荒漠植物白刺對(duì)模擬增雨的生理生態(tài)響應(yīng)及適應(yīng)策略.pdf

1、據(jù)IPCC預(yù)測(cè)，未來(lái)中高緯度地區(qū)極端降水事件發(fā)生頻率將會(huì)增加，我國(guó)西北干旱區(qū)降水將出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。降水作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的主要驅(qū)動(dòng)因子，是干旱區(qū)植物主要生理生態(tài)過(guò)程的重要限制因素。近年來(lái)，在荒漠植物對(duì)模擬增雨的響應(yīng)方面已開(kāi)展了一些研究，但是系統(tǒng)地分析荒漠植物的生理生態(tài)特性對(duì)模擬增雨的響應(yīng)及其對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)策略方面的研究還很少。本文以分布于烏蘭布和沙漠東緣的典型荒漠植物白刺為研究對(duì)象，設(shè)置不同的增雨梯度(分別增加年均降水量的25

2、％、50％、75％和100％)，從2008年至2014年對(duì)自然生長(zhǎng)的白刺沙包進(jìn)行連續(xù)的人工模擬增雨，研究白刺光合生產(chǎn)能力、生理特性、葉片性狀、植物生長(zhǎng)及生物量分配對(duì)人工模擬增雨的響應(yīng)，揭示白刺光合作用對(duì)模擬增雨響應(yīng)的生理機(jī)制，并從生理生態(tài)角度探討白刺對(duì)模擬增雨的響應(yīng)機(jī)制和長(zhǎng)期的適應(yīng)策略。本研究得到以下主要結(jié)果和結(jié)論:
　　(1)人工模擬增雨后，白刺光合能力在不同時(shí)間尺度上都表現(xiàn)出積極的響應(yīng)。增雨使葉片進(jìn)行物質(zhì)積累和生理代謝的持續(xù)能

3、力增強(qiáng)，對(duì)光合產(chǎn)物的累積和轉(zhuǎn)化能力提高。促使白刺光合作用提高的增雨量存在閾值，增雨達(dá)到75％以上，白刺光合生產(chǎn)能力顯著提高。白刺為了維持較高的光合生產(chǎn)能力，通過(guò)維持較高的蒸騰速率為光合作用提供原料，甚至以降低水分利用效率為代價(jià)。
　　(2)人工模擬增雨后，白刺光合生理特性受到顯著影響。增雨使白刺葉片葉肉細(xì)胞的光合活性、葉片RuBP羧化酶和光合碳循環(huán)酶活性增強(qiáng)，使葉片對(duì)弱光的吸收、轉(zhuǎn)化和利用能力增強(qiáng)，對(duì)強(qiáng)光和高CO2的利用范圍增加。

4、增雨有利于白刺葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性的提高，使葉片能夠把所捕獲的光能以更高速度和效率轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)能，為光合碳同化過(guò)程提供更充足的能量。同時(shí)，增雨可以緩解強(qiáng)光或高溫對(duì)葉片的抑制作用，能夠增強(qiáng)光系統(tǒng)反應(yīng)中心的穩(wěn)定性。
　　(3)人工模擬增雨后，白刺葉片的水分狀況得到明顯改善，比葉面積(SLA)和葉氮含量(Nmass)等葉性狀隨著增雨量的增加呈升高的趨勢(shì)。增雨促進(jìn)了白刺的生理代謝和水分循環(huán)，使葉片單位質(zhì)量的葉面積增加，使光合酶的活性及

5、數(shù)量來(lái)提高，并最終表現(xiàn)出較高的光合生產(chǎn)能力。葉片性狀對(duì)光合能力產(chǎn)生影響的大小順序?yàn)?葉片RWC＞SI＞Nmass＞SLA。
　　(4)人工模擬增雨后，白刺葉片的δ13C隨著增雨量的增加而降低，說(shuō)明增雨使白刺的水分利用效率降低。白刺水分利用效率具有明顯的季節(jié)變化，在生長(zhǎng)季前期較高，之后開(kāi)始下降，在生長(zhǎng)季末期達(dá)到最低。增雨對(duì)葉片的δ15N有顯著影響，增雨量越大，δ15N越高，說(shuō)明增雨使氮在植物體內(nèi)輸入、轉(zhuǎn)化和輸出的速度加快，有利于光合

6、作用的進(jìn)行和光合產(chǎn)物的積累。
　　(5)人工模擬增雨后，白刺生殖枝和營(yíng)養(yǎng)枝的生長(zhǎng)量明顯增加，地上生物量的累積和光合產(chǎn)物向葉片的分配比例提高。增雨使白刺群落蓋度增加，用于光合作用的有效面積也增加，以使其在群落中能夠捕獲更多的光能并吸收更多的CO2。增雨后白刺將生物量干重相對(duì)多地分配到地上部分的同時(shí)，將更多的光合產(chǎn)物分配到葉片部分。白刺對(duì)降水的增加具有一定的適應(yīng)能力。
　　(6)在未來(lái)氣候變化、降水增加的背景下，白刺將通過(guò)調(diào)整自

7、身的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能來(lái)適應(yīng)環(huán)境條件的變化，從而有效利用環(huán)境資源并逐漸適應(yīng)新的水分條件。具體包括:1)通過(guò)增加葉片PSⅡ反應(yīng)中心的活性及電子傳遞速率，增加對(duì)光能的吸收、轉(zhuǎn)化和利用效率;2）通過(guò)增加RuBP羧化酶和光合碳循環(huán)酶的數(shù)量和活性以及對(duì)環(huán)境資源的獲取能力和利用范圍，來(lái)增加葉片尺度上碳同化速率，并最終促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累和轉(zhuǎn)化;3）通過(guò)調(diào)整枝葉生長(zhǎng)、植被蓋度等形態(tài)特征來(lái)增加群落尺度上的光合有效面積，以便在群落中能夠捕獲更多的光能和吸收