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山杏叶片光合生理参数对土壤水分和光照强度的阈值效应

夏江宝, 张光灿, 孙景宽, 刘霞

植物生态学报 2011, 35 (3): 322-329. DOI: 10.3724/SP.J.1258.2011.00322

摘要（5153）

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以半干旱黄土丘陵区主要灌木树种山杏(Prunus sibirica)为试验材料, 应用CIRAS-2型光合作用仪测定不同土壤质量含水量(W_m)下山杏叶片净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)及水分利用效率(WUE)的光响应过程, 探讨山杏光合特性对土壤水分和光照条件的适应性。结果表明: P_n、T_r及WUE对W_m和光照强度的变化有明显的阈值响应。随着W_m (6.5%-18.6%)的递增, 光补偿点降低, 光饱和点、表观量子效率和最大净光合速率均升高; 在W_m为18.6%时, 山杏利用弱光和强光的能力最强, 光照生态幅最宽。随着W_m(9.2%-18.6%)的递增, P_n、T_r有明显升高的趋势, 水分过高或过低, 两者均呈现下降趋势; 山杏对光照环境的适应性较强, 在光合有效辐射为800-1 200 µmol∙m^-2∙s^-1时, P_n和WUE都具有较高水平, 饱和光强在983-1 365 µmol∙m ^-2∙s^-1之间。以光合生理参数为指标对山杏土壤水分有效性及生产力进行分级与评价, 确定W_m < 9.2%或W_m > 22.3%时为“低产中效水”; W_m在20.5%-22.3%和9.2%-12.9%时, 分别为“中产低效水”和“中产中效水”; W_m在12.9%-20.5%时为“高产高效水”。其中W_m为18.6%时为“最佳产效水”, 对应光强为1 365 µmol∙m^-2∙s^-1。

类群 Cluster	土壤质量含水量 Soil mass water content (W_m)	土壤水分生产力分级 Grading of soil moisture productivity	土壤质量含水量预测阈值 The W_m threshold value of predication	光合生理参数(平均值±标准误差) Photosynthetic and physiological parameters (mean ± SE)
类群 Cluster	土壤质量含水量 Soil mass water content (W_m)	土壤水分生产力分级 Grading of soil moisture productivity	土壤质量含水量预测阈值 The W_m threshold value of predication	净光合速率 P_n(μmol?m^-2?s^-1)	蒸腾速率 T_r(mmol?m^-2?s^-1)	水分利用效率 WUE (mmol?mol^-1)
A	22.3%, 9.2%, 6.5%	低产中效水 Low productivity and middle WUE	>22.3% or <9.2%	4.30 ± 0.89^c	1.29 ± 0.29^b	2.93 ± 0.34^b
B	20.5%, 12.9%	中产低效水 Middle productivity and low WUE	20.5%-22.3%	6.92 ± 0.43^b	2.48 ± 0.88^a	2.66 ± 0.95^c
B	20.5%, 12.9%	中产中效水 Middle productivity and middle WUE	9.2%-12.9%	6.92 ± 0.43^b	2.48 ± 0.88^a	2.66 ± 0.95^c
C	18.6%, 16.9%, 14.8%	高产高效水 High productivity and high WUE	12.9%-20.5%	10.09 ± 1.35^a	2.53 ± 0.28^a	3.82 ± 0.35^a

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表2 土壤水分生产力及有效性分级与评价标准

正文中引用本图/表的段落

依据P_n、T_r和WUE 3个光合生理指标, 对8个土壤水分点进行聚类分析, 当聚类数为3时, 结果见表2。依据类平均值大小, 可划分A类W_m为低P_n、低T_r、中等WUE型; B类W_m为中等P_n、中等T_r、中等WUE型; C类W_m为高P_n、高T_r、高WUE型。方差分析表明, 这3个水分段的划分, 对P_n、T_r及WUE有较大的影响, 差异显著(p < 0.05), 说明土壤湿度的不同对山杏幼苗的光合生理特性影响较大。

依据植物水分生理学基础和对土壤水分点的聚类分析, 结合植物光合生理过程对土壤水分的响应规律(图4), 明确各土壤水分临界值的生理意义, 建立山杏幼苗土壤水分有效性分级与评价标准。用“产(P_n)”和“效(WUE)”的概念代替了以往研究中“效(根系吸水难易)”的概念, 赋予“产”和“效”更加明确的生理意义(张光灿等, 2003)。例如“高产”和“高效”指的是P_n和WUE高, “中产”和“中效”指中等以上(或较高)的P_n及WUE, 而“无产”和“无效”意味着P_n及WUE为0 (或负值)。山杏幼苗土壤水分生产力分级及有效性分析如下(表2): (1) 在W_m > 22.3%或W_m < 9.2%的范围内, 山杏叶片的P_n和WUE都很低, P_n类平均值小于其最高水平(13.30 μmol·m-2·s-1)的32%、WUE类平均值小于其最高水平(4.76 μmol·mmol-1)的62%, 并随土壤水分的降低或增加均急剧减小(图4), 故称之为“低产中效水”, 同时可推测, 随着土壤水分的持续增大或减小, 可产生水涝和干旱胁迫, 造成山杏叶片P_n和WUE向小于0的趋势发展, 不能形成生产力, 土壤水分不能被有效利用, 易形成“无产无效水”。即该范围内有向“低产低效水”过渡的趋势, 极限区域为“无产无效水”。(2) 当W_m在20.5%-22.3%、9.2%-12.9%范围内, P_n较高, 类平均值比其最高P_n下降48%, 能获得中度以上的光合生产力水平, 而WUE类平均值比其最高WUE下降44%, 在20.5% < W_m< 22.3%时, 其WUE处于较低水平(图4), 故称其为“中产低效水”, 而9.2% < W_m< 12.9%时, 其WUE处于中等水平(图4), 故称其为“中产中效水”。(3) 当W_m在12.9%-20.5%范围内, P_n较高, 达到其最高水平的76%以上, 能获得中度以上的光合生产力水平, 而WUE也较高, 能达到最高WUE的80%以上, 故称其为“高产高效水”。从图4可知, 该范围内当W_m超过19.0%时, 其WUE下降较快, 由“中效水”向“低效水”转化的趋势, 其中W_m在18.6%时, P_n与WUE均能达到最高水平, 能使山杏获得最高产效的生产力水平, 称其为“最优产效水”。

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