文章编号:1000-0240(2012)01-0155-
06不同立地条件下胡杨叶片稳定碳同位素组成
及水分利用效率的变化
收稿日期:2011-08-11;修订日期:2011-11-
09 基金项目:国家自然科学基金项目(4
0861026;40801001);国家社会科学基金项目(08XJY012;10CJY015);国家自然科学基金重点研究计划项目(91025024);青海省科技厅项目(2010276;2011-2-7437);青海师范大学科研创新基金资助 作者简介:曹生奎(
1979—),男,青海西宁人,副教授,2010年在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所获博士学位,主要从事干旱区生态水文与水资源研究.E-mail:caosheng
kui@163.com曹生奎1,冯起2,司建华2,刘蔚2,曹广超1,陈克龙1,朱锦福1
(1.教育部青藏高原环境与资源重点实验室,青海师范大学生命与地理科学学院,青海西宁 810008;
2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州 730000
)摘 要:研究了黑河流域下游额济纳荒漠河岸不同立地条件下胡杨(Populus eup
hratica Olivier)叶片稳定碳同位素组成及水分利用效率的变化特征.结果表明:5个典型样地中,胡杨叶片δ13
C值在(-25.80±0.05)‰~(-29.19±0.05)‰间变化,均值为(-27.70±0.13)‰;就生长季胡杨叶片δ13 C均值而言,沙丘样地具有最高的δ13 C值,其次为戈壁样地,最低值出现在河岸低地.样地间δ13 C值的差异主要是由样地间土壤含水量和地下水埋深的不同导致的;整个生长季胡杨叶片δ13
C值在样地间表现为2种变化趋势.5个典型样地生长季胡杨水分利用效率在(60.41±0.47)~(
95.46±0.47)μmolCO2·(mmolH2O)-1间波动变化,其平均值为(75.69±1.37)μ
molCO2·(mmol H2O)-1
,
从水分利用效率波动范围和平均值可以看出,胡杨是个具有高水分利用效率的物种.从河岸低地到河岸沙堆
再到戈壁、沙丘,随着土壤含水量逐渐下降,地下水埋深逐渐加深,胡杨逐渐提高了其水分利用效率.关键词:胡杨;稳定碳同位素组成;水分利用效率;变化;极端干旱区中图分类号:Q946.91
文献标识码:A
0 引言
叶片稳定碳同位素组成(δ13
C)
不仅可以精确地反映植物的水分状况,而且可以综合反映植物的生理意义,是目前植物叶片长期水分利用效率研究的
最佳方法[1-3].目前,用稳定碳同位素组成(δ13
C)
研究植物水分利用效率的研究主要集中在探讨不同
地区或同一地区不同种植物δ13C与环境因子(主要是气候因子)之间的关系[4-6
].那些影响植物气体交换代谢过程的环境因子对许多植物δ13
C值也产生
影响,植物δ13
C值往往受降水量、土壤含水量、湿
度、温度、光照、氮素有效性及大气CO2浓度等多
种气候及环境因子的影响[
7-13
],并且各环境因子之间还会互相影响,甚至对植物δ13
C值产生完全相反的作用[14].因此,需对同种植物在小生境的δ13C组
成特点和水分利用效率进行研究.
胡杨(Populus euphratica Oliv)为我国三级重点保护植物,胡杨林生态系统具有维护分布区内生态平衡、保护资源与生物多样性的重要意义.联合国粮农组织(FAO)林木基因资源专家组于1993年6月召开的例会上,确定了全世界最急需优先保护
的林木基因资源,其中,胡杨是干旱和半干旱地区保护的重点.额济纳胡杨林是世界上仅存的三大天然胡杨林之一,随着黑河流域上中游用水量的增加,下泄水量的减少,地下水位持续下降,使胡杨林面积急剧缩小,胡杨林分状况同绿洲生态环境一
样正处于危机关头[15]
.胡杨依河岸两旁的沙堆,戈
壁,沙丘等立地分布.在这种情况下,胡杨不同立地条件下其水分利用状况也将发生变化.了解和掌握不同立地条件下胡杨的水分利用效率,对荒漠河岸胡杨依据立地条件进行合理水分分配具有十分重要的理论和实践意义.因此,本文利用稳定碳同位
第34卷 第1期2 0 1
2年2月冰 川 冻 土
JOURNAL OF GLACIOLOGY AND
GEOCRYOLOGYVol.34 N
o.1Feb.2 0 1
2
素法就不同立地条件下胡杨水分利用效率的季节变化进行研究,以了解其水分利用效率的变化特征.
