全 文 :*通讯作者,E-mail:xiongkn@163.com
收稿日期:2013-11-19;修回日期:2014-04-22
基金项目:国家“十二五”科技支撑计划重大项目“喀斯特高原峡
谷石漠化综合治理技术与示范”(2011BAC09B01);贵州省重大科技
攻关专项“贵州草地生态畜牧业关键技术研究及集成示范”(黔科合
重大专项字〔2011〕6009号)
作者简介:池永宽(1988- ),男,河北廊坊人,在读硕士研究生,
主要研究方向为喀斯特生态建设与区域经济,发表SCI论文2篇、中
文核心1篇,E-mail:hebeichiyongkuan@163.com.
文章编号:1673-5021(2014)04-0116-05
喀斯特石漠化地区三种豆科牧草光合与蒸腾特性的研究
池永宽1,2,熊康宁1,2,*,张锦华1,3,王元素1,2,张 俞1,2
(1.贵州师范大学中国南方喀斯特研究院,贵州 贵阳 550001;2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地,
贵州 贵阳 550001;3.贵州省畜牧兽医研究所,贵州 贵阳 550005)
摘要:在晴天条件下研究了喀斯特石漠化地区白三叶、红三叶、紫花苜蓿的净光合速率、蒸腾速率、水分利用效
率等光合生理生态特性,结果表明:白三叶、红三叶和紫花苜蓿的日均净光合速率分别为10.01μmolCO2/m
2·s、
8.48μmolCO2/m
2·s、8.07μmolCO2/m
2·s,白三叶日均净光合速率高于后两者,同时白三叶日均蒸腾速率又低于红
三叶和紫花苜蓿。相对而言,白三叶属于高光合、低蒸腾型,红三叶净光合速率和蒸腾速率中等,紫花苜蓿则属于低
光合、高蒸腾型,白三叶水分利用效率高于红三叶和紫花苜蓿。从净光合速率、蒸腾速率及水分利用效率等角度综
合考虑,白三叶与红三叶、紫花苜蓿相比更适合喀斯特石漠化地区特殊生境条件。
关键词:喀斯特;石漠化;豆科;净光合速率;水分利用效率
中图分类号:Q945.1 文献标识码:A
植物叶片结构特征和光合特性与其所处的环境
密切相关,对不同的生境条件会表现出不同的适应
特性和适应机制[1~4]。研究一定生境条件下植物叶
片的光合特性和结构特征是植物适应性研究的重要
内容[5~7]。牧草的光合生理生态特性在国内外已有
大量研究[8~10],但在高温、干旱、降雨不均、土层浅
薄贫瘠的喀斯特石漠化地区研究却很少。光合作用
是一个对外界环境变化非常敏感的生理过程[11],对
植物光合特性进行研究可以了解不同植物光能利用
特点的差异及生理机制,也是揭示不同植物对环境
生态适应性机制的有效途径[12]。
白三叶(Trifolium repens L.)、红三叶(Tri-
folium pratense L.)和紫花苜蓿(Medicago sativa
L.)均是优质豆科牧草,产草量高,品质优良,各种
家畜均喜食,在草地中兼有提供优质牧草和固定氮
素的双重作用,对家畜蛋白质供应和草地氮循环起
着极其重要的作用[13]。选择适宜的植物是建植优
质牧草基地的关键和前提[14~15]。本研究对喀斯特
石漠化地区种植的三种豆科牧草的净光合速率、蒸
腾速率及水分利用效率等生理生态指标进行测定,
研究不同豆科牧草对喀斯特石漠化地区的生理适应
性,以期为合理建植豆科牧草基地提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区自然概况
研究区位于贵州省毕节撒拉溪国家“十二五”石
漠化综合治理示范区,105°02′01′′~105°08′09′′E、
27°11′36′′~27°16′51′′N,属于典型的轻中度石漠化
地区,平均海拔1600m,主要是高中山地貌类型,出
露石灰岩,基岩裸露面积大,土壤母质疏松,风化快,
水土流失严重。主要土壤类型为黄壤。地貌类型多
样,地形破碎,耕地多分布于坡面上、台地和山间谷
地,常形成环山梯地和沟谷坝地。耕层浅薄、肥力较
低。该区属亚热带季风湿润气候,冬无严寒,夏无酷
暑,干湿分明,冬春旱,夏季涝,年平均气温约12℃,
无霜期245d,年平均日照时数1360h,多年平均降雨
量984.4mm,流域内阴雨天气较多,日照少,热量不
足。降水季节分布不均匀,80%以上的降水集中在
6~9月,且降水多由岩隙渗入地下,区域内人畜用
水及农业用水困难。植被为以青冈[Cyclobalanop-
sis glauca (Thunb.)Oerst.]、火棘[Pyracantha
fortuneana (Maxim.)Li]、杜鹃 [Rhododendron
simsii Planch.]为主的藤刺灌丛,局部山坡和居民
地四周分布有以零星的云南松(Pinus yunnanensis
