中国区域478种C3植物叶片碳稳定性同位素组成与水分利用效率

目前, 在中国区域关于植物碳稳定性同位素组成(δ¹³C)已经有了很多的研究, 同时, δ ¹³C作为植物水分利用效率(WUE)的替代指标, 得到了越来越广泛的应用。而这些研究多集中在站点或小的区域尺度, 那么在整个中国区域尺度上, δ¹³C能否作为植物WUE的替代指标值得探讨。该文通过对文献资料的收集整理, 研究了中国区域187个采样点478种C₃植物叶片的δ¹³C, 统计分析结果表明δ¹³C的变化范围为-33.50‰- -22.00‰, 均值为-(27.10 ± 1.70)‰。在乔木、灌木和草本3种不同的生活型间, 叶片δ¹³C的差异达到极显著水平, 其中以草本的δ¹³C最高, 乔木最低, 这与在站点或小的区域尺度上的研究结果不同。对不同系统发育类型的植物而言, 种子植物的δ¹³C极显著地大于蕨类植物; 祼子植物与被子植物间的差异未达到显著水平; 单子叶植物极显著地大于双子叶植物。叶片δ¹³C值随经度的变化没有明显的规律, 但是随纬度的增加, δ ¹³C极显著地升高。随年均温度和年均降雨量的降低, 叶片δ¹³C值极显著升高。年均降雨量与δ¹³C间的这种极显著的负相关关系, 与WUE和降水量间的关系一致, 这表明在大的区域尺度上, δ¹³C可以作为植物WUE的指示指标。     

毛白杨杂种无性系叶片δ13C差异与气体交换参数

在苗木生长的不同时期对13个毛白杨(Populus tomentosa)杂种无性系叶片碳同位素δ¹³C和气体交换参数(净光合速率P_n、蒸腾速率T_r、瞬时水分利用效率WUE_i、气孔导度G_s和胞间CO₂浓度C_i)的差异进行研究, 分析不同无性系间δ¹³C与气体交换参数的相互关系, 目的在于探求δ¹³C在筛选高光合及高水分利用效率毛白杨杂种无性系中的应用价值。结果表明: 不同生长时期和不同无性系间δ¹³C、T_r、WUE_i、G_s和C_i的差异均显著, δ¹³C和WUE_i表现为9月>7月, T_r、G_s和C_i表现为7月>9月, P_n在不同生长时期差异不显著。季节变化是引起毛白杨杂种无性系叶片δ¹³C差异的主要原因。同一时期, 无性系间δ¹³C和WUE_i表现出较好的一致性, 即WUE_i较高的无性系30、42、46、83、BL2和BL5, 其δ¹³C值也较高, WUE_i较低的无性系B331和TG34, 其δ¹³C值也较低, 且不同时期(7月和9月) δ¹³C和WUE_i呈较强的正相关, 相关系数r分别为0.739 0和0.545 8, 高δ¹³C可以作为筛选高WUE_i毛白杨的有效指标, 且在苗木生长旺盛时期选育能得到更为可靠的结果。对毛白杨而言, 高WUE_i的无性系, 一般具有适中或较低的G_s和C_i, 但不一定具有很高的P_n, 气孔调节使得毛白杨在不影响光合作用的同时保持较高的WUE。     

