中国东部南北样带森林优势植物叶片的水分利用效率和氮素利用效率

通过测定中国东部南北样带主要森林生态系统中10种优势植物(兴安落叶松、蒙古栎、水曲柳、紫椴、色木槭、红松、杉木、木荷、马尾松、锥栗)叶片的碳氮含量(Cmass、Nmass)、同位素丰度(δ13C、δ15N)以及光合响应曲线,分析了不同优势植物叶片的水分利用效率和氮素利用效率之间的差异及其相互关系.结果表明： 不同生活型植物叶片的Nmass和δ15N差异显著,表现为阔叶植物>针叶植物,落叶植物>常绿植物;最大光合速率(Pn max)表现为针叶植物>阔叶植物,落叶植物>常绿植物;植物叶片的瞬时水分利用效率(WUEi)和长期水分利用效率(WUE)均表现为阔叶植物>针叶植物,常绿植物>落叶植物;植物叶片的瞬时氮素利用效率(NUEi)和长期氮素利用效率(NUE)则表现出相反的规律,且常绿植物和落叶植物叶片的NUE差异显著;WUEi和WUE之间相关性不显著,而NUEi和NUE之间呈显著正相关.植物叶片的水分利用效率与氮素利用效率显著负相关.两种资源利用效率均受植物生活型的影响,并且存在一定的制约关系.     

不同水氮水平下小麦品种对光、水和氮利用效率的权衡

通过再裂区设计田间试验,以3个春小麦品种(和尚头、西旱2号和宁春4号)为材料,设置两个灌溉水平(充分灌水4500 m³·hm^-2和有限灌水3000 m³·hm^-2)和5个施氮水平(0、75、150、225、300 kg N·hm^-2),研究小麦光能利用效率(LUE)、水分利用效率(WUE)、氮素利用效率(NUE)对水氮的响应特性及其相互关系.结果表明: 3个小麦品种间LUE、WUE和NUE差异显著.在一定范围内增加灌水和施氮量则LUE升高,过量施氮则LUE下降.强抗旱和中等抗旱品种(和尚头和西旱2号)WUE受灌水量的影响比不抗旱品种(宁春4号)小.施氮可以调节小麦WUE,中等施氮水平(和尚头和西旱2号在150 kg N·hm^-2时,宁春4号在225 kg N·hm^-2时)有最高的WUE.随施氮量增加,植株氮素累积量先增后减,氮素干物质生产效率(NUE_b)、氮素收获指数(NHI)、氮肥农学利用效率(NAE)和氮肥偏生产力(PFP)均显著降低.灌溉水平对NHI无显著影响;随灌水量增加,小麦氮素积累量显著增加,强抗旱和中等抗旱品种NUE_b和NAE显著降低,不抗旱品种 NUE_b和PFP显著升高,对其他指标无显著影响.3个小麦品种氮素获取能力与氮素利用效率呈极显著负相关,NUE_b与LUE、WUE呈显著负相关,LUE与WUE呈显著正相关,春小麦氮素利用效率与光能利用效率、水分利用效率间存在明显的权衡关系.当灌水量为3000 m³·hm^-2,强抗旱和中等抗旱品种在150 kg N·hm^-2,不抗旱品种在225 kg N·hm^-2时,有较高的资源利用效率.     

