六道沟流域2种典型灌木不同季节水分来源及利用效率

该试验以黄土高原风蚀水蚀区的典型代表六道沟流域为研究区,选取了2种典型灌木柠条(Caragana korshinskii)和沙柳(Salix psammophila)为研究对象,测定其茎秆水和不同层次土壤水分的δD值及叶片的δ~(13) C值,利用IsoSource模型分析2种植物对不同层次土壤水分的利用比例,并同步测定叶片水势、气孔导度、光合速率和蒸腾速率等生理生态因子,分析2种灌木在不同季节的水分来源及生理生态适应机制。结果表明:(1)柠条和沙柳的水分利用策略随季节波动,在不同季节对不同土层水分的利用比例存在差异。(2)旱季柠条和沙柳主要利用40~80cm土层的土壤水,利用比例分别为48.1%和49%。(3)雨季柠条主要利用表层0~10cm和浅层10~40cm的土壤水分,利用率约为57.5%;雨季沙柳主要利用浅层10~40cm的土壤水,利用比例达76%。(4)旱季柠条和沙柳的水分亏缺严重,其叶片水势、气孔导度、光合速率和蒸腾速率均小于雨季,而水分利用效率均大于雨季。研究发现,柠条和沙柳在旱季均主要利用深层土壤水分,雨季更倾向于利用浅层土壤水分;柠条和沙柳均能够通过降低气孔导度减小水分损失来获得较高的碳同化速率,维持较高的水分利用效率以适应干旱环境,均表现出较强的适应能力。     

不同平茬年限人工柠条林光合特性及土壤水分的响应变化

平茬是荒漠草原老化人工柠条林营林抚育的重要措施,为系统认识柠条平茬后连续的生理与生态响应过程及其变化规律,该研究设置对比观测样地,以未平茬柠条(WPC)为对照,以平茬后连续生长1～5年(PC1～PC5)的柠条为处理,对各样地柠条净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、水分利用效率等光合生理特征及其土壤含水量分布的影响进行测定分析。结果表明:(1)平茬处理对柠条生理特性的影响因平茬年限的增加而异,其中PC1和PC2柠条的净光合速率和蒸腾速率较WPC略有提高,PC1柠条处于补偿生长的活跃期,水分利用效率明显高于其他平茬处理,PC2柠条的水分利用效率开始下降;PC3和PC4的柠条蒸腾速率、净光合速率和气孔导度显著上升,且PC4处理下达到最大值,相应水分利用效率也逐步回升;PC5的柠条几乎不存在补偿性生长,净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率开始回落,逐渐接近WPC;平茬措施对PC1与PC5柠条胞间CO2浓度大小的影响较大。(2)PC1的土壤水分含量在0～100cm土层因受冠层截留大幅减小的影响而低于其他年限平茬处理;PC2的土壤水分略有改善,PC3、PC4的土壤含水量显著提高,PC5的土壤水分状况则逐渐接近于WPC。(3)随平茬年限的增加,柠条光合特性与土壤含水量间存在一定的动态互馈关系,其中PC1的土壤水分略有下降,柠条生长减缓;PC2土壤含水量逐步恢复;PC3土壤含水量增长幅度开始下降,柠条的各项生理指标上升;PC4柠条的光合生理指标、土壤含水量都达到了最高值;PC5柠条的各项指标开始下降。研究发现,PC4处理是柠条光合生理和土壤水分响应变化的拐点,可参考作为平茬柠条优化管理的一个时间节点。     

不同土壤水分条件下中国沙棘雌雄株光合作用、蒸腾作用及水分利用效率特征

采用LI-6400便携式光合系统对野外不同生境(沟底、坡面)和田间不同土壤水分条件下中国沙棘雌雄株的净光合速率和蒸腾速率及水分利用效率特征进行了观测,结果表明,中国沙棘雌雄株在水分条件较好的生境中均表现较强的生活力,净光合速率和蒸腾速率主要受光照强度和大气温度的影响,雄株表现出更高的光合、蒸腾、水分利用效率;在水分条件较差的生境中,雌雄株均通过降低蒸腾和提高水分利用效率来适应逆境,净光合速率和蒸腾速率的影响因子增多,雄株的光合速率大幅度下降,雌株仍保持较高的光合速率,雌株的水分利用效率高于雄株.可见,在反映植物瞬时生理变化的性状方面,雌株对土壤水分减少表现出了更强的适应性,雄株对土壤水分变化表现出了更大的敏感性.     