增强UV-B辐射对暖温带落叶阔叶林土庄绣线菊水分利用效率、气孔导度、叶氮素含量及形态特性的影响

在北京东灵山暖温带森林生态系统中,选择常见灌丛土庄绣线菊(Spiraea pubescens),建立UV-B控制实验。连续3个生长季每天增补9.4 kJ·m^-2的辐射剂量,模拟臭氧衰减17%时近地表面UV-B辐射的增强。该实验的目的是在野外环境下观测,长时间人工增强UV-B辐射对土庄绣线菊叶片的气孔导度、碳同位素比率(δ¹³C)、叶含水量、叶面积、特别是水分利用效率(WUE)和叶片全氮含量等指标的影响。实验结果表明,增强UV-B辐射显著减少了土庄绣线菊的叶面积(50.1%),提高了叶片全氮含量(102%)。同时,UV-B辐射还在一定程度上(尽管统计显示不显著)降低了气孔导度(16.1%)、胞间CO₂浓度与大气CO₂浓度之比(C_i/C_a) (4.0%)、提高了碳同位素比率(δ¹³C)(20.5‰)、叶含水量(3.1%)及比叶重(SLW)(5.2%),从而导致WUE的增加(4.1%)和植物的抗旱能力增强。值得注意的是,深层土壤(30~40 cm)含水量变化会影响气孔导度、δ¹³C和WUE对紫外辐射的响应程度:在土壤干旱的季节(6月和9月),气孔导度、δ¹³C、WUE这些指标处理和对照的差异很小,但是当土壤水分充足时(7月和8月),处理和对照的差异就较为显著。另外,随着实验处理时间的延长,UV-B的效应变得不显著。相关分析表明,UV-B辐射降低了土壤含水量(30~40 cm)与土庄绣线菊叶含水量、δ¹³C、C_i/C_a和气孔导度的相关系数,增强了WUE与土壤含水量的相关性,这也许是由于UV-B辐射增强了WUE对土壤水分变化的敏感性。该研究的结果表明UV-B辐射对土庄绣线菊的形态和生长有显著的影响,但对主要水分生理指标影响不显著。     

不同生境间红树科植物水分利用效率的比较研究

通过测定采自4个地区(海南、厦门、北海和西双版纳)的红树科6个属共9种植物,包括竹节树(Carallia brachiata)、锯叶竹节树(C. diphopetala)、山红树(Pellacalyx yunnanensis)、红树(Rhizophora apiculata)、红海榄(R. stylosa)、海莲(Bruguiera sexangula)、木榄(B. gymnorhiza)、秋茄(Kandelia candel)和角果木(Ceriops tagal)的叶片碳同位素比值(δ¹³C),比较了不同地区分布的红树科植物(尤其是内陆生长的和沿海生长的红树科植物之间)、同一地区分布不同种红树科植物间以及不同季节红树科植物δ¹³C值及其所反映的胞间CO₂浓度和水分利用效率的差异。研究结果表明,红树科植物叶片的δ¹³C变化在-32‰~-26‰之间,大部分种类在两个生长季之间(春季和秋季)没有明显的差异,而内陆和沿海分布的红树科植物有着显著不同的δ¹³C值,以海水中生长的红树科植物δ¹³C值较高。此外,在海水中生长的红树科植物以北海地区分布的为最高,而在厦门和海南之间则较少有显著性的差异。从所取得的结果来看,植物δ¹³C值之间的差异可能有遗传学的基础,但环境的影响也起很大的作用。     

西北油松叶片δ13C特征与环境因子和叶片矿质元素的关系

选取甘肃、宁夏及内蒙古油松(Pinus tabulaeformis)10个天然种群, 通过测定油松叶片稳定碳同位素组成(δ¹³C)和元素含量等特征, 分析了油松叶片δ¹³C特征及其与环境气候因子和叶片矿质元素含量之间的关系。研究结果表明, 油松叶片δ¹³C的变化范围在-28.68‰ - -25.02‰之间, 平均值为-26.82‰; 油松叶片δ¹³C值与海拔、经度之间相关性不显著, 与纬度之间呈显著正相关, 与年降水量、年平均温度之间均呈显著负相关, 说明年平均温度和年降水量是决定油松¹³C分馏能力差别及生长的主要限制因子; 叶片元素N、P、K、Si、Ca、Fe含量与δ¹³C值有明显的相关性, 其中叶片N、P、K含量与δ¹³C值显著负相关, Si、Ca、Fe含量与δ¹³C值显著正相关, 可见不同种群间δ¹³C组成差异可反映植物营养元素含量的变化状况。不同生境条件下环境气候因子和矿质元素含量的这种响应模式在一定程度上反映和影响了以油松为建群种和优势种的生态系统的δ¹³C变化特性。     

