内蒙古锡林河流域不同植物群落中羊草和糙隐子草水分利用效率的变异

用稳定性同位素技术,研究了锡林河流域不同群落和生境下羊草(Leymus chinensis ( Trin.) Tzvel.)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa (Trin.) Keng.)叶片δ13C值及其水分利用效率的变化.结果表明,在不同生境下,羊草和糙隐子草叶片δ13C 值随土壤水分含量的降低而增大,并与不同土层土壤水分含量均表现出极显著的线性负相关关系;而二者的叶片水分含量与土壤水分含量无显著的相关关系.这一结果说明,羊草和糙隐子草的水分利用效率均随土壤水分含量的降低而提高,而叶片水分含量保持相对稳定.这两种植物可能通过调节气孔导度、提高水分利用效率和增强渗透调节能力等生理生态机制适应水分状况不同的生境,从而使它们能够在锡林河流域不同植物群落中广泛分布并成为建群种或优势种.     

内蒙古锡林河流域植物功能群组成及其水分利用效率的变化--依水分生态类群划分

依照植物水分生态类群,将锡林河流域主要植物种划分为6个植物功能群:呈生植物、中旱生植物、旱中生植物、中生植物、湿中生植物和湿生植物.沿土壤水分梯度,我们调查了8个植物群落的功能群组成及其δ13C值.结果表明:1)在水分状况不同的8个群落中,植物功能群的组成有很大差异.在较湿润生境中(沼泽化草甸和盐化草甸),湿中生和湿生植物成为优势种并构成地上生物量的主要部分;在干旱生境中(草甸草原、典型草原和退化草原),旱生和中旱生植物占绝对优势并构成群落生物量的90%以上;2)不同功能群δ13C值表现为:旱生植物(26.38‰)=中旱生植物(26.51‰)＞旱中生植物(-27.02‰)＞中生植物(-27.56‰)=湿中生和湿生植物(-27.80‰),表明随着不同水分生态类群所适应生境从干旱到湿润逐渐转变,植物的水分利用效率显著降低;3)在土壤水分状况不同的生境下,旱生植物始终维持相对较高的δ13C值和水分利用效率;而中旱生植物的δ13C值表现出较大的变化幅度,表明其对土壤水分的改变更敏感;4)旱生植物叶片脯氨酸含量最高;旱中生、中旱生和中生植物次之;湿中生和湿生植物脯氨酸含量最低.不同水分生态类群脯氨酸含量与其δ13C值和地上生物量呈显著正相关关系.     

干旱胁迫下四倍体刺槐幼苗水分利用效率及稳定碳同位素组成的研究

在模拟自然干旱的条件下,测定2个四倍体刺槐品种(K2、K3)和普通二倍体刺槐(K1)一年生组培苗的长期和瞬时水分利用效率(WUE)及其稳定碳同位素组成(δ13C),以探讨四倍体刺槐的抗旱机理.结果表明,K2、K3的长期水分利用效率(WUEL)在不同水分胁迫条件下都显著高于K1,它们在同等供水条件下比K1具有更大的生物量产出;3个材料叶片的瞬时水分利用效率(WUEI)均随干旱胁迫的加剧表现先升后降的趋势,且胁迫处理均高于适宜水分处理.随水分胁迫的加剧,各品种刺槐苗木叶片的δ13C显著升高;K2、K3的δ13C在各水分条件下均高于K1;各材料叶片的δ13C与其WUEL有良好的正相关性,可以作为筛选高WUE刺槐品种的指标.     

北京城市绿化树种叶片碳同位素组成的季节变化及与土壤温湿度和气象因子的关系

城市绿化树种是城市生态系统的重要组成部分,为了探讨城市绿化树种水分利用效率的季节变化及其影响因素,本文对北京24个城市绿化树种(包括6个常绿针叶和18个落叶阔叶树种)叶片碳同位素组成(δ13C)的季节变化以及与土壤温湿度和气象因子的相关性进行了研究.结果表明:常绿树种叶片δ13C季节间差异不显著,春、夏和秋季的平均值都接近-25.9‰,在-27.0‰～-24.5‰间变化;落叶树种叶片δ13C季节间差异极显著(p=1.97×10-7秋季>夏季,表明绿化树种水分利用效率(WUE)也为春季>秋季>夏季.研究发现:叶片δ13C与比叶面积(SLA)呈显著的负相关(落叶p=6.195×10-8相似文献   

