陕北水蚀风蚀交错带沙柳和柠条叶光合作用对降雨改变的响应

为揭示黄土高原水蚀风蚀交错带分布广泛的两种灌木沙柳和柠条叶光合作用对降雨改变的响应机制,采用模拟降雨操纵试验(对照、降雨增加45%和减少50%),研究了降雨改变第3年两种灌木叶水分关系、光合能力、叶形态结构和养分含量的变化。结果表明:沙柳旱季和雨季不同处理间黎明前叶水势无显著差异,旱季正午叶水势对增水和干旱均有显著响应;柠条黎明前和正午叶水势对干旱有显著响应,而对增水无显著响应;沙柳旱季最大光合速率(Amax)、柠条旱季和雨季的Amax对增水和干旱均有显著响应;增水导致沙柳旱季Amax增加的原因主要是叶生物化学性质改善,而干旱降低沙柳旱季Amax的主要原因是CO2扩散的限制;增水导致柠条旱季光合增加的主要原因是气孔限制的减少,而雨季则与气孔限制及生化限制的减少均有关;干旱导致柠条旱季和雨季光合降低的主要原因是细胞生化限制的增加;两种灌木比叶质量、叶氮及磷含量对增水和干旱均无显著响应,表明降水改变导致的光合能力变化与叶形态结构和叶养分含量改变关系不大。研究结果可为全球气候变化背景下两种灌木的适应性评价和水碳循环模拟提供参考。     

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.     

锐齿栎水力结构和生长对降雨减少的响应

为探究气候变化背景下降雨减少对森林的影响,2013年在宝天曼锐齿栎天然次生林原位建立了3块降水减少(截雨)样地,研究降雨减少对锐齿栎水碳关系和生长的影响。结果表明:降雨减少后锐齿栎枝条水势显著低于对照,最低水势为(-1.36±0.11)MPa,但锐齿栎木质部栓塞88%的水势值为-3.19MPa,叶片气孔关闭时的水势值为-2.5MPa,故降雨减少在这一地区没有对锐齿栎水力结构造成严重的干扰。降雨减少后,锐齿栎的叶片、韧皮部和木质部的总非结构性碳浓度与对照没有显著差异。木质部导管密度和叶片气孔密度变大,而导管直径和气孔长度变小。在天气较为干旱时,降雨减少处理的锐齿栎气孔导度日变化呈"双峰"曲线,而在湿润天气时呈"单峰"曲线且中午峰值显著大于对照。降雨减少处理的锐齿栎木材密度、Huber值、比叶面积和胸径生长与对照没有显著差异。降雨减少后锐齿栎树木没有遭受水力失衡或碳饥饿的危害,生长也没有受到显著影响,但是水力输导系统发生了适应性调节。     

荒漠草原区不同生活型植物生长对降水变化的响应

在全球气候变化背景下,降水变化对植物群落动态将产生深远的影响。以黄土高原西部荒漠草原为对象,通过野外降水控制试验,研究不同生活型植物丰富度、密度、盖度、高度和地上生物量对降水变化的响应。结果表明: 降水处理对一年生草本植物的丰富度、密度、盖度的影响在降水试验第3年(2015年)达到显著水平,以减水处理最低,植物高度对降水变化的响应更敏感,3年间,均以减水40%处理最低;植物生长和地上生物量对减水处理的负响应幅度大于对增水处理的响应。多年生草本植物的丰富度、密度和盖度在第3年以减水处理显著低于增水40%处理,但与对照无显著差异;植物高度3年间均以减水40%处理最低;丰富度、盖度、高度对减水处理的负响应幅度大于对增水处理的正响应,但地上生物量对增水40%处理的正响应较强。灌木的丰富度、密度、盖度和地上生物量对增减水20%处理的正响应最明显,可能与灌木在该处理分布相对集中有关。降水减少抑制了草本植物的生长,但对一年生草本植物的抑制作用更强,降水增加在一定程度上促进了多年生草本植物的生长和生物量积累。一年生草本植物的生长和生物量随降水年际变异波动明显,灌木受降水改变的影响相对较小,降水变化对黄土高原西部荒漠草原植物群落组成与功能将产生显著的影响。     

