高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

宁夏盐池油蒿叶片水分利用效率的生长季动态变化及对环境因子的响应

周文君 查天山 贾昕 田赟 卫腾宙 靳川

周文君, 查天山, 贾昕, 田赟, 卫腾宙, 靳川. 宁夏盐池油蒿叶片水分利用效率的生长季动态变化及对环境因子的响应[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 98-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206
引用本文: 周文君, 查天山, 贾昕, 田赟, 卫腾宙, 靳川. 宁夏盐池油蒿叶片水分利用效率的生长季动态变化及对环境因子的响应[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 98-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206
Zhou Wenjun, Zha Tianshan, Jia Xin, Tian Yun, Wei Tengzhou, Jin Chuan. Dynamics of water use efficiency of Artemisia ordosica leaf in growing season in response to environmental factors in Yanchi, Ningxia of northwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 98-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206
Citation: Zhou Wenjun, Zha Tianshan, Jia Xin, Tian Yun, Wei Tengzhou, Jin Chuan. Dynamics of water use efficiency of Artemisia ordosica leaf in growing season in response to environmental factors in Yanchi, Ningxia of northwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 98-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206

宁夏盐池油蒿叶片水分利用效率的生长季动态变化及对环境因子的响应

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206
基金项目: 国家自然科学基金项目(31670708、31670710),中央高校基本科研业务费专项(2015ZCQ-SB-02)
详细信息
    作者简介:

    周文君。主要研究方向:植物生理生态。Email:1215849247@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    查天山,博士,教授。主要研究方向:水土保持与荒漠化方向研究。Email:tianshanzha@bjfu.edu.cn 地址:同上

Dynamics of water use efficiency of Artemisia ordosica leaf in growing season in response to environmental factors in Yanchi, Ningxia of northwestern China

  • 摘要:   目的  探明西北半干旱区典型沙生植物油蒿叶片的水分利用效率季节动态及其对环境因子的响应机制,为生态系统过程建模提供重要的生理生态参数。  方法  本研究于2018年5—9月,使用 LI-6400XT便携式光合仪,测定了油蒿叶片的气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E),并计算得出来叶片水分利用效率(WUE),分析了WUE与土壤含水量(SWC)、叶片表面饱和水汽压差(VPDl)、光合有效辐射(PAR)及叶片表面温度(Tl)的关系。  结果  油蒿叶片的gsPnE和WUE对SWC、VPDl、PAR和Tl具有一定的响应关系。当SWC ≤ 0.08 m3/m3时,gsEPn、和WUE对VPDl的响应更为敏感;SWC > 0.08 m3/m3时,gsPnE和WUE对PAR与Tl的响应更为敏感。  结论  本研究结果进一步证明,油蒿在干旱条件下通过气孔的调节来适应环境变化,环境因子通过影响gs,进而影响植物的PnE,从而使WUE发生改变,且WUE在干旱时较低,表明土壤干旱胁迫制约油蒿叶片光合作用,从而使叶片水分利用效率受到抑制。因此,得出如下结论:油蒿通过水分资源保存策略来适应干旱环境。
  • 图  1  研究样地环境因子动态变化(日序列DOY 111—283)

    Figure  1.  Dynamic changes of environmental factors in the study sample plots (day series DOY 111−283)

    图  2  生长季气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和水分利用效率(WUE)的动态变化

    Figure  2.  Dynamic changes in stomatal conductance (gs), net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (E) and water use efficiency (WUE) during the growing season

    图  3  不同土壤水分条件下气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和水分利用效率(WUE)对叶表饱和水汽压差(VPDl)的响应

    Figure  3.  Response of gs, Pn, E and WUE to VPDl under different soil moisture conditions

    图  4  不同土壤水分条件下气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和水分利用效率(WUE)对光合有效辐射(PAR)的响应

    Figure  4.  Response of gs, Pn, E and WUE to PAR under different soil moisture conditions

    图  5  不同土壤水分条件下气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和水分利用效率(WUE)对叶表温度(Tl)的响应

    Figure  5.  Response of gs, Pn, E and WUE to leaf surface temperature (Tl) under different soil moisture conditions

  • [1] 康博文, 刘建军, 孙建华, 等. 陕北毛乌素沙漠黑沙蒿根系分布特征研究[J]. 水土保持研究, 2010, 17(4):120−123.

