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水分胁迫下柠条叶片气孔导度对环境因子的响应



全 文 :书韩 磊,孙兆军,焦炳忠.水分胁迫下柠条叶片气孔导度对环境因子的响应[J].江苏农业科学,2016,44(10):265-268.
doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.073
水分胁迫下柠条叶片气孔导度对环境因子的响应
韩 磊1,孙兆军1,焦炳忠2
(1.宁夏大学环境工程研究院,宁夏银川750021;2.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川 750021)
  摘要:以宁夏河东沙地沙生灌木柠条为试验材料,研究不同水分条件下柠条叶片气孔导度对环境主要驱动因子的
响应及敏感性。结果表明:随着水分胁迫程度的增强,柠条叶片气孔导度明显降低,其过程与蒸腾速率的变化一致但
不同步;在柠条叶片气孔导度对光合有效辐射的响应方面,随着土壤含水量的降低,气孔启动速度下降,但轻度水分胁
迫下该响应过程的敏感性较高;充分供水、轻度水分胁迫、中度水分胁迫条件下,柠条叶片气孔导度的主导因素为气
温;对于重度水分胁迫(田间最大持水量的20%~40%),柠条叶片气孔导度对温度的敏感性降低,重度胁迫下水汽压
饱和亏缺成为影响柠条气孔导度的主要因素,其贡献率为76.6%(P<0.01)。
  关键词:柠条;气孔导度;水分胁迫;环境因子;响应机制;河东沙地
  中图分类号:S184;S157  文献标志码:A  文章编号:1002-1302(2016)10-0265-04
收稿日期:2016-04-14
基金项目:宁夏自然科学基金(编号:NZ13025)。
作者简介:韩 磊(1985—),男,宁夏石嘴山人,博士,副研究员,主要
从事水土保持、生态修复研究。E-mail:layhan@163.com。
  柠条(CaraganakorshinskiKom.)作为治理水土流失和
退化沙化草场的先锋植物,具有广泛的适应性和很强的抗逆
性。处于干旱、半干旱农牧交错带的宁夏河东沙区,长期以来
大面积种植柠条人工林用于防风固沙和草地生态系统的恢
复。但是由于该地区降水量稀少且无效蒸发量大,人工林的
营造将改变沙地水分的再分配。近年来,随着全球气温升高,
该地区降水量以20~40mm/10年的速度逐渐减少[1],气候
总体上呈现干化趋势[2-3]。植物叶片对气温升高、降水减少
的响应比较明显,植物气孔影响蒸腾、光合等生理机能,且随
着所处的环境状况而时刻发生变化,在植物中起平衡调节作
用[4],气孔特性的具体变化则随物种、干旱程度而呈现不同
的特点。如干旱环境使大多数植物气孔密度增大,气孔相对
开度变小[5-6];在干旱条件下,柠条受到明显的水分胁迫,表
现出明显的光抑制现象[7]。诸多研究表明,植物叶片气孔特
性的异质性使其对胁迫环境响应也有很大差异[8],因此,研
究不同水分条件下柠条叶片气孔导度对环境主要驱动因子响
应的敏感性,在全球变暖加速地球系统水循环的背景下,对于
分析干旱胁迫下环境因子对河东沙地林木水分利用的影响机
制尤为重要。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验地点位于宁夏河东沙地南缘的同心县,地理坐标为
36°52′06″N,105°59′7″E,海拔1568m,在气候区上属于温带
大陆性气候,年平均气温为8.7℃,极端最高气温为38.5℃,
极端最低气温为 -27.3℃,≥10℃ 年平均积温为
2963.1℃,无霜期为165~183d;雨热同季,多年平均降水
量为251mm,降水多集中在7—9月,占年降水量的72.4%;
多年平均蒸发量为 2340mm;年日照时间多年平均值为
2900~3055h。试验区土壤类型为灰钙土区的沙化土壤,田
间最大持水量为21.3%,表层土壤平均容重为1.47g/cm3。
1.2 试验方法
在试验区选取3年生柠条植株,于2014年4月植入试验
花盆(高33cm,上口径35cm,下口径29cm),试验盆内土壤
与试验区大田土壤一致,栽植后将其置于试验地的温室内并
充分补水,使其成活并正常生长。7月分别人工控制土壤水
分含量(SWC)为田间最大持水量(w)的80% ~100%(T1处
理:充分供水)、60%~80%(T2处理:轻度水分胁迫)、40% ~
60%(T3处理:中度水分胁迫)、20% ~40%(T4处理:重度水
分胁迫),即各处理土壤水分含量:T1处理,17.0% ~21.3%;