黄土高原丘陵沟壑区柠条和沙棘树干液流的变化特征

近年来为防治黄土高原水土流失,我国政府开展了一系列的植被恢复工作。了解造林植被水分利用策略,对于在干旱半干旱黄土高原地区开展有效的植被恢复至关重要。以黄土高原甘肃省定西市安家沟小流域为研究区,选取黄土高原大规模植树造林灌木柠条(Caragana korshinskii)和沙棘(Hippophae rhamnoides)为研究对象,利用包裹式液流计于2020年6—9月对柠条和沙棘树干和枝条的液流进行观测,研究柠条和沙棘树干液流密度的日内与年内变化,以及与环境要素的关系。结果表明,柠条与沙棘的液流密度日内变化规律与光合有效辐射(Q₀)、饱和水汽压差(D_z)变化趋势一致。液流密度对环境要素的响应不同,在8月份,柠条和沙棘液流密度受D_z、Q₀和气温(T_a)的影响较大,其中,D_z占主导地位。在其他月份,液流密度主要受D_z、Q₀的影响较大。当柠条与沙棘经历了长期干旱无雨的条件下,土壤含水量对树干液流的影响较大,D_z...     

八个树种叶水力性状对水分条件的响应及其驱动因素

树木叶片的水力效率和安全性会对水分条件的改变做出一定的响应, 进而影响树木的生长和分布, 然而叶导水率(K_leaf)和叶水力脆弱性(P₅₀)对不同水分条件的响应模式及其影响因素尚不清楚。该研究选取了晋西北关帝山和黑茶山两种水分条件下的8种树种, 测量其水力性状、叶片导管和形态性状, 比较两地不同树种的K_leaf和P₅₀的变化, 分析叶片水力效率和安全性之间的权衡关系, 并探讨叶片水力性状在不同树种及水分条件下的响应模式及其驱动因素。结果表明: 对同一树种而言, 湿润的关帝山叶最大导水率(K_max)和P₅₀均高于干旱的黑茶山; 对同一地区而言, 从在高水分条件下生长的树种到在易干旱环境生长的树种, K_max和P₅₀均逐渐下降。K_max、P₅₀、膨压丧失点水势(TLP)之间均存在显著相关关系。两地叶片P₅₀与导管密度、导管塌陷预测值((t/b)³)、叶片厚度、比叶质量显著正相关, 与导管直径、叶面积显著负相关, 不同树种的K_leaf和P₅₀与叶导管性状的关系大于叶形态性状。同一树种的关帝山到黑茶山P₅₀变化量(δP₅₀)与比叶质量和叶干物质含量在两地的变化量显著正相关, 同一树种δP₅₀与叶形态性状变化量的关系大于与叶导管性状的。以上结果表明: 随着水分条件变差, 叶片水力效率降低, 水力安全性提高, 不同树种叶片水力效率与安全性之间存在一定的权衡关系, 不同树种叶水力性状的差别受叶导管性状影响的程度大于受叶形态性状的影响, 同一树种叶水力安全性对水分条件变化的响应主要依靠叶形态性状的驱动, 树木在提高自身叶水力安全的同时增加了叶构建的碳投资。     