祁连山两种优势乔木叶片δ13C的海拔响应及其机理

以分布于祁连山北麓中段的两种优势乔木祁连圆柏(Sabina przewalskii)和青海云杉(Picea crassifolia)为研究对象, 分析了高山乔木叶片δ¹³C值对海拔(2 600-3 600 m)、土壤含水量和叶片含水量、叶片碳氮含量的响应及其机理。结果表明, 这两种乔木叶片δ¹³C值均随海拔升高呈增重趋势, 与海拔呈显著正相关关系(p < 0.000 1)。海拔2 600-3 600 m阳坡树种祁连圆柏叶片的δ¹³C值显著高于同海拔梯度阴坡树种青海云杉。祁连圆柏和青海云杉叶片的δ¹³C值均与年平均气温呈显著负相关关系(p < 0.000 1), 与年平均降水量呈显著正相关关系(p < 0.000 1)。祁连圆柏叶片δ¹³C值与土壤含水量(p < 0.000 1)、叶片含水量(p = 0.01)和叶片碳氮比(C/N) (p < 0.000 1)呈显著正相关关系, 与叶片全氮呈显著负相关关系(p < 0.000 1)。而青海云杉叶片δ¹³C值与土壤含水量、叶片全氮、叶片碳氮比和叶片含水量不相关。说明海拔变化引起的水热条件的改变, 尤其是温度变化对高山乔木叶片碳同位素分馏起主要作用, 但各个因子综合对高山植物叶片碳同位素分馏的作用机制可能比较复杂, 需进一步深入研究。     

三峡库区岸边共存松栎树种水分利用策略比较

对三峡库区木鱼岛上马尾松(Pinus massoniana)、槲栎(Quercus aliena)和栓皮栎(Q. variabilis)组成的针阔混交林成林和幼林的光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、清晨和中午水势(ψ_pd和ψ_md)以及叶片稳定碳同位素(δ¹³C)进行了测定。实验结果表明:针叶树马尾松P_n、G_s均低于阔叶树槲栎和栓皮栎(差异达到极显著水平,p<0.001),但马尾松内在水分利用效率(WUE_i, P_n/G_s)却高于槲栎(p=0.003)和栓皮栎(p=0.025)。反映了裸子植物和被子植物木质部不同的水力特性。针阔叶树幼树的P_n和G_s高于成年树,但WUE_i和δ¹³C却低于成年树。表明水分利用效率与水分在树体内传输的距离有关。幼树属于挥霍型水分利用策略,成年树属保守型水分利用策略。三峡大坝的建设所造成的生态环境的改变可能会对三峡库区针阔混交林的演替产生一定的影响,但这需要长期的研究。     

灌溉对干旱区冬小麦干物质积累、分配和产量的影响

为探明灌溉对干旱区冬小麦(Triticum aestivum)产量、水分利用效率(WUE)、干物质积累及分配等的影响, 以甘肃河西走廊冬小麦适宜种植品种‘临抗2号’为材料进行了研究。在冬季灌水180 mm的条件下, 生育期以灌水量和灌水次数等共设置5个处理, 分别为: 拔节期灌水量165 mm (W1)、拔节期灌水量120 mm +抽穗期灌水量105 mm (W2)、拔节期灌水量105 mm +抽穗期灌水量105 mm +灌浆期灌水量105 mm (W3)、拔节期灌水量75 mm +抽穗期灌水量75 mm +灌浆期灌水量75 mm (W4)、拔节期灌水量105 mm +抽穗期灌水量75 mm +灌浆期灌水量45 mm (W5)。结果表明: 随着生育期的推进, 土壤有效含水量(AWC)受灌水次数及灌水量影响更加明显; W3、W4处理的土壤各层AWC在灌浆期均较高; 叶面积指数(LAI)下降慢, 延缓了生育后期的衰老; 生育后期干物质积累增加, 提高了穗粒数、千粒重和籽粒产量。籽粒产量以W3处理最高, 但W4具有最高的WUE, 且籽粒产量与W3无显著差异, 但W4较灌溉总量相同的W2和W5以及灌水量最少的W1具有明显的指标优势。W1、W2、W5处理灌浆期各层土壤AWC均较低, 花后LAI下降快, 干物质积累减少, 灌浆持续期缩短, 穗粒数和千粒重减少, 最终表现为籽粒产量和WUE下降。灌浆期水分胁迫可促进花前储存碳库向籽粒的再转运, 并随着干旱胁迫的加重而提高, 对籽粒产量起补偿作用; 水分胁迫提高了灌浆速率, 但缩短了灌浆持续期。相关性分析表明, 灌浆持续期、有效灌浆持续期、有效灌浆期粒重增加值和最大籽粒灌浆速率出现时间与千粒重和籽粒产量均呈正相关。综合考虑, 拔节、抽穗及灌浆期各灌溉75 mm是高产高WUE的最佳灌水方案。     

