[23]，這歸因于在高N濃度下，光合能力較大造成C i/Ca 比值下降，導致D13C減小。但Tsialtas等發現D13C與葉片N濃度負相關，而每年的季節變化是十分的不同[24]。
?單位葉面積的干物質量(LDM)LDM已經被提出作為葉片光合能力指示器[11]和一個對D13C好的指示器[25,26]。事實上,LDM(與葉片厚度和WUE存在正相關關系)與D13C呈正相關關系[25,26]。LDM和W
UE的關系是更加的多變。正相關關系在花生[25]和御谷[26]中被發現。然而,Is m ail和H all在豇豆中發現這些特征間沒有相關性[27]。鑒于以上各個代用指標還沒有被完全地認識，在野外條件下任何技術能被可靠的運用以前，確定不同物種的D13C和它的替代指標間的關系是必要的。但替代指標法花費小，測定容易，將繼續是植物葉片長期水分利用效率方法研究中的一個方向，前景樂觀。
2研究進展
2.1物種及基因型間差異的研究
WUE研究的物種類型已經從農作物轉向森林和荒漠生態系統的各個主要關鍵種(含喬木，灌木和草本)。Sm edley等[28]對美國西北部干旱地區草原群落42種植物葉片D13C值的對比研究表明:1年生植物D13C值低于多年生植物；灌木D13C值低于禾本科植物；早開花植物低于晚開花植物。Brooks等[29]測定了3個北方森林生態系統主要優勢種的D13C值，不同生活型的植物D13C值表現出相同的大小順序：常綠喬木>落葉喬木=常綠和落葉灌木=常綠草本>落葉草本=苔蘚。K l o eppel等[30]研究了北半球20個樣地的落葉松(Lari x spp.)及同一地區常綠針葉樹種葉片的D13C值。他們發現在77%的樣地中，落葉松的D13C低于常綠針葉樹，表明落葉松的WUE較低。在美國南部以及西北部的愛達荷州，落葉闊葉樹種的D13C顯著低于常綠針葉樹種[31,32]。Pe S uelas等[33]比較了生長在西班牙亞沙漠地帶山谷中4種主要植物的D13C值，結果表明草本植物(S ti p a parviflora)和灌木(R os m arinus o fficina
lis)的D13C值比喬木(Juni p erus thuri f era,P inus halepensis)低大約2j。在國內近年來也進行了這方面的研究工作，如，渠春梅等[34]研究了西雙版納兩個熱帶雨林類型中226個植物種葉片植物水分利用狀況，發現藤本植物葉片D13C最高，落葉喬木葉片D13C顯著高于常綠喬木，草本植物葉片D13C較低。嚴昌榮等研究了暖溫帶落葉闊葉林主要植物葉片W UE[35,36]；蘇波等[37]研究了東北樣帶草原區植物種葉片水分利用效率的特征；陳世萍等[38]對內蒙古錫林河流域不同植物功能群內優勢種的水分利用效率進行了研究。就物種葉片的水分利用效率總體來看，對C3植物來說，雜草類葉片WUE和D13C最高，喬木、灌木居次，草本最低；常綠植物的WUE顯著低于落葉植物。這可能是由于喬木、灌木和草本植物在根系分布上的不同導致了不同的水分利用方式。但有些研究卻得出不同的結論，如Da m esin等[39]對地中海森林生態系統進行研究，發現常綠植物與落葉植物葉片WUE(D13C指示)并不存在顯著差異，而Sobrado& Ehleringer[40]發現在委內瑞拉一個季節性干熱帶森林中，優勢落葉植物葉片的WUE值低于常綠植物。產生這種差異的原因很多，但主要可能是研究樣地之間的非生物環境條件不同，從而導致落葉和常綠植物的水分利用狀況不同所致[36,37]。
種間葉片WUE比較存在部分爭論是由于存在兩個問題：一個是在不同水分可利用性(從降水，實際蒸散發等估計)位置間種間比較時，水分可利用性通常隨同其他環境(如蒸發需求，土壤類型等)和歷史要素(如，溫度，放牧，土壤遺傳或火歷史，土壤物理化學屬性等)共同變化。因而，將觀察到的位置間的差異單單歸因于水分可利用性是困難的；第二個問題是，在一個場地內，通過生活型來比較植物種
的WUE時，最可能的情況是水分可利用性并不意味著在物種間是一樣的，因為在根深和物候學上它們是不同的，為解決這一問題, Gollusc i o和O ester held利用有效土壤水勢(EWP)研究了不同土壤水分條件下巴基斯坦25種不同生活型植物的水分利用效率，結果發現傳統觀點中所說的最高的WUE在一個物種內出現在最干旱年，在物種間，出現在
最干旱環境的說法不總是正確的，共存的生活型植物在水分可利用性和水分節約上有很大的不同
[41]。從20世紀初就已經知道水分利用效率在基因型內和基因型間存在變化，但直到最近對這個特性的理解沒有太多進步。主要原因在于評價水分利用效率時缺乏簡單有效的方法，特別是在野外環境里
[42]。基因型的研究中較多的集中在農作物上，主要用于篩選高產節水和抗旱型強的品種。研究的田間農作物包括菜豆(Phaolus vulgaris L .)