亚低温与干旱胁迫对番茄植株水分传输和形态解剖结构的影响

为探讨亚低温和干旱对植株水分传输的影响机制,以番茄幼苗为试材,利用人工气候室设置常温(昼25 ℃/夜18 ℃)和亚低温(昼15 ℃/夜8 ℃)环境,采用盆栽进行正常灌水(75%～85%田间持水量)和干旱处理(55%～65%田间持水量),分析了温度和土壤水分对番茄植株水分传输、气孔和木质部导管形态解剖结构的影响。结果表明: 与常温正常灌水处理相比,干旱处理使番茄叶水势、蒸腾速率、气孔导度、水力导度、茎流速率、气孔长度和叶、茎、根导管直径显著减小,而使叶、茎、根导管细胞壁厚度和抗栓塞能力增强;亚低温处理下番茄叶水势、蒸腾速率、气孔导度、水力导度和叶、茎、根导管直径显著降低,但气孔变大,叶、根导管细胞壁厚度和叶、茎、根抗栓塞能力显著升高。亚低温条件下土壤水分状况对番茄叶水势、蒸腾速率、气孔导度、水力导度、气孔形态、叶、根导管结构均无显著影响。总之,干旱处理下番茄通过协同调控叶、茎、根结构使植株水分关系重新达到稳态;亚低温处理下番茄植株水分关系的调控主要通过改变叶和根导管结构实现,且受土壤水分状况的影响较小。     

干旱胁迫下毛白杨和元宝槭的水力学调控

毛白杨(Populus tomentosa)和元宝槭(Acer truncatum)是华北平原人工林的主要树种, 研究两者水力结构和干旱-复水过程中茎非结构性碳水化合物(NSC)含量动态, 可揭示其水力学调控策略, 为全球气候变化背景下华北人工林水分平衡的科学管理提供理论依据。该研究以相同生境下分布的毛白杨和元宝槭幼树为研究材料, 测量两者的茎抗栓塞能力与水力安全阈、水力面积、叶膨压损失点等水力结构参数; 开展干旱-复水实验, 测定茎NSC含量动态以及干旱胁迫解除后复水阶段的木质部栓塞修复能力。结果表明: 毛白杨导水率损失50%对应的水势(-1.289 MPa)高于元宝槭(-2.894 MPa), 且膨压损失点时的渗透势低, 水力安全阈小, 木材密度小, 气孔调节偏向于变水行为, 表现为易栓塞的低水势忍耐脱水耐旱特性, 水分调节对策趋于冒险; 元宝槭则倾向于不易栓塞的高水势延迟脱水耐旱特性, 水分调节对策趋于保守。在干旱-复水实验中, 毛白杨可溶性糖、淀粉和茎NSC含量先减后增, 元宝槭则先增后减; 并且毛白杨表现出比元宝槭更高的栓塞修复能力, 这与植物体内茎NSC含量变化差异具有一定联系。毛白杨较高的栓塞修复能力也为其易栓塞的低水势忍耐脱水耐旱特性及冒险的水分调节对策提供水力安全保障。两树种在水力学调控上表现出的较大差异可能与其生活史特性相关。     

荒漠灌丛内降雨和土壤水分再分配

通过对降雨再分配,荒漠灌丛可改变降雨在灌丛内的水平空间分布,进而影响植被冠层下土壤水分的空间响应.本文以腾格里沙漠东南缘人工植被区柠条和油蒿灌丛为研究对象,分析了灌丛干扰下的降雨再分配过程及灌丛下土壤水分的空间响应.结果表明: 柠条和油蒿灌丛的穿透水、树干茎流分别占降雨量的74.4%、11.3%和61.8%、5.5%.次降雨过程中,柠条和油蒿穿透水空间变异性均较大,平均变异系数分别为0.25和0.30;由于可以将更多的降雨以树干茎流形式在根部富集,柠条主干基部土壤湿润锋深度明显比冠层其余位置深,而油蒿仅在大降雨事件时才较为明显.灌丛对降雨的再分配作用改变了降雨达到地表时的空间分配,致使冠层下土壤湿润锋深度呈现明显的不均一性.     