A review of the calibration methods for measuring the carbon and oxygen isotopes in CO2 based on isotope ratio infrared spectroscopy

稳定同位素红外光谱(IRIS)技术克服了传统的大气CO₂气瓶采样-同位素质谱(IRMS)技术时间分辨率低且耗时费力的缺点, 可以实现高时间分辨率和高精度的大气CO₂碳同位素组成(δ ¹³C)和氧同位素组成(δ ¹⁸O)的原位连续测定。基于IRIS技术测量CO₂ δ ¹³C和δ ¹⁸O的误差来源主要包括δ ¹³C和δ ¹⁸O测量值对CO₂浓度变化的非线性响应(浓度依赖性)以及对环境条件变化的敏感性导致的漂移(时间漂移)。如何有效地校正浓度依赖性和时间漂移导致的误差是IRIS仪器应用的前提。该综述阐述了δ ¹³C和δ ¹⁸O测量值的浓度依赖性产生的理论基础, 回顾了浓度依赖性的理论校正和经验方程校正方法和应用; 回顾了时间漂移的校正原理、方法和应用; 概述了数据溯源至国际标准的原理、方法与应用现状。结合实际情况推荐利用3个或3个以上已知CO₂浓度和δ ¹³C、δ ¹⁸O真值的CO₂标准气体涵盖待测气体CO₂浓度的浓度依赖性校正, 设置适当的校正频率校正时间漂移并进行数据溯源。指出应该加强不同仪器和校正方法的比对研究; 采用IRIS技术测定CH₄、N₂O和H₂O同位素组成也可以采取类似的校正方法。     

不同穗型小麦光能利用和旗叶13C同化物分配特性及对补灌水平的响应

为明确不同穗型小麦冠层光能利用和¹³C同化物分配特性的差异及对补灌水平的响应,以中穗型品种‘青农2号’和‘济麦22’、大穗型品种‘山农23’和‘山农30’为材料,设置3个水分处理:小麦全生育期不灌水(W₀)、节水灌溉(W₁,拔节期和开花期0～40 cm土层土壤相对含水量分别补灌至65%和70%)和充分灌溉(W₂,拔节期和开花期0～40 cm土层土壤相对含水量分别补灌至85%和90%),研究了不同处理对两种穗型小麦冠层光能利用和旗叶¹³C同化物分配特性的影响.结果表明:W₁处理两种穗型小麦品种开花后2、11、20和31 d的叶面积指数、冠层PAR截获率和利用率均显著高于W₀处理,再增加灌水至W₂处理,上述各指标无显著变化.¹³C示踪表明,济麦22和山农23的W₁旗叶¹³C同化物在籽粒中的分配量比W₀分别高159.34和171.1 g·hm^-2,分配比例分别高6.5%和6.5%,与W₂无显著差异;两种穗型品种W₁的籽粒产量亦显著高于W₀,与W₂无显著差异.不同穗型品种比较,节水灌溉条件下中穗型品种在开花后2和11 d、大穗型品种在开花后20和31 d具有较高的冠层光合有效辐射(PAR)截获和利用能力;中穗型品种济麦22旗叶¹³C同化物在籽粒的分配量和分配比例比大穗型品种山农23分别低6.8%和2.7%.     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO₂、CH₄)、氮(N₂O)和水汽(H₂O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心, 是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ ¹³C)和氧稳定同位素比值(δ ¹⁸O)(CO₂)、δ ¹³C (CH₄)、氮稳定同位素比值(δ ¹⁵N)和δ ¹⁸O (N₂O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ ¹⁸O (H₂O)的观测成为可能, 与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO₂及其δ ¹³C通量的箱式观测技术和方法为例, 概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类, 阐述了系统设计的理论要求和假设, 综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题, 展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

