浑善达克沙地优势豆科植物光合生理特性研究

【摘要】：氮素是植物光合生产的决定性因素，尤其是在沙地草地生态系统中，氮素贫 乏往往限制植物的生长发育。因此，研究沙地植物光合作用与叶片N含量之间 的关系，以及不同植物功能型氮素利用效率，有助于理解不同植物资源利用效率 的差异。以浑善达克沙地分布的80种植物为研究对象，对不同生境(固定沙丘、 丘间低地和湿地)、不同生活型(乔、灌、草)、不同光合途径(C3和C4) 以及豆科和 非豆科植物等功能型进行研究，结果表明：无论在单位叶面积水平还是单位干重 水平上的叶片氮含量，均与光合速率成极显著正相关，但单位氮素的光合利用效 率在不同生境以及不同功能型之间差异很大；光合氮素利用效率表现为：湿地植 物沙丘丘间低地植物；草本植物灌木乔木：C4草本C3草本植物，非豆科 植物豆科植物。 为了验证浑善达克沙地豆科植物是否比非豆科植物具有更高的光合潜力，我 们比较研究了3种优势豆科植物小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、木岩黄芪 (Hedysarum fruticosum var．lignosum)、披针叶黄华(Thermopsis lanceolata)和2种 非豆科植物羊草(Leymus chinensis)和黄柳(Salix gordejeviii)，结果表明并非所有豆 科植物都比非豆科植物有着显著高的光合速率，仅木岩黄芪表现出较高的光合速 率，其它两种豆科植物的光合速率和羊草、黄柳的差异并不显著(P0． 05) ，甚至 低于后者，这是因为氮素利用效率(PNUE)在其中起关键作用，通过对影响PNUE 的几个主要因素进行分析得出：叶绿素对光能的吸收、光化学转换效率和CO2 分压并不是构成豆科和非豆科植物PNUE差异的主要因素，而Rubisco羧化效率 决定了所实验的5种植物对氮素利用效率的高低。 木岩黄芪在浑善达克沙地的沙丘上为优势种，甚至成为流动沙丘的先锋种。 除了其显著高的氮含量外，对沙丘胁迫生境的光合适应性是我们关注的另一个重 点。通过对木岩黄芪和其伴生种黄柳的光反应曲线以及光合日动态的研究，发现 木岩黄芪具有显著高的光合速率、水分利用效率和PSII光化学效率，其忍受中 午强光和高温的能力较强(即“光合午休”现象不明显)。另外，该物种还表现出 了显著高的光饱和点和低光补偿点。 对木岩黄芪的模拟降雨试验结果表明：气体交换参数以及叶绿素荧光参数均 受到干旱和模拟降雨的影响，其中气孔因素和非气孔因素共同决定了干旱条件下 木岩黄茂光合速率的降低;但降雨解除干旱后，气孔导度恢复较快，而PSll潜 在活性和PSll光能转换效率的恢复却比较缓慢。在O一巧mnl的降雨量范围内， 随降雨量的增加各项生理指标不断升高，但大于15mm的降雨量对木岩黄茂影响 不大，因此木岩黄茂可被视为低耗水型植物。 对木岩黄蔑光合酶的研究结果表明·，其C4光合酶的活性很高，磷酸稀醇式 丙酮酸梭化酶(P EPcase)、NAD一苹果酸酶困AD一ME)、NADP一苹果酸酶 (N ADP一ME)、NAD一苹果酸脱氢酶(N AD一MDH)、NADP一苹果酸脱氢酶 困ADP一MDH)和丙酮酸磷酸双激酶(P PDK)等酶的活性，在整个生育期内为黄柳 的5倍以上，但稳定性碳同位素测定结果却表明木岩黄茂为C3植物。因此，我 们认为C3豆科植物木岩黄茂体内可能存在着C;光合途径，这种机制使得其对于 流动沙丘的胁迫环境有着很强的适应性和很高的资源利用效率。 关键词:浑善达克，豆科植物，光合作用，木岩黄茂，光合途径