    Kang B W, Liu J J, Sun J H, et al. Study on root distribution of Artemisa ordosica in the Mu Us Sandy Land[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010, 17(4): 120−123.
    [2] Schimel D S. Drylands in the earth system[J]. Science, 2010, 327: 418−419. doi:  10.1126/science.1184946
    [3] Porcar-Castell A. A high-resolution portrait of the annual dynamics of photochemical and non-photochemical quenching in needles of Pinus sylvestris[J]. Physiologia Plantarum, 2011, 143(2): 139−153. doi:  10.1111/j.1399-3054.2011.01488.x
    [4] Haque M S, Kjaer K H, Rosenqvist E, et al. Heat stress and recovery of photosystem Ⅱ efficiency in wheat (Triticum aestivum L.) cultivars acclimated to different growth temperatures[J]. Environmental and Experimental Botany, 2014, 99: 1−8. doi:  10.1016/j.envexpbot.2013.10.017
    [5] Yordanov I, Velikova V, Tsonev T. Plant responses to drought, acclimation and stress tolerance[J]. Photosynthetica, 2000, 38(2): 171−186. doi:  10.1023/A:1007201411474
    [6] Lei Y, Yin C, Li C. Differences in some morphological, physiological, and biochemical responses to drought stress in two contrasting populations of Populus przewalskii[J]. Physiologia Plantarum, 2010, 127(2): 182−191.
    [7] Izabela M, Ilona C, Skrzypek E, et al. Impact of osmotic stress on physiological and biochemical characteristics in drought-susceptible and drought-resistant wheat genotypes[J]. Acta Physiologiae Plantarum, 2013, 35(2): 451−461. doi:  10.1007/s11738-012-1088-6
    [8] Lucy A, Mohren G M J, Boateng K, et al. The effects of drought and  shade  on  the  performance,  morphology  and  physiology  of ghanaian tree species[J/OL]. PLoS ONE, 2015, 10(4): e0121004[2019−03−21]. https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0121004.
    [9] 曹生奎, 冯起, 司建华, 等. 植物水分利用效率研究方法综述[J]. 中国沙漠, 2009, 29(5):853−858.

    Cao S K, Feng Q, Si J H, et al. Summary on research methods of water use efficiency in plant[J]. Journal of Desert Research, 2009, 29(5): 853−858.
    [10] 石莎, 冯金朝, 邹学勇. 腾格里沙漠南缘2种沙地灌木植物的光合特征[J]. 云南大学学报(自然科学版), 2007, 29(5):519−524. doi:  10.3321/j.issn:0258-7971.2007.05.019

    Shi S, Feng J Z, Zou X Y. Photosynthetic characteristics of two desert shrubs in south of Tengger Desert[J]. Journal of Yunnan University (Natural Sciences Edition), 2007, 29(5): 519−524. doi:  10.3321/j.issn:0258-7971.2007.05.019
    [11] 张正斌, 山仑. 作物水分利用效率和蒸发蒸腾估算模型的研究进展[J]. 干旱地区农业研究, 1997, 15(1):73−78.

    Zhang Z B, Shan L. Advances in research on crop water use efficiency and evapotranspiration estimation model[J]. Agricultural Reseach in the Arid Areas, 1997, 15(1): 73−78.
    [12] Lang Y, Wang M, Zhang G C, et al. Experimental and simulated light responses of photosynthesis in leaves of three tree species under different soil water conditions[J]. Photosynthetica, 2013, 51(3): 370−378. doi:  10.1007/s11099-013-0036-z
    [13] 裴斌, 张光灿, 张淑勇, 等. 土壤干旱胁迫对沙棘叶片光合作用和抗氧化酶活性的影响[J]. 生态学报, 2013, 33(5):1386−1396. doi:  10.5846/stxb201209281358

    Pei B, Zhang G C, Zhang S Y, et al. Effects of soil drought stress on photosynthetic characteristics and antioxidant enzyme activities in Hippophae rhamnoides Linn. seedings[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(5): 1386−1396. doi:  10.5846/stxb201209281358
    [14] 孟鹏, 李玉灵, 尤国春, 等. 彰武松、樟子松光合生产与蒸腾耗水特性[J]. 生态学报, 2012, 32(10):3050−3060. doi:  10.5846/stxb201104260547

    Meng P, Li Y L, You G C, et al. Characteristics of photosynthetic productivity and water-consumption for transpiration in Pinus densiflora var. zhangwuensis and Pinus sylvestris var. mongolica[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(10): 3050−3060. doi:  10.5846/stxb201104260547
    [15] 张卫强, 贺康宁, 王正宁, 等. 光辐射强度对侧柏油松幼苗光合特性与水分利用效率的影响[J]. 中国水土保持科学, 2006, 4(2):108−113. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2006.02.019

    Zhang W Q, He K N, Wang Z N, et al. Effects of light radiation intensity on photosynthetic characteristics and water use efficiency to seedlings of Platycladus orientalis and Pinus tabulaeformis[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2006, 4(2): 108−113. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2006.02.019
    [16] 王燕凌, 刘君, 李文兵, 等. 塔里木河下游刚毛柽柳光合作用、蒸腾作用及水分利用效率特性研究[J]. 新疆农业科学, 2015, 52(2):292−299.