樟子松、油松、蒙古栎水分利用效率种间变化及其对环境因子的响应差异

以碳同位素值(δ~(13)C)作为反映植物水分利用效率的指标,对辽宁地区3种典型林型—樟子松人工林(Pinus sylvestris var.mongolica)、油松人工林(Pinus tabulaeformis)和蒙古栎天然林(Quercus mongolica Fischer ex Ledebour)进行调查并分别对樟子松、油松和蒙古栎进行样品采集,探讨其水分利用效率之间的差异特征及其对年均降水量、年均大气温度和海拔高度变化的响应。樟子松、油松和蒙古栎δ~(13)C值变化范围分别为-30.37‰~-25.10‰、-30.32‰~-24.07‰和-29.85‰~-23.51‰,且随经度的增加显著降低;统计分析也表明,樟子松、油松和蒙古栎δ~(13)C值在辽西显著高于辽东,说明3种树种水分利用效率在辽西较高。进一步分析发现,3种树种叶片δ~(13)C值受年均降水量和海拔的影响较大,均随年均降水量增加显著降低,随海拔的升高显著增大,而受温度的影响较小;其中,又以樟子松的水分利用效率受海拔的影响较大(P0.01);与蒙古栎相比,樟子松和油松受降水量的影响更加明显。综上所述,3种树种叶片δ~(13)C值以及由其衍生来的水分利用效率之间种间差异较小,而受环境因子及地理学指标降雨、海拔和经度的影响较大,这为今后基于δ~(13)C值的水分利用效率进一步科学研究奠定了基础。     

桂西北喀斯特坡地典型生境不同植物叶片的碳同位素差异

通过测定7种典型植物的叶片δ13C值,比较了桂西北喀斯特坡地连片裸露石丛及其临近浅薄土层处植物叶片δ13C值及其季节性差异。结果表明:旱季(2008年11月、2009年3月)植物叶片δ13C值显著高于雨季(2009年7月)(P0.05);旱季和雨季菜豆树、铁线莲、黄荆的δ13C值无显著差异(P0.05),而盐肤木、红背山麻杆、蕨、肾蕨旱季显著高于雨季(P0.05);季节性降雨差异对乔木类菜豆树、藤本类的铁线莲以及根系较深灌木叶片δ13C值的影响较小,而对浅根系草本植物、浅根灌木影响较大;旱季和雨季2种生境下菜豆树叶片δ13C值差异均不大,旱季和雨季连片裸岩生境的红背山麻杆和黄荆叶片δ13C值与临近浅薄土层生境值的差异虽不显著(P0.05),但差异大于菜豆树,说明生境条件的差异对这2种灌木叶片δ13C值的影响较大。     

准噶尔盆地南缘荒漠区土壤碳分布及其稳定同位素变化

以亚洲中部干旱区准噶尔盆地南缘荒漠区为研究区,根据荒漠距离绿洲的距离,分别在荒漠边缘、中部和腹地设置3条样带,并采集2 m深的土壤剖面样品,研究土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)含量及其稳定碳同位素的分布,探讨土壤碳变化与距绿洲距离的关系.结果表明: SOC含量随剖面土层深度增加而减少.受距绿洲距离的影响,SOC含量表现为荒漠边缘>荒漠中部>荒漠腹地.荒漠边缘SOC的δ¹³C值范围为-21.92‰～-17.41‰,且随深度增加而递减;荒漠中部和荒漠腹地的δ¹³C值范围为-25.20‰～-19.30‰,且随深度增加先增后减,由此推断准噶尔盆地南缘荒漠中部和腹地地表植被以C3植物为主,而绿洲边缘经历了从C3植物为主到C4植物为主的演替过程.荒漠边缘SIC平均含量为38.98 g·kg^-1,是荒漠腹地的6.01倍,表明0～2 m深度内大量SIC在荒漠边缘呈聚集趋势.SIC的δ¹³C值随深度增加先减后增,底层富集,主要受原生碳酸盐含量和剖面土壤CO₂的影响.     

