28种园林植物对大气CO2浓度增加的生理生态反应

通过对28种园林植物在不同CO2浓度水平下的气体交换参数的观测,分析了净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率等生理生态指标的变化趋势与规律.结果表明,所测植物净光合速率和水分利用效率随CO2浓度升高而线性增加,但不同植物种类对高CO2浓度的反应存在较大差异.气孔导度和蒸腾速率与CO2浓度呈线性负相关关系.当CO2浓度倍增(350～700 μmol·mol-1)时,28种园林植物净光合速率平均提高31.2%,气孔导度降低16.5%,蒸腾速率下降11.7%,而水分利用效率则提高了49.2%.不同光合途径的植物净光合速率和水分利用效率受CO2浓度增加的影响程度为C3植物较大,C4植物较小, CAM植物介于两者之间.对不同生活型植物而言,影响程度则为草本C3植物较大,乔木C3植物较小,灌木C3植物居于两者之间.     

大气增温对滇西北高原典型湿地湖滨带优势植物的光和CO2利用能力的影响

大气增温对湿地植物光合作用的影响及其作用机制是近年来生态学界关注的热点。采用开顶式生长室(Open-top chambers,OTCs)模拟大气增温((2.0±0.5)℃,(3.5±0.5)℃),研究增温对滇西北高原典型湿地纳帕海湖滨带2种优势植物(茭草Zizania caduciflora,黑三棱Sparganium stoloniferum)的光和CO_2利用以及光合碳同化速率的影响。结果表明,(1)增温对不同植物的光和CO_2利用能力以及碳同化速率的影响存在种间差异。增温显著降低了茭草的光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、光能利用幅(LSP-LCP)、CO_2饱和点(CSP)、CO_2利用幅(CSP-CCP)以及最大净光合速率(P_(max)),却显著增加了其CO_2补偿点(CCP);相反,增温显著提高了黑三棱的LSP、(LSP-LCP)以及最大净光合速率(P_(nmax)),而显著降低了其LCP,但对其CO_2利用参数无显著影响。(2)2种植物的光和CO_2利用能力对增温的响应存在季节性差异。不同温度处理下,茭草在6、8月的LSP和(LSP-LCP)均显著高于10月的对应值,其P_(nmax)也随生长期的增加而降低;黑三棱的光响应参数在不同生长季间无显著差异,其P_(nmax)在8月最高,而在6月和10月相对较低。(3)温度因子与茭草的光能利用参数均呈负相关,而与黑三棱的光能利用参数均呈正相关。本研究的温度因子中,日间积温对P_(nmax)和(LSP-LCP),年均温和最低温对(CSP-CCP)值的影响最为显著。本研究进一步表明,气候变暖对滇西北高原湿地湖滨带优势植物光合作用存在影响,但不同物种间存在差异响应,这种差异响应可能导致湿地生态系统植被结构的改变,其有关生态过程有待于进一步研究。     

青藏高原高寒沼泽湿地在退化梯度上植物群落组成的改变对湿地水分状况的影响

对青藏高原东缘玛曲高寒沼泽湿地分属于15科的47种主要植物进行光合测定, 结合对不同退化类型植物群落的样方调查, 分析了各种植物之间以及不同功能群之间的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率等光合参数的差异。结果表明: 1)玛曲高寒湿地的主要物种在净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率4个光合特性参数上的差异显著, 表明各植物种以各自独特的方式适应高寒湿地环境; 在功能群水平上, 各功能群之间的差异亦显著。光合速率从大到小依次为禾草>莎草>豆科和其他双子叶类杂草, 水分利用效率则是莎草>禾草>豆科和其他双子叶类杂草; 2)湿地退化导致其群落组成发生明显改变, 其中最明显的特点是双子叶类杂草的比例大大增加; 而双子叶类杂草普遍较低的水分利用效率将会增大土壤水分通过光合作用的蒸腾散失, 在大气降水对水分补充变化不大的条件下, 这将会进一步加剧群落生境的干旱化, 不利于退化湿地的恢复和附近湿地的保护。研究结果表明, 在湿地保护和退化湿地恢复过程中, 典型湿地土著物种的保存和补充具有重要意义。     

三种不同类型草甸生态系统下鹅绒委陵菜的光合特性

鹅绒委陵菜(Potentilla anserina)是高寒草甸的广布种和典型的杂类草,随生境变化其无性繁殖能力、空间拓展性、形态可塑性等差异显著。为探明该种在不同高寒生境下的光合特性及其与环境因子的关系,同时寻找影响其繁殖拓展能力的主要环境诱因,在若尔盖高原选择沼泽湿地、湿草甸和干草甸三类样地对鹅绒委陵菜的光合日变化进行比较。结果表明:7月下旬,由于光辐射强、大气温度高,各生境中鹅绒委陵菜的叶片净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、瞬时水分利用效率(IWUE)和光能利用效率(LUE)均显著高于8月下旬(P0.05);同一月份,干草甸环境下的P_n显著高于湿草甸和沼泽湿地(P0.05);相关性分析显示,各环境中光合有效辐射(PAR)与P_n均呈显著正相关(P0.05),干草甸环境下空气相对湿度(RH)、土壤质量含水量(SWC)与P_n亦呈显著正相关关系(P0.05);从沼泽湿地、湿草甸到干草甸,鹅绒委陵菜的净光合速率和水分利用效率增大;光补偿点(LCP)降低,光饱和点(LSP)升高,光合作用时间延长;表观量子效率(AQY)和羧化效率(CE)提高。这表明,在相对干旱的生境下,鹅绒委陵菜的光合能力得到增强,各光合生理参数朝着有利于其生长的方向发展。水分条件可能是影响鹅绒委陵菜繁殖能力和盖度的重要环境因子。     