Franch.)等为主的疏残林。
1.2 试验材料与研究方法
试验材料为白三叶、红三叶、紫花苜蓿,2012年
冬闲开始整地,4月9日播种。行距均为30cm,条
—611—
第36卷 第4期
Vol.36 No.4
中 国 草 地 学 报
Chinese Journal of Grassland
2014年7月
Jul.2014
状撒播,播种量分别为15kg/hm2、22.5kg/hm2 和
14.4kg/hm2。田间光合试验测定于2013年9月17
日7∶00~19∶00时段进行,每隔2h测定1次(即
8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00测
定,共6次)。随机选取3株植物上部向阳充分展开
的成熟叶片进行试验。光合测定仪采用英国 ADC
Bioscientific公司生产的Lcpro+便携式光合测定
仪,使用红蓝光源叶室进行叶片瞬时光合速率等指
标测定。主要测定指标包括:净光合速率 (A,
μmolCO2/m
2·s)、蒸腾速率(E,mmolH2O/m2·s)、
CO2 气孔导度(Gs,molH2O/m2·s)、细胞间 CO2
浓度(Ci,μmol/mol)、大气温度(T,℃)、光合有效辐
射(PAR,μmol/m
2·s)、大气压(P,Mbar)。采用
SPSS 20和Excel 2007进行数据统计分析与绘图。
水分利用效率 WUE= A/E,反映牧草CO2 光合同
化作用和蒸腾水分消耗的关系。
2 结果与分析
2.1 大气参数日变化
试验从早晨8∶00开始进行,当时 PAR 为
160.40μmol/m
2·s,随着时间变化PAR迅速升高,
在12∶00达到峰值,为1887.88μmol/m
2·s,1d中
PAR的最低值出现在18∶00,PAR日均值1078.43
μmol/m
2·s。测定日日均气温为33.26℃,最高温
达42.15℃(12∶00),最低温为19.16℃(8∶00)。
大气压平均值为825.43Mbar,最大值出现在中午
12∶00,为827.25Mbar,最小值出现在18∶00,为
823.88Mbar。
2.2 净光合速率日变化
由图1可见,喀斯特石漠化示范区白三叶、红三
叶、紫花苜蓿的净光合速率具有明显的日变化特征,白
三叶为“单峰”曲线,红三叶、紫花苜蓿为“双峰”曲线。
白三叶净光合速率从8∶00开始呈直线增长,10∶00
达到峰值,在12∶00和14∶00仍保持较高的光合速
率,未出现光合“午休”现象。红三叶谷值出现在
12∶00,10∶00和14∶00出现峰值(最大值)和次峰值,
呈典型的光合午休现象。紫花苜蓿光合午休时间推
迟,谷值出现在14∶00,峰值出现在10∶00(最大值)和
16∶00(次峰值),光合“午休”现象推迟到14∶00左右,
呈现非典型的“双峰”曲线。白三叶的日均净光合速率
高于红三叶和紫花苜蓿,分别为白三叶(10.01±5.35
μmolCO2/m
2·s)>红三叶(8.48±3.65μmolCO2/m
2·s)
>紫花苜蓿(8.07±4.00μmolCO2/m
2·s)。
图1 三种牧草净光合速率的日动态变化
Fig.1 The daily dynamic change on net photosynthetic
rate of experimental forage grasses
2.3 蒸腾速率日变化
白三叶、红三叶和紫花苜蓿蒸腾速率日变化趋
势明显不同。从图2可以看出,白三叶的蒸腾速率
日变化曲线表现为“双峰”型,峰值出现在12∶00和
16∶00,分别为 9.84mmolH2O/m2 ·s和6.14
mmolH2O/m2·s,14∶00出现谷值,为非典型的蒸
腾“午休”型;红三叶的蒸腾速率日变化则是在14∶00
出现峰值的“单峰”曲线,为非典型的蒸腾“午休”型,
最低值出现在8∶00;紫花苜蓿蒸腾速率日变化曲
线为“单峰”型,蒸腾速率峰值出现推迟到16∶00,
为11.29mmolH2O/m2·s,未出现蒸腾低谷。比较
而言,紫花苜蓿的日均蒸腾速率要高于白三叶和红
三叶,分别为紫花苜蓿(7.66±4.12mmolH2O/m2·s)
>红三叶(5.29±1.86mmolH2O/m2·s)>白三叶
(5.11±2.77mmolH2O/m2·s)。
2.4 水分利用效率日变化
水分利用效率(WUE)是指植物消耗单位水分
所生产同化物质的量[10],本研究采用瞬时水分利用
效率即净光合速率与蒸腾速率的比值。白三叶、红
三叶、紫花苜蓿水分利用效率的日变化进程差异较
大,可分为:白三叶日变化曲线为“峰谷”型;红三叶、
紫花苜蓿的日变化曲线为“平缓”型。水分利用效率
日均值白三叶(1.94±1.01mmolH2O/m2·s)>红