    Wang Y L, Liu J, Li W B, et al. Study on characteristics in photosynthesis, transpiration and water use efficiency of Tamarix hispida Willd. in the lower reaches of the Tarim River[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2015, 52(2): 292−299.
    [17] 王晶英, 赵雨森, 杨海如, 等. 银中杨光合作用和蒸腾作用对土壤干旱的响应[J]. 中国水土保持科学, 2006, 4(4):56−61. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2006.04.010

    Wang J Y, Zhao Y S, Yang H R, et al. Response to soil drought stress of photosynthesis and transpiration of poplar (Populus alba × Populus berolinensis)[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2006, 4(4): 56−61. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2006.04.010
    [18] 刘慧霞, 郭正刚, 郭兴华, 等. 不同土壤水分条件下硅对紫花苜蓿水分利用效率及产量构成要素的影响[J]. 生态学报, 2009, 29(6):3075−3080. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2009.06.037

    Liu H X, Guo Z G, Guo X H, et al. Effect of addition of silicon on water use efficiency and yield components of alfalfa under the different soil moisture[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(6): 3075−3080. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2009.06.037
    [19] 赵平, 孙谷畴, 曾小平, 等. 两种生态型榕树的叶绿素含量、荧光特性和叶片气体交换日变化的比较研究[J]. 应用生态学报, 2000, 11(3):327−332. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.2000.03.002

    Zhao P, Sun G C, Zeng X P, et al. A comparative study on chlorophyll content, chlorophyll fluorescence and diurnal course of leaf gas exchange of two ecotypes of banyan[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2000, 11(3): 327−332. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.2000.03.002
    [20] 王芸, 吕光辉, 高丽娟, 等. 荒漠植物白麻气孔导度特征及其影响因子研究[J]. 干旱区资源与环境, 2013, 27(8):158−163.

    Wang Y, Lü G H, Gao L J, et al. Study on the characteristics of stomatal conductance and its influencing factors in desert plants[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2013, 27(8): 158−163.
    [21] Xie J, Chen J, Sun G, et al. Ten-year variability in ecosystem water use efficiency in an oak-dominated temperate forest under a warming climate[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2016, 218: 209−217.
    [22] Ivey C T, Carr D E. Tests for the joint evolution of mating system and drought escape in Mimulus[J]. Annals of Botany, 2012, 109: 583−598. doi:  10.1093/aob/mcr160
    [23] 陈志豪, 郭建斌, 查天山, 等. 三种沙生灌木叶片含氮量的季节变化及其水分响应[J]. 干旱区资源与环境, 2014, 28(6):63−67.

    Chen Z H, Guo J B, Zha T S, et al. Seasonal variation and water response of leaf nitrogen content for three psammophytic shrub species[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2014, 28(6): 63−67.
    [24] Jia X, Zha T S, Wu B, et al. Biophysical controls on net ecosystem CO2 exchange over a semiarid shrubland in northwest China[J]. Biogeosciences Discussions, 2014, 11(3): 4679−4693.
    [25] Wang B, Zha T S, Jia X, et al. Soil moisture modifies the response of soil respiration to temperature in a desert shrub ecosystem[J]. Biogeosciences, 2014, 11(2): 259−268. doi:  10.5194/bg-11-259-2014
    [26] Pang Z, Yu X X, Zha T S, et al. Environmental relationships with the interannual and seasonal variation of soil respiration in a cedar (Platycladus orientalis) plantation in northern China[J]. Canadian Journal of Forest Research, 2012, 42(5): 934−942. doi:  10.5194/bgd-10-9213-2013
    [27] Qian D, Zha T, Jia X, et al. Adaptive water-conserving strategies in Hedysarum mongolicum endemic to a desert shrubland ecosystem[J]. Environmental Earth Sciences, 2015, 74(7): 6039−6046. doi:  10.1007/s12665-015-4627-9
    [28] Ma J Y, Zha T S, Jia X, et al. Energy and water vapor exchange over a young plantation in northern China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2018, 263: 334−345. doi:  10.1016/j.agrformet.2018.09.004
    [29] 王玉辉, 何兴元, 周广胜. 羊草叶片气孔导度特征及数值模拟[J]. 应用生态学报, 2001, 12(4):517−521. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.2001.04.009

    Wang Y H, He X Y, Zhou G S. Characteristics and quantitative simulation of stomatal conductance of Aneurolepidium chinense[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2001, 12(4): 517−521. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.2001.04.009
    [30] 黄辉, 于贵瑞, 孙晓敏, 等. 华北平原冬小麦冠层导度的环境响应及模拟[J]. 生态学报, 2007, 27(12):5209−5221. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2007.12.031

    Huang H, Yu G R, Sun X M, et al. The environmental responses and simulation of canopy conductance in a winter wheat field of North China Plain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(12): 5209−5221. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2007.12.031
    [31] 李建查, 孙毅, 赵广, 等. 干热河谷不同土壤水分下甜玉米灌浆期光合作用光响应特征[J]. 热带作物学报, 2018, 39(11):2169−2175. doi:  10.3969/j.issn.1000-2561.2018.11.009

    Li J C, Sun Y, Zhao G, et al. Light response characteristics of photosynthesis of sweet corn under different soil moisture at the the filling stage in dry-hot valley[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2018, 39(11): 2169−2175. doi:  10.3969/j.issn.1000-2561.2018.11.009
    [32] 孙艳, 徐伟君, 范爱丽. 高温强光下水杨酸对黄瓜叶片叶绿素荧光和叶黄素循环的影响[J]. 应用生态学报, 2006, 17(3):399−402. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.2006.03.009