油蒿叶片资源利用效率变化及其影响因素

植物资源(光、氮、水分)利用效率是反映生态功能适应气候变化的关键指示,然而鲜有研究综合考虑植物资源利用效率间的相对变化及其调控机制。选取宁夏盐池毛乌素沙地优势物种油蒿(Artemisia ordosica)为研究对象,于2017-2019年生长季对油蒿光合生理参数和环境因子进行原位监测,实验室测定叶片比叶面积(SLA)和叶氮含量(LNC),分析叶片光利用效率(LUE)、水分利用效率(WUE)、氮利用效率(NUE)的相对变化特征及其生物和非生物影响因子,探讨油蒿叶片资源利用效率对环境的响应。结果显示:油蒿LUE和NUE的季节变化趋势基本一致,两者呈正相关(R²=0.17;P<0.01),且皆与WUE季节变化不同,无显著关系(P>0.05),WUE波动幅度最高(CV=48%),NUE最低(CV=39%);研究期间LUE、WUE和NUE月均值基本在夏季出现高峰值,分别为0.12 mol/mol,104.02 μmol/mol和11.49 μmol g^-1 s^-1。土壤含水量(SWC)>0.09 m³/m³,叶片资源利用效率不受其影响,而SWC<0.09 m³/m³,WUE和SWC关系为二次函数;SWC调节土壤氮含量(N_soil)和光合有效辐射(PAR)对叶片资源利用效率的影响。叶片资源利用效率与LNC无显著相关性;SLA与LUE显著负相关(P<0.01),与NUE显著正相关(P<0.01),与WUE相关性不显著(P>0.05)。LUE主要受SLA和N_soil影响,NUE主要受SLA和SWC影响,SWC和N_soil还可通过SLA和LNC间接影响LUE和NUE。结果表明水分和土壤氮含量是限制油蒿叶片资源利用效率的主要非生物因子,比叶面积则是调控其资源利用效率的关键生物因子,是深入探究荒漠植物群落对环境响应策略的重要补充。     

油蒿资源利用效率在生长季的相对变化及对环境因子的响应

为了探明西北半干旱区典型沙生植物油蒿(Artemisia ordosica)叶水平资源利用效率的相对变化及对环境因子的响应机制,该研究于2018年5–10月,使用LI-6400XT便携式光合仪测定了毛乌素沙地油蒿叶片的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(E)、叶表面光合有效辐射(PAR_l)、叶表面温度(T_l)、叶表面相对湿度(RH_l),在实验室计算叶片单位面积氮含量(N_(area)),分析了叶片氮利用效率(NUE)、水分利用效率(WUE)、光利用效率(LUE)与环境因子之间的关系及NUE、WUE、LUE之间的相对变化。研究结果表明,在充足且稳定光强下油蒿的P_n主要受温度的影响,NUE、WUE与VPD_l、T_l之间具有显著负相关关系,NUE、WUE与LUE间为正相关关系,NUE、WUE和LUE最大值分别发生在5、7和9月,分别为9.43μmol CO_2·g~(–1)·s~(–1)、3.86 mmol·mol~(–1)、0.04mol·mol~(–1),资源利用效率的变化主要受P_n的影响。温度通过影响植物N分配来改变P_n,进而影响着资源利用效率,WUE与LUE显著正相关,对构建荒漠区生态系统能量交换过程模型有重要意义。     

Effects of nitrogen addition and mowing on nitrogen- and water-use efficiency of Artemisia frigida in a grassland restored from an abandoned cropland

氮添加和刈割对内蒙古弃耕草地冷蒿氮和水分利用效率的影响 在氮和水分限制的区域，植物氮利用效率(NUE)和水分利用效率(WUE)决定了它们在群落中的竞争优势。冷蒿(Artemisia frigida)是半干旱草地重度退化的先锋物种，在不同退化程度的草地中具有不 同的优势度，经常被认为是退化草地群落演替的指示物种。退化草地恢复过程中，氮添加和割草如何影响冷蒿的NUE和WUE尚不清晰。以内蒙古多伦县弃耕草地为研究对象，选取两个不同群落斑块(禾草和冷蒿为优势物种的斑块)，经过长期(2006–2013)氮添加和刈割(对照、氮添加、刈割、氮添加+刈割)处理后，研究冷蒿的NUE (叶片碳氮比)和WUE (叶片碳同位素，δ¹³C)对氮添加、刈割及其交互作用的响应； 结合植物和土壤的碳、氮同位素(δ¹³C和δ¹⁵N)及碳、氮库探究退化草地恢复过程中植物的资源利用策略及其机制。研究结果表明：(1)氮添加对冷蒿的WUE没有显著影响(P > 0.05)，但NUE 在禾草和冷蒿斑块 中分别显著降低了42.9%和26.6% (P < 0.05)；(2)植物对不同氮源(NH₄₊或NO_3-)的利用会引起植物和土壤δ¹⁵N的分馏，研究表明叶片和土壤的δ¹⁵N与NUE呈现相反的变化趋势，因此冷蒿的NUE对氮添加的响应与不同氮源的利用有关；(3)刈割不影响冷蒿的NUE (P > 0.05)，但在禾草斑块，冷蒿的WUE在刈割处理下显著提高了2.3% (P < 0.05)；(4)在禾草斑块，氮添加减缓了割草对冷蒿WUE的促进作用；(5)结构方程模型显示，土壤含水量直接或间接的调控着冷蒿的WUE和NUE。综上所述，在禾草斑块，氮添加+刈割处理维持较低的NUE和WUE，不利于冷蒿对资源的竞争，进一步降低其优势度，这也预示着氮添加+ 刈割处理会促进退化草地的恢复。     