晋西黄土区典型乔灌木短期水分利用效率对环境因子的响应

为明确晋西黄土区植物的水分利用规律及对半干旱区的适应策略, 提高黄土地区植被建设效益, 该研究对该地区典型乔灌木短期水分利用效率随环境因子的变化进行了探究。以典型乔木油松(Pinus tabuliformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)及其林下灌木黄刺玫(Rosa xanthina)、杠柳(Periploca sepium)为研究对象, 测定叶片可溶性糖稳定碳同位素比值(δ¹³C_leaf)与枝条渗出液稳定碳同位素比值(δ¹³C_branch), 使用δ¹³C_leaf推导计算7-10月叶片尺度下植物短期水分利用效率(WUE_leaf)变化趋势, 使用δ¹³C_branch明确植物光合作用后分馏情况, 确定半干旱区植物在生长季的水分变化规律对环境因子变化的响应。结果表明: (1) 7-10月4种植物δ¹³C_leaf总体呈现降低趋势, δ¹³C_branch呈现先升高后降低趋势。δ¹³C_leaf在种间和生活型中均存在差异。具体表现为: 灌木>乔木, 常绿乔木(油松) >落叶乔木(刺槐)。研究过程中未发现明显的碳同位素在光合作用后发生分馏的情况。(2) 4种植物WUE_leaf在7-8月保持稳定, 9-10月逐渐升高。21.5 ℃、0.9 kPa、52.4%分别为WUE_leaf随温度(T_a)、饱和水汽压差(VPD)、相对湿度(RH)变化的突变点, 突变点之后4种植物WUE_leaf均表现出稳定的变化趋势, 不再随T_a、VPD、RH升高而降低。(3) WUE_leaf与T_a、RH、VPD之间存在显著负相关关系, T_a通过非气孔因素, 即酶的作用改变光合速率, 引起WUE_leaf变化。RH、VPD等水分因子则通过改变气孔开度, 影响蒸腾, 进而改变WUE_leaf。随着土壤含水量(SWC)的升高, WUE_leaf呈现先升高后降低的趋势。油松林和刺槐林在SWC分别达到15%-18%、13%-14%时, WUE_leaf达到最高值。经过混合线性模型(LMM)分析得到, 油松和刺槐WUE_leaf主导环境因子分别为RH和VPD, 黄刺玫和杠柳WUE_leaf主导环境因子均为T_a。该研究得到了黄土地区典型乔灌木生长季水分利用效率变化的规律和主要环境影响因子, 明确了黄土地区植物对气候因子变化的适应机制。     