基于产量效应的间作紫花苜蓿/禾本科牧草光能利用特征

为探究紫花苜蓿/禾本科牧草间作下光能利用特性、光能利用诸因素的产量效应及其调控机理,通过2017—2019年3年田间试验,以紫花苜蓿、饲用小黑麦(C3植物)、饲用玉米(C4植物)3种单作模式为对照,研究了紫花苜蓿/小黑麦和紫花苜蓿/玉米两种间作模式下的产量效应、光能利用各因子对产量形成的影响、光能利用特征差异及机理。结果表明: 两种间作模式的土地当量比均大于1,表明两种间作模式的土地利用率都高于单作,均有高于单作的产量效益,且增产潜力较大的是紫花苜蓿/小黑麦间作模式。光能利用各因子对产量的贡献依次是: 叶面积指数(1.531)＞净光合速率(0.882)＞胞间CO₂浓度(0.282)＞蒸腾速率(-0.229)＞冠层开度(-0.291)＞光合有效辐射截获率(-0.681)＞气孔导度(-0.751)。其中,叶面积指数不仅是表征光合能力的重要指标之一,更是以收获营养体为目标的牧草作物产量的重要构成因子,光合特性诸因素中净光合速率是影响产量的主要因子。与单作相比,间作下紫花苜蓿、小黑麦、玉米的净光合速率均存在差异,且表现为相同的规律。间作下净光合速率提高的主要途径为: 小黑麦和玉米通过增强CO₂的羧化固定能力,提高对强光的利用能力,从而提高净光合速率,促进产量增加;而紫花苜蓿则是通过提高功能叶的叶绿素b含量,改变叶绿素构成,增强对光能的收集和传递,从而提高净光合速率,促进其在弱光下光合能力的提高和正常生长。     

高寒草地植物群落地上-地下净初级生产力权衡

植物生产力分配和权衡是植物生态学研究中的热点,反映植物对环境的适应性,是了解植物响应全球气候变化的关键。青藏高原作为气候变化敏感区,研究其植物地上与地下部分权衡对了解高寒草地植被生存策略和生态系统可持续发展具有重要意义。目前,生物量分配调控机制已被广泛研究,但主要使用植物根冠比和地上-地下生物量比等方法来表征植物分配模式,缺乏考虑因植物生长周期导致的差异。使用青藏高原高寒草地103个样点的地上和地下净初级生产力数据,分析高寒草甸和高寒草原两种主要草地类型的地上-地下净初级生产力权衡关系。利用气候因素和土壤因素等相关数据,结合方差分析、相关分析、相对重要性分析和结构方程模型的方法,探究环境因素对两种草地类型地上-地下净初级生产力权衡的影响机制。研究发现：（1）高寒草甸的地上净初级生产力、地下净初级生产力和土壤养分含量显著高于高寒草原（P<0.05）;（2）高寒草地植被生产力均向地下权衡（0.0199）,且高寒草原（0.0354）的权衡值高于高寒草甸（0.0173）;（3）结构方程模型发现,年平均降水量、土壤容重和土壤速效氮含量是影响高寒草甸生产力权衡的主导因子,而年平均温度和年平均降水量是影响高寒草原生产力权衡的主导因子。研究表明高寒草甸的生产力权衡主要受气候和土壤因素共同影响,而高寒草原主要受气候因素调节。研究为理解植物地上-地下生物量分配调控机制提供了新的视角和方法,对系统了解高寒草地生物量分配模式和准确预测高寒草地植被动态过程具有指导意义。     

西藏草地植物功能性状与多项生态系统服务关系

针对植被功能性状与生态系统服务功能之间的相互关系,构建了西藏草地株高和可食性两种功能性状的9项指标,并基于土壤和植物采样,分析了9项植物功能性状指标和5项生态系统服务指标间的相关性,探讨了4种机制(Mass ratio,Selection,Niche complementarity及Insurance)在西藏草地的适用性。结果表明,9项功能性状指标中,株高Rao和可食种与所有种株高CWM比分别与土壤有机碳、土壤全氮和土壤含水率3项生态系统服务指标呈显著负相关及显著正相关。说明群落植被对光能竞争的互补性及可食性状植株在群落中的光能资源相对竞争力,与土壤固碳、肥力供给及水源涵养有显著相关关系。而群落可食种、优势种、优势种与次优势种对光能资源竞争力水平,可食植株多样性、可食植株在群落中的优势度及其光能资源竞争力均值,对草地生态系统服务无显著影响。西藏草地植物功能性状对多项生态系统服务的影响机制从光能资源竞争角度更符合Niche complementarity和Insurance理论,而从可食功能性状角度更符合Mass ratio和Selection理论。     