1 研究区概括及研究方法
1.1 研究区概括
本研究区为黑河流域下游额济纳荒漠绿洲胡杨林国家自然保护区,地理位置为41°57′35.3″N,101°01′36.5″~42°01′40.86″N,101°03′45.12″E.研究区属典型的大陆性气候,具有降水量少,蒸发量大、冬季寒冷、夏季炎热、气温年较差和日较差大、光照充足、风沙多等气候特点.多年月平均气温8.78℃,降水十分稀少,多年月平均降水量为2.95mm,最少月份降水量只有0.2mm,降水多集中在每年的6—9月,约占全年降水量的70%~80%.多年月平均蒸发量是282.22mm,主要集中在6—8月.
在2008年生长季,依据目前胡杨在额济纳荒漠绿洲生长的最普遍生境,在胡杨林保护区挑选了5个典型胡杨样地,包括沙丘,戈壁,河岸低地,河岸平地和河岸沙堆,样地详细描述见参考文献[16].样地间距离小于20km,样地周围没有公路和其他化石燃料设施,样地间空气碳同位素被假定为没有显著差异.
1.2 研究方法
(1)地下水位和土壤水分测定.在所测定的胡杨林地打地下水位观测井一口,每15d时间观测1次.土壤水分探头埋设5层,每40cm为一层,自动数据采集器(Zeno3200-A-D)每10min记录1次,每月采用105℃烘干法测定0~200cm土层内的土壤含水率进行矫正.测定深度选择为(0~40cm,40~80cm,80~120cm,120~160cm,160~200cm),每个样地3个重复,进行土壤含水量测定后,各个剖面0~40cm深度的土壤样品用四分法混合后带回实验室用于土壤营养物的分析.
(2)叶片样品采集与分析.尽管样地间高度和密度有差异,但为了避免叶片成熟度和光照条件的影响,在每个采样期,上午08:00—10:00时采集向阳面同高度(6~7m)和胡杨枝条上位置相同的成熟叶片,每个树采集20个叶片,然后混合作为1个样品.叶片样品首先用蒸馏水漂洗,在105℃杀青确保溶质的最小变化,晾干,然后在60℃温度下烘48h至恒重,用植物样品粉碎
机(1093SampleMill,Sweden)将叶片粉碎过0.25mm筛.粉碎样品带回实验室用于分析.所有样品均在中国科学院
寒区旱区环境与工程研究所寒旱区水文及应用生态
实验室用Finnigan DELTAPlus XP稳定同位素质谱仪(Thereto Electron Corp.,Waltharn)进行测定.稳定同位素比率表示为:
δ13C(‰)=(Rsam/Rstd-1)×1000‰(1)式中:δ为样品相对于国际标准V-SMOW的同位素分差;Rsam为样品中元素的重轻同位素丰度之比(13C
sam
/12 C
sam
);R
std
为国际通用标准物的重轻同位素丰度之比(13Cstd/12Cstd).
(3)数据分析.水分利用效率由公式(2)计算得到[1-2]:
WUEL=Ca(1-δ
13 C
p-δ
13 Ca-a)(
2)
式中:δ13 C
p
和δ13 Ca分别为植物及大气CO2的碳同位素比率;a=4.4‰,代表CO2通过气孔时扩散分馏;b=27‰,指CO2被Rubisco羧化过程中的分馏.
使用SPSS 13.0统计软件进行数据整理和分析,对胡杨叶片δ13C值和水分利用效率值不同立地间的差异采用单因子方差分析(ANOVA),当测验存在显著差异时,各水平间的多重比较采用最小显著极差法(Duncan’s new multiple range test).
