极端干旱区胡杨生长季水分利用效率变化特征研究

 在干旱区的极端环境,植物能否适应当地的极限环境条件,最主要的是看它们能否很好地协调碳同化和水分耗散之间的关系,也就是说植物水分利用效率是其生存的关键因子之一。 就生长季胡杨叶片稳定碳同位素组成(δ13C)、胡杨叶片水分利用效率及其影响因素进行了研究。结果表明,生长季胡杨叶片δ13C值在-28.16‰±0.23‰～-26.82‰±0.22‰间变化,平均值为-27.70‰±0.13‰。胡杨各月水分利用效率在84.81±2.23～(70.97±2.40)μmolCO2·mmol-1H2O间变化,平均值为(75.69±1.31)μmolCO2·mmol-1H2O;胡杨水分利用效率变化趋势是逐渐降低。最高值出现在5月,而后不断降低,7月达到最低值。造成这种变化的原因是叶片营养物亏缺导致的叶片光合速率的减小和气温升高、土壤含水量减小以及地下水埋深加深共同导致的气孔导度的变化。     

东南极米洛半岛近地面大气CH_4浓度及其δ~(13)C的时空变化特征

在中国第22次南极科学考察期间,采集了东南极米洛半岛不同地点近地面大气样品,在室内分析了样品中CH4浓度及其δ13C值,结果表明:该半岛近地面大气CH4平均浓度为(1.87±0.12)ppm,略高于全球大气甲烷平均浓度;白天10:00和夜间22:00大气CH4浓度的夏季变化呈现较大波动,与气温存在响应关系;其δ13C值变化范围为-39.31‰--37.56‰,平均值为(-38.26±0.52)‰。对米洛半岛及周边不同地点大气CH4浓度及其δ13C的分析结果表明:大气CH4浓度的空间变化范围为1.74-2.56ppm,δ13C值的变化范围为-39.31‰--31.25‰;CH4的δ13C值随其浓度的增加而增加。本文还讨论了影响米洛半岛大气CH4浓度及其δ13C值的因素。     

灌溉量对2种灌木光合特性和水分利用效率的影响

采用野外试验,研究了灌溉量对新疆策勒绿洲木沙拐枣（Calligonum mongolicum）和花棒（Hedysarum scoparium）光合特性和水分利用效率的影响。结果表明：（1） 随着灌溉量的增加,沙拐枣和花棒的净光合速率均增加,但是蒸腾速率、气孔导度、胞间CO₂浓度没有明显增加;（2） 灌溉增加了沙拐枣的清晨水势和正午水势,并且只有灌溉和无灌溉处理的正午水势差异显著（p<0.05）;而灌溉只增加了花棒的清晨水势,并且只有充分灌溉和无灌溉的条件下差异显著（p<0.05）;（3） 在不同的灌溉条件下,沙拐枣和花棒的稳定碳同位素比率δ¹³C变化不大,沙拐枣在无灌溉、适度灌溉、充分灌溉下δ¹³C的平均值分别为-12.267、-12.147、-11.958,花棒的δ¹³C分别为-27.928、-28.068、-27.166;（4） 沙拐枣和花棒的水分利用效率均在无灌溉条件下明显高于灌溉条件下,而且一次性的灌溉不会改变其水分利用效率。     

广西不同石漠化程度下典型植物水分来源分析

以广西岩溶地区不同石漠化程度下的典型优势灌木为研究对象,利用氢氧和碳稳定同位素技术,结合叶片水势和土壤水势等,分析广西石漠化地区典型植物的水分利用来源。实验结果表明：随着石漠化的加剧,植物叶片水势和d¹³C值呈降低的趋势,但并没有呈直线下降,且不同石漠化程度下植物的水势和碳同位素差异性均不显著。在轻度和中度石漠化环境下,灌木主要以吸收土壤水（＞70%）为主;重度石漠化环境下,黄荆以夏季早期降雨储存在裂隙孔隙中的水（71.1%）为主要水源,而红背山麻杆则主要吸收土壤水（57.6%）和夏季早期降雨储存在裂隙孔隙中的水（42.4%）。土壤水是石漠化地区植物水分利用的重要来源,在重度石漠化环境下,植物对岩溶裂隙水的利用比例增大。为适应石漠化地区水分不足的现象,植物具有相似的水分利用策略：保持比较低的水势,较高的水分利用效率。植物对不同水源的利用存在转移以适应石漠化环境的加剧。     