    Sun Y, Xu W J, Fan A L. Effects of salicylic acid on chlorophyll fluorescence and xanthophyll cycle in cucumber leaves under high temperature and strong light[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2006, 17(3): 399−402. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.2006.03.009
    [33] 杨广东, 朱祝军, 计玉妹. 不同光强和缺镁胁迫对黄瓜叶片叶绿素荧光特性和活性氧产生的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2002, 8(1):115−118. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2002.01.022

    Yang G D, Zhu Z J, Ji Y M. Effect of light intensity and magnesium deficiency on chlorophyll fluorescence and active oxygen in cucumber leaves[J]. Plant Natrition and Fertilizen Science, 2002, 8(1): 115−118. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2002.01.022
    [34] 阮成江, 李代琼. 黄土丘陵区沙棘气孔导度及其影响因子[J]. 西北植物学报, 2001, 21(6):30−36.

    Ruan C J, Li D Q. Stomatal conductance and influence factors of seabuckthorn in loess hilly region[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2001, 21(6): 30−36.
    [35] 赵花荣, 任三学, 齐月. 高湿和干旱对夏玉米灌浆期叶片光合特性的影响[J]. 中国农学通报, 2017, 33(31):15−21. doi:  10.11924/j.issn.1000-6850.casb17030084

    Zhao H R, Ren S X, Qi Y. High humidity and drought: effects on photosynthetic characteristics of summer maize at grain filling stage[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2017, 33(31): 15−21. doi:  10.11924/j.issn.1000-6850.casb17030084
    [36] Verslues P E, Agarwal M, Katiyar-Agarwal S, et al. Methods and concepts in quantifying resistance to drought, salt and freezing, abiotic stresses that affect plant water status[J]. Plant Journal, 2006, 45(4): 523−539. doi:  10.1111/j.1365-313X.2005.02593.x
  • [1] 温永斌, 韩海荣, 程小琴, 李祖政.  不同幅度景观格局与水分利用效率耦合研究 . 北京林业大学学报, 2019, 41(12): 88-95. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190081
    [2] 王珊, 查天山, 贾昕, 吴雅娟, 白玉洁, 冯薇.  毛乌素沙地油蒿群落冠层导度及影响因素 . 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 65-73. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160409
    [3] 王莉, 秦树高, 张宇清, 吴斌, 冯薇, 刘军, 白宇轩, 佘维维.  生物土壤结皮对毛乌素沙地油蒿群落土壤水分的影响 . 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 48-56. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160383
    [4] 沈芳芳, 樊后保, 吴建平, 刘文飞, 雷学明, 雷学臣.  植物叶片水平δ13C与水分利用效率的研究进展 . 北京林业大学学报, 2017, 39(11): 114-124. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170142
    [5] 杨爽, 袁晓娜, 王中轩, 祝璞, 贾桂霞.  HgCl2胁迫对东方百合叶烧指数和水分利用效率的影响 . 北京林业大学学报, 2016, 38(5): 114-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150306
    [6] 张现慧, 钟悦鸣, 谭天逸, 吕爽, 王健铭, 李景文.  土壤水分动态对胡杨幼苗生长分配策略的影响 . 北京林业大学学报, 2016, 38(5): 92-99. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150369
    [7] 赵荣玮, 张建军, 陈宝强, 王雅琼, 孙若修, 冯换成, 茹豪.  不同覆盖措施对土壤水分和当年造林成活率的影响 . 北京林业大学学报, 2016, 38(6): 87-93. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150511
    [8] 腰政懋, 柴源, 冯博, 徐程扬.  水分胁迫下7个种源辽东冷杉幼苗水分利用效率差异 . 北京林业大学学报, 2015, 37(6): 27-34. doi: 10.13332/j.1000-1522.20140452
    [9] 张韫, 李响, 张帆, 廖苑如.  CO2升高对红松幼苗水分生理特征与土壤含水率变化的影响 . 北京林业大学学报, 2015, 37(1): 37-47. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2015.01.004
    [10] 陈志钢, 马履一, :陈凤, 周寅杰, 王文浩, 张兵, 苏淑钗, .  土壤水分对油茶苗木气体交换及耗水规律的影响 . 北京林业大学学报, 2014, 36(3): 48-56. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.03.007
    [11] 杨帆, 张富, 马立鹏, 邢自生, 刘民兰.  柠条林径流聚集工程的土壤水分研究 . 北京林业大学学报, 2014, 36(6): 124-129. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.06.023
    [12] 夏磊, 赵志新, 汤玲, 李小乐, 刘磊, 李名扬.  重庆地区加拿利海枣夏季光合日变化与主要环境因子的关系 . 北京林业大学学报, 2011, 33(4): 75-80.
    [13] 杨玉珍, 张云霞, 彭方仁.  干旱胁迫对不同种源香椿苗木光合特性的影响 . 北京林业大学学报, 2011, 33(1): 44-48.
    [14] 郭鹏, 邢海涛, 夏新莉, 尹伟伦.  3个新引进黑杨无性系间水分利用效率差异性研究 . 北京林业大学学报, 2011, 33(2): 19-24.
    [15] 段爱国, 张建国, 张俊佩, 何彩云.  干热河谷主要植被恢复树种水分利用效率动态分析 . 北京林业大学学报, 2010, 32(6): 13-19.
    [16] 丁友芳, 张晓霞, 史玲玲, 张蕴薇, 杨富裕, 刘玉军.  葛根净光合速率日变化及其与环境因子的关系 . 北京林业大学学报, 2010, 32(5): 132-137.
    [17] 秦景, 贺康宁, 朱艳艳.  库布齐沙漠几种常见灌木光合生理特征与土壤含水量的关系 . 北京林业大学学报, 2009, 31(1): 37-43.
    [18] 夏江宝, 张光灿, 刘京涛, 刘庆, 陈建, .  美国凌霄光合生理参数对水分与光照的响应 . 北京林业大学学报, 2008, 30(5): 13-18.
    [19] 王宇, 陈丽华, 余新晓, 杨启红, 杨新兵, 肖洋, 王小平.  北京山区典型针叶林树种蒸腾特性比较 . 北京林业大学学报, 2008, 30(supp.2): 193-196.
    [20] 张香凝, 孙向阳, 王保平, 乔杰, 崔令军, 黄瑜.  土壤水分含量对Larrea tridentata苗木光合生理特性的影响 . 北京林业大学学报, 2008, 30(2): 95-101.
  • 加载中
图(5)
计量
  • 文章访问数:  92
  • HTML全文浏览量:  57
  • PDF下载量:  11
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-30
  • 修回日期:  2019-09-03
  • 网络出版日期:  2020-07-01
  • 刊出日期:  2020-07-25

