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内蒙古锡林河流域主要植物种、功能群和群落水分利用效率的研究

陈世苹  
【摘要】:近二十年来,碳同位素技术已被广泛应用于植物生态学,特别是植物“碳-水”关系的 研究中。植物的碳同位素组成(δ13C值)是叶片组织合成过程中光合活动的整合,它反映 了植物长期的水分利用效率。内蒙古锡林河流域位于我国温带典型草原的核心区域,水分是 制约本区植物生产力和群落稳定性的限制因素。因此关于本区植物水分利用效率和水分利用 状况的研究,对探讨植物对生境干旱化的适应与响应机制具有十分重要的理论和实践意义。 本研究沿土壤水分梯度在锡林河流域选取了沼泽化草甸、盐化草甸、草甸草原、典型草原、 退化草地和疏林沙地等8个代表性植物群落,研究主要植物种、功能群和群落的碳同位素组 成及叶片含水量、脯氨酸含量等与植物抗旱性相关的生理指标的变化,从植物种、功能群和 群落三个层次研究了不同水分条件下植物水分利用效率的变化及其对不同水分生境的响应 与适应机制。 1) 在所调查的8个植物群落中,C3植物占绝对优势;C3植物的δ13C值和水分利用效率 越大,其在整个流域中的分布频度越高,生物量也越大;与生长在湿润生境中的植物相比, 生长在较干旱生境中的植物能积累更高水平的脯氨酸。以上结果表明,锡林河流域的植物可 能通过两种机制适应当地的干旱生境:一是通过调节气孔导度提高植物的水分利用效率;二 是通过积累高水平的脯氨酸增强植株的渗透调节能力并维持相对稳定的水分含量。 2) 依照生活型将锡林河流域主要植物种划分成6个植物功能群:乔木、灌木、半灌木、 多年生禾草、多年生杂类草和一年生植物。在较湿润生境,多年生杂类草更加丰富并构成了 群落地上生物量的绝大部分:而在较干旱生境下,多年生禾草在群落中起更重要的作用:随 着土壤含水量下降,灌木和半灌木逐渐增多,且在退化草地和沙地中其相对生物量迅速增加: 多年生禾草δ13C值显著高于其它功能群;随着土壤水分可利用性降低,多年生禾草和杂类 草的δ13C值表现出增加的趋势,而灌木/半灌木则表现出相反的趋势。以上结果进一步证明 了,在典型草原区以生活型为基础划分的植物功能群可以用来进行较大尺度植物-水分关系 的研究。 3) 依照植物的水分生态类群,将锡林河流域主要植物种划分为六个植物功能群:旱生 植物、中旱生植物、旱中生植物、中生植物、湿中生植物和湿生植物。在较湿润生境中(沼 泽化草甸和盐化草甸),湿中生和湿生植物成为优势种并构成地上生物量的主体:在干旱生 境中(草甸草原、典型草原和退化草地),旱生和中旱生植物占绝对优势并构成群落生物量 的90%以上;随着不同水分生态类群所适应的生境从干旱到湿润逐渐转变,植物的δ13C值 和水分利用效率显著降低;旱生植物叶片脯氨酸含量最高,湿中生和湿生植物脯氨酸含量最 低,不同水分生态类群脯氨酸含量与其6’3c值和地上生物量呈显著正相关关系。 4)不同群落类型的平均别3c值有显著不同,表现为:典型草原退化草地沙地退 化恢复草地草甸草原全盐化草甸沼泽化草甸。c;植物的出现、不同物种sl3c值的差异 和同一物种在不同生境下6,’c值的变化是影响群落平均6”c值的主要因素,而这些因素与 土壤水分状况和干扰历史(特别是放牧)密切相关。 此外,本文还研究了氮素添加对羊草和人针茅光合和水分利用效率的影响。土壤含氮量 的增加可以显著提高羊草叶片光合能力和WUE,而对大针茅的影响不大。作为锡林河流域 两种优势植物,羊草和大针茅通过不同的生理机制来维持较高的WUE适应干旱生境:羊草 为高光合、高蒸腾,而大针茅为低光合、低蒸腾。羊草较高的WUE是以降低氮利用效率 (NUE)为代价的:而大针茅在维持较高wUE的同时仍能维持较高的NUE,这一特征使 大针茅可以广泛分布于更加干旱和贫痔的地区。 以上研究结果,为深入开展典型草原生态系统植物与水分关系的研究提供了有价值的信 息,进一步证实了稳定性碳同位素技术可以有效地指示不同群落类型中主要植物种长期水分 利用效率。同时,通过对其它相关生理指标的测定,可以更好地探讨植物对水分限制的适应 策略。我们的研究结果从植物种、功能群和群落二个层次进一步揭示了植物对干旱生境的适 应机制,井初步阐明了人类干扰特别是过度放牧对草原群落建群种和优势种的生态替代或/ 和灌从入侵的影响。这些研究对生物多样性保护、全球变化和区域可持续发展等热点问题的 研究都具有重要的意义。在今后的研究中,结合其它稳定性同位素(如’H,’”o和”N)技 术,将有助于我们进一步深入研究蒙古高原植物对气候变化和过度放牧的适应与响应机制。 关键词:锡林河流域,土壤水分梯度,别3c值,水分利用效率,叶片含水量,脯氨酸, 功能群


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