2 结果与讨论
2.1 样地间水分条件的变化
5个样地的土壤含水量(θ)在生长季表现为3种变化趋势(图1):1)5月土壤含水量较低,5—6月开始升高,6—8月减小,9月土壤含水量又逐渐恢复或者升高.如,沙丘和河岸沙堆样地;2)5月土壤含水量较高,而后逐渐减小至8月,9月土壤含水量增大.如,河岸胡杨低地和戈壁样地;3)5月土壤含水量较低,5—6月土壤含水量升高,然后一直减小,如河岸平地样地.造成土壤含水量5月较低,6月较高,而后6—8月逐渐减小的原因是5月气温较低,土壤蒸发较弱,6月气温逐渐升高,土壤蒸发和胡杨蒸腾增强,地下水持续上升补给土壤水分的损耗,造成土壤含水量有所升高,7—8月随着地下水埋深的加深,对土壤水分的补给减弱导致土壤含水量减小.9月出现不同变化情况是在于地下水得到河水补给,埋深变浅,出现重新补给土壤水的情况,加之气温下降,土壤和胡杨蒸散发减弱,土壤含水量得到恢复,如第一种情况;或者得到人工灌溉的,土壤含水量明显升高,如戈壁;再就是在河岸平地,由于得不到河水和周围土壤水分
6
5
1
冰 川 冻 土 34卷
的补给,9月份土壤含水量没能得到恢复而减小.5个样地平均土壤含水量(θ)从高到低依次为河岸胡杨低地(12.54%),河岸平地(8.72%),河岸沙堆(6.51%),戈壁(4.67%)和沙丘(0.83%).5个样地地下水埋深季节变化如图2所示,结
果表明,除沙丘样地外,地下水埋深在生长季一直缓慢下降,最浅埋深均出现在5月,最深埋深出现在生长季末期的9月.沙丘样地地下水埋深从5月开始逐渐下降,7月后逐渐有所回升.5个样地生长季平均地下水埋深依次为沙丘(-5.32m),戈壁(-3.86m),河岸沙堆(-3.00m),河岸胡杨平地(-2.33m)和河岸低地(-2.15m)
.
图1 不同立地土壤含水量的季节变化Fig
.1 Soil water contents in different plotsfrom May
to Septembe
r图2 不同立地地下水埋深的季节变化
Fig.2 Variations of groundwater dep
ths in different plotsduring
the growth period2.2 不同立地条件下胡杨叶片δ13
C值变化
不同立地条件下,胡杨叶片δ13
C值存在明显差异.如图3所示,5个样地中,胡杨叶片δ13
C值在
(-25.80±0.05)‰~(-29.19±0.05)‰间变化,均值为(-27.70±0.13)‰.整个生长季胡杨叶片
δ13
C值在5个样地间表现为2种变化情况:第一种
是从生长季初期δ13
C值就开始一直减小,在生长季
末期的8月或者9月出现最低值.如在河岸平地,河岸沙堆样地(图3a
);第二种是从生长季初期的5月开始δ13C值先减小,在生长旺盛期的7月出现最
低值,而后δ13
C值逐渐增大,如在沙丘,戈壁,河岸
低地样地(图3b).
5个样地生长季胡杨叶片δ13
C均值各样地也存
在差异(图4).沙丘样地具有最高的δ13
C均值
((-26.54±0.16)‰),其次为戈壁样地((-27.33±0.15)‰),再次为河岸沙堆((-27.88±
0.23)‰),δ13
C最低值出现在河岸低地(
(-28.48±0.19)‰),河岸平地样地胡杨叶片δ13
C均值处在
河岸低地和河岸沙堆之间,其均值为(-28.27±
0.15)
‰.