T2处理,12.8%~17.0%;T3处理,8.5% ~12.8%;T4处理,
4.3%~8.5%。以上区间均含下不含上。每个处理3次重
复,待长势稳定后,于2014年8月开始观测不同水分梯度下
苗木叶片气孔导度变化节律及其影响因子。
1.2.1 植物叶片气孔导度 采用 Li-6400(Li-CorInc.,
Lincoln,USA)观测,选择苗木中上部向阳面生长良好的叶片,
在生长季典型晴天,从7:00—19:00每隔2h测定1次,每张
叶片每次连续采集6个稳定的数据,取平均值。测定内容有
气孔导度(Gc)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)等。
1.2.2 气孔导度对光合有效辐射(PAR)的响应 利用 Li-
6400-02B红蓝光源(Li-CorInc.,Lincoln,USA)设定模拟
光辐射强度,模拟光辐射强度的梯度设置为0、50、100、200、
400、600、800、1000、1200、1500、1800、2000、2200μmol/
(m2·s),观测苗木叶片气孔导度对光辐射强度的响应。
1.2.3 环境因子 采用美国Vantagepro2自动气象站(Da
visInc.,USA),10min记录1次气温、相对湿度(2m处)、光
量子通量密度、降水量等气象因子;同时采用ML3X土壤水分
速测仪(Delta-TInc.,UK)测定盆栽土壤单位体积含水量;
土壤水分速测仪在测定前用烘干法标定。
1.3 数据分析
采用SPSS19.0统计分析软件对数据进行相关分析、单
—562—江苏农业科学 2016年第44卷第10期
网络出版时间:2016-10-31 14:17:04
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1214.S.20161031.1417.001.html
因素方差分析、多变量偏相关分析。
2 结果与分析
2.1 不同土壤水分下柠条叶片气孔导度的日变化节律
气孔是植物叶片与外界环境进行气体、水分交换的重要
通道,在调节植物水分状况中起关键作用。当供水和蒸腾需
水之间不平衡,特别是供小于需时,植物会适时作出各种响应
以减轻胁迫[9]。由图1可见,柠条叶片在水分胁迫下(T3、T4
处理),气孔导度峰值前移,于09:00达到峰值,之后叶部水分
亏缺提早出现,正午前后叶片气孔逐渐闭合,气孔导度逐渐降
低;而T1、T2处理下气孔导度在11:00达到峰值,T1、T2处理
日均值分别为(0.327±0.156)、(0.253±0.112)mol/(m2·
s);在低水平的土壤含水量下,苗木叶片气孔导度的日变化相
差不大,都维持在较低的水平,T3、T4处理的日均值分别为
(0.109±0.063)、(0.061±0.043)mol/(m2·s)。受水分胁
迫,T3、T4处理植物叶片气孔导度峰值与T1、T2处理相比分别
下降了61.7%、54.1%,76.1%、71.4%。气孔的运动直接调
控着蒸腾速率的变化,柠条气孔导度与蒸腾速率的变化规律
较为一致但并不同步(图2)。中午由于光照度大、气温高、空
气湿度低,植物为减少过度蒸腾失水,叶片气孔开度会减小或
关闭;15:00,在T2、T3处理下,蒸腾的减弱使叶细胞的含水量
得到一定程度的恢复,Tr分别出现峰值,而 Gc值则处于较低
点,这是由于此时大气温度较高甚至达到最高值,保卫细胞因
气温升高失水使气孔逐渐关闭,而植物的蒸腾作用因组织储
存水而滞后于气孔变化[10-11]。随着光照度的减弱,日落前后
气孔逐步关闭,蒸腾作用逐渐减弱。
2.2 不同土壤水分条件下柠条叶片气孔导度对光合有效辐
射的响应
在假设水汽、温度、湿度恒定的条件下,分析 Gc对 PAR
的响应。由图3、图4可见,T1、T2水分处理下,Gc、PAR呈现
指数正相关关系(P<0.001),拟合方程为 Gc=ae
PAR,可以解
释95.9%、90.5%的变量,同时随着土壤含水量的增加,Gc对
PAR的敏感性(a值)增加;当水分胁迫(T3、T4处理)增大时,
柠条叶片气孔导度随着光辐射强度的增加先增大后减小,即
在PAR<400μmol/(m2·s)时,Gc随着 PAR的增加迅速增
大,之后柠条叶片气孔导度对光合有效辐射的响应强度变弱;
当光合有效辐射达到1000μmol/(m2·s)左右时,PAR进一
步增强,植物叶片气孔导度逐渐下降,以防组织水势过度降低
造成植物萎蔫,用拟合方程Gc=aPAR
2+bPAR+c来描述,可
以解释63.9%、90.2%的变量(P<0.01),详见表1。在较低
光照度[PAR<400μmol/(m2·s)]下,无论是充分供水还是