准噶尔盆地荒漠植物碳同位素组成研究

通过对准噶尔盆地古尔班通古特沙漠南缘17个科、41个属的53种荒漠植物的稳定碳同位素分析,结果显示准噶尔盆地荒漠植物的叶片稳定碳同位素值在-7.77‰~-30.10‰之间变化,其稳定碳同位素比值分布范围较广,C3和C4植物资源丰富。其中,C3植物有34种,δ13C值分布区间为-23.27‰~-30.10‰,平均值为-26.77‰;C4植物有19种,δ13C值的变化范围为-7.77‰～-14.90‰,平均值为-13.04‰。研究区内木本植物和草本植物的δ13C平均值分别为-16.74‰和-19.81‰,说明木本植物的水分利用效率明显高于草本植物,这种现象可能是全球荒漠生态系统的一种共性。但是一年生草本植物的δ13C平均值（-19.54‰）却高于多年生草本植物的δ13C平均值（-20.07‰）,由于植物叶片δ13C可以用来间接指示植物的长期水分利用效率,即δ13C值越大,植物的水分利用效率越高;也就是说在该地区,相对于多年生草本植物而言,一年生草本植物对环境的适应能力较强。     

荒漠植物叶片碳同位素组成及其水分利用效率

水分通常是影响荒漠植物生长的主要限制因子,然而当前很少有关于荒漠群落中植物水分利用效率的报道。作为指示水分利用效率的可靠指标,叶片稳定碳同位素组成(δ¹³ C值)可以用来探讨植物适应干旱环境的强弱程度。对阜康和金塔同种或同属的植物叶片δ¹³ C的测量结果表明,干旱可使植物叶片δ¹³ C升高:年降水量每增加1mm,叶片δ¹³ C则降低001‰~ 0015‰。阜康荒漠灌木叶片δ¹³ C值明显高于草本,这样的趋势也存在于甘肃金塔主要荒漠植物中,与前人的报道也基本一致。说明灌木可能更适应干旱胁迫,并且这种现象可能是全球荒漠生态系统的一种共性。对阜康四种荒漠代表植物红砂、梭梭、补血草和骆驼刺的SOD活性的测定结果间接地支持了这一结果。进一步的分析表明,藜科、豆科和某些禾本科植物适应干旱环境的能力相对较强。     

不同林龄梭梭（Haloxylon ammodendron）的光合特性和水分利用效率

了解不同林龄梭梭（Haloxylon ammodendron）的光合特征、水分利用效率（WUE）及其存在的差异,有助于理解梭梭在不同生长阶段的差异及对环境的适应策略,对极端干旱区的生态恢复具有重要意义。本研究测定了不同林龄梭梭（5、11、22、34 a和46 a）的光响应曲线,分析了各龄级梭梭的光合特性和WUE。结果表明：（1）随着光合有效辐射（I）的增加,不同林龄梭梭的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）变化趋势相似,低龄级梭梭（5、11 a）光合能力较强;随着林龄增加,梭梭光合能力有下降趋势,且高龄级梭梭（34、46 a）光合特性趋于稳定。（2）不同林龄梭梭WUE随I的增加呈非线性增加,中龄级梭梭（22 a）的WUE高于低龄级（5、11 a）和高龄级梭梭（34、46 a）,中龄级梭梭（22 a）受到的水分胁迫最大,通过降低蒸腾而提高水分利用效率,高龄级梭梭（34、46 a）出现明显退化,反映出梭梭在极端干旱环境下形成了自身的极端抗旱机制及水分调节策略。     