不同程度的水分胁迫对沙棘幼苗生理生态特征的影响

为探讨未来降水减少对内蒙古皇甫川流域沙棘幼苗生理生态特征的影响,特设计平均降雨水平、偏旱、干旱和极端干旱4种不同的水分梯度处理,开展人工水分梯度实验.方差分析表明,不同的水分梯度显著影响土壤的含水量、土壤温度等微生境因子,并显著影响净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等气体交换特征、资源利用效率和叶片水势特征.适度的水分胁迫(干旱环境)能够提高沙棘的水分利用效率,同时却降低净光合速率和蒸腾速率.各种生理生态指标表明,4种水分处理的沙棘幼苗都受到不同程度的水分胁迫的影响,极端干旱环境中沙棘幼苗的内在生理调节机制出现紊乱,皇甫川流域沙棘不适宜在极端干旱环境中生长.     

不同程度的水分胁迫对沙棘幼苗生理生态特征的影响

为探讨未来降水减少对内蒙古皇甫川流域沙棘幼苗生理生态特征的影响,特设计平均降雨水平、偏旱、干旱和极端干旱4种不同的水分梯度处理,开展人工水分梯度实验。方差分析表明,不同的水分梯度显著影响土壤的含水量、土壤温度等微生境因子,并显著影响净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等气体交换特征、资源利用效率和叶片水势特征。适度的水分胁迫(干旱环境)能够提高沙棘的水分利用效率,同时却降低净光合速率和蒸腾速率。各种生理生态指标表明,4种水分处理的沙棘幼苗都受到不同程度的水分胁迫的影响,极端干旱环境中沙棘幼苗的内在生理调节机制出现紊乱,皇甫川流域沙棘不适宜在极端干旱环境中生长。     

平茬柠条的土壤水分动态及生理特征

平茬作为荒漠草原区柠条林优化管理的重要手段之一,深入探究平茬复壮阶段的土壤水分的恢复状况及其对生理特征的影响具有十分重要的意义。通过设置对比试验,研究了不同平茬年限柠条的土壤水分的时空分布及其周期性变化规律,并分析了其对净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率等光合作用生理特征的影响,结果表明:(1)生长季年内变化,PC1a—PC5a柠条在对土壤水分的保持能力均高于WPC柠条;对比不同平茬年限柠条土壤水分,PC3a增长迅速,PC4a水分条件最优,PC5a土壤水分消退逐渐向WPC柠条的土壤水分接近;土壤垂直剖面上,PC1a—PC4a柠条根系活跃区的土壤水分随着平茬年份的增加,深层的土壤水分得到有效改善,到PC5a时开始回落。(2)不同平茬年限土壤含水量变化剧烈程度分别为PC4aPC5aWPCPC2aPC3aPC1a,且平茬措施对非根系活跃区的深层土壤水分影响不大,平茬后,对0—180cm土层深度的影响显著,且以平茬PC4a和PC5a的土壤水分周期性变化最长,振动强度变化最明显。(3)平茬早期(PC1a—PC2a)的土壤水分并未迅速提高,此阶段柠条的光合作用受自身性状的影响大于对土壤水分的影响;平茬中期(PC3a—PC4a)的土壤水分对光合作用的影响大于柠条的补偿生长作用;平茬后期(PC5a),平茬柠条光合作用减弱及性状几乎不发生变化,土壤水分状况也开始接近WPC柠条。因此,对于荒漠草原平茬复壮阶段的柠条林的科学有效管理,PC5a柠条可作为饲草资源进行利用的最佳时段。     

平茬措施对柠条生理特征及土壤水分的影响

通过对比试验,研究了平茬措施对柠条的净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、枝水势,以及土壤水分含量的影响。结果表明:(1)平茬措施对柠条生理特征的影响因其生长发育阶段而异。其中,在花期(6月份),平茬柠条日平均净光合速率较对照(未平茬柠条)降低14.72%,日平均蒸腾速率提高27.31%,水分利用效率较对照低33.33%;随着柠条的生长发育(7月、8月、9月),平茬柠条日平均净光合速率逐渐升高最终高于对照,日平均蒸腾速率的差距也不断缩小;相应的其水分利用效率增加较快(对照柠条、平茬柠条增幅分别达108.3%、222.5%),至自然生长末期(9月),平茬柠条较对照高出4.76%。(2)平茬柠条枝水势的日变化和月变化均高于对照。(3)在整个生长季,平茬柠条地的平均土壤含水量在50—240 cm范围内均明显高于对照,且平茬措施显著降低了0—300 cm剖面各层土壤水分变异情况。(4)相关分析显示,平茬措施对柠条生理特征及土壤水分有重要影响。可见,采取平茬措施的第1年,平茬措施对柠条同时产生消极的生理影响和积极的土壤水分效应。弄清平茬措施的更新复壮机理,需要开展更多的深入研究工作。     