二倍体、四倍体和六倍体小麦产量及水分利用效率

试验选用了6个不同染色体倍性的小麦进化材料（3个二倍体、2个四倍体和1个六倍体）,分别在不同水肥条件下研究其根系、地上生物量、产量、蒸腾耗水量和水分利用效率等指标,旨在阐明小麦进化材料产量及水分利用效率的差异及水肥条件对这些特性的影响。试验表明：不同倍性小麦进化材料的生物量、产量和水分利用存在显著的差异,而且水肥条件对其有显著影响。在染色体倍性由2n→4n→6n的进化过程中,小麦根系及地上生物量均先增加后降低,而产量却显著增加,这与收获指数的增加有关。小麦产量的大小顺序为：T.aestivum〉T.dicoccum〉T.dicoccoides〉Ae.squarrosa〉Ae.speltoides〉T.boeoticum。水分亏缺显著降低小麦的生物量、产量和收获指数;在不同水分条件下,增加施肥量有利于这些指标的增加。但是水分亏缺下,增加施肥却降低各小麦材料的根系生物量。随小麦的进化,蒸腾耗水量显著降低,这与其生育期缩短有关;而生物量水分利用效率和产量水分利用效率却显著升高,且后者的差异要大于前者。各小麦产量水分利用效率的大小排序与产量的完全一致。水分亏缺处理显著减少各小麦进化材料的蒸腾耗水量47％～52％,而显著增加生物量水分利用效率3％～40％;但水分亏缺对产量水分利用效率的促进作用却随染色体倍性的增加而降低,甚至降低六倍体小麦T.aestivum的产量水分利用效率19％。不同水分条件下,高肥处理均有利于蒸腾耗水量、生物量水分利用效率和产量水分利用效率的增加。     

HgCl2胁迫对小麦幼苗水分利用效率和叶绿素含量的影响

水通道蛋白(aquaporin,AQP)是植物体内水分吸收和运输的通道.以小麦品种石4185的幼苗为材料,在正常供水供养条件下,采用不同浓度的AQP抑制剂HgCl2对其根部进行胁迫处理,研究植株水分利用效率等性状的变化,以明确水通道蛋白与水分利用效率(WUE)的关系.结果表明:(1)小麦水通道蛋白在受到HgCl2抑制后,其幼苗的单株生物量和单株WUE(生物学产量干重/耗水量)显著低于对照处理,并且随着HgCl2浓度的增加呈逐渐下降趋势.(2)处理后植株24 h5、d和14 d的单株耗水量均显著低于对照组.(3)HgCl2胁迫处理后5 min内小麦叶片叶绿素含量持续下降,处理24 h的含量均远低于初始值,并且随胁迫时间延长处理叶片逐渐变黄.研究发现,HgCl2在抑制小麦幼苗水通道蛋白的同时,也对其光合作用相关酶和蛋白质体在短时间内产生一定影响,从而阻碍幼苗正常生长.     