额济纳绿洲主要植物的水势与环境因子的关系

通过对额济纳绿洲几种植物的水势分析,结果表明,水势从小到大排序为:红砂 < 柽柳、苏枸杞、苦豆子 < 胡杨、梭梭、骆驼蓬 < 花花柴 < 沙拐枣。胡杨和柽柳水势日变化在5月和7月大体呈"V"型;9月份日变化大体呈直线型。不同植物对环境条件反应不同,乔木、灌木的水势与深层土壤中含水量密切相关,而草本对较浅层的土壤含水量相关。阔叶植物对大气中的水分相关性更强。植物水势与大气温度相关性最差。     

极端干旱区多枝柽柳茎水势变化影响因子分析

以新疆塔里木河下游极端干旱环境下天然植物多枝柽柳为研究对象,基于对气象因子、土壤水盐和多枝柽柳茎水势特性的实地监测资料,研究了影响多枝柽柳茎水势变化的主导环境因子,揭示了反映多枝柽柳生长发育期茎干水分变化的环境因子的指示性和指示阈值。结果表明:①在众多环境因子中,土壤水分对多枝柽柳茎水势变化影响最强烈,多枝柽柳对土壤水分的吸收不存在最低土壤含水率阈值,但36%的土壤含水率为影响多枝柽柳茎水势变化的临界上限,超过36%则对其没有明显影响。②土壤pH值的变化可反映极端干旱区多枝柽柳茎水势特性的变化;7.95±0.03的土壤pH值为反映多枝柽柳茎水势发生变化的临界阈值,当土壤pH值大于7.95±0.03时利于多枝柽柳有效分泌盐碱,维持正常生长。该研究为减轻多枝柽柳受旱程度、维持多枝柽柳正常生长及时补充水分提供理论依据。     

沙漠腹地乔木状沙拐枣对灌水量的生理生态响应

对不同灌水量条件下塔克拉玛干沙漠腹地乔木状沙拐枣（Calligonum arborescens Litv）的水分生理、生长和土壤水分进行了动态测定与分析。结果表明:①在35、24.5 kg·株-1·次-1和14 kg·株-1·次-1的灌水量下,土壤水分活跃层分别为:0～200、0～160 cm和0～100 cm。根系区土壤水分为3%～4%条件下,沙拐枣能正常生长,低于2.5%就会受到水分胁迫。②早晨和午后,沙拐枣的水势随着灌溉后时间的增加而降低,前期降幅较大。随着灌水量的减小,其水势降低较快,在14 kg·株-1·次-1处理下,灌溉3 d后早晨水势和午后水势分别达到-1.3 MPa和-2.19 MPa。③随着灌水量的减少沙拐枣的日耗水量急剧减小,液流速率也快速降低,灌溉后第15天,在24.5 kg·株-1·次-1和14 kg·株-1·次-1的灌水量下沙拐枣液流速率都为双峰型曲线,第25天3个处理都呈双峰型曲线。④不同灌水量下,沙拐枣的基径、新枝长度以及新枝直径的年增长量都随着灌水量的减少而减小,方差分析表明灌水量对新枝长度的影响非常显著(P=0.05)。     

三种荒漠灌木根系的构形特征与叶性因子对干旱生境的适应性比较

以古尔班通古特沙漠南缘原始荒漠的三种建群灌木多枝柽柳、梭梭和琵琶柴为研究对象,采用挖掘法调查其根系构性特征及其与土壤水分的关系,同时测定其比叶面积(SLA),比叶重（LMA）,单位重量叶氮含量(Nmass)及单位面积叶氮含量(Narea)。结果表明,三种荒漠灌木的根系分属不同的功能型,多枝柽柳是深根潜水性植物,琵琶柴是浅根性植物,而梭梭介于两者之间。而且,三种荒漠灌木随着根系分布的由深到浅,即随着土壤水分亏缺的加剧,在叶性因子方面做了一定的适应性调整。这些事实表明,在水分为主要限制因子的干旱生境中,根系构型特征在很大程度上决定了灌木的叶性策略。同时研究表明,荒漠灌木在抗旱和生长之间存在相对平衡的关系。     