宁夏盐池油蒿叶片水分利用效率的生长季动态变化及对环境因子的响应

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206
    基金项目:  国家自然科学基金项目(31670708、31670710),中央高校基本科研业务费专项(2015ZCQ-SB-02)
    作者简介:

    周文君。主要研究方向:植物生理生态。Email:1215849247@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 查天山,博士,教授。主要研究方向:水土保持与荒漠化方向研究。Email:tianshanzha@bjfu.edu.cn 地址:同上

摘要:   目的  探明西北半干旱区典型沙生植物油蒿叶片的水分利用效率季节动态及其对环境因子的响应机制,为生态系统过程建模提供重要的生理生态参数。  方法  本研究于2018年5—9月,使用 LI-6400XT便携式光合仪,测定了油蒿叶片的气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E),并计算得出来叶片水分利用效率(WUE),分析了WUE与土壤含水量(SWC)、叶片表面饱和水汽压差(VPDl)、光合有效辐射(PAR)及叶片表面温度(Tl)的关系。  结果  油蒿叶片的gsPnE和WUE对SWC、VPDl、PAR和Tl具有一定的响应关系。当SWC ≤ 0.08 m3/m3时,gsEPn、和WUE对VPDl的响应更为敏感;SWC > 0.08 m3/m3时,gsPnE和WUE对PAR与Tl的响应更为敏感。  结论  本研究结果进一步证明,油蒿在干旱条件下通过气孔的调节来适应环境变化,环境因子通过影响gs,进而影响植物的PnE,从而使WUE发生改变,且WUE在干旱时较低,表明土壤干旱胁迫制约油蒿叶片光合作用,从而使叶片水分利用效率受到抑制。因此,得出如下结论:油蒿通过水分资源保存策略来适应干旱环境。

English Abstract

周文君, 查天山, 贾昕, 田赟, 卫腾宙, 靳川. 宁夏盐池油蒿叶片水分利用效率的生长季动态变化及对环境因子的响应[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 98-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206
引用本文: 周文君, 查天山, 贾昕, 田赟, 卫腾宙, 靳川. 宁夏盐池油蒿叶片水分利用效率的生长季动态变化及对环境因子的响应[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 98-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206
Zhou Wenjun, Zha Tianshan, Jia Xin, Tian Yun, Wei Tengzhou, Jin Chuan. Dynamics of water use efficiency of Artemisia ordosica leaf in growing season in response to environmental factors in Yanchi, Ningxia of northwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 98-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206
Citation: Zhou Wenjun, Zha Tianshan, Jia Xin, Tian Yun, Wei Tengzhou, Jin Chuan. Dynamics of water use efficiency of Artemisia ordosica leaf in growing season in response to environmental factors in Yanchi, Ningxia of northwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 98-105. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190206
  • 由于全球气候变化,增加了干旱半干旱地区极端天气的频率和强度,使得该地区的生态系统面临着急剧退化的严峻挑战[1-2]。荒漠植物在干旱半干旱地区经常会遭受到水分缺失、高温、高辐射等环境因子的胁迫[3-4],它们通过调整其形态、生理或生化特征,形成了许多应对干旱胁迫的适应性机制[5-8]。近年来,植物的水分利用效率及(WUE)与环境因子的关系一直是人们比较关注的问题。WUE是指植物消耗单位水量所产生的同化量,反映植物生产过程中的能量转化效率,是评价植物生长适宜度的综合生理生态指标。荒漠植物水分利用效率是决定植物能否适应干旱半干旱地区的极限环境条件、能否很好协调碳水关系的关键因子之一[9-10]

