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毛乌素沙地典型固沙植物黑沙蒿和赖草叶片氮分配对最大净光合速率的影响
赵洪贤, 刘鹏, 史曼英, 徐铭泽, 贾昕, 田赟, 查天山
植物生态学报    2025, 49 (3): 460-474.   DOI: 10.17521/cjpe.2024.0097
摘要   (44 HTML2 PDF(pc) (3036KB)(37)  

探究气候变化背景下物种的适应机制是植物生理生态领域研究热点, 研究半干旱区优势物种叶片氮分配对植物光合能力的影响, 有利于理解气候变化背景下荒漠植物的适应能力。该研究于2021年5-10月, 以宁夏盐池毛乌素沙地的主要建群种黑沙蒿(俗名: 油蒿, Artemisia ordosica)和赖草(Leymus secalinus)为研究对象, 通过测定黑沙蒿和赖草的光响应曲线、CO2响应曲线和叶性状参数, 计算叶片不同组分中的氮分配比例, 结合同步观测的环境数据, 探究两种固沙植物叶片氮分配相关参数对最大净光合速率(Amax)的影响。结果显示: 在观测期内, 黑沙蒿和赖草的单位质量叶片氮含量(Nmass)均值都为0.02 g·g-1, 黑沙蒿Amax和叶氮在光合系统中的分配比例(Pp)均值分别为22.44 μmol·m-2·s-1和42.9%, 赖草AmaxPp观测期内均值分别为11.99 μmol·m-2·s-1和27.5%, 相比黑沙蒿较低。在土壤水分亏缺的生长季中期, 黑沙蒿AmaxPp降低, 而赖草的AmaxPp并没有明显变化。相比于赖草, 黑沙蒿Amax受叶片氮分配的影响更大, Pp和叶氮在羧化系统中的分配比例(Pc)分别是影响黑沙蒿和赖草Amax季节变异的主要叶片氮分配参数。在干旱胁迫期间, 黑沙蒿和赖草叶片Nmass均降低, 黑沙蒿叶片氮分配比例对土壤水分变化的敏感性较大, 其光合氮利用效率(PNUE)降低, 且投资更多的氮到非光合机构中来抵抗干旱, 而赖草的叶片氮分配比例和PNUE的变化相对稳定, 其Amax并没有显著下降。总之, 黑沙蒿叶片对光合系统投入的氮比例相对较高, 其光合能力在观测期内仍大于赖草。该研究表明, 不同沙地物种对其生境的适应性存在差异, 在未来干旱增加的条件下, 该区域植被可能趋于以沙地灌木黑沙蒿为主的植被群落。


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图3 2021年毛乌素沙地黑沙蒿、赖草叶功能性状参数季节动态(平均值±标准差)。图中横向参照线为各参数观测期内均值。
正文中引用本图/表的段落
观测期内赖草的LMA大于黑沙蒿, 黑沙蒿LMA观测期内均值117.61 g·m-2, 生长季初期较小, 生长季中期逐渐增加, DOY 191达最大值135.26 g·m-2, 生长季后期迅速降低(图3A)。赖草LMA观测期内均值129.57 g·m-2, 生长季初期较小, 在生长季中期逐渐增加, DOY 221达最大值145.60 g·m-2, 生长季后期逐渐降低(图3A)。
生长季内优势沙地灌木黑沙蒿和优势草本植物赖草的LMA、CcNmass变化趋势相似, LMA均在生长季中期较高, Nmass均在生长季中期(DOY 161-231)逐渐减小(图4)。而随着降水量的增加, 在土壤水分逐渐补充后, LMA均呈现降低趋势, 而CcNmass呈现逐渐增加的趋势(图3, 图4)。这可能是在该时期降水较少, 对土壤水分的补充较少(Hao et al., 2023), 植物可利用的水量较低(REW < 0.4), 根系可吸收的水分少, 水分胁迫较高, 为了减少叶片的蒸腾失水, 保持植物体内水分稳定, 叶片蒸腾速率降低(刘燕等, 2023), 蒸腾拉力减小导致植物根系对土壤中可溶性氮的吸收量减小(Tateno & Kawaguchi, 2002), 表现为黑沙蒿和赖草叶片中的Nmass均有不同程度降低。由于水分输入的限制, 荒漠植物的叶片对水分胁迫较为敏感, 为了适应水分条件的变化, 通常会以小而厚的叶片形态来适应较低的土壤水分条件(Werner et al., 1999; 陈图强等, 2023), 这有助于荒漠植物在水分亏缺条件下的生存, 表现为LMA增加。而随着可利用水分的增加, 气孔张开, 蒸腾作用恢复, 植物根系吸收的氮增加, 向Rubisco、生物力能学组分和捕光系统中分配的氮增加, LMA降低。
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