准噶尔盆地东南缘多枝柽柳、白刺和红砂水分来源的异同

荒漠生态系统中, 水是植物生长最主要的限制因子。为了比较同一生境下不同荒漠植物的水分来源特征, 选取了同一生境下的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、白刺(Nitraria sibirica)和红砂(Reaumuria soongorica), 测定了这3种植物茎水和各潜在水源(降水、土壤水和地下水)的氢、氧稳定同位素比率(δD和δ¹⁸O)值, 并利用IsoSource软件计算了3种植物对潜在水源的利用比例。结果表明: 红砂和白刺的茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源有明显的季节波动特征。其中, 红砂为浅根系植物, 春季(3-5月)以表层土壤水为主要水源, 夏秋季节(6-10月)表层土壤含水量显著降低, 其主要的水分来源逐渐偏向于较深层的土壤水; 白刺的根系分布范围介于红砂和多枝柽柳之间, 在春季能够较多地利用表层土壤水, 而到了夏秋季节, 所利用的水分更多地来源于深层土壤水或地下水; 多枝柽柳为深根系植物, 其90%以上的水分来源于深层土壤水和地下水, 而且茎水δD和δ¹⁸O值及其水分来源没有季节波动特征。3种植物水分来源特征的差异与其水分利用策略密切相关, 同时, 也说明荒漠灌木可以通过自身调节向着最优(最有利)表现型发展, 从而最大限度地获取水分。     

测墒补灌对小麦光合特性和干物质积累与分配的影响

以高产冬小麦品种济麦22为材料,研究了测墒补灌对小麦光合特性和干物质积累与分配的影响.结果表明:W2(拔节期补灌至相对含水量75％,开花期70％)和DW2(拔节后10 d补灌至相对含水量75％,开花期70％)灌浆后期旗叶光合速率和实际光化学效率分别高于W3(拔节期补灌至相对含水量80％,开花期70％)和DW3(拔节后10 d补灌至相对含水量80％,开花期70％)处理;W2和DW2开花期和成熟期干物质积累量、开花前贮藏干物质向籽粒的转运量和籽粒干物质分配量高于W1(拔节期补灌至相对含水量65％,开花期70％)和DW1(拔节后10d补灌至相对含水量65％,开花期70％)处理,水分利用效率和灌溉水生产效率显著高于W3和DW3处理.相同补灌水平下,DW2和DW3灌浆后期旗叶光合速率和实际光化学效率分别高于W2和W3处理,开花期干物质积累量及其向籽粒的转运量低于W2和W3处理,开花后干物质积累量、籽粒产量、水分利用效率和灌溉水生产效率高于W2和W3处理.DW2是本试验条件下的高产高水分利用效率灌溉方案.     

不同降水条件下两种荒漠植物的水分利用策略

自然降水是干旱、半干旱地区荒漠植物重要的水分来源。为了说明自然降水量的变化对干旱、半干旱地区荒漠植物水分利用策略的影响, 研究了两种常见荒漠植物油蒿(Artemisia ordosica)和白刺(Nitraria tangutorum)在3个不同自然降水地区(内蒙古的杭锦旗和磴口县及甘肃的民勤县)的水分来源、水分利用效率及植物的抗逆能力的变化。测定了不同地区的植物茎水、各潜在水源(降水、地下水和土壤水)的δD和δ¹⁸O值, 并利用IsoSource模型分析了这两种植物在不同地区对这些潜在水源的选择性利用情况; 同时测定了叶片的δ¹³C和游离脯氨酸浓度。结果表明: 在年降水量最高的杭锦旗, 这两种植物对浅层土壤水的利用比例最高, 其中油蒿主要利用0-50 cm土层中的水源; 在年降水量相对较低的磴口和民勤, 植物利用的主要水源为深层土壤水和地下水。随着年降水量的增加, 这两种植物的水分利用效率逐渐降低。白刺的脯氨酸浓度大于油蒿, 与水分利用效率无关, 但油蒿的水分利用效率和脯氨酸浓度成正比。研究表明, 荒漠植物能通过改变其水分利用策略和其他生理特性适应自然降水量的变化, 但不同植物种采用的策略可能有所不同。     