    在叶片尺度上,WUE一般是指光合速率与蒸腾速率的比值[11]。土壤水分在干旱地区是影响植物光合蒸腾过程、制约植物生长发育的关键因素[12-15],植物受干旱胁迫时,光合与蒸腾作用会受到不同程度的抑制,WUE也会随之发生变化。例如,刚毛柽柳(Tamarix hispida)在水分亏缺情况下通过提高光合速率和降低蒸腾速率,有效提高WUE以适应荒漠环境[16];在一定土壤含水量范围内,银中杨(Populus alba × Populus berolinensis)的光合速率和蒸腾速率随着含水量的下降而降低,WUE随着含水量的下降而上升,但长时间的严重干旱导致WUE降低[17]。干旱地区,叶片WUE往往受高温、高光强和低土壤水等环境因子的影响,环境因子通过影响气孔导度,从而控制植物叶片与外界环境进行水、气交换,控制着植物光合作用对CO2的吸收和蒸腾作用水分的散失,从而调节着WUE[18-19]。因此,厘清叶片气孔导度与环境因子之间的相互关系有助于我们进一步了解荒漠植物的能量和水分交换动态过程[20],并对植物WUE进行更深入的研究。谢晋等通过对美国俄亥俄州温带森林生态系统的研究发现,在水限制条件下,有些植物选择资源保存策略[21];相反,Ivey等学者通过对温室猴面花(Mimulus luteus)的研究认为,在水分亏缺时加快物候,光合生产提高,从而在干旱限制来临前尽快完成生活史,特别是干旱区一年生植物为避免水限制而选择资源获得策略[22]。油蒿(Artemisia ordosica)为菊科(Compositae)蒿属(Artemisia)的半灌木,广泛分布在中国北部及西北部,所处生存环境资源有限。本文就油蒿叶片水分利用效率在受到干旱胁迫时会升高还是会降低,选择资源获得策略还是选择资源保存策略展开研究讨论。试验使用Li-6 400便携式光合仪,原位测定整个油蒿生长期叶片光合和蒸腾,估算叶片WUE,结合同步连续观测的气象因子,分析油蒿叶片WUE的季节动态及与环境因子的关系,探明优势灌木油蒿对毛乌素沙地干旱环境的适应机制,旨在为生态系统过程建模提供重要的生理生态参数。

    • 研究区位于宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站(37°04′ ~ 38°10′N,106°30′ ~ 107°47′E,海拔1 550 m),实验站处于毛乌素沙地南缘。该区气候类型属于典型的中温带大陆性季风气候。年均温7.6 ℃,最高日均温为29.3 ℃(7月),最低日均温为−14.1 ℃(1月)。年降水量292 mm,主要集中在6—9 月,年际变化大。年潜在蒸散量为2 100 mm,无霜期约为120 d[23]。研究区主要物种有油蒿、花棒(Hedysarum scoparium)、杨柴(H. mongolicum)和沙柳(Salix psammophila)。油蒿萌芽期在3月下旬,展叶期在4月初至5月初,开花结实期在6月初至8月下旬,落叶期在9月初至10月初。

    • 于2018年5—9月,在通量塔样地(50 m × 50 m)内,选取一块大小为10 m × 10 m的油蒿样地,从中选择5株长势均一、无病虫害的健康植株作为试验植株,每株分别选取1 ~ 2年生小枝上部3片样叶进行标记,生长期每隔10 d,在样株上选择与样叶相似的3片叶,选择晴朗的天气使用LI-6400XT便携式光合仪透明叶室进行气体交换参数的测定,测定时间为09:00—11:00,每个叶片读取20个值。

      测量参数主要是单位叶面积的入射的光合有效辐射(PAR)、叶片表面温度(Tl)、叶片表面饱和水汽压差(VPDl)净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)、气孔导度(gs)和水分利用效率(WUE)。

      $${\rm{WUE}} = P_{\rm{n}}/E $$

      由于所测油蒿叶片小于叶室,使用Li-3 000C(Li-Cor,Inc.,Lincoln,NE,USA)便携式叶面积仪测定所测叶片的面积,然后对气体交换参数进行校正。