三叶(1.57±0.27mmolH2O/m2·s)>紫花苜蓿
(1.20±0.62mmolH2O/m2·s)。
2.5 气孔导度日变化
—711—
池永宽 熊康宁 张锦华 王元素 张 俞 喀斯特石漠化地区三种豆科牧草光合与蒸腾特性的研究
图2 三种牧草蒸腾速率的日动态变化
Fig.2 The daily dynamic change on transpiration rate
of experimental forage grasses
图3 三种牧草水分利用效率的日动态变化
Fig.3 The daily dynamic change on water use efficiency
of experimental forage grasses
白三叶和红三叶的气孔导度在8∶00出现最大
值,以后都呈逐渐下降的趋势;紫花苜蓿在10∶00达
到峰值后,迅速下降到一定程度保持较为平稳的波
动(图4)。紫花苜蓿的气孔导度在8∶00~10∶00
基本稳定为0.54molH2O/m2·s,然后逐渐降低,
18∶00达到最低值0.13molH2O/m2·s。白三叶在
8∶00出现气孔导度最大值,为0.53molH2O/m2·s,然
后持续下降到14∶00的最低值0.12molH2O/m2·s,此后
缓慢上升。红三叶同样也是在8∶00出现最大值
0.78molH2O/m2·s,然后逐渐下降,在16∶00达
到最低值0.11molH2O/m2·s。三种豆科牧草气孔
导度日均值紫花苜蓿(0.33±0.18molH2O/m2·s)
>红三叶(0.30±0.25molH2O/m2·s)>白三叶
图4 三种牧草气孔导度的日动态变化
Fig.4 The daily dynamic change on stomatal conductance
of experimental forage grasses
(0.28±0.17molH2O/m2·s)。
2.6 细胞间CO2 浓度日变化进程
三种豆科牧草细胞间CO2 浓度均为低谷型,均
在8∶00出现最大值(白三叶357.6μmol/mol、红三
叶335.36μmol/mol、紫花苜蓿323.4μmol/mol),在
12∶00~16:00出现谷值,分别是白三叶159.86
μmol/mol(12∶00)、红 三 叶 194.71μmol/mol
(16∶00)、紫花苜蓿239.875μmol/mol(12∶00)。
三种豆科牧草细胞间 CO2 浓度日均值紫花苜蓿
(275.13± 35.66μmol/mol)>红三叶(247.95±
56.77μmol/mol)>白三叶(239.22±69.12μmol/mol)。
图5 三种牧草细胞间CO2 浓度的日动态变化
Fig.5 The daily dynamic change on intercelular CO2
concentration of experimental forage grasses
3 结论与讨论
毕节撒拉溪喀斯特石漠化综合治理示范区地处北
—811—
中国草地学报 2014年 第36卷 第4期
亚热带季风气候区,多年平均降雨量达984.4mm,但由
于喀斯特生态系统的脆弱性,降水形成的地表水很
快沿岩溶裂隙向地下渗漏,地表不能存降水,加上土
层薄,成土速度慢,岩石裸露,地表蒸发水分快,只有
少量的水保存在土壤中。特殊的喀斯特地质条件要
求种植的人工牧草要具有较高的水分利用效率,即
具有高光合速率和低蒸腾速率的最佳结合点。
试验测定开始时光照强度、气温及净光合速率
均较低,随着时间变化光合有效辐射持续增强,气温
和光强上升,净光合速率增高,白三叶净光合速率在
10∶00达到峰值,说明白三叶对高光合有效辐射及
高温采取休眠形式关闭气孔减少自身水分散失和物
质消耗。红三叶净光合速率在10∶00和14∶00出
现峰值,在12∶00出现典型的光合“午休”现象,避
开高光合有效辐射。紫花苜蓿净光合速率在10∶00
和16∶00出现峰值,在14∶00出现非典型的光合
“午休”现象,达到净光合速率谷值,同样也说明了紫
花苜蓿对高光合有效辐射及高温敏感,采取休眠形
式关闭气孔减少自身水分散失和物质消耗。白三
叶、红三叶和紫花苜蓿均存在共同的生理特性,即对
高光合有效辐射及高温敏感,采取休眠形式关闭气
孔减少自身水分散失和物质消耗。
三种豆科牧草蒸腾速率日变化呈现不同的趋
势,说明同科不同属种牧草在蒸腾作用上存在较大
差异。与净光合速率相反,白三叶的日均蒸腾速率
稍低于红三叶和紫花苜蓿,这使得白三叶的水分利
用效率高于红三叶和紫花苜蓿,说明在相同的水分
条件下白三叶能够生产更多的生物量。在喀斯特石
漠化地区基岩出露,地表覆盖度低,使得石漠化地区
光合有效辐射总值会高于有林地。光照强度是加速
植物蒸腾的主要原因之一,喀斯特石漠化地区有效