罗汉松科3种植物茎和根木质部水分运输、解剖结构与机械强度之间的关系

水力失效是植物干旱死亡的主要机制。量化分析水力性状的种间和器官间差异是预测树木在气候变化下的响应甚至生存能力的基础。该研究对比分析了罗汉松科3种植物器官(茎和根)水平上水力功能性状的差异, 并探讨其与解剖结构和机械强度之间的关系。在湿生同质园内选择罗汉松科3种植物, 测定了茎和根木质部水力功能性状(最大比导率(K_s)和栓塞抗性(P₅₀))、解剖结构性状(管胞直径(D_t)、水力直径(D_h)、管胞密度(N_t)、管胞壁厚(T_w)、纹孔膜直径(D_p)和纹孔密度(N_p))和机械强度(木材密度(WD)和管胞厚度跨度比((t/b)²))。结果发现: (1)罗汉松科3种植物茎木质部不存在效率-安全权衡, 而根木质部存在权衡。(2)茎K_s与D_p显著正相关, 与(t/b)²和WD无关; 茎P₅₀与D_p极显著负相关, 与(t/b)²和WD无关。(3)根K_s与D_h显著正相关, 与T_w和(t/b)²极显著负相关; 根P₅₀与T_w、(t/b)²和WD均极显著正相关。在罗汉松科植物中, 根木质部性状与输水效率和栓塞抗性的密切关系是解释其存在效率-安全权衡的基础, 而茎木质部的过度建造是茎不存在效率-安全权衡的原因, 木质部的过度建造仍需要更多的实验证据。     

四种灌木幼苗对水分胁迫的生理响应

柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)、白皮锦鸡儿(C.leucophloea)、刺叶锦鸡儿(C.acanthophylla)和长枝木蓼(Atraphaxis virgata)是乌鲁木齐周边植被组成中的重要植物种,在植被恢复中具有潜在价值。研究通过人工控制水分比较这4种灌木对干旱胁迫的生理响应,结果表明:叶片的组织含水量和叶绿素含量随着干旱胁迫的加剧而降低;脯氨酸在干旱胁迫下的积累程度较可溶性糖大;除刺叶锦鸡儿外其它植物幼苗的丙二醛在干旱胁迫下均无明显的积累(P>0.05)。4种灌木在干旱胁迫下通过渗透调节、保持膜系统稳定等途径维持正常的生理活动,对干旱具有一定的适应能力。4种灌木抗旱能力的排序为白皮锦鸡儿>柠条锦鸡儿>长枝木蓼>刺叶锦鸡儿。     

木本植物木质部栓塞脆弱性研究新进展

木质部空穴化和栓塞是木本植物在干旱等条件下遭受水分胁迫时产生的木质部输水功能障碍, 在全球气候变化的大背景下, 栓塞脆弱性对干旱响应的研究已成为热点和重要内容。近年来有关木质部栓塞脆弱性与植物输水结构和耐旱性的关系已有大量研究并取得一定成果, 但是, 不同学者在不同地区对不同材料的研究结果存在很大不同。该文就近年来这一研究领域取得的成果及争议问题进行了概括和总结, 主要涉及木质部栓塞脆弱性(P₅₀)及脆弱曲线的建立方法、木质部栓塞脆弱性与木质部结构(导管直径、导管长度、纹孔膜、木质部密度、纤维及纤维管胞)间的关系和木质部栓塞脆弱性与耐旱性的关系, 并对未来工作进行展望, 提出在未来的工作中应对同一树种使用Cochard Cavitron离心机法、Sperry离心机技术与传统方法建立的脆弱曲线进行比较验证、计算P₅₀值、分析植物个体器官水平差异(根、茎、叶)、测定树种生理生态指标, 探索植物栓塞脆弱性与输水结构和耐旱性的关系, 从而评估不同类型植物在未来气候变化下的耐旱能力。     

A review of new research progress on the vulnerability of xylem embolism of woody plants