海北高寒草甸土壤有机碳同位素组成及C3/C4碳源的变化

通过对高寒嵩草草甸土壤剖面不同深度(0～5cm,5～15cm,15～25cm,25～35cm,35～50cm,50～65cm)有机碳稳定性碳同位素的测定发现,土壤有机碳稳定性同位素(δ^13C)随土壤深度的增加而变大。表层土壤(0～5cm,定义为现代土壤)的δ^13C值最小,基本上接近现代植被的碳同位素特征。在土层5～10cm深度以下(粗略地定为古土壤),土壤有机碳稳定性同位素骤然上升,与表层土壤的同位素特征明显不同。考虑到影响土壤碳同位素的诸多因素,通过稳定性碳同位素的质量平衡模型计算,得出初步结果：来自C4(或CAM)植物的碳源随土壤深度的增加而增大。进一步推测,该地区植被可能经历由C4植物占优势的群落向C3植物占优势的群溶演化的过程。在这个过程中,大气碳同位素的变化和土壤有机质的形成过程(有机质淋溶过程)等也会引起土壤碳同位素的升高,因此质量平衡模型可能会过多地估算C4组分,而低估C3组分。     

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。     

树木叶片稳定碳同位素分馏对环境梯度的响应

除了自身的遗传因素外,植物对稳定碳同位素的分馏还受温度、水分状况、光照等多种环境因素的影响。通过对生长在中国北热带、亚热带和温带的13个气候区树木的稳定碳同位素分馏与环境要素的关系的研究得出,不同气候条件下树木叶片稳定碳同位素比率(δ13C)和稳定碳同位素分辨率(Δ)差异明显,分别在-23.759‰--33.914‰和14.581‰-24.354‰的范围内。且由南向北,δ13C值呈现逐渐加重的趋势、而Δ值逐渐减小。年均温度、相对湿度、降雨量及无霜期等与δ13C值呈显著负相关、与Δ值显著正相关;年均日照时数、气温年较差、蒸发量、纬度及海拔等与δ13C值呈显著正相关、而与Δ值显著负相关;而经度、年极端最高气温等与δ13C和Δ值的相关性较弱。δ13C和Δ值的变化幅度和趋势在年均温度、年较差、无霜期、活动积温分别达到约19℃、23℃、309d、6000℃出现转折,这些指标在此基础上继续增加反而使叶片δ13C值增大、Δ值减小。而当年均降雨量和相对湿度分别超过1105mm、75%以及蒸发量小于约1700mm后,δ13C和Δ值随之变化的幅度也变小。结果表明在亚热带和温带的分界线以南,水热条件均能满足植物正常生理活动的需要,环境条件的相对改变对植物生理活动及叶片稳定碳同位素分馏的影响较小;而在北方,干旱、低温等极端的外界环境条件加剧了对植物生长和生理指标的影响、造成了不同环境梯度下叶片稳定碳同位素分馏的差异。     

西双版纳片断化热带雨林常绿乔木幼树水分利用效率的边缘效应研究

以植物叶片δ     

水分和氮磷水平对小麦碳同位素分辨率和水分利用效率的影响

 依据盆栽试验数据,利用植物稳定性碳同位素分辨率的理论模型,研究了水分和氮磷营养对小麦叶片碳同位素分辨率(Carbon-isotope discrimination △)的影响。结果表明：水分差异引起碳同位素分辨率较大变异,碳同位素分辨率随土壤相对含水量(Soil relative water content)的提高而提高,在土壤相对含水量为60％～70％条件下碳同位素分辨率最高。缺水时磷水平提高,碳同位素分辨率提高。水分利用效率(Water use efficiency)与碳同位素分辨率关系受土壤水分和养分水平的影响。缺水条件下水分利用效率与碳同位素分辨率之间为负相关,充分供水下为正相关;在低氮水平下的关系不明显,施氮150kg·hm-2时相关性显著。     

羊草叶片气体交换参数对温度和土壤水分的响应

 采用生长箱控制的方法研究了羊草(Leymus chinensis)幼苗叶片光合参数对5个温度和5个水分梯度的响应和适应。结果表明：轻度、中度土壤干旱并没有限制羊草叶片的生长,对气体交换参数亦无显著影响,反映了羊草幼苗对土壤水分胁迫的较高耐性。叶片生物量以26 ℃时最大,其它依次为23 ℃、20 ℃、29 ℃和32 ℃。温度升高使气孔导度和蒸腾速率增加, 却使光合速率和水分利用效率降低。水分和温度对叶片生物量、光合速率、气孔导度和蒸腾速率存在显著的交互作用,表明高温加强了干旱对叶片生长和气体交换的影响, 降低了羊草对土壤干旱的适应能力。高温和干旱的交互作用将显著减少我国半干旱地区草原的羊草生产力。     

稳定性碳同位素技术在生态学研究中的应用

 植物光合作用是自然界产生碳同位素分馏的最重要过程,也是碳同位素技术在生态学研究中应用的基础。最初,碳同位素主要应用于光合途径的鉴别。随着技术的不断完善和研究的不断深入,目前此项技术在生态学研究的许多领域都得到了广泛的应用。作者从植物叶片、功能群、群落冠层、生态系统以及全球等几个不同的尺度上,对碳同位素技术在生态学研究中的主要应用进行了简要的总结。     