基于遥感数据的植被碳水利用效率时空变化和归因分析

植被碳水利用效率是表征生态系统碳水循环的重要指标。采用MODIS数据,利用Google Earth Engine平台计算植被碳利用效率(Carbon Use Efficiency, CUE)与水利用效率(Water Use Efficiency, WUE)。采用趋势分析、变异系数、R/S分析及偏相关分析等方法,对2000—2020年黄河流域植被CUE与WUE的时空动态进行分析,并探究水热条件对碳水利用效率的影响。结果表明：(1)2000—2020年黄河流域植被碳水利用效率年均值分别为0.61和0.68 gC m^-2 mm^-1;研究时限内,植被CUE呈波动下降趋势,而WUE呈波动上升趋势。(2)空间上,植被CUE呈西高东低分布,WUE相反。不同土地覆被类型的CUE表现为草地>农田>灌丛>森林;WUE表现为：农田>森林>草地>灌丛。(3)总体上,黄河流域植被CUE与温度呈负相关,与降水呈正相关;黄河流域北部植被WUE与温度和降水均呈正相关关系,黄河流域西南部植被WUE与降水负相关;(4)不同土地利用类型中,草地...     

小麦苗期水分利用效率及其相关性状的QTL分析

以小麦DH群体(旱选10号×鲁麦14)为研究材料,采用复合区间作图法,对小麦幼苗在水分胁迫及非胁迫条件下的水分利用效率(WUE)及其相关性状的QTL进行定位,并对比分析QTL的加性效应.两种水分条件下共检测到14个具显著加性效应的QTL,分布在2A、3A、4A、5A、6A、7A、1B、3B、3D染色体上,可解释表型变异的范围在6.36%～19.73%.其中,非胁迫(对照)条件下检测到10个QTL,包括2个单株WUE的QTL,5个地上部WUE的QTL,1个根系WUE的QTL及2个总耗水量的QTL;水分胁迫条件下上述性状各检测到1个QTL.对于同一性状没有检测到在两种水分条件下均位于同一标记区间的QTL,表明不同水分环境条件下同一性状的QTL表达模式是不同的.论文也讨论了可能用于标记辅助选择的QTL及其分子标记.     

天童国家森林公园若干树种叶水平上养分利用效率的研究

养分利用效率是养分循环研究中一个极为有用的概念 ,它反映了植物对养分的利用状况。为揭示不同生活型植物的营养策略 ,本文以天童国家森林公园若干种植物为研究材料 ,探讨不同植物的NUE大小以及不同生活型植物NUE差异。结果表明 ,常绿植物的NUEN 与NUEP 呈显著正相关 ,落叶植物的NUEN 与NUEP 相关性不显著 ;若对所有植物进行统计 ,则NUEN 与NUEP 呈显著正相关。同时 ,不同生活型植物的N营养分利用效率有显著差异 ,具体表现为针叶树 >常绿阔叶树 >落叶树。最后 ,作者认为在生产力最低的地方 ,植物的NUE最高 ,说明养分供应缺乏时 ,这些植物能更有效地利用所获得的养分来创造出更高的生物量     

氮肥运筹对小麦产量、氮素利用效率和光能利用率的影响

连续2年在西南冬麦区的重庆、仁寿、广汉、西昌4个地点,开展3种施氮水平(每公顷纯氮0、120、180 kg,简写为N₀、N₁₂₀、N₁₈₀)和3种氮肥分配模式(N_A:底肥100%;N_B:底肥70%+苗肥30%;N_C:底肥60%+拔节肥40%)的田间试验,监测小麦花后冠层叶片SPAD值、群体光合速率(CAP)、光能利用等生理参数和籽粒产量,计算氮素利用效率、光能利用率等.结果表明: 随施氮水平增加,小麦上三叶SPAD值、CAP、光合有效辐射(PAR)截获率和产量均呈增加趋势,而氮肥农学利用效率、生产效率、吸收效率和利用效率呈降低趋势.氮肥后移的增效作用因施氮水平而异,SPAD于N₁₈₀增效明显,而CAP于N₁₂₀增效明显,不同氮肥管理模式的光能利用率因地点而异.氮肥后移能明显提高小麦氮肥农学效率、生产效率、吸收效率和氮素表观回收率,但氮肥利用效率则略有减少.氮肥后移效果N_C总体优于N_B处理.不同地点比较,广汉的SPAD值、CAP、PAR截获率、氮肥利用参数较高,其产量也相应最高;西昌的产量、SPAD值及氮素利用效率较高,但其光能利用率和CAP较低;重庆和仁寿的SPAD值、光能利用率及氮素利用效率均较低,其产量也最低.小麦生物产量与各地点的籽粒产量、CAP、SPAD值和PAR累积截获量均呈显著或极显著的正相关关系.表明不同生态区域增施氮肥都能促进小麦增产,氮肥后移可进一步优化产量结构、改善氮肥和光能利用效率,但存在年份和地点差异,各地需要制定有针对性的氮肥管理模式.     