光辐射较大,温度也较高,植物一般通过自身的蒸腾
调节作用降低组织温度,免受灼伤。草地初级生产
力很大程度上取决于水分利用效率,在喀斯特石漠
化地区建植人工草地,需要考虑净光合速率、蒸腾速
率及水分利用效率等,要采取不同种类牧草配备措
施,既降低蒸腾速率减少水分损失,同时又能提高水
分利用率,缓解石漠化地区干旱缺水的现状。从上
述三个主要角度综合考虑:白三叶比红三叶、紫花苜
蓿更适合轻中度喀斯特石漠化地区的生境条件。
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Study on the Photosynthetic Rate and Water Use Efficiency
of Three Leguminous Grass Species in Karst Rocky
Desertification Area
CHI Yong-kuan1,2,XIONG Kang-ning1,2,ZHANG Jin-hua1,3,
WANG Yuan-su1,2,ZHANG Yu1,2
(1.South China Institute of Karst,Guizhou Normal University,Guiyang550001,China;
2.National Key Lab of Eco-environment of Karst Hillland in Guizhou Province,Guiyang
550001,China;3.Institute of Animal Husbandry and Veterinary,Guiyang550005,China)
Abstract:The ecophysiological characteristics of Trifolium repens,Trifolium pratense and Medica-
go sativain Karst rocky desertification area,including the net photosynthetic rate,transpiration rate and
water use efficiency,were studied in sunny days.The results showed that:the daily average net photosyn-
thetic rates of Trifolium repens,Trifolium pratense and Medicago sativa were 10.01μmolCO2·m-
2·s-1,
8.48μmolCO2·m-
2·s-1,8.07μmolCO2·m-
2·s-1 respectively.At the same time,the transpiration rate of
Trifolium repens was smaler than that of Trifolium pratense and Medicago sativa .Comparatively,
Trifolium repens was the species of high photosynthetic and low transpiration,and Trifolium pratense
belonged to the type of medium net photosynthetic and transpiration rate,and Medicago sativa was the
type of low photosynthetic and high transpiration.Water use efficiency of Trifolium repens was higher
than that of Trifolium pratense and Medicago sativa.Therefore,it’s inferred that Trifolium repens is
more suitable for the special habitat conditions in Karst rocky desertification area based on the net photo-
synthetic rate,transpiration rate and water use efficiency.
Key words:Karst;Rocky desertification area;Legume;Net photosynthetic rate;Water use efficiency
—021—
中国草地学报 2014年 第36卷 第4期