不同海拔高度高寒草甸光能利用效率的遥感模拟

利用植被光合模型模拟了藏北高原3个海拔高度(4300,4500 m和4700 m)的高寒草甸生态系统的光能利用效率.海拔4500 m的光能利用效率均值(0.47 g C/MJ)显著高于海拔4300 m(0.38 g C/MJ)和4700 m(0.35 g C/MJ),而海拔4300 m和4700 m两者间差异不显著.相关分析和多重逐步回归分析表明,影响每个海拔光能利用效率季节变化的主要因子为空气温度,相对湿度以及地表水分指数,这3个因子共同解释了99％以上的光能利用效率的季节变化,其中空气温度的贡献最大,相对湿度的贡献次之,地表水分指数的贡献最小,这说明在3个海拔的任何一个海拔高度,温度对光能利用效率季节变化的胁迫作用大于水分对光能利用效率季节变化的胁迫作用.多重逐步线性回归分析表明,生长季节均土壤含水量是决定生长季节均光能利用效率沿海拔高度分布的主导因子.单因子线性回归分析表明,地表水分指数可以定量化高寒嵩草草甸生态系统水分状况,它同时可以反应土壤水分、近地表空气湿度以及生态系统植被含水量状态.因此,在高寒嵩草草甸生态系统,用地表水分指数反应生态系统尺度水分对光能利用效率的胁迫作用是可行的.     

内蒙古和青藏高原草原植物叶片与根系氮利用效率空间格局及影响因素

氮利用效率是植物的关键功能性状,同时紧密关联生态系统功能,但是目前对氮利用效率的区域格局及影响因素仍然不清楚。该研究分析了内蒙古和青藏高原草原82个调查地点、139种植物叶片和根系的氮利用效率及其与环境因素、植物功能群之间的关系,实验结果显示:1)草甸草原植物叶片的氮利用效率为53 g·g–1,显著大于高寒草甸(46g·g–1)、荒漠草原(41g·g–1)和典型草原(39g·g–1)。高寒草甸根系氮利用效率为108g·g–1,显著高于其他生态系统。2)叶片氮利用效率比根系对温度更加敏感,但随着干旱指数的增加,两者均表现出显著的降低趋势。3)杂类草叶片和根系氮利用效率低于莎草科和禾本科植物,豆科植物叶片和根系氮利用效率分别比非豆科植物低48%和60%。4)植物氮利用效率与土壤氮含量之间没有显著关系。总体上,内蒙古和青藏高原草原植物叶片和根系氮利用效率的空间格局存在差异,主要影响因素为植物功能群和干旱指数。本研究系统揭示内蒙古和青藏高原草原植物氮利用效率的空间格局及关键驱动因子,有助于在全球变化背景下了解我国草地生产力维持机制,同时为草原生态系统管理提供科学依据。     

沙枣（Elaeagnus angustifolia）和孩儿拳头（Grewia.biloba G.Don var.parviflora）幼苗气体交换特征与保护酶对干旱胁迫的响应

以沙枣和孩儿拳头2年生盆栽苗为材料,采用称重控水的方法设置4个土壤含水量梯度(CK、T1、T2、T3),研究不同干旱胁迫对沙枣和孩儿拳头气体交换特征与保护酶的影响.结果显示:(1)干旱胁迫不仅引起两物种净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间 CO2 浓度的下降,而且使其日变化曲线在一定程度上发生改变;在轻度(T1)和中度胁迫(T2)下,两物种净光合速率下降主要是由气孔因素引起的,重度胁迫(T3)下,净光合速率下降主要是非气孔因素引起的.(2)随着干旱胁迫增加,沙枣瞬时水分利用效率呈现增加下降再增加趋势,孩儿拳头呈现下降趋势;两物种表观光能利用效率显著下降,重度胁迫下(T3),下降率达50%左右,孩儿拳头表观光能利用效率对干旱胁迫比较敏感;两物种表观CO2利用效率总体呈现下降趋势,沙枣表观CO2利用效率日进程经历了单峰(T1)、双峰(T2)、单峰(T3)的变化,孩儿拳头各处理的表观CO2利用效率日变化均呈现单峰曲线.(3)随着干旱胁迫加剧,两物种叶片的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性先升高后降低,土壤含水量高于12.8%时,两物种SOD酶活性均高于CK,随着土壤含水量的降低,SOD酶活性低于CK;重度胁迫下(T3),沙枣POD酶活性虽然有所下降,但仍高于CK,而孩儿拳头则和CK无显著差异;两物种CAT酶活性在重度胁迫下(T3)显著低于CK;随着干旱胁迫程度的增加,两物种叶片中的丙二醛(MDA)含量均呈现升高趋势,孩儿拳头脂质过氧化程度受干旱胁迫的影响较大.