水分胁迫条件下,柠条叶片气孔导度随着 PAR的增加而增
大,拟合方程为Gc=kPAR+c,但启动速度(可用常数c代表)
不同,由小到大依次为 T1处理(0.155)>T2处理(0.097)>
T3处理(0.018)>T4处理(0.011);在低光照度下,Gc对PAR
的敏感性(k)由高到底依次为 T3处理(k=0.0002,r
2 =
0932,P=0.005)>T1处理(k=0.0001,R
2=0.776,P=
0.031)>T2处理(k=9.322×10
-5,r2=0.829,P=0.02)>
T4处理(k=5.838×10
-5,r2=0.871,P=0.013)。由此可
见,在低光照度下,随着土壤含水量的降低,柠条叶片气孔导
度对光合有效辐射的响应表现为气孔启动速度下降,但轻度
水分胁迫下该响应过程的敏感性较高。
2.3 不同土壤水分条件下柠条叶片气孔导度与主要环境因
子的相关性分析
由表2可以看出,从环境因子对柠条叶片气孔导度的影
响来看,柠条叶片气孔导度与气温(Ta)、水汽压饱和亏缺
(VPD)、相对湿度(RH)、辐射强度、胞间CO2浓度有显著相
—662— 江苏农业科学 2016年第44卷第10期
表1 不同SWC下柠条叶片气孔导度光响应模型
水分处理 关系模型 r2 F值 P值
T1 y=0.1692e0.0003x 0.959 255.022 0.000
T2 y=0.108e0.0003x 0.905 105.344 0.000
T3 y=-3.305×10-8x2+8.393×10-5x+0.032 0.639 8.844 0.006
T4 y=-1.644×10-8x2+5.010×10-5x+0.014 0.902 46.215 0.000
  注:“”“”分别表示极显著(P<0.01)、显著(P<0.05)相关。下表同。
关关系,但在不同土壤水分条件下,影响气孔导度的主要因子
略有不同。在T1、T2处理下,Ta、VPD、RH、Ci是影响柠条叶片
气孔导度的主要因子,且呈现极显著的相关关系。由表3偏
相关分析结果可知,在 T1、T2、T3处理下,柠条叶片气孔导度
的主导因素为大气温度(Ta),贡献率 r
2分别为 49.7%、
292%、72.4%。在充分供水(T1处理)下,柠条气孔导度的
主要影响因子由大到小排序:Ta(偏相关系数 r=-0.705,
P<0.01)>VPD(偏相关系数r=0.399,P<0.05);在轻度水
分胁迫(T2处理)下,除 Ta外(偏相关系数 r=-0.540,P<
001),其他气象因子对气孔导度的影响不显著;在中度水分
胁迫(T3处理)下,柠条气孔导度的主要影响因子由大到小排
序:Ta(偏相关系数r=-0.851,P<0.01)>RH(偏相关系数
r=-0.831,P<0.01)>VPD(偏相关系数 r=0.773,P<
001)>Ci(偏相关系数r=0.415,P<0.05),其贡献率 r
2分
别为72.4%、69.1%、56.7%、17.2%;在重度水分胁迫(T4处
理)下,柠条叶片气孔导度对温度的敏感性降低,且随着温度
的升高呈现显著的正相关,其影响因子由大到小排序:VPD
(偏相关系数 r=-0.875,P<0.01)>Ta(偏相关系数 r=
0639,P<0.01)>Ci(偏相关系数 r=0.530,P<0.01)。可
以看出,重度胁迫下 VPD成为影响柠条气孔导度的主要因
素,其贡献率为76.6%。
表2 不同水分条件下柠条叶片气孔导度与环境因子的相关分析
水分处理 类别 胞间CO2浓度
水汽压饱和亏缺
(kPa)
气温
(℃)
大气相对湿度
(%)
光合有效辐射
[μmol/(m2·s)]
T1 Pearson相关性 0.621 -0.853 -0.915 0.853 0.025
显著性(双侧) 0.000 0.000 0.000 0.000 0.878
T2 Pearson相关性 0.769 -0.891 -0.920 0.874 -0.134
显著性(双侧) 0.000 0.000 0.000 0.000 0.473
T3 Pearson相关性 0.408 -0.816 -0.873 0.768 -0.034
显著性(双侧) 0.028 0.000 0.000 0.000 0.860
T4 Pearson相关性 0.500 -0.963 -0.917 0.874 -0.422
显著性(双侧) 0.005 0.000 0.000 0.000 0.020
  注:N=33。
表3 不同水分处理下柠条叶片气孔导度与主要环境
影响因子的偏相关分析
水分处理 控制变量 分析变量
叶片气孔导度
[μmol/(m2·s)]