Xylem cavitation/embolism is the blockage of xylem conduits when woody plants suffer from water stress under drought and other environmental conditions, the study of embolism has become a hot and key topic under global climate change. Recent researches on the relationship between the vulnerability of xylem embolism and hydraulic architecture/drought tolerance have made some progress, however, scholars reached different conclusions based on results from different regions or different materials. This paper reviews the current achievements and controversial viewpoints, which includes indicator of xylem embolism vulnerability (P₅₀), method of vulnerability curve establishment, the relationship between embolism vulnerability and hydraulic architecture (vessel diameter, vessel length, pit area, wood density, fiber and fiber tracheid) and the relationship between embolism vulnerability and drought tolerance of woody plants. Future studies should use Cochard Cavitron centrifuge and Sperry centrifuge coupled with traditional methods to establish vulnerability curves, calculate P₅₀, analyze the difference among different organisms (root, stem, leaf), and measure physiological and ecological indexes. Future studies should be aimed to explore the relationship between the vulnerability of xylem embolism and hydraulic architecture/drought tolerance and to assess drought tolerance ability of different species under future climate change.     

三种锦鸡儿属植物水力结构特征及其干旱适应策略

水分胁迫是干旱半干旱区限制植物生长的主要因素。以干旱半干旱区的3种锦鸡儿属植物为研究对象,从生态适应策略角度来分析3种锦鸡儿植物产生生态分离的原因。对三种锦鸡儿属植物茎干叶片的显微结构、生理功能(导水率、光合速率以及水分利用效率)进行测定,并统计了3种锦鸡儿植株的形态特征,如一、二级枝的直径、长度、末端叶面积。结果表明:三种锦鸡儿属植物都能形成较小的导管直径来适应旱生环境,但是在导水结构上又表现出一定的差异性。中间锦鸡儿的导管直径最小,次脉密度和最大净光合速率最大;柠条锦鸡儿的导管直径、叶片厚度和比叶重(LMA)最大。小叶锦鸡儿在导水率下降50%时的水势(P_(50))最大,水分胁迫时极易发生栓塞,但正是由于导管的栓塞降低了水分运输效率,使其在旱生环境中能够通过减少水分的供应来降低水分的丧失,从而保证自身生长的水分需求;而中间锦鸡儿则主要通过减小导管直径来适应旱生环境;柠条锦鸡儿的水分利用效率最高,抗栓塞能力最强,抗旱性最好,同时柠条锦鸡儿可以通过减少蒸腾面积来减少水分的丧失。植物的导管直径大小、叶片厚度、LMA、叶脉密度对植物导水速率、光合速率等生理功能都有一定的影响。     

Elevated [CO2] alleviates the impacts of water deficit on xylem anatomy and hydraulic properties of maize stems

Plants can modify xylem anatomy and hydraulic properties to adjust to water status. Elevated [CO₂] can increase plant water potential via reduced stomatal conductance and water loss. This raises the question of whether elevated [CO₂], which thus improves plant water status, will reduce the impacts of soil water deficit on xylem anatomy and hydraulic properties of plants. To analyse the impacts of water and [CO₂] on maize stem xylem anatomy and hydraulic properties, we exposed potted maize plants to varying [CO₂] levels (400, 700, 900, and 1,200 ppm) and water levels (full irrigation and deficit irrigation). Results showed that at current [CO₂], vessel diameter, vessel roundness, stem cross-section area, specific hydraulic conductivity, and vulnerability to embolism decreased under deficit irrigation; yet, these impacts of deficit irrigation were reduced at elevated [CO₂]. Across all treatments, midday stem water potential was tightly correlated with xylem traits and displayed similar responses. A distinct trade-off between efficiency and safety in stem xylem water transportation in response to water deficit was observed at current [CO₂] but not observed at elevated [CO₂]. The results of this study enhance our knowledge of plant hydraulic acclimation under future climate environments and provide insights into trade-offs in xylem structure and function.     