黄土丘陵区不同立地条件下沙棘光合生理日变化特征比较

在自然状态下测定了不同立地条件下沙棘光合生理生态日变化特征。结果表明,沙棘光合速率日变化基本为双峰曲线,均有不同程度的“午休”现象,山地沙棘出现在14：00左右,而川地出现在12：00前后,两峰值出现的时间因立地条件和水分条件而变化,山地沙棘雨后峰值出现时间推迟,但“午休”时间未变,这可能是沙棘适应川地、山地不同环境条件的结果。蒸腾速率日变化也呈双峰曲线,最低点与光合“午休”点重合,水分利用效率基本为“V”字型,以光合”午休”点为转折点。对大气因子日变化的同步测定表明,川地气温日均值较高,相对湿度较低,因而在干旱季节里川地沙棘更可能较山地沙棘受到大气干旱影响。山地较高的相对湿度有利于缓解土壤干旱对沙棘光合的影响,在水分利用上趋向于效率的提高。     

不同土壤水分下4种沙生灌木的光合光响应特性

采用盆栽试验在适宜水分、中度干旱和重度干旱(土壤田间持水量的70%-75%、45%-50%和30%-35%)条件下,研究了4种沙生灌木柠条、花棒、沙木蓼和杨柴1年生幼苗的光合光响应特性。结果表明:各灌木光响应曲线的变化趋势基本一致,采用非直角双曲线模型拟合良好;各灌木净光合速率在同等光合有效辐射时均表现为适宜水分中度干旱重度干旱;各灌木在干旱条件下叶片表观量子效率与最大净光合速率均较适宜水分下降低,两项参数在中度与重度干旱下的平均降幅柠条均为最小,反映出柠条光合作用对干旱胁迫较强的适应性;干旱条件下光饱和点的降低是造成4种沙生灌木对光照需求改变的主要原因,光补偿点和饱和点的协同变化表明柠条具有对光环境良好的适应性;4种沙生灌木在干旱条件下暗呼吸速率均降低。在西北沙区人工植被建设中从光合特性考虑,柠条更宜作为土壤水分较差立地上的先锋树种。     

野生酸枣光合及叶绿素荧光参数对土壤干旱胁迫的响应

为探究鲁中地区自然条件下野生酸枣光合生理参数对土壤逐渐干旱的响应机制,明确其与土壤水分的定量关系。该研究以2年生野生酸枣盆栽苗为实验材料,采用人工给水和自然耗水相结合法模拟自然条件下土壤干旱过程,分析野生酸枣叶片光合作用和荧光参数对土壤水分含量(RWC)的响应过程及其机制。结果表明:(1)野生酸枣叶片气体交换参数净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、水分利用效率(WUE)均随着土壤含水量的增加表现出先升高后降低的趋势。当RWC38.5%时,P_n下降,而胞间二氧化碳浓度(Ci)上升,气孔限制值(L_s)下降,叶片光合速率下降主要是非气孔限制因素所致;当RWC在38.5%~65.1%范围内,野生酸枣P_n下降,伴随C_i、气孔导度(G_s)均降低,野生酸枣叶片光合速率下降处于气孔限制阶段。(2)通过P_n和WUE对土壤水分的阈值模拟,发现维持野生酸枣叶片具有较高光合生产力的土壤水分范围为46.0%~0.5%,维持其较高水分利用效率的水分范围为56.3%~73.9%。(3)在土壤逐渐干旱过程中(RWC范围为29.9%~86.5%),野生酸枣最大荧光(F_m)、PSⅡ最大光化学效率(F_v/F_m)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)逐渐降低,初始荧光(Fo)显著升高,光化学猝灭(qP)先升高再降低,非光化学猝灭(NPQ)在过高(RWC83.7%)或过低(RWC38.5%)的土壤水分下呈现较高值,表现出热耗散增加。研究认为,野生酸枣叶片气体交换参数及叶绿素荧光参数对土壤水分均具有明显的阈值响应,阈值点的土壤相对含水量大约为38.5%,低于阈值时叶片光合速率由气孔限制转向非气孔限制,PSⅡ受到损伤,电子传递受阻,光合机构受到破坏。     

