模拟增温与增水对克氏针茅光合作用的影响

模拟增温与增水对克氏针茅光合作用的影响

由于陆地生态系统的物质循环和能量流动，阐明了这种情况。内蒙古典型草原地处干旱半干旱区,对气候变化非常敏感本文利用OTC模拟增温与降水增加过程,从而探讨两者与其交互作用对内蒙古典型草原克氏针茅叶片各光合特征参数的影响,有助于增进克氏针茅对气候变化的响应与适应机制的认识,为典型草原科学应对气候变化和草地畜牧业可持续发展提供依据。1材料和方法1.1降水量、蒸发量实验区位于锡林浩特市毛登牧场内蒙古大学草地生态学研究基地(44°09′N,116°29′E,海拔1102m)。土壤类型为栗钙土,属温带草原区栗钙土亚区。该区年平均气温2.6℃,极端高温为24.9℃,极端低温为-23.8℃。年平均降水量约271.42mm。降水量的季节和年际变化很大,降水主要集中于5-9月,占全年降水量的87.33%。年蒸发量1600~1800mm,蒸发量远远大于降水量。多冬春降雪,稳定降雪日数90d左右。无霜期从每年的5月初到9月初,约120d。克氏针茅、羊草(Leymuschinensis)为优势种,其他物种有大针茅(Stipagran-dis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、瓣蕊唐松草(Thalictrumpetaloideum)、防风(Saposhnikoviadivaricata)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。1.2增温和温湿度监测OTC设计:开顶式生长室(open-topchamber,OTC)顶部与底部直径分别为0.7m与1.2m,高为0.4m,制作材料为聚氯乙烯塑料,圆台型框架用细钢筋制作实验设计:在试验样地共设16个实验小区,分4个不同处理,将安有风扇可与外界进行气体循环的OTC作为增温(W)处理,在增温处理基础上增加降水作为增温增雨(WP)处理,自然状态设为对照(CK)处理,与自然状态下增加降水为(P)处理,每个处理4个重复。试验小区采用随机区组设计。增温幅度根据当地50年(1961-2010)生长季温度增幅(表1)与IPCC(2007)报告而定为2℃,以OTC内空气温度和CK样地空气温度差值进行设定,当差值≥2℃时,风扇自动运行进行空气流通来降低温度,保证温度的增幅在2℃内。试验按本地50年平均降水量为准,降水增幅为月平均降水量的20%(表1),在每个月的月初月末固定时间分两次于晚上6:00施加,施水后48h开始各参数测量。温湿度监测:用温湿度数据采集器记录地下10cm土壤温湿度与距地表20cm的地表空气温度。从2011年5月初至2012年9月末每隔15min自动记录1次温湿度数据,计算OTC的增温效果。1.3参数测量(1)光合速率、气孔导度与蒸腾速率测定于2012年生长季,每月月初与月末选择晴朗天气,自6:00至20:00每隔2h使用Li-6400便携式光合仪(Li-CorInc.,Lincoln,NE,USA)对各处理长势良好的克氏针茅进行光合速率、气孔导度与蒸腾速率的测量。每个处理4个重复,每个重复选取3组叶片进行测量,Photoshop软件对测量叶片面积进行计算。每月选择1个晴朗天气于上午9:00-11:00进行光合月动态和季节动态测量,方法同上。(2)不同处理条件对光合速率的影响2012年7月中旬,利用Li-6400在25℃条件下对不同处理克氏针茅的COFarquhar等低CO式中:P高CO式中:P而实际的光合速率为:式中:R(3)净光合速率的测定2012年7月中旬,利用Li-6400在控温25℃条件下对不同处理内克氏针茅的光响应与CO式中:P根据公式1、2、3、4计算V使用Li-6400测得9:00-11:00净光合速率(P(5)ntasad-48于植物生长旺季(7月底8月初)使用叶绿素测定仪(MinoltaSPAD-502;KonicafiMinoltaSensing,INC.)对各处理克氏针茅叶绿素含量进行测定,每个处理4个重复,每个重复选取3组叶片进行测量。1.4统计分析方法使用Excel2003和PASWStatistics18(SPSSInc.,Chicago,IL,USA)对数据进行统计分析。2结果与分析2.1普遍的空气温度分析2011和2012年生长季温湿度数据显示,增温(W)与增温增雨(WP)处理明显改变了空气温度与土壤含水量(图1A,B),W与WP处理使全天平均空气温度分别增加1.90与1.64℃(图1C),并分别与对照(CK)达到显著差异(P<0.05)。2个生长季白天平均空气温度分别增加3.14与1.89℃,夜晚平均空气温度分别增加0.27与0.03℃。其中W与WP处理不同程度降低地下10cm土层土壤的含水量(图1D),W处理与CK处理土壤相对含水量达到显著差异(P<0.05),而与WP处理却无显著差异,是因为增温引起土壤的蒸发,说明增温造成了土壤含水量的下降。2.2气孔导度检验各处理中克氏针茅净光合速率(netphotosyntheticrate,P气孔导度(stomatalconductance,G各处理间P如图3所示,整个生长季,各处理克氏针茅的P2.3增温和增雨处理及v从光响应与二氧化碳响应曲线由公式1、2、3、4计算得出V2.4增温和增水处理对植物水分利用的影响在植物的整个生长周期中,克氏针茅蒸腾速率(transpirationrates,T整个生长季克氏针茅水分利用效率(water-useefficiency,WUE)呈现先增大后减少再增大的趋势,与CK相比W处理除7月15日外均增加克氏针茅WUE(图5B)。整个生长季W处理使克氏针茅WUE增加16.5%,而在6月30日与8月25日W处理分别使克氏针茅WUE增加19.7%与51.9%,并与其他处理都达到极显著差异(P<0.01),说明增温有助于植物的水分利用。P处理与WP处理对克氏针茅WUE影响不明显。增温增雨对克氏针茅的T2.5增温和增降水处理对叶绿素含量的影响在植物生长最旺季(7月底8月初)对克氏针茅叶绿素含量测定显示(图6),W处理明显降低克氏针茅叶绿素含量(P<0.001),而P处理明显增加克氏针茅叶绿素含量(P<0.01),WP处理即增温与增加降水交互作用对叶绿素含量无明显的影响(表3)。3不同温度对植物叶片水分增长的影响目前,温度对植物光合速率的影响仍然存在争议,温度增加对植物光合作用或促进温度增加,会使叶片气孔关闭水分是影响干旱和半干旱地区植物生长与生产力的主要环境因子植物生长的水分条件可影响植物叶片G水分是限制植物叶片的关键因素。当外界温度增加,植物通过反馈调节采取气孔闭合的方式来减少蒸腾引起的水分丧失。根据Case和Barrett在全球变