土壤水分對3個造林樹種光合生理生化特性的影響.pdf

1、水分是影響植物生長、分布和生態(tài)修復(fù)的主要限制因子。水分時空分布不均是我國水資源的主要特點，尤其是我國北方半干旱黃土丘陵地區(qū)水分匱乏嚴(yán)重，生態(tài)脆弱。本文針對我國干旱半干旱區(qū)干旱缺水的主要特征，以山杏(Prunus sibirica)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、油松(Pinus tabulaeformis)3個樹種為試驗試料，采用盆栽試驗和自然干旱處理的方法測定了3個樹種在土壤干旱逐漸加劇過程中各氣體交換參數(shù)的光響應(yīng)過

2、程和CO2響應(yīng)過程，以及不同生理生化指標(biāo)的響應(yīng)過程及變化規(guī)律。
　　 闡明了土壤干旱逐漸加劇過程中凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、水分利用效率(WUE)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)等氣體交換參數(shù)的光響應(yīng)過程，揭示光合生理光響應(yīng)過程發(fā)生變化的機理和機制，明確3個樹種光合特征生理參數(shù)發(fā)生明顯變化的土壤水分臨界點及這種變化與土壤水分的定量關(guān)系，確定維持不同樹種較高Pn和WUE的土壤水分范圍;闡明了土壤干旱逐漸加劇過

3、程3個樹種CO2響應(yīng)過程及其特征參數(shù)對土壤水分的響應(yīng)及其發(fā)生顯著變化的機制，確定了3樹種光合作用CO2響應(yīng)過程與土壤水分的定量關(guān)系。
　　 采用直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)方程和直角雙曲線修正模型對3個樹種的光響應(yīng)過程和CO2響應(yīng)過程及光合作用生理參數(shù)進行擬合分析，探討了不同模型在擬合分析不同土壤水分下3個樹種光響應(yīng)過程和CO2響應(yīng)過程及其特征參數(shù)的適用性。測定了3個樹種在土壤干旱逐漸加劇過程中8個生理生化指標(biāo)的變化，

4、明確3個樹種在土壤干旱過程中主要生理生化指標(biāo)水平的變化過程及其差別，探索3個樹種抗旱能力及其生理生化指標(biāo)與土壤水分的定量關(guān)系。通過對3個樹種光響應(yīng)、CO2響應(yīng)過程和生理生化指標(biāo)隨著土壤水分的連續(xù)降低的變化過程及響應(yīng)特征的研究，為深入了解3個樹種的水分生理生態(tài)特征和抗旱機理，為指導(dǎo)3個樹種在干旱缺水地區(qū)的物種配置、合理栽培及系統(tǒng)構(gòu)建提供一定的理論依據(jù)，同時為不同光合作用模型的適用性評價提供試驗證據(jù)。主要研究成果如下:
　　 (1)

5、3個樹種葉片氣體交換參數(shù)對土壤水分和光強具有明顯的閾值響應(yīng)根據(jù)光合速率、蒸騰速率和水分利用效率等氣體交換參數(shù)與土壤水分的關(guān)系分析結(jié)果，初步明確了3個樹種以提高光合生產(chǎn)力與水分利用效率為核心的適宜土壤水分條件、土壤水分最大虧缺及適宜的光照強度范圍。
　　 ①山杏、沙棘和油松生長適宜的土壤水分范圍分別為:52.3％～84.8％、50.2％～84.6％、44.3％～83.6％。適宜的光照強度范圍分別為:500～1300、300～150

6、0、300～1500μmol·m-2·s-1。土壤水分最大虧缺值越低，表明植物在干旱脅迫條件下對干旱的忍耐能力越強。由3個樹種的土壤水分最大虧缺值可以看出他們的抗旱性從高到低依次為:油松、沙棘、山杏。
　　 ②3個樹種的表觀量子效率（Φ）、暗呼吸速率（Rd）和光補償點(LCP)受土壤水分含量的影響顯著，對土壤水分具有明顯的閾值響應(yīng)特征。3個樹種對弱光的利用能力由高到低依次為:油松、山杏、沙棘。
　　 (2)土壤水分顯著影