    • 空气温度(Ta)和相对湿度(RH)由安装在通量塔上6 m高度的HMP155A传感器(Vaisala,Finland)测量。光合有效辐射(PAR)由安装在同一高度的光合有效辐射传感器(190, Li-cor,Nebraska,USA)测量。土壤体积含水量由布设在通量塔周围ECH2O土壤温湿度仪测定(Decagon Devices,Pullman,WA,USA),测量深度为10 cm和30 cm。降雨量(R)由翻斗式雨量筒(TE525M,Campbell Scientific Inc.,USA)测定。大气饱和水汽压差(VPDa)由空气温度和相对湿度计算得出(Campbell&Norman,1998)。

    • 使用Matlab 7. 12. 0软件对数据进行统计分析,分别将叶表饱和水汽压差、叶表温度、光合有效辐射和气孔导度进行分段平均(bin-average)[24],使用线性和非线性回归分析生长季尺度环境因子与气孔导度、净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的关系。使用Origin软件对处理好的数据进行作图。

    • 在观测期内,日均PAR变化较大,最大为610.7 μmol/(m2·s)(DOY179),最小为77.7 μmol/(m2·s)(DOY244)(图1a);日平均Ta最高为24.1 ℃(DOY217),最低Ta为7.8 ℃(DOY273)(图1b);RHa的最大值为93.3%(DOY243),最小值为19.4%(DOY148)(图1c);最大日均VPDa为2.04 kPa(DOY200),最小日均VPDa为0.26 kPa(DOY122)(图1c)。观测期内降雨具有明显的季节变异,夏季R最高,秋季次之。整个生长季降雨总量为212.7 mm,其中,单次R超过15 mm的有3次,7月1日的R为21.9 mm(DOY182),8月28日的R为17.3 mm(DOY233),和8月30日得而R为15 mm(DOY242)(图1d)。SWC随降雨量发生变化,在10 cm处变化最为明显,30 cm处的SWC只在3次大的降雨中有明显的变化(图1d)。

      图  1  研究样地环境因子动态变化(日序列DOY 111—283)

      Figure 1.  Dynamic changes of environmental factors in the study sample plots (day series DOY 111−283)

    • 以日均gsPnE和WUE代表生长季的gsPnE和WUE。gs最高为0.87 mol/(m2·s)(DOY245),最低为0.12 mol/(m2·s)(DOY217)(图2a)。Pn最高为27.28 μmol/(m2·s)(DOY136),最低为10.53 μmol/(m2·s)(DOY217)(图2b)。E最高为19.41 mmol/(m2·s)(DOY186),最低为5.28 mmol/(m2·s)(DOY217)(图2c)。WUE最高为4.01 μmol/mol(DOY204),最低0.8 μmol/mol(DOY186)(图2d)。

      图  2  生长季气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和水分利用效率(WUE)的动态变化

      Figure 2.  Dynamic changes in stomatal conductance (gs), net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (E) and water use efficiency (WUE) during the growing season

    • 基于之前油蒿生理参数水分阈值0.08 m3/m3[25],将土壤水分状况分为两种情况,即SWC > 0.008 m3/m3和SWC ≤ 0.08 m3/m3,油蒿叶片的WUE随着30 cm土壤含水量的变化而变化。不同水分条件下,WUE对Tl、VPD和PAR的响应也不同。这些环境因子通过影响gs,进而影响植物的PnE,从而使WUE发生改变。

    • 图3a可知,gs随VPDl的升高逐渐降低,SWC ≤ 0.08 m3/m3时递减的更快。由图3b可知,Pn与VPDl呈显著负相关关系。图3c中,SWC > 0.08 m3/m3E先递增,在VPDl达到3.4 kPa左右后缓慢下降,SWC ≤ 0.08 m3/m3E的变化趋势相似,在VPDl为2.5 kPa左右时E达到最高,且变化趋势更为敏感。由图3d可知,SWC ≤ 0.08 m3/m3和SWC > 0.08 m3/m3时,WUE与VPDl均呈显著负相关的趋势,且SWC ≤ 0.08 m3/m3时WUE变化更敏感。

      图  3  不同土壤水分条件下气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和水分利用效率(WUE)对叶表饱和水汽压差(VPDl)的响应

      Figure 3.  Response of gs, Pn, E and WUE to VPDl under different soil moisture conditions

    • 图4a可知,SWC > 0.08 m3/m3时gs先递增,在PAR达到1 300 μmol/(m2·s)左右时递减,SWC ≤ 0.08 m3/m3gs变化趋于平缓。图4bc中,SWC > 0.08 m3/m3PnEgs的变化趋势相似,SWC ≤ 0.08 m3/m3PnE变化较为平稳。图4d中,SWC > 0.08 m3/m3时WUE与PAR呈显著负相关关系,SWC ≤ 0.08 m3/m3时,WUE维持在较低水平。

      图  4  不同土壤水分条件下气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和水分利用效率(WUE)对光合有效辐射(PAR)的响应

      Figure 4.  Response of gs, Pn, E and WUE to PAR under different soil moisture conditions

    • 图5abc可知,当SWC > 0.08 m3/m3时,随着Tl的增加,gsPnE先上升后递减,转折点分别是Tl为25 ℃和33 ℃;当SWC ≤ 0.08 m3/m3时,gsPnE均保持平稳趋势。WUE随Tl的升高逐渐降低(图5d)。其中SWC > 0.08 m3/m3时的WUE大于SWC ≤ 0.08 m3/m3时的WUE。

