内蒙古东部地区克氏针茅和冰草光合生理生态特征

内蒙古东部地区克氏针茅和冰草光合生理生态特征

全球变化通过气候影响影响不同的生态系统水平，直接影响人类的生存和可持续发展。草原是我国陆地生态系统重要组成部分,占国土总面积的40%,内蒙古可利用的天然草地面积居全国第二位,典型草原约占草地总面积的73%左右,为主体草原。同时克氏针茅作为研究区域典型的建群种,其特性为耐旱,而冰草作为主要的伴生种,具有很强的耐旱性和抗寒性,两者均为营养价值较高的优良牧草,在畜牧业生产中占有重要的地位。且克氏针茅和冰草的根为须状,具有密生和入土较深特性,能够起到良好的水土保持和固沙作用,利于草原生态系统的恢复。因此本文以克氏针茅和冰草为研究对象,对二者整个生育期进行全程个体光合测定、配套以原位实时的气象观测,来研究植物对光、水资源的利用,以及与环境因子的关系,并通过分析确立影响内蒙古典型草原植物的主要环境因子。以期揭示内蒙古典型草原克氏针茅和冰草对气候变化的响应机理,提出本区域合适的应对策略。1材料和方法1.1n-843年—区域概况研究区位于内蒙古自治区锡林郭勒盟东南端的多伦县,中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验示范研究站野外样地(E115°55'—116°54',N41°46'—42°39'),2001年以来围栏隔离放牧。海拔高度为1150m。属中温带半干旱大陆性季风气候区典型草原带,属欧亚草原植物区,地带性植被为典型草原植被。年均降水量400mm,蒸发量1748mm左右,其中6—8月降水量占全年的67%。年均气温为3.5℃,无霜期100d,≥10℃积温为1917.9℃,全年光照充足,年日照时数为2947—3127h。土壤主要为栗钙土,土壤容重为(1.31±0.02)g/cm1.2常规气象要素气象观测系统光合生理参数季节动态试验于2009年6月6日至2009年9月6日,选择晴朗天气中午的12:30(以此来分析自然温度较高条件下植物全生育期光合生理生态的变化)进行,随机选取冰草和针茅健康叶中上部测定,使用美国LI-Cor公司制造的Li-6400便携式光合测定系统测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)。每隔2—3d测定1次,每次测定随机选择克氏针茅和冰草各3株,每一株做20次光合测定,以备数据分析时,剔除异常数据。常规气象要素气象观测系统测定整个试验期样地环境因子,主要仪器包括:光合有效辐射传感器(LI-190SB,LicorInc.),空气温湿度传感器(ModelHMP45C,VaisalaInc.),大气压力传感器(CS105,VaisalaInc.)和雨量桶(Model52203,RMYoung,Inc.)均安装在1.8m高度。TDR传感器(modelCS615-L,CampbellScientific)测定5.0,20.0和40.0cm土壤含水量。1.3实验数据的采集在测量叶面积时,用卷尺测量叶宽,叶长为Li-6400便携式光合测定系统叶室的长度,做好记录。克氏针茅叶片自然卷曲而呈针状,确定叶面积时误差较大,且单株的光合生理生态参数变异性也大,因此为减小误差,选择4—6片健康叶紧密并排测量,叶片面积=叶室长×并排针茅宽。实验完毕对测定数据进行叶面积换算,后期数据处理时,每一次重复均选择偏差最小的、且与实际情况吻合的3次数据进行统计分析,克氏针茅和冰草的光合参数经单因素方差分析检验,在0.05水平显著;常规气象设备在安装时,进行了时间校正,记录时间均为北京时间,隔30min自动记录一次数据,为避免有停电等突发事件的发生,备有蓄电池,实现全天候观测。以上数据处理、制图和统计分析分别采用MicrosoftExcel2003、SigmaPlot10.0和SPSS16.0进行。2结果分析2.1土壤水分变化对土壤含水率的影响对生长季气象因素的时间序列(图1)的分析,有助于阐明整个生长季植物光合特征变化的机理。2009年生长季12:30的光合有效辐射(PAR)变化范围在72.73(DOY157)—1864molm为了研究土壤水分对植物的影响,所以对生长季不同深度土壤含水量的时间序列研究非常必要。