多枝柽柳与梭梭光合器官形态解剖结构的生态适应性

多枝柽柳与梭梭是准噶尔盆地南缘荒漠的建群植物。对克拉玛依市农业综合开发区外围荒漠4种不同生境下多枝柽柳与梭梭光合器官的形态解剖特征进行比较,结果表明,多枝柽柳主要依靠其系统演化性状,角质层厚度、栅栏组织厚度及叶表皮细胞厚度等生态适应性状以及特殊适应性结构适应荒漠环境;梭梭主要依靠其系统演化性状和特殊适应性结构实现对荒漠的适应。对比多枝柽柳与梭梭光合器官的可塑性发现,多枝柽柳与梭梭对适宜生境水、盐的要求不同,梭梭较多枝柽柳具有更宽的生态幅和更好的耐受性。多枝柽柳适宜生境土壤含水量范围为3.55%~9.4%,土壤电导率为948.47~1 759.64 μs·cm-1;梭梭适宜生境土壤含水量范围为0~3.93%、8.02%~9.4%,土壤电导率为657.48~4 380.0 μs·cm-1。     

不同防护措施对梭梭幼苗生长和土壤水分的影响

在策勒绿洲-荒漠过渡带流动沙地对种植的梭梭幼苗采取了不同的处理措施（凋落物防护、固沙剂防护、防沙网防护和裸沙地,其中裸沙地作为对照）,研究不同防护措施对梭梭幼苗生长状况及地表100 cm内土壤含水率的影响,对恢复和重建绿洲-荒漠过渡带防护林体系具有重要意义。研究结果表明：（1）初春采用滴灌一次性供水135 L·m^-2,可以确保梭梭幼苗当年的生长需求。（2）不同防护措施下梭梭幼苗的株高、冠幅、基径、新枝长度均表现为：凋落物防护 > 固沙剂防护 > 防沙网防护 > 裸沙地,在生长末期凋落物防护下梭梭的株高、冠幅、基径、新枝长度分别达到115.7 cm、131.8 dm²、22.5 mm、73 cm。（3）不同防护措施对土壤含水率的影响比较明显,土壤含水率表现为：凋落物防护 > 固沙剂防护 > 防沙网防护 > 裸沙地,其中凋落物防护、固沙剂防护土壤含水率分别是裸沙地的1.31倍和1.16倍。因此,在极端干旱的绿洲-荒漠交错带,采用凋落物防护和固沙剂防护措施对提高沙地蓄水保墒能力和促进梭梭幼苗生长均有积极作用。     

古尔班通古特沙漠南缘丘间地梭梭群落蒸散特征

根据2016年古尔班通古特沙漠南缘丘间地梭梭生育期定点观测的土壤水分、气象要素等资料,基于水量平衡原理估算了梭梭生育期蒸散量,分析了蒸散变化规律。结果表明：（1）在梭梭生长季,降雨量为206.7 mm,降雨分布不均,梭梭萌发期,降雨量最多;梭梭生长旺盛期,月降雨量逐月减少;梭梭枯落期,降雨量最少。（2）在梭梭生长季,梭梭群落0~400 cm土壤贮水量变化整体呈下降趋势,梭梭萌发期是土壤贮水量盈余期,生长旺盛期和枯落期为土壤贮水量亏损期;梭梭群落发挥土壤水库效应,依靠生长季前土壤蓄水来弥补梭梭群落生长季需水缺额。（3）在梭梭生长季,蒸散量变化特征为多峰曲线,峰值主要出现在降雨集中期,最低值出现在土壤贮水量亏损期。（4）在梭梭生长季,梭梭群落累积蒸散量增幅始终高于累积降雨量增幅,累积蒸散量大于累积降雨量。     

