北京松山林下典型灌木绣线菊光、水利用效率的季节动态及其对环境因子的响应

[目的]植物资源利用效率是反映植物对环境条件适应性的重要指示指标,是气候变化生态学领域的研究热点,因此对林下灌木物种光能利用效率(LUE)和水分利用效率(WUE)的环境调控机理需进一步明晰。[方法]以北京松山天然阔叶林下典型灌木绣线菊(Spiraea salicifolia)为研究对象,于2019年6月至9月完全展叶期开展原位叶片光合测定和同步环境因子的连续观测,分析了绣线菊LUE和WUE的变化特征及其对环境因子的响应。[结果]LUE和WUE具有较为明显的季节变化特征,其中LUE随着光合有效辐射(PAR)和空气温度(Ta)的变化呈现逐渐增大的趋势,季节平均为0.03 mol/mol;WUE随PAR和空气饱和水汽压差(VPD)的变化呈现先增大后减小的趋势,季节平均为8.32μmol/mmol。PAR和Ta是影响LUE变化的主要因子,分别为指数和线性负相关;PAR和VPD是影响WUE变化的主要因子,均与WUE呈线性负相关,其中VPD通过影响气孔导度(gs)限制叶片蒸腾,从而影响WUE;LUE、WUE的季节变化和土壤含水量(SWC)均无显著相关性。LUE与WUE对环境因子存在趋同响应关系。[结论]研究初步确定光合有效辐射、空气温度和空气饱和水汽压差是研究区林下灌木绣线菊资源利用效率的主要限制因子,而非土壤水分;林下灌木绣线菊在有限资源条件下呈现资源保守策略,具体表现为在光能受限的条件下能够最大限度地使用光能进行光合作用,从而具备较高的光能利用效率。

毛乌素沙地油蒿叶性状对光能利用效率动态的影响

目前对于荒漠灌木光能利用效率(LUE)的季节变异及其调控因素,尤其是其生物调控因素的认识非常有限,导致了荒漠生态系统生产力模型的不确定性。拟验证假设:长期干旱环境下,典型荒漠灌木油蒿光能利用效率日均值(LUEday)的动态变化与叶片性状的季节性调整有关。试验采用Li-6400便携式光合仪定期测量了油蒿生长季叶片LUEday的季节动态及相关叶性状指标,探究叶性状对LUEday的影响。结果表明:LUEday的季节波动范围为0.003—0.017 mol/mol,整体变异系数(CV)为38.75%。完全展叶期LUEday均值相比生长季平均值降低17.37%,相比展叶期和落叶期时降低30%;8个叶性状的季节变异幅度差异较大,其中总叶绿素含量(Chl)、类胡萝卜素含量(Car)和叶氮含量(LNC)均表现出较大的季节变异性(CV≥20%),叶碳含量(LCC)和叶片相对含水量(LRWC)的变异程度最低(CV<7%)。LRWC与所有叶片化学性状(Chl、Chl a/b、Car、LNC和LCC)均存在显著相关,表明其变化与叶片的养分吸收、光合色素合成以及碳同化的运输过程密切相关;油蒿LUEday的相对变化与LRWC、Chl a/b和LNC显著正相关,而LRWC和LNC的季节动态受空气温度(Ta)和土壤含水量(VWC)的共同调节,Chl a/b的季节波动主要由浅层土壤含水量(10 cm VWC)控制。以上研究结果强调,在未来预计极端的气候事件(如极端干旱和持续热浪事件)发生更频繁的旱地场景中,时间尺度植物叶性状对于土壤干旱和高温的适应性调整应当被充分考虑到旱地生态系统的通量建模方案中。该结果将为构建叶片尺度的光合生理模型与厘清LUE的生物调控机制提供理论依据。

毛乌素沙地沙丘不同固定阶段黑沙蒿叶性状特征

半干旱地区沙丘固定过程中的植物叶性状的动态研究对于揭示该地区沙生植物对环境变化的生态适应策略具有重要意义。该研究选择毛乌素沙地沙丘4个不同固定阶段(半固定沙丘、固定沙丘、土壤结皮固定沙丘和草本植物固定沙丘)典型沙生植物黑沙蒿(Artemisia ordosica)为研究对象,通过相关性分析、主成分分析及相似性分析等方法对黑沙蒿叶面积(LA)、比叶面积(SLA)、叶干物质含量(LDMC)和最大净光合速率(A_(max))等11个叶性状进行分析,探明黑沙蒿叶性状随沙丘逐渐固定的变化规律及叶性状间相互关系。主要结果有:(1)黑沙蒿LA和A_(max)在半固定沙丘阶段显著高于其他3个阶段;叶碳含量随沙丘逐渐固定呈现先显著升高后略下降的变化趋势;叶磷含量在半固定沙丘和土壤结皮固定沙丘阶段显著高于其余2个阶段,且在半固定沙丘阶段最高。这些叶性状的变化表明在半固定沙丘阶段黑沙蒿倾向于增强光合作用来提高生存能力。(2)在不同阶段,与植物光合能力相关的LA、SLA分别同反映物理防御结构的LDMC、叶组织密度间存在显著或极显著负相关关系。表明植物为适应环境,对叶片光合能力的投资会随物理防御结构投资的增加而降低。这也表明了植物在生长繁殖和增强防御能力之间存在一种“此消彼长”的权衡关系。(3)综合沙丘的4个固定阶段,与植物营养相关的叶化学性状同形态、生理性状间均存在显著相关关系;且随沙丘逐渐固定,黑沙蒿在资源权衡策略上存在从“快速投资-收益型”向“缓慢投资-收益型”变化的趋势。该研究结果进一步证实了沙生植物可通过叶性状与叶性状间相互关系优化其资源权衡策略,以此来适应环境变化。