Growth, gas exchange and water use efficiency of the facultative hemiparasite Rhinanthus minor associated with hosts differing in foliar nitrogen concentration

The facultative hemiparasitic angiosperm Rhinanthus minor was grown on 11 different host species, and in the absence of a host. The height of R. minor parasitising the legume Trifolium pratense exceeded that of unattached plants by more than an order of magnitude, with performance on grasses and non-legume dicotlyedonous hosts between these two extremes. Light saturated rates of photosynthesis in R. minor on different hosts ranged from 1. 5 to 22. 5 μmol g⁻¹ dry weight min⁻¹, and were positively correlated with growth. Foliar nitrogen concentrations in the parasite exceeded those of the hosts. The former were positively related to light saturated rates of photosynthesis, and inversely related to photosynthetic nitrogen use efficiency. There was no relationship between leaf nitrogen concentration and water use efficiency in R. minor. The data are discussed in relation to studies of nitrogen and water use in mistletoes.     

武夷山不同海拔植物水分利用效率的变化及其与养分变化的关系

以武夷山不同海拔(600、900、1300、1500、1800、2000和2100 m)的乔木、灌木和草本3种生活型植物为研究对象,观测其水分利用效率和叶片氮、磷养分浓度随海拔的变化趋势,旨在探索海拔梯度间水分、养分变化与植物水分利用效率变化的关系.结果表明: 植物水分利用效率随海拔的增加呈显著上升趋势,乔木叶片δ¹⁸O随海拔变化不显著.总体上看,叶片氮浓度未观测到规律性的变化,高海拔地区的叶片磷浓度显著高于低海拔地区.水分利用效率与叶片磷浓度呈显著正相关,而与叶片氮浓度相关性不显著.不同海拔植物水分利用效率变化主要由光合速率的变化引起,水分状况对植物水分利用效率的影响不显著.海拔梯度间植物叶片磷浓度的差异对光合速率影响显著,进而影响水分利用效率.     

花期渍水逆境下氮素对油菜产量及氮肥利用效率的影响

温室盆栽试验条件下,设置渍水和对照2个水分处理,每个水分处理下设置3个施氮水平(0.05、0.2、0.3 g N·kg^-1土),研究了花后渍水逆境下氮素营养对两个氮高效基因型‘Monty’、‘湘油15’和两个氮低效基因型‘R210’、‘Bin270’油菜产量、产量性能及氮肥利用效率的影响.结果表明:与对照相比,花后渍水处理显著降低了油菜的单株角果数、千粒重、每角粒数和籽粒产量.在适宜水分条件下,增施氮肥显著增加了油菜籽粒产量,而在渍水逆境处理下,增施氮肥对油菜籽粒产量的形成贡献不大.氮高效基因型较氮低效基因型对花后渍水逆境下的籽粒灌浆充实具有一定的促进作用.在同一水分处理下,花后渍水明显降低了油菜氮肥利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率、氮素吸收效率和氮收获指数,渍水显著影响了不同基因型油菜的氮素吸收利用能力,而氮高效基因型在渍水逆境下较氮低效基因型更有利于将氮素转运、再分配到角果中,提高籽粒生产效率.油菜产量性能参数存在显著的水氮互作效应,水分、氮肥及水氮互作对油菜籽粒产量和产量性能参数的影响因基因型的不同而异.     