Dwarf shrub hydraulics: two Vaccinium species (Vaccinium myrtillus,Vaccinium vitis‐idaea) of the European Alps compared

Vaccinium myrtillus and Vaccinium vitis‐idaea are two dwarf shrubs widespread in the European Alps. We studied the hydraulics of these species hypothesizing that (1) the hydraulic architecture of dwarf shrubs differs from trees, (2) hydraulic properties reflect the species' ecological amplitude and (3) hydraulic properties vary spatially and seasonally. Key hydraulic parameters (osmotic potential, turgor loss point, xylem hydraulic conductivity, vulnerability to drought‐induced embolism, stomata closure, drought‐induced cell damage and embolism repair) and related wood anatomical traits (conduit diameter and conduit wall reinforcement) were analyzed at four sites in Tyrol, Austria. Both species exhibited low hydraulic safety as well as low hydraulic efficiency. Fifty percentage embolism accumulated at ?2.08 (V. myrtillus) and ?1.97 MPa (V. vitis‐idaea), 88% stomata closure was at ?2.19 and ?2.35 MPa, respectively. After drought, both species showed embolism repair on re‐watering. Site‐specific variation within species was low, while seasonal changes in embolism resistance and turgor loss point were observed. Results indicate that studied Vaccinium species have a high risk for embolism formation. This is balanced by refilling capacities, which are probably based on the small growth height of dwarf shrubs. V. vitis‐idaea, which occurs on drier sites, showed more efficient repair and a lower turgor loss point than V. myrtillus.     

毛乌素沙地南缘沙柳灌丛土壤水分及水量平衡

以毛乌素沙地南缘沙柳人工固沙灌丛为研究对象,对不同栽植密度(0.2、0.6和0.8株·m-2)沙柳灌丛生长季土壤水分动态和蒸散量变化进行研究.结果表明:不同栽植密度沙柳灌丛区土壤水分动态和蒸散量存在明显差异,土壤含水量随着栽植密度增加呈单峰型曲线;生长季内沙柳灌丛土壤含水量变化呈“S”形曲线,并与降雨存在密切的关系.蒸散量以栽植密度0.8株·m-2的沙柳灌丛最高(114.5 mm),占同期降雨量的90.8％;以0.6株·m-2的沙柳灌丛最低(109.7 mm).根据生长季土壤水分动态和水分平衡特征,毛乌素沙地南缘沙柳灌丛适种密度为0.6株·m-2.     

库布齐沙漠不同人工固沙灌木林土壤微生物量与土壤养分特征

在库布齐沙漠东段选取人工油蒿+杨柴半灌木混交林、人工柠条锦鸡儿灌木林和人工沙柳灌木林3种人工固沙灌木林为对象,以流动沙地为对照,研究了不同人工固沙灌木林土壤微生物生物量碳和氮、土壤微生物数量、土壤养分变化特征及其相互间的关系,并运用综合指数法对不同人工固沙灌木林的土壤恢复效果进行评价.结果表明: 与流动沙地相比,3种人工固沙灌木林土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量均有不同程度的提高,表现为油蒿+杨柴林地＞柠条锦鸡儿林地＞沙柳林地,且均随土层加深而依次降低;3种人工固沙灌木林土壤微生物数量、微生物生物量碳和氮均较流动沙地有不同程度的提高,油蒿+杨柴林地土壤微生物生物量碳氮和细菌相对数量高于柠条锦鸡儿林地和沙柳林地,而真菌与放线菌相对数量则表现为柠条锦鸡儿林地＞沙柳林地＞油蒿+杨柴林地;影响3种人工固沙灌木林土壤细菌相对数量、微生物生物量碳和氮的因素是土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量及C/N,而放线菌、真菌相对数量主要受土壤全磷、速效氮和速效磷含量的影响;不同人工固沙灌木林土壤质量排序为:油蒿+杨柴林地＞柠条锦鸡儿林地＞沙柳林地＞流动沙地,表明不同人工固沙灌木林的建植均能提高沙漠土壤质量,其中营造油蒿+杨柴半灌木混交林对提高土壤综合质量效果最好.