梭梭(Haloxylon ammodendron)叶片气孔导度与气体交换对典型降水事件的响应

C4植物以其较高的水分利用效率而表现出较强利用荒漠环境有限降水的能力,但对其气孔行为和气体交换对降水响应的理解并不深入。本研究选择荒漠区沙丘上6~7年生的梭梭(Haloxylon ammodendron),利用自制的降水拦截设施,将每次降水事件后样地中接受的降水量分别减少和增加10%、20%和30%,形成包括对照在内的7个降水梯度,研究梭梭气孔导度(Gs)与净光合速率(Pn)对典型降水事件的响应。结果表明:6~12mm的降水对土壤水分的补给集中在50cm土壤深度范围内。降水量每增加10%,Gs和Pn分别增加9.17%和4.17%;Gs和Pn在降水前后呈现先增加后降低的单峰型趋势,峰值出现在降水后第1天,两者与土壤水分含量(SVWC)、空气相对湿度(RH)以及水汽压差(VPD)显著相关。降水后梭梭黎明前叶水势在-2.08~-2.74 MPa时叶片气体交换主要受气孔因素影响,而当叶水势降至-3.16MPa以下时主要受非气孔因素控制。     

梭梭幼苗死亡与土壤和大气干旱的关系研究

以古尔班通古特沙漠南缘沙漠中的一年生梭梭幼苗为研究对象,对环境气象因子、土壤含水率、幼苗根系垂直伸展状况、幼苗死亡动态进行了全生长期的连续监测研究。结果表明,尽管梭梭幼苗根系伸展迅速,当年可达1.5 m,幼苗死亡率动态变化仍然与土壤表层含水率显著相关,而与根区或深层含水率不显著相关。但统计分析结果显示,土壤表层含水率并不总是梭梭幼苗死亡率波动的主导因素。当土壤含水率低至0.82%时,无论大气干旱程度如何,幼苗死亡率都急剧升高;而当土壤含水率高于1.25%时,幼苗可以耐受大气干旱,幼苗死亡只与土壤表层含水率显著相关;当土壤含水率在0.82~1.25%之间时,幼苗死亡率与大气干旱程度（空气饱和差）显著相关。据此我们推测,当土壤表层含水率低于1.25%时,大气干旱主导死亡率的变化;反之,则土壤水分主导。     

不同供水条件下梭梭幼苗生长动态的研究

 在自然条件下,以梭梭幼苗为研究对象,设计单次供水10、20、40、60 mm和80 mm 5个水分梯度,模拟不同融雪量对幼苗在生长季节内影响变化的情况。结果表明,供水量显著影响了梭梭的幼苗高、根长、苗干重、根干重、基径。在整个生长季的一些阶段,对苗高、根长、苗干重、根干重、基径生长率影响显著,对其根冠比也有显著的影响。在实验供水范围内,供水越多,越有利于梭梭幼苗存活与生长。梭梭幼苗垂直根长大约是株高的3～5倍,梭梭垂直根长增加的速率明显大于高度增长的速率（一般为2～6倍,最大甚至超过10倍）,因此,在干旱期来临之前,幼苗根系的快速生长对其成活起着决定性作用。     

新疆阜康绿洲荒漠过渡带植物群落物种多样性特征

分别采用重要值、盖度、多度计算多样性指数、均匀度指数、丰富度指数、优势度指数，对新疆阜康荒漠地区植物群落的物种多样性进行了研究。结果表明：1)各类型群落的物种多样性水平表现为红柳、红砂、梭梭这三个群落较高，肉叶雾冰藜群落、叉毛蓬群落、盐爪爪群落、囊果碱蓬群落和雾冰藜群落居中，无叶假木贼群落和碱蓬群落较低；2)研究区总体群落物种多样性水平较低，随着群落演替其物种多样性水平呈现低—高—较高的变化趋势；3)对荒漠植被，以重要值或盖度为指标计测多样性指数较为可行。