偏相关系数r P值
T1 VPD、RH、Ci Ta -0.705 0.000
VPD、RH、Ta Ci -0.324 0.051
VPD、RH、Ci RH -0.290 0.081
RH、Ci、Ta VPD 0.399 0.015
T2 RH、VPD、Ci Ta -0.540 0.003
VPD、RH、Ta Ci 0.281 0.147
VPD、RH、Ci RH -0.317 0.101
RH、Ci、Ta VPD 0.257 0.186
T3 RH、VPD、Ci Ta -0.851 0.000
VPD、RH、Ta Ci 0.415 0.035
VPD、RH、Ci RH -0.831 0.000
RH、Ci、Ta VPD 0.773 0.000
T4 RH、VPD、Ci Ta 0.639 0.000
VPD、RH、Ta Ci 0.530 0.005
VPD、RH、Ci RH 0.203 0.320
RH、Ci、Ta VPD -0.875 0.000
VPD、RH、Ta、Ci PAR -0.217 0.287
3 讨论与结论
植物气孔是调控“土壤 -植被 -大气”连续体之间物质
和能量交换的关键环节[12],气孔对环境因子的响应过程及其
对主要驱动因子响应的敏感性随物种、干旱程度而不同。水
分对叶片气孔导度的影响表现为水分的降低会对气孔导度产
生抑制作用。随着水分胁迫程度的增强,柠条叶片气孔导度
明显降低,蒸腾失水减弱,柠条气孔导度与蒸腾速率的变化规
律较为一致但并不同步,表现在午后(15:00)植物的蒸腾作
用因组织储存水而滞后于气孔变化。正午前后气孔关闭后的
叶组织细胞水分得到一定程度的恢复,Tr出现2次峰值,而
此时Gc值仍处于较低点;之后随着光照度的减弱,蒸腾作用
随着气孔导度的降低逐渐下降。该过程说明,柠条通过控制
气孔的开放程度来适应较干旱的环境,以至于在较干旱、高温
的环境下表现出较强的水分调节能力。这与柯世省等研究水
分胁迫对云锦杜鹃、紫花苜蓿蒸腾速率和气孔导度的影响结
果[13-14]较为一致。
光合有效辐射强度对柠条叶片气孔导度的影响与土壤有
效水供给能力有关。在充分供水、轻度水分胁迫下,气孔导度
对光合有效辐射的敏感性随着土壤含水量的增加而增加;当
中度、重度水分胁迫出现时,柠条叶片气孔导度随着光辐射强
—762—江苏农业科学 2016年第44卷第10期
度的增加先增大后减小,即在PAR<400μmol/(m2·s)时,Gc
随着PAR的增加迅速增大,之后柠条叶片气孔导度对光合有
效辐 射 的 响 应 强 度 变 弱,当 光 合 有 效 辐 射 达 到
1000μmol/(m2·s)左右时,PAR进一步增强,植物叶片气
孔导度逐渐下降,以防止组织水势过度降低造成植物萎蔫,这
与干旱胁迫下柠条叶片蒸腾的光响应过程较为一致[15]。在
低光照度下,柠条叶片气孔导度对光合有效辐射的响应表现
为随着土壤含水量的降低,气孔启动速度下降,但轻度水分胁
迫下该响应过程的敏感性较高。
由于不同植物的遗传特性、测定时的环境、时间尺度的不
同,以及未考虑各个环境因子的相互作用对气孔导度的影响,
由此得到的气孔导度与环境因子之间的关系也不尽一致[16]。
不同土壤水分条件下主要环境因子对柠条叶片气孔导度的综
合影响表明,在充分供水、轻度水分胁迫、中度水分胁迫条件
下,柠条叶片气孔导度的主导因素为大气温度;对于重度水分
胁迫(田间最大持水量的20%~40%),柠条叶片气孔导度对
温度的敏感性降低,重度胁迫下水汽压饱和亏缺(VPD)成为
影响柠条气孔导度的主要因素,说明在缺水情况下柠条气孔
对VPD的响应比较高土壤水分含量处理敏感。气孔对环境
因子的响应规律是十分复杂的,各种环境因子间以及环境因
子对植物体的作用都存在交互作用[17-20],叶片气孔特性具有
异质性,且其对胁迫环境响应也有很大的差异[8],如左应梅
等分析土壤相对含水量、光合有效辐射和空气相对湿度对华
南8号木薯的综合影响发现:当土壤相对含水量较低时,土壤
相对含水量是影响气孔导度的主导因子[21];随着土壤相对含
水量的增加,影响气孔导度的主导因子由土壤相对含水量转
变为光合有效辐射。孙林等对华北落叶松冠层气孔导度的影
响因子研究认为,PAR是Gc的驱动因子,VPD则是Gc的限制
因子[22]。气孔对干旱的适应方式有前馈式反应、反馈式反应
2种[4],对于柠条在重度水分胁迫下的表现则为前馈式反应,
即水气压亏缺直接作用而引起气孔关闭以阻止水势的进一步
下降,从而建立预警系统。
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—862— 江苏农业科学 2016年第44卷第10期