[43]，小麥[12,44]，花生(Arachis hyp ogea L .)[25]，大麥(H ordeum vulgare L .)[45]和豇豆(Vigna unguiculata L .)[35]等。這些研究指出碳同位素組成D 13C 上的基因變異在用于提高水分利用效率的挑
選工具方面可能是非常的有用。在比較同一環境條件下不同基因型時，一個具有較高WUE i 的樹比具有較低WUE i 的樹失去較少的水和/或者維持較高的吸收率
[3]。在基因型間的WUE i 的差異可能對生長在同一立地條件下樹的成長速率和/或者幸存競爭有影響。
2.2 WUE 時空變化及影響因素
植物葉片水分利用效率的時間變化主要包括短時的日變化和較長的季節和年變化。就日變化而言，較多的采用光合儀測定，一般上午時段的水分利用效率明顯高于下午時段的水分利用效率；在季節和年變化的研究中，較多的使用穩定碳同位素(D 13C ,$)，一般生長初期高于生長后期。嚴昌榮等
[35]對北京東靈山幾種主要暖溫帶落葉喬木和灌木種的葉片D 13C 分析，發現它們從生長初期到生長末期有逐漸降低的趨勢。Garten
等[46]對Quercus p ri n us 的研究也發現秋季落葉以前葉片D 13C 值比同年正夏時要低。說明植物葉片中碳穩定
同位素的自然豐度在生長過程中是不斷變化的，也說明植物葉片中碳穩定同位素的自然豐度同葉片內部的生理生化反應有關[27]。
葉片水分利用效率的研究從區域上主要集中在干旱和荒漠區，生長在自然條件下的大陸C3植物的D 13
C 值范圍在-20j ~-35j
[47]。在極端干旱區，公開出版的植物D 13C 值范圍為-20j ~-26j [49~51]。在經歷高降水的地區，已
經測量的D 13C 值范圍為-27j ~-34j [52,53]。方位上來說，林冠頂部葉比冠層中下部葉有高的WUE 和D 13C ，是森林郁閉度不同導致光照水平的差異引起的[54]。也有的研究者認為處于不同冠層高度
葉片光合作用時所用的CO 2中碳穩定同位素的豐度不一樣，林冠下層葉片光合作用的CO 2大多來自植物和土壤的呼吸，據Sc h lesor 等估計，距地面1~5m 處的C O 2約有35%來自土壤呼吸，在這些C O 2中,D 13C 值明顯較
對流層中CO 2的D 13C 值低，這就造成了冠層不同高度的葉片的D 13C 值的梯度變化
[55]。在森林區，特別是樹冠較高的那些，同位素組成的C O 2來源的垂直分層可能使葉片D 13C 的分析復雜化了
[2]。在以前的澳大利亞昆士蘭州東南部雨林森林系統的測量研究中說明分層發生的變化范圍在2j 左右
[56]。但對于比較低矮的林
木或林分郁閉度低的林分，這種差異則無法表現出來。植物葉片水分利用效率的影響因子主要包括內部和外部兩個方面，內部因素主要指植物內在因子如光合途徑、氣孔、水勢和葉片營養物；外部因素主要指氣候環境因子和土壤因子，如水分可利用性(土壤水分，大氣降水和濕度)；溫度，土壤鹽分、營養物等的影響。具體如下:
1光合路徑 不同光合途徑(C3、C4和C AM )因光合羧化酶(RuBP 和PEP 羧化酶)和發生羧化的時間和空間上的差異對13C 有不同的識別和排斥，導致了不同光合途徑的植物具有顯著不同的WUE 和D 13C 值，研究表明,C3植物D 13C 值變化在-20j ~-35j (平均為-26j ),C4植物變化在-7j ~-15j (平均為-12j )，而CAM 植物則差不多介于上述兩類植物之間，一般變化在-10j ~-22j 之間(平均為-16j )[15]。說明C4植物葉片WUE 明顯比C3植物葉片的要高，而C AM 則介于兩者之間。
o氣孔導度 氣孔導度影響CO 2對葉片細胞內空間的供給，光合能力決定CO 2需求。Co w an 等
[49]認為，植物對環境的適應使得水分利用效率達到最高，即氣孔導度對植物在得到CO 2和失去水分的調節中符合最優
控制的原則。
?葉片營養物和水勢 葉片高氮條件下比低氮條件下植物內部水分利用效率(WUE i )減小的要大，原因是光合速率比蒸騰速率減小的要大。Spar ks 等發現葉片光合能力和葉氮濃度有顯著的正相關關系，指出絕大部分氮被用于光合作用器官部分的合成上，特別是,Rubisco (葉蛋白質，在碳吸收眾起主要作用)被氮的匱乏
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強烈影響，營養物(特別是N)的缺少能造成更負的D13C(更高的$)[50]；葉片水勢對WUE的影響是通過影響氣孔行為實現的。