放牧对内蒙古典型草原生态系统植物及土壤δ15N的影响

植物和土壤中的¹⁵N自然丰度值(δ¹⁵N)是评价生态系统N循环的一个重要指标, 而放牧是草原生态系统的主要土地利用方式, 对草原生态系统的N循环过程的改变起着重要作用。该研究测定了内蒙古锡林河流域放牧和围封条件下草原群落主要优势植物和土壤的δ¹⁵N值, 探讨放牧对草原N循环的影响。研究中所测定的8种植物叶片δ¹⁵N变化很大(-4.04‰-4.34‰), 但与植物功能型有一定的相关性。放牧显著降低了大针茅(Stipa grandis)、杂类草和小半灌木木地肤(Kochia prostrata)的δ¹⁵N值。具有潜在共生固氮能力的豆科植物δ¹⁵N偏低负值(-4.04‰ - -1.90‰), 但在放牧和围封条件下无显著差异; 而被认为具有联合固氮能力的羊草(Leymus chinensis), 放牧后δ¹⁵N显著增加, 一定程度上表明了豆科植物和羊草生物固氮能力的存在。所有植物中, 除无菌根侵染的木地肤外, 其他有丛枝菌根真菌侵染记录的物种δ¹⁵N值较低, 通常接近0或为负值, 说明在N限制的内蒙古草原, 菌根转运N可能也是一种重要的N源途径。放牧显著降低了0-20 cm土壤δ¹⁵N值, 这也与过去的研究结果不同。δ¹⁵N的测定为生态系统提供了一个整合时空N循环过程的综合指标, 反映出放牧改变了草原生态系统的N循环。     

青藏高原20种灌木抗旱形态和生理特征

该研究以青藏高原地区采集的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)等20种灌木树种为研究对象, 将其二年生幼苗移栽至苗圃培育, 通过田间试验测定三年生苗木生物量根冠比(RSR)、叶片蒸腾速率(T_r)、瞬时水分利用效率(WUE_i)、稳定碳同位素组成(δ¹³C)、叶片解剖结构特征和根系特征(长度、表面积、体积和根尖数)指标, 综合分析其抗旱性能差异, 为青藏高原干旱地区灌木树种抗逆性(耐旱)评价指标的建立、优良抗逆性树种的筛选及各种灌木树种的合理立地配置提供必要的理论依据。研究结果表明: 所选20种灌木为适应长期的干旱逆境, 不同植物种具有不同的抗旱策略。研究中将灌木抗旱机制划分为6个类型: 根系特征抗旱型、叶片旱生结构型、叶片旱生形态型、生物量分配型、节水型、高水分利用效率型。不同属和同属不同种灌木抗旱性有所差异, 沙棘属(Hippophae)植物总体抗旱性不佳, 而金露梅(Potentilla fruticosa)、豪猪刺(Berberis julianae)、树锦鸡儿(Caragana arborescens)、绣线菊(Spiraea salicifolia)和蒙古沙棘(Hippophae rhamnoides ssp. mongolica)综合抗旱性能较好, 总体上属于根系和叶片抗旱特征明显、低耗水、高生产效率的抗旱性强树种, 可以在青藏高原地区植被恢复树种筛选时优先考虑。根系特征值之间存在极显著正相关关系, 叶片结构特征指标之间也存在不同程度的相关关系, 但RSR、T_r、WUE_i和δ¹³C与根系特征值和叶片解剖结构特征指标之间总体上相关性不显著。主成分分析结果显示灌木全根和细根的长度、表面积、体积、根尖数和叶片栅栏组织厚度、海绵组织厚度、瞬时水分利用效率因子载荷较高, 能较好地反映青藏高原灌木树种抗旱性差异相关信息。此外, 灌木树种原产地与抗旱性也存在一定的联系, 青海西宁地区采集的灌木树种总体抗旱性优于甘肃天水和西藏拉萨地区。     