7、響植物葉片光合作用-CO2響應(yīng)過程及其生理參數(shù)
　　 維持山杏、沙棘和油松葉片具有較高光合速率(Pn)及羧化效率(CE)的土壤相對含水量(RWC)分別為46.3％～81.9％、42.8％～83.5％和35.3％～84.2％范圍內(nèi);當(dāng)RWC超出此范圍，土壤水分升高或降低均明顯降低山杏、沙棘和油松葉片的光合能力（Pnmax）、CE和CO2飽和點（CSP）。山杏、沙棘和油松光合作用-CO2響應(yīng)適宜的土壤水分范圍分別在46.3％～81.

8、9％、42.8％～83.5％和35.3％～84.2％之間。3個樹種對低的CO2的同化能力由大到小依次為:油松、沙棘、山杏。
　　 (3)不同土壤水分條件下的3個樹種的光合作用的光響應(yīng)過程和CO2響應(yīng)過程及其生理特征參數(shù)的模型模擬
　　 ①用直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)方程和直角雙曲線修正模型對3個樹種光響應(yīng)數(shù)據(jù)的模擬效果在不同土壤水分下具有明顯差別。當(dāng)山杏RWC在52.3％～84.8％、沙棘在50.2％～84.

9、6％和油松在44.3％～83.6％范圍內(nèi)時，4個模型均能較好地擬合3個樹種的光響應(yīng)過程及其特征參數(shù)如表觀量子效率（Φ）、光補償點(LCP)和暗呼吸速率（Rd)。其中，以非直角雙曲線模型擬合值與實測值最為接近;當(dāng)RWC超出3個樹種生長適宜范圍時，只有直角雙曲線修正模型可以較好地擬合3個樹種的光響應(yīng)過程及其特征參數(shù)。
　　 ②當(dāng)山杏、沙棘和油松土壤水分范圍分別在46.3％～81.9％、42.8％～83.5％和35.3％～84.2％之

10、間時，直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)方程和直角雙曲線修正模型均能較好地擬合3樹種光合作用的CO2響應(yīng)過程及其特征參數(shù)CE、CO2補償點(CCP)和光呼吸速率(Rp)，對CE、CCP和Rp的擬合精度以非直角雙曲線模型＞直角雙曲線修正模型＞指數(shù)方程＞直角雙曲線模型;當(dāng)土壤水分含量超出正常生長范圍時，只有直角雙曲線修正模型能較好地擬合3樹種CO2響應(yīng)過程及其特征參數(shù)。
　　 (4)不同土壤水分下3個樹種葉片生理生化指標(biāo)的變化及

11、其與土壤水分的定量關(guān)系
　　 隨著干旱程度加劇，3個樹種葉片相對含水量(LRWC)及葉綠素(Ch1)含量持續(xù)下降，細胞膜透性逐漸增大;其中，以山杏和沙棘變化幅度較大，油松最小;3個指標(biāo)發(fā)生顯著變化的土壤相對含水量(RWC)臨界值，油松為61.3％、山杏和沙棘分別為52.3％和54.3％。丙二醛(MDA)含量先升高后降低，輕度干旱脅迫時MDA含量的降低與保護酶活性升高有關(guān)，極度干旱脅迫時MDA含量的降低與MDA自身的降解有關(guān);3個

12、樹種超氧化物歧化酶(SOD)與過氧化物酶(POD)兩種抗氧化酶活性，隨RWC降低先升高后降低，SOD活性、POD活性對干旱脅迫的響應(yīng)程度和防御作用存在差異，即在抵御輕、中度干旱脅迫時SOD發(fā)揮著重要作用，干旱脅迫加劇時POD活性作用更大;維持較高抗氧化酶活性的RWC范圍，油松為34.6％～85.6％、山杏和沙棘分別為52.3％～87.2％和39.9％～87.7％;在不同土壤干旱程度下，油松的抗氧化酶活性水平高于沙棘和山杏。3個樹種兩種滲