白刺叶片性状对人工增水的响应

国内外研究认为,气候变化背景下,未来我国西北干旱地区降雨将有不同程度的增加。为研究我国干旱地区典型植被(唐古特白刺,Nitraria tangutorum Bobr.和泡泡刺Nitraria sphaerocarpa Maxim.)在降雨增加背景下的适应能力及变化方向,本研究于2008年选择内蒙古磴口(年均降水145mm)、甘肃民勤(年均降水115mm)、敦煌(年均降水40mm)设立了三个近自然开放式模拟增水试验平台。同时,在三个研究区域各设置5个增水处理(在三个地区多年平均降雨量的基础上额外增加水0%,25%、50%、75%和100%),每个处理设置4个重复,共20块样地。2008年,在植物生长季节(5月10日-9月10日),分10次增水,每次增水间隔时间约15天;2009年,敦煌重新更换样地并将增水梯度调整为0%,50%、100%、200%和300%(磴口、民勤不变),同时将三个地区增水时间间隔调整为30天。本文利用这一平台研究了:(1)降水—土壤水分动态之间相关关系;(2)水分—δ13C值—叶片性状(包括形态:叶片平均长度、宽度、周长、面积、长/宽和周长/面积比;叶片养分:单位重量/面积叶片氮含量;比叶面积等)之间的相关关系;(3)另外采集了三个地区常见物种(共110个样品),研究了三个地区典型植被叶片性状间相关关系。主要结论如下: (1)单次增水量小于10mm时(实际降落到地面的水分约6.5mm),增水仅能影响表层10cm左右的土壤含水量变化,而且这种影响通常会在7天内消失;单次增水在10-20mm之间时(实际降落到地面的水分约6.5-13mm),表层20cm的土壤能收到微弱的水分增加信号;单次增水超过20mm(实际降落到地面的水分约13mm)时,增加的水分才能明显下渗至20cm土层;在所有调查数据中,即使单次增水量高达29mm(实际降落到地面的水分为18.9mm)或生长季节单次自然降水大于30mm,降水也很难影响50cm以下的土壤水分含量变化。 (2)由于白刺(泡泡刺和唐古特白刺)叶片形态为长方形或近椭圆形,所以白刺叶片长、宽变化是决定其形态变化的主要因素。2008/2009年,三个实验区增水最多的样地与对比样地比较,白刺叶片长度(与叶片宽度比较)均表现出优先增加的趋势。2009年敦煌300%增水样地与对比样地比较,泡泡刺叶片长、宽分别增加34%和23%(P<0.01);2008/2009民勤100%增水样地与对比样地比较,白刺叶片长度分别增加11%和10%(P<0.01),而宽度变化不明显(P>0.05);2008年磴口100%增水样地与对比样地比较,叶片长度增加9%(P<0.01),宽度变化不明显(P>0.05),2009年100%增水样地与对比样地比较,叶片长度增加10%(P<0.01),而宽度增加6%(P<0.05)。分析叶片长、宽与样地年水分总量关系发现,每增加100mm水分白刺叶片长度增加0.52cm、而宽度增加0.2cm。 (3)白刺叶片形态参数间(叶片平均长度、宽度、周长、面积、长/宽和周长/面积比),以及形态参数与叶片养分(单位重量/面积叶片氮含量)、比叶面积、δ13C值之间关系密切。随样地水分总量的增加,白刺周长、叶面积、比叶面积具有增加趋势,长/宽比、周长/面积比、δ13C值具有降低趋势,而叶片养分随水分增加变化趋势不明显。三个地区不同增水样地内叶片比叶面积、养分含量及δ13C值的差异性比较,大部分没有通过统计假设检验(P=0.05)。 (4)叶片周长/面积比与δ13C值具有正相关关系。出现这一规律的原因可能是由于周长/面积比较高的叶片同时具有较高的边界层导度。炎热的生长季节,在气孔开度降低或关闭,水分胁迫增强的情况下,叶片边界层导度的增加有利降低叶片表面温度。叶片表面温度的降低一方面有利于保护叶片细胞免受高温的伤害,另一方面可以保护叶片光合组织并提高叶片光合速率,从而提高叶片水分利用效率。在降雨增加的背景下,白刺叶片长度优先增加,可以减缓叶片周长/面积比下降速率、从而阻止δ13C值(叶片水分利用效率)随水分增加而快速下降的趋势。 (5)比较磴口、民勤、敦煌三个地区常见物种叶片性状,发现生长于湿地边缘的敦煌灌木,叶片形态与民勤、磴口灌木差异明显,如敦煌灌木具有更高的叶片长、宽及周长等特征。应用单位面积叶片氮含量将全部样品分3类(类群1,单位面积叶氮含量小于2;类群2,单位面积叶氮含量在2与3之间;类群3,单位面积叶氮含量大于3),然后应用单位重量叶氮含量与比叶面积拟合,结果发现:单位重量叶氮含量随比业面积增加而增加,同时三个类群出现明显策略位移,即比叶面积相同的情况下,单位重量叶氮含量比较,类群3>类群2>类群1;单位重量叶氮含量相同的情况下,比叶面积比较,类群3<类群2<类群1。