?水分可利用性包括土壤水分可利用性，大氣相對濕度及大氣降水，水分可利用性的降低導致通過增強氣孔關閉來減弱蒸騰作用，從而提高了植物的WUE。有兩種潛在的機理導致WUE隨土壤水分可利用性的增加而增加。一種是，在水分可利用性梯度的干旱末端，具有水分保存策略(通過減少水分消耗最大化的提高W UE)的植物如果競爭物種使用了沒有使用的水或者通過蒸發而失去，則它就可能沒有適應優勢[5]。另一種策略是，在干旱地由于較高的蒸發需求，干旱地的植物可能有低的WUE，僅僅因為它們也比濕潤地的植物遭受了較高的蒸發需求[10]。生理研究已經證明了相對濕度對氣孔導度控制的重要性[51,52]。在大氣水分含量低時，為減少水分損失，葉片降低了它們的氣孔導度，這減小了亞氣孔間隙和周圍大氣間的CO2交換,C i減小，由于光合作用的C O2的固定，導致C i/Ca減小，并因此有高的WUE和D13C值[57]。
?溫度溫度能直接影響光合作用酶活性，氣孔導度(g),CO2同化和C i/Ca(C i是細胞內CO2濃度,Ca 是周圍大氣CO2濃度)，從而改變碳同位素分餾[58]。大量的研究指出溫度和植物D13C值、W UE存在負相關性[59]，而其它的研究結果得出結論兩者間存在正相關性[60]。根據M orecroft等提出的理論[61]，
植物葉片的WUE和D13C值隨溫度的增加而增加可能是由于氣孔導度的減小和厚表皮較高的內部阻力所致。連同其它研究的結果顯示溫度和D13C間的關系是復雜的，這可能是因為不同的物質有不同的光合作用最佳溫度。當周圍環境溫度頻頻地在光合作用最佳溫度以下變化時，葉片D13C值隨周圍環境溫度的升高而增加，反之則相反[62]。
?土壤鹽分營養物的增加可提高WUE。但在具體的物種間是變化的。鹽土植物的WUE和D13C值隨鹽分的增加而更向正偏向10%[63]。然而，在一些栽培種如G o mphrena globos a和Sparti n a folios a中,D13C對鹽分不敏感[64]。光合速率隨鹽分變化的絕大部分是由于氣孔導度的變化，而且氣體交換研究與這一結果一致[65]。在不同水分狀況下土壤鹽分的增加導致D13C呈線性并顯著的增大，這說明鹽壓力強迫行為導致對較重的同位素有較小的識別力。D13C由于鹽分而增加的現象在小麥[61]中已經有了報道。糖用甜菜和豇豆中輕度鹽化減少了每個植物的水分損失率，依次增加了WUE[66]。鹽分水平比海水的增加26和55%時，花生提高了光合水分利用效率[67]。在限定范圍里，土壤營養物越多，光合作用速率就越快，細胞內CO2濃度就越低，并因此而導致更加正的D13C和WUE。因此，土壤營養物越少,D13C值越偏負,WUE越小[68]。
在植物和環境相互作用的實際生態學過程中，依據物種和環境的變化，各環境因子對植物產生的影響不是單一孤立和一成不變的，而是互為制約，綜合作用。綜合影響植物葉片水分利用效率的內外部因素(圖1)，水分可利用性是通過氣孔導度作用影響WUE的，營養物和電子傳輸速率是通過光合速率作用
于WUE的，而氣孔導度又是直接作用或通過光合速率間接地作用于WUE的。
2.3機理研究
由圖1可知，植物葉片水分利用效率的減小主要歸因于葉片光合速率和氣孔導度的變化，主要包括3種情況：氣孔導度不變，光合速率變化；光合速率一定而氣孔導度變化；兩者均有變化。對于瞬時的氣體交換，可以通過直接測定來定義兩者的變化；但對于長期的變化主要借助于雙重同位素(D13C、D18O)模型(模型介紹相見文獻[69.70])，葉片水分增富(D18O偏大)隨E而變化，在葉片經歷類似的葉片-大氣水汽壓差時E與氣孔導度g s緊密相關。在E和gs相對較高時兩個過程限制葉片水分增幅：蒸騰降低葉片溫度和葉片內部空間的水汽壓，從而增強EA/EI(EA：葉片外部水汽壓;EI：葉片內部水汽壓)。蒸騰也影響葉片內水分的混合。在E 相對較高時，混合有未分餾水分的對流流動至蒸騰位置占主導，這易于減小葉片增富[71~78]。理論預測:gs變化驅使D13C變化時,D13C和D18O間將出現負相關關系，因為gs的升高增大了C i/Ca，減小了葉片水的增富；相反,P n max變化驅使D13C變化時，兩者間沒有相關關系，因為P n max不影響D18O[77]；在gs和P n max的共同變化驅使D13C變化時，單位D13C改變應該使D18O變化增加[71]。這種雙重同位素模型目前正處在驗證和完善階段，因此，需要繼續深入探討，但這也將是植物葉片長期水分利用效率機理研究的新方向和新突破所在。