陕北沙地3种典型灌木根木质部解剖结构及水力特性

比较了陕北沙地沙柳、柠条和沙棘3种典型灌木不同土壤深度(0～20和30～50 cm)根木质部解剖结构和水力特性.结果表明： 沙柳具有较高的叶水势,根木质部导管平均最大直径(d_max)、平均最小直径(d_min)、平均导管面积(A_lum)以及导管面积占木质部面积比例(A_ves/A_xyl)显著高于柠条和沙棘,根导管密度(VD)与沙棘相当但显著高于柠条;沙柳根的比导水率分别为柠条和沙棘的5.0和2.8倍;沙柳根栓塞脆弱性指数与柠条根相当,但显著高于沙棘根.表明沙柳属耗水型水分利用策略,而柠条和沙棘属节水型水分利用策略,且柠条更耐旱.3种灌木在2个土层深度的d_max、d_min和A_lum无显著差异,但30～50 cm土层根VD和A_ves/A_xyl显著高于表层;30～50 cm土层根比导水率显著高于表层根,但脆弱性指数小于表层根,深层根具有高的水分传输效率和低的水力脆弱性.     

黄土高原四种人工植物群落土壤呼吸季节变化及其影响因子

以黄土高原侧柏、柠条、沙棘和油松人工植物群落为对象,土壤呼吸日动态和季节变化及其与环境因子之间的关系,结果表明:4种植物群落土壤呼吸速率具有典型的日变化和季节变化模式, 4种群落中,以侧柏6月土壤呼吸日变幅最大,沙棘6月土壤呼吸日变幅最小,大部分群落不同月份最大土壤呼吸与最小土壤呼吸倍数在1.1～1.6之间.4种群落中,以柠条土壤呼吸季节变幅最大,侧柏最小,最大土壤呼吸与最小土壤呼吸的倍数为1.5～2.2倍之间.同一植物类型土壤呼吸具有明显的季节变化特征,其具体变化趋势因植物类型而异.4种植物群落土壤呼吸速率与土壤和大气温度以及土壤含水量的关系在不同季节表现为不同的关系,其中侧柏和柠条土壤呼吸与土壤温度均呈乘幂关系,与大气温度为指数关系.沙棘土壤呼吸与土壤温度和大气温度均为乘幂关系,油松土壤呼吸与土壤温度和大气温度均为线性关系.这表明土壤呼吸与土壤和大气温度之间的关系及其紧密程度因植被类型而异.综合分析表明,同一气候区相同环境因子对不同植物群落土壤呼吸的影响作用不同,且因其自身具有明显的季节变化,从而导致对土壤呼吸的调控作用也具有明显的季节变异模式.     

黄土丘陵区沙棘群落特性及林地水分、养分分析

为提高沙棘林生产力和合理经营沙棘林,以黄土丘陵区吴旗、安塞试验区多年的观测数据为依据,以沙棘群落特性及林地水分、养分进行了分析,结果表明,沙棘生长迅速,适应性强,4～5年可形成林茂草丰的灌木-草本群落,1～8龄生物量增长迅速。8～11龄生物量增长相对较缓,11龄后通过自然稀疏沙棘能维持较合理的群落结构和较高初级生产量,沙棘对林地土壤水分的利用可分为根系微弱利用层（0～20cm）、根系利用层（20～300cm）、土壤水分补充调节层（300～400cm）和微调节层（400～500cm）,由于沙棘的改土作用及林地估枝、落叶的蓄水作用,沙棘林地1～1.5m,土层土壤水分恢复较好,可超过或接近荒山天然草地、沙棘可通过根瘤固氮及枯枝、落叶等凋落物的分解维持林地养分平衡,6～9龄沙棘,土壤全N量可由农地,草地的0.05%～0.1%提高到0.2%。     