而土壤含水量直接受降雨量的影响,这种作用对表层土壤(5cm),及20cm深度土壤含水率(SWC)的影响尤为显著,由图1和图2可以看出,降雨量增加,则土壤含水率增加,反之亦然。土壤5cm和20cm深度的含水量变化范围分别为3.4%—32.2%和4.6%—28%。而40cm土层深度土壤含水率,受降水直接影响不明显,整个生长季保持相对平稳的土壤含水率,只有在DOY229降雨量达25mm之后,土壤含水率出现突然上升的情况,之后开始缓慢下降。整体而言,土壤含水量随土壤深度的增加而降低。2.2植物的水生生态2.2.1气孔导度及蒸腾速率植物的光合作用是一个极其复杂的生理过程,与植物自身因素如气孔大小、叶片厚度、转化酶含量密切相关,同时又受光照、气温、湿度、蒸汽压差等外界因子的影响。由于整个生长季环境条件和植物个体形态是不断变化的,因此植物的气孔导度(Gs)、净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)也呈现一定的特性。通过单因素方差分析,克氏针茅和冰草二者之间的气孔导度、净光合速率和蒸腾速率在0.05水平均差异显著。由图3可以看出,冰草变化趋势比较明显,其气孔导度、净光合速率和蒸腾速率变化趋势基本一致,出现3次较大的波动分别为第165—169d、200—215d和235—248d,在3次波动中气孔导度的极大值分别为0.139、0.385和0.324mmolm2.2.2能量-光照-光能的配比植物光合利用率是指植物通过光合作用制造的有机物中所含有的能量与光合作用所吸收的光能的比值。水分利用效率是指利用单位重量的水分植物所能同化的CO2.3第一主成分分析植物与其所处的环境条件有密切的关系,所以对环境因子生长季时间序列光合有效辐,大气温度,相对湿度,蒸汽压差,以及土壤5cm(SWC1),20cm(SWC2)和40cm(SWC3)土壤含水率进行主成分分析,以确立影响植物的代表性指标。通过图5a图可知,特征值大于1的成分有3个,且三者累计贡献率占82.9%,因此进行主成分划分,确立最主要的第一主成分包含的环境因子为:光合有效辐,相对湿度,蒸汽压差,5cm和20cm土层深度土壤含水率。第二主成分为大气温度。第三主成分为土壤40cm土层深度土壤含水率。剔除第二、三主成分,以单一贡献率最大(43.5%)的第一主成分展开分析。以主成分分析确立的第一主成分包含的气象因子与植物的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、光合利用效率和水分利用效率光合特征参数做相关分析(表1)。发现光合有效辐射与冰草的水分利用率相关系数为0.572,在0.01水平下显著,而与克氏针茅的水分利用效率相关系数为0.356,在0.05下不显著;光合有效辐射与冰草的光合利用率相关系数为0.420,在0.05水平下显著,而与克氏针茅的光合利用效率相关系数为-0.051,在0.05下不显著;相对湿度与冰草和克氏针茅的气孔导度相关系数分别为0.469和0.478,均在0.01水平下显著,与冰草的光合利用率的相关系数为0.492(P<0.01),与克氏针茅的光和利用率的相关系数为-0.285。饱和水汽压亏缺与冰草的气孔导度相关系数分别为0.357,在0.05水平下显著。其他气象因子与光合特征参数呈正相关或负相关,但均不显著(P<0.05)。以主成分分析确立的第一主成分土壤5cm和20cm土层深度土壤含水率与植物的气孔导度、水分利用率和光合利用率进行回归分析(图6)。由于气孔导度直接制约着植物光合速率和蒸腾速率的大小,所以选择土壤含水量与对应时间所测的气孔导度做线性拟合,而不对植物光合速率和蒸腾速率进行拟合。土壤含水率与冰草、克氏针茅的拟合度较好,5cm土层深度的土壤含水量与冰草、克氏针茅的拟合度分别为0.4192和0.3057,20cm土层深度的土壤含水量与冰草、克氏针茅的拟合度分别为0.3763和0.2546。由此可知冰草的气孔导度受土壤含水率的影响较大,随着土壤深度的增加这种影响呈下降趋势。土壤含水率与植物的光合利用率弱相关,或不相关,5cm土层深度的土壤含水率与冰草、克氏针茅的光合利用率的拟合度分别为R而土壤含水率与植物的水分利用率呈现负相关,或不相关,5cm土层深度的土壤含水率与冰草、克氏针茅水分利用率均呈负相关,且拟合度低(R3生物生长和抗逆性许多研究认为植物净光合速率和蒸腾速率外界生态因子关系密切Eh