      图  5  不同土壤水分条件下气孔导度(gs)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和水分利用效率(WUE)对叶表温度(Tl)的响应

      Figure 5.  Response of gs, Pn, E and WUE to leaf surface temperature (Tl) under different soil moisture conditions

    • DOY204时WUE最高,此时Pn较高,E偏低,可能是这段时间内没有降雨且Ta较高,SWC低,同时VPD也比较高,油蒿受到干旱胁迫后通过降低gs来减少植物体内水分散失,所以E比较低。由于光照充足,油蒿正处于旺盛生长的阶段,Pn相对较高,所以这个阶段的WUE高。DOY186时WUE最低,此时Pn偏低E比较高,可能是因为这个时期降水多,土壤水分充沛,空气湿度较小,Ta较高,所以E大,PAR偏低,因而光合作用较弱,WUE低。

    • 30 cm的SWC对油蒿叶片的gsPnE和WUE有显著的调控作用。油蒿的根系主要分布在地下20 ~ 45 cm[26-27],生长季降雨可以补充30 cm土壤含水量,提供植被生长所需水分,10 cm的SWC受空气温度、光照、风速等环境影响较大,变化起伏较为剧烈。因此30 cm 土壤含水量最能代表油蒿根系水分状况。当SWC > 0.08 m3/m3和SWC ≤ 0.08 m3/m3时,gsPnE和WUE变化趋势也不尽相同。

      WUE在SWC ≤ 0.08 m3/m3时对VPDl的响应更敏感,可能是因为在土壤水有限的情况下,gsE的控制更大[28]gs在SWC ≤ 0.08 m3/m3时变化更快,可能是土壤湿度较高的条件降低了gs对VPDl的敏感性[28]gs随VPDl的增加递减,是为了避免高VPDl引起植物蒸腾损失水分过多,保卫细胞水分得不到充分补给,因此气孔逐渐关闭[29],导致外界CO2进来减少,Pn下降。随着VPDl的增加,叶片水势和大气水汽之间的梯度变大,大气水汽需求高,植物蒸腾作用不断加强,导致保卫细胞失水过多,然而当VPDl增加到一定程度,气孔关闭或者减少其气孔开度,减少体内水分的散失,使得E下降[30]

      光合作用的递减趋势大于蒸腾作用的递减趋势,WUE因此下降。随PAR的增加,Pn先增大后降低,出现了光抑制现象。SWC ≤ 0.08 m3/m3时,Pn呈现出一种平稳的较低的趋势,由此可知光抑制现象更加明显,这与李建查的研究结果一致[31]。强光是引起光抑制的主导因子。强光与水分胁迫并存时会打破叶绿体内光合作用固定CO2和吸收光能的平衡[32],加剧光系统的破坏[33],引发光抑制现象。适宜的光照可以提高Pn,发生光抑制后,气孔出于保护机制开始关闭,因此蒸腾作用也逐渐削弱。

      高温对气孔有限制作用,SWC > 0.08 m3/m3时,随着Tl的不断升高,gs不断增大,因此E也随之增大,但继续升高的Tl增大了叶片内外的水汽压梯度,强烈蒸腾导致叶水势下降,gs减小,E也随之减小[34]。SWC ≤ 0.08 m3/m3时,gsPnE维持在较低的平缓的水平,造成这种变化趋势的原因可能是环境过于干旱,气孔调节、光合作用和蒸腾作用对温度变化的敏感性降低。SWC > 0.08 m3/m3时的WUE下降趋势更大,可能是土壤水分相对充足时ETl响应更为敏感的结果。

      SWC ≤ 0.08 m3/m3时油蒿叶片的WUE低于SWC > 0.08 m3/m3时的WUE,表明干旱胁迫制约油蒿叶片光合作用的生理机制,气孔对蒸腾散失水分的影响大于对CO2吸收和扩散的限制,光合碳同化与蒸腾失水对水分亏缺敏感性的差异直接导致干旱缺水时WUE更低,从而使叶片水分利用效率受到抑制,本实验结果与赵花荣对干旱胁迫下玉米叶片水分利用效率的研究结果一致[35]。干旱胁迫下水分利用效率降低,这构成节水生物学的节水基础[36],也是油蒿的水分资源保存策略。

    • (1)在SWC > 0.08 m3/m3和SWC ≤ 0.08 m3/m3时,WUE对VPDl、PAR和Tl的响应也不同,当SWC ≤ 0.08 m3/m3时,gsPnE和WUE对VPDl的响应更为敏感;SWC > 0.08 m3/m3时,gsPnE和WUE对PAR和Tl的响应更为敏感。

      (2)SWC ≤ 0.08 m3/m3时油蒿叶片的WUE降低,油蒿通过水分资源保存策略来适应干旱环境。

参考文献 (36)

目录

    /

    返回文章
    返回