不同水分条件下春小麦根系耗碳及其与产量形成的关系

 在自动控制的遮雨棚中,用盆栽法研究了不同水分条件下春小麦(Triticum aestivum)根系耗碳过程及与籽粒产量的关系。设高(W)、中(M)、低(S)3个水分处理,试验品种为`陇春8139-2'(L)和`定西24'(D)。在开花期及之前,根系的日生物量碳、日呼吸耗碳和日分泌耗碳量占根系日总耗碳量的比例平均为26%、58%和16%。在成熟期,W、M处理的根日生物量碳的下降(负值)在两品种之间没有显著差异,而在S处理中,D品种根生物量碳日下降幅度显著高于L品种,日呼吸耗碳量和日分泌耗碳量也最低,致使其根日生物量碳下降超过根总耗碳量的100倍,而根日呼吸耗碳量和日分泌耗碳量分别是根日总耗碳量的7.89倍和3.75倍,与其它处理/品种形成了鲜明对比。以根系日呼吸和日分泌耗碳之和占日光合固碳量的百分比来看,L品种在W、M和S处理中分别为53%、52%和83%,D品种分别为58%、49%和55%。两个品种根系碳消耗比例最低的是M处理,S处理的D品种远低于L品种。两品种产量水平接近,湿润条件下,L品种产量略高于D品种。籽粒产量与平均产量之比（Y/Ym）L品种在3个处理中分别为1.34, 1.14和0.53;D品种分别为1.04, 1.06和0.90。干旱条件下D品种保持了良好的产量稳定性。对D品种而言,中、重度干旱条件下光合固碳的相对稳定和根系耗碳量的降低是植物既能提高水分利用效率又能保持较高籽粒产量的主要原因。     

Modeling the spatial–temporal dynamics of water use efficiency in Yangtze River Basin using IBIS model

Climate change alters regional water and carbon cycling, which has been a hot study point in the filed of climatology and ecology. As a traditionally “water-rich” region of China, Yangtze River Basin plays an important role in regional economic development and ecosystem productivity. However, the mechanism of the influence of climate change on water and carbon cycling has been received little attention. As a coupling indicator for carbon and water, the water use efficiency (WUE) is widely used, which indicates the water consumption for carbon sequestration in watershed and regional scale. A lot of studies showed that climate change has significantly affected the water resource and production of the ecosystems in Yangtze River Basin during the period of 1956–2006, when great climate variations were occurred. To better understand the alternation pattern for the relationship between water and carbon cycling under climate change at regional scale, the WUE and the spatiotemporal variations patterns were simulated in the study area from 1956 to 2006 by using the Integrated Biosphere Simulator (IBIS). The results showed that the WUE spatial pattern had the annual and seasonal variations. In general, the average annual WUE value per square meter was about 0.58 g C/kg H₂O in Yangtze River Basin. The high WUE levels were mainly distributed in the eastern area of Sichuan, western area of Jiangxi and Hunan, and the highest value reached 0.88 g C/kg H₂O. The lowest WUE’s were mainly located in the western area of Sichuan and Qinghai with the lowest values reaching to 0.36 g C/kg H₂O. The WUE in other regions mostly ranged from 0.5 to 0.6 g C/kg H₂O. For the whole study area, the annual WUE slowly increased from 1956 to 2006. The WUE in the upper reaches of Yangtze River increased based on the simulated temporal trends, which mainly located in the western area of the Sichuan Basin; the WUE of the middle reaches of Yangtze River had increased slightly from 1987 to 1996, and then decreased from 1996 to 2006; the lower reaches of Yangtze River always had smaller WUE’s than the average from 1956 to 2006. The spatiotemporal variability of the WUE in the vegetation types was obvious in the Yangtze River Basin, and it was depended on the climate and soil conditions, and as well the disturbance in its distribution areas. The temporal variations of WUE among different vegetation types had similar trends but different in values. The forest type had higher WUE than any other vegetation types ranging from 0.65 to 0.8 g C/kg H₂O. The WUE of shrubland ranged from 0.45 to 0.6 g C/kg H₂O. The WUE of tundra was the lowest, indicating the differences in plant physiology. The consistence of the spatial pattern of WUE with the NPP indicated that the regional production of Yangtze River Basin increased based on the water resources prompted and vegetation restoration. We found the drought climate was one of critical factor that impacts the alteration of WUE in Yangtze River Basin in the simulation.     

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。