氮对苹果幼树水分利用效率的影响

以２年生盆栽新红星／平邑甜茶苹果树为试材,初步探讨了土壤不同水分状况下氮肥对植株水分利用效率（ＷＵＥ）及有关参数的影响,结果表明,充足供水时,随施Ｎ量的增加,植株ＷＵＥ降低,施Ｎ导致气孔导率（Ｇｓ）增大,对蒸腾（Ｔｒ）的提高幅度大于光合（Ｐｎ）;供水不足时,施Ｎ植株的ＷＵＥ明显高于对照,不同施Ｎ水平的ＷＵＥ表现为：高Ｎ〉中Ｎ〉低Ｎ,ＷＵＥ改善是由于叶肉羧化能力提高,导致光合增强。     

长期施肥对黄土高原黄绵土氮肥利用率的影响

氮肥利用率是确定推荐施氮量和施氮效果评价的关键参数.本文通过黄土高原黄绵土区持续34年(1981—2015年)的长期定位试验,研究了长期不同施肥处理对氮肥当季利用率和累积利用率的影响及氮肥当季利用率与累积利用率的关系.结果表明: 除试验起始年(1982)外,不同施肥处理对小麦、油菜和胡麻3种作物氮肥的当季利用率和累积利用率都有显著影响,其中小麦以氮磷钾配施(NPK)处理平均氮肥当季利用率最高,其次为氮磷配施(NP)处理,分别较单施氮肥(N)处理提高了77.7%和62.0%;油菜也以氮磷钾配施(NPK)处理平均氮肥当季利用率最高,其次为有机肥与氮磷钾配施(MNPK)处理,分别较单施氮肥处理提高了93.7%和65.6%.有机肥与氮肥配施(MN)处理氮肥当季利用率较单施氮肥(N)处理显著增加,而有机肥与氮磷配施(MNP)和氮磷钾配施(MNPK)处理氮肥当季利用率较相应氮磷配施(NP)和氮磷钾配施(NPK)处理明显降低.氮肥当季利用率与作物籽粒产量存在显著的线性正相关关系,而累积利用率与作物籽粒产量的相关关系不明显.表明与氮肥累积利用率相比,当季利用率能较及时地反映特定土壤肥力、作物种类、品种和环境条件下的肥料利用率特征.     

水稻冠层光截获、光能利用与产量的关系

以两优培九和武香粳14号水稻品种为材料,在不同栽插密度和施氮水平下进行2年田间试验,研究水稻冠层光合有效辐射(PAR)截获率、光能利用率与水稻产量的关系.结果表明:分蘖期至成熟期,各处理水稻冠层平均PAR反射率为3.45％,其中,分蘖期至抽穗期的冠层反射PAR占冠层总PAR损失的10.90％,显著小于抽穗期至成熟期的22.06％.分蘖期至成熟期的冠层PAR转化率随栽插密度的增加而减少,随施氮量的增加而增大;分蘖期至抽穗期的冠层PAR转化率高于抽穗期至成熟期.在分蘖期至成熟期,冠层PAR利用率随栽插密度和施氮量的增加而增大,各处理中两优培九的平均PAR利用率(1.83 g· MJ-1)显著高于武香粳14(1.42 g·MJ-1);武香粳14因生育期较长,分蘖期至成熟期的入射PAR及中、高栽插密度处理的PAR截获量均高于两优培九.水稻不同生长阶段冠层PAR截获率和利用率与产量呈显著正相关,PAR转化率与产量也呈正相关,但相关性不显著.因此,在保持较高PAR截获率的基础上提高冠层PAR转化率,进而提高冠层PAR利用率,有利于水稻高产.     

植被光能利用率:模型及其不确定性

光能利用率（Light use efficiency： LUE）指植物截获的光能转化为化学能的效率,表示为生产力和吸收光能之比。基于LUE概念的模型对模拟预测全球变化下碳循环、植被生产力及其潜力具有重要意义。全球变化和人类活动影响给植被生产力和碳循环的评估带来了巨大挑战。系统梳理了LUE模型的不确定性并分析其原因,以期提高生产力模拟预测的准确度。分析发现LUE模型准确度仅为62%-70%且模型间差异较大（32%）,误差随着植被类型、时间尺度和空间区域的不同存在显著差别。目前计算LUE的误差是模型不确定性的关键,原因主要在于LUE与影响因素尤其是水分的关系并不清楚。一方面不能准确区分水分胁迫指标对LUE的影响机制,另一方面无法准确模拟水分等影响因素与LUE关系的时空演变特征。未来该领域研究的重要方向是发展集成样地和区域尺度的叶绿素荧光、光化学指数等研究方法,厘定LUE与影响因素特别是的水分关系,并分析其时空演变特征。