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北京山区典型树种不同CO_2浓度下水分利用效率研究

何雅冰  
【摘要】:CO2浓度变化所引发的气候变化日益受到人们的关注,由于中国南北人口分布和发展不均,表现出北方环境CO2浓度更高,因此,研究北方典型植物在CO2浓度变化下的生理生态效应,对更全面的营造植被环境和应对气候变化提供依据。试验材料选择北京山区典型树种——侧柏(Platycladus orientalist)和栓皮栎(Quercus variabilis) ,将其放置于能够控制指定环境参数的培养箱内进行试验,通过电镜观测、气体交换和碳稳定同位素法,探讨在400μmol/mol、500μmol/mol、600μmol/mol、 800μmol/mol四个环境CO2浓度条件下侧柏与栓皮栎叶片的气孔行为、光合参数、瞬时水分利用效率及其与生理生态因子相互影响作用的机理。研究的主要结论如下:(1)气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道。本研究发现侧柏叶片的气孔密度和气孔张开比例与CO2浓度均呈现负相关关系。当环境CO2浓度在400~800μmol/mol且土壤水分重度干旱(土壤体积含水量为10.74%~13.81%)和田间持水量(土壤体积含水量为27.63%-30.7%)条件下时,在400μmol/mol下气孔数量最多,平均为160个/mm2;当环境CO2浓度按100μmol/mol的间隔升高到800μmol/mol时气孔数量123个/mm2,初步得知侧柏叶片气孔密度范围为110~170个/mm2;四个CO2浓度梯度下侧柏单个叶片上不同位置的气孔密度也不同;从叶片尖部到底部气孔密度越来越大,范围分别为尖部在50~140个/mm2,中部为100~170个/mm2,尾部为130~190个/mm2,即尖部中部尾部。而侧柏叶片的气孔张开比例在同等土壤水分条件下随着CO2浓度的升高而下降,在低浓度400μmol/mol下其气孔张开比例为26%-50%,高浓度800μmol/mol下为16%~41%。(2)侧柏和栓皮栎的净光合速率(Pn)和胞间CO2浓度(Ci)随着环境CO2浓度的升高而增加,蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)则随着CO2浓度升高而减少。在土壤水分重度干旱时,环境CO2浓度按100μmol/mol的增长间隔从400μmol/mol升高到800μmol/mol梯度处理,结果显示,侧柏和栓皮栎Pn值的变化比例范围分别为15~34%、3~44%,Tr值变化范围为2~49%、18~24%,Gs值变化范围为10~17%、20~50%,Ci值变化范围为2~22%、12~42%;田间持水量时,侧柏和栓皮栎Pn值变化比例分别为8~62%、0.8~62%,Tr值比例分别为5~9%、16~37%,Gs值比例分别为8~23%、10~60%,Ci值比例分别为1~36%、14~26%。经显著性分析结果显示,侧柏在各CO2浓度处理下的Ci均呈极显著差异,栓皮栎在各CO2浓度处理下Tr、Gs和Ci均出现极显著差异,整体栓皮栎的显著性均比侧柏大。(3)植物的瞬时水分利用效率能反映植物的生长状况和对环境的适应能力。在重度干旱下,侧柏和栓皮栎的瞬时水分利用效率(WUEi)随CO2浓度的升高而增加,增长比例范围分别为15%~40%和6%~60%。在田间持水量处理下,侧柏和栓皮栎WUEi随CO2浓度的升高先增加后减少,增长比例的波动范围为0.4%~55%和2%~50%;在同一CO2浓度和同一水分处理下,栓皮栎的WUEi大于侧柏WUEi,并且栓皮栎的WUEi增长比例的波动变化范围也较大。侧柏和栓皮栎的WUEi在重度干旱时与环境CO2浓度呈极显著,而田间持水量条件下WUEi与环境CO2浓度关系不显著,需特别指出的是,在水分达到田间持水量下栓皮栎的WUEi随CO2浓度的升高并没有出现明显的变化趋势,其中原因有待研究。(4)侧柏叶片的气孔张开比例和气孔导度都随着环境CO2浓度的升高而降低。气孔张开比例和气孔导度呈现正相关,二者在各CO2浓度处理条件下,土壤水分重度干旱时R2分别为0.79914、0.82460、0.86277、0.92444,田间持水量时期分别为0.37214、0.57899、0.54865、0.69639,随着环境CO2浓度的升高相关性也上升。在浓度为800μmol/mol时重度干旱和田间持水量的斜率变化都最大,说明高浓度下叶片气孔行为的影响比较波动,变化复杂。(5)环境CO2浓度从40μmol/mol升高至800μmol/mol时,侧柏叶片在干旱条件下Gs减少,而WUEi则增加,二者随C02浓度梯度变化趋势相反;而田间持水条件下侧柏叶片Gs随着CO2浓度的升高逐渐降低,而WUEi并未呈现规律性的变化。结合实验结果,尽管环境CO2浓度基本是不可调节的,但可以在植被造林的技术上选择适宜生长的环境进行种植,提高树种的利用率。此外,也应注重人类的生产生活,减少CO2的产出。


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