土层厚度对刺槐旱季水分状况和生长的影响

该研究测定了旱季和雨季刺槐(Robinia pseudoacacia)林不同土层厚度的土壤含水量, 刺槐的树高、胸径、小枝凌晨水势、叶片碳稳定同位素组成(δ¹³C)、叶面积、比叶重和气体交换指标; 分析了刺槐旱季和雨季的水分状况和土层厚度之间的关系; 通过刺槐对季节性干旱胁迫的反应, 估计华北石质山区不同土层厚度土壤水分对刺槐的承载能力; 并求证近年来该地区刺槐衰败和水分因素的关系。结果显示: 随着土层厚度减小, 旱季土壤含水量下降、凌晨小枝水势降低; 气孔导度和最大光合速率都减小, 而瞬时水分利用效率增加, 雨季上述指标无显著性差异, 旱季土壤含水量只有雨季的60%左右。随着土层变薄, 刺槐叶片δ¹³C增高, 叶面积减小, 比叶重增加; 刺槐树高和胸径减小。以上结果表明: 刺槐在不同季节下的水分状况综合反映土壤的供水能力, 土层浅薄导致土壤水分承载力不足, 致使刺槐在旱季受到较严重的水分胁迫, 这可能是刺槐出现衰败的重要原因。     

基于较大降水事件的人工固沙植被区植物水分来源分析

水分是干旱、半干旱地区植物生长最主要的限制因子.为了探究较大降水事件后两种常见人工固沙植物柠条与油蒿的水分来源差异,分析降水、土壤水、地下水和植物茎水的氢氧稳定同位素特征,并采用直接对比法和多元线性混合模型对植物水分来源进行分析.结果表明: 沙坡头地区大气降水线方程为δD=7.83δ¹⁸O+5.64(R²=0.91).降水δ¹⁸O值的变化范围较大,具有明显的季节变化规律;生长季前期与后期δ¹⁸O值相对较高,生长旺盛期δ¹⁸O处于较低水平.浅层土壤水δ¹⁸O值变化范围较大,随土层深度的增加,土壤水δ¹⁸O值变幅减小且呈减小趋势.在降水后第一天,柠条和油蒿分别对40～80与20～60 cm土层土壤水利用比例较高,利用比率分别为56.1%和56.4%.降水一周后,柠条与油蒿都不同程度地增加了对浅层土壤水的利用比例.柠条和油蒿对0～40和0～20 cm土层土壤水分利用率分别增加了12.5%和10%.表明在较大降水事件后,柠条和油蒿会通过调整水分利用策略来积极适应干旱环境.     

四川巴郎山齿果酸模叶片氮素及其分配的海拔响应

在卧龙自然保护区, 按海拔梯度选择了齿果酸模(Rumex dentatus)的4个分布地点(2350、2700、3150和3530 m), 对各研究地点的齿果酸模进行了叶片光合、扩散导度、叶片碳稳定同位素组成(δ¹³C)、氮素含量、光合氮利用效率(PNUE)、比叶面积(SLA))等参数的测量, 以期揭示该植物叶片氮素、氮素分配情况及其他生理生态参数随海拔的响应趋势, 进而明确氮素及其分配在齿果酸模响应和适应海拔梯度环境的生物学过程中的作用。结果表明: 随着海拔的升高, 齿果酸模的叶片单位面积氮含量(N_area)随之增加, 进而光合能力随之增加。随着海拔升高而增加的扩散导度也在一定程度上促进了这一趋势, 这可能是落叶草本植物对于高海拔低温所导致的叶寿命缩短的适应结果。沿着海拔梯度, 植物叶片氮素和扩散导度均通过羧化位点与外界CO₂分压比(P_c/P_a)而间接影响叶片δ¹³C值, 且相比之下, 以氮素为基础的羧化能力对于P_c/P_a的作用更大些, 进而导致齿果酸模叶片δ¹³C随海拔增加; 随着海拔的升高, 齿果酸模叶片将更多的氮素用于防御性结构组织的建设, 这也是SLA和PNUE降低的主要原因; 在光合系统内部, 随着海拔的升高, 植物光合组织增加了用于捕光系统氮素的比例, 使得植物可以更好地利用随海拔升高而增强的光照资源, 进而促进了光合能力的增加。可见, 氮素及其在叶片各系统间(尤其是在光合系统与非光合系统间)的分配方式是齿果酸模适应和响应海拔梯度环境的关键。