黄土高原森林草原区6种植物光合特性研究

 对黄土高原森林草原区6种不同植物的生理生态学特性进行了一个生长季的野外观测。测定了2002年生长季早、中、晚期植物叶片的光合、蒸腾速率及相应的微气象因子和土壤水分的含量。在此基础上,采用机理性生理生态学模型对黄土高原森林草原区6种植物净光合速率和气孔导度与环境因子的关系进行了分析,净光合速率模型和气孔导度模型分别能够解释57%～79% 和40%～59% 生长季中净光合速率和气孔导度的日变化。在此基础上根据拟合得到的参数计算了典型7月份天气的净光合速率的日变化。模拟的结果表明：沙棘(Hippophae rhamnoides L. subsp. sinensis Rousi)的生物化学光合能力最强,茵陈蒿（Artemisia capillaris）的光呼吸速率最低,这两种植物的净光合速率高于其它植物种。刺槐（Robinia pseudoacacia）、铁杆蒿 (Artemisia gmelinii)、茵陈蒿和沙棘在午后出现的净光合速率下降主要是由气孔导度减小引起的,而苹果 (Malus pumila) 和柠条 (Caragana korshinskii)午后净光合速率的降低与叶肉细胞酶的活性降低有关。这些结论为未来的实验室测定提供了野外观测佐证。     

黄土高原丘陵沟壑区柠条与沙棘冠层的持水能力

2011年5-10月, 以黄土高原人工造林主要灌木树种柠条(Caragana korshinskii)和沙棘(Hippophae rhamnoides)为研究对象, 通过测定冠层截留数据与冠层各组分持水能力, 采用Pereira回归分析法和直接测量法, 对柠条与沙棘的冠层持水能力进行了研究。结果表明: 受不同因素的影响, 两种方法测定的冠层持水能力有一定差异。回归分析法主要受植株叶面积指数(LAI)季节性变化与穿透雨观测方法的影响, 得到的柠条与沙棘冠层最大持水能力分别为0.68 mm和0.72 mm; 而直接测量法主要受冠层结构特征影响, 得到的柠条与沙棘冠层最大持水能力分别为0.73 mm和0.76 mm。直接测量法得到的柠条各组分最大持水量依次为枝(0.31 mm) >叶(0.27 mm) >树干(0.15 mm), 沙棘为树干(0.33 mm) >枝(0.29 mm) >叶(0.14 mm)。     

不同土壤水分条件下中国沙棘雌雄株叶片形态结构及生理生化特征

在不同土壤水分条件下,对中国沙棘雌雄株叶片的形态结构以及生理生化特征进行了研究.结果表明： 在土壤水分条件较差时,中国沙棘雌雄株的叶片结构旱化特征较明显,并且雌株的叶片厚度、上下表皮厚度、侧脉维管束距离均较小,而下表皮毛厚度、密度和栅栏组织与海绵组织的比值均较大,表现出较强的干旱适应性和生态可塑性;雌雄株叶片的游离脯氨酸、可溶性糖和丙二醛含量升高,其中雌株叶片的游离脯氨酸和可溶性糖含量上升幅度大于雄株,而雄株叶片的丙二醛含量上升幅度明显大于雌株.随着土壤水分条件的改变,雌雄株叶片的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性变化较大.在干旱胁迫下,中国沙棘雌株的生理生化指标多元隶属度值大于雄株.雌株对干旱胁迫的适应性和生理调节能力更强.     

晋西北3个树种抗旱性指数的研究

根据对海红、刺槐和柠条的ＰＶ曲线主要水分参数的测定,进行了抗旱性指数季节变化和种间排序分析。结果表明,树种的抗旱性随着年生长发育节律和环境水分条件而改变,其抗早性生长季初最弱,夏季高温干早阶段增强,秋季降雨峰期减弱,生长季末最强或很强。柠条的抗旱性与海红很接近。这对黄土高原地区果树和饲料的开发与水土保持树种的推广有重要意义。     

不同配置模式下油蒿和柠条对降雨变化的生理生态响应及调节机制

研究了沙坡头地区固沙植物油蒿和柠条在1 m×1 m和2 m×2 m配置模式下的群落学特征,以及在自然和控制降雨条件下的水分关系、气体交换及其调节机制.结果表明： 随着土壤含水量的变化,油蒿和柠条的生理耗水和生长特性不同,油蒿的气孔导度、水势、蒸腾速率、光合速率和快速生长均呈现明显的波动性,并且对土壤水分的消耗量高于柠条;柠条的上述指标变化相对低缓而恒定,光合生长速率较低,多年累积生物量却很高.两种植物对水分胁迫的响应过程和调节机制不同,油蒿主要为保水机制,柠条主要为节水机制.在极端干旱年份,柠条的节水、抗逆特性更强.固沙植物种的选择应既利于防风固沙和节约用水,又利于固沙林的稳定.