图3 不同立地条件下胡杨叶片δ13
C值的季节变化(同一曲线上不同小写字母表示同一立地不同生长阶段间的比较)
Fig.3 Foliarδ13
C values of P.eup
hraticain different plots from May
to Septembe
r图4 不同立地条件下胡杨δ13
C的均值比较Fig.4 Average values ofδ13 C of P.eup
hraticain different p
lots 不同样地间胡杨叶片δ13
C均值差异是由样地间
微环境差异引起的.样地间叶片δ13
C均值的最高值和最低值间相差近2‰,结合5个样地野外实际调
查可知,样地间土壤养分和组成差异不是很大,差异最大的是土壤水分条件和地下水埋深.也就是样
地间水分差异导致了样地间δ13
C值的差异.根据样
地间土壤含水量、地下水埋深和胡杨叶片δ13
C值的相关分析,二者均与δ13C值呈显著的负相关(
相关系数分别为-0.70和-0.61,p<0
.001).相类似的报道已有不少,如严昌荣等[17]
对暖温带落叶阔
叶林主要植物叶中δ13C值的种间差异及时空变化的
研究表明土壤水分含量对植物叶片的δ13
C值的高低
有较大影响,生长在干旱生境中的植物具有较高的
δ13C值.陈世苹等[18]
对沿土壤水分梯度黄囊苔草碳
7511期曹生奎等:不同立地条件下胡杨叶片稳定碳同位素组成及水分利用效率的变化
同位素组成的研究中也发现,在水分状况不同生境
条件下,黄囊苔草叶片δ13C值有显著的变化,变幅为1.8‰,与Ehlering
er[19]
在不同生境下扁果菊(Enceliaf
arinosa)种群中观察到约2‰的差异.可见,土壤水分条件,包括地下水埋深是影响
样地间胡杨δ13
C值产生较大差异的关键因子之一,在遭受水分胁迫后胡杨的δ13C值持续增大.据相关
研究报道,造成δ13
C值随水分条件变化的原因是在
干燥情况下,由于气孔运动使得Ci/Ca(胞间CO2
浓度与周围空气CO2浓度之比)减小,植物δ13C值增大[20].另外,不同立地条件下胡杨叶片δ13C的变
化不仅包含了土壤水分的影响,而且可能也包含了大气相对湿度的影响.
2.3 不同立地条件下胡杨水分利用效率的变化5个典型样地胡杨水分利用效率月变化如图5所示,结果表明,胡杨水分利用效率在(60.41±
0.47)~(95.46±0.47)μ
molCO2·(mmolH2O)-1
间波动变化,其平均值为(75.69±1.37)μ
molCO2·(mmolH2O)-1
,从水分利用效率波动范围和平均值可以看出胡杨是个具有较高水分利用效率的物种,样地间胡杨水分利用效率变化与δ13
C值
的变化趋势相同.样地间胡杨水分利用效率均值变化说明(图6),沙丘样地具有最高的水分利用效率均值,其次为戈壁,再次为河岸沙堆,水分利用效率最低值出现在河岸低地
.
图5 不同立地条件下胡杨水分利用效率的季节变化Fig.5 Seasonal variations of WUE of P.eup
hraticain different plots from May
to September 不同立地条件下胡杨水分利用效率变化结果表
明,从河岸低地到河岸沙堆再到戈壁、沙丘,随着土壤含水量逐渐下降,地下水埋深逐渐加深,胡杨
逐渐提高了其水分利用效率.Ehlering
er等[21]
也发现沿着一个土壤水分梯度即从土壤含水量较高的洼地到相对较干的坡地,所有植物种随着土壤水分可利用性的降低,植物提高了水分利用效率.水分利
用效率是植物对干旱响应的一个基本而重要的特性,它可以使植物通过维持较长的土壤水分可利用性而具有干旱避免的性能.有研究指出干旱胁迫会
提高植物群体水分利用效率[22-23
].可见,在胡杨遭
遇水分短缺时,它自身通过提高光合速率或者关闭气孔导度提高了其水分利用的效率,使水分利用的模式变得更保守,从而节约水分
.
图6 不同立地条件下生长季胡杨水分利用
效率的均值比较
Fig.6 Comparison of the average WUE in P.eup
hraticain different plots during
growth season3 结论
本文就不同立地条件下胡杨叶片稳定碳同位素组成及水分利用效率的变化进行了研究,得出以下结果论:
(1)5个典型样地中,胡杨叶片δ13
C值在(-25.80±0.05)‰~(-29.19±0.05)‰间变化,均值为(-27.70±0.13)‰.整个生长季胡杨叶片δ13
C值在样地间表现为2种变化情况:第一种是从
生长季初期δ13
C值就开始一直减小,在生长季末期
的8月或者9月出现最低值;第二种是从生长季初
期的5月开始δ13C值先减小,在7月出现最低值,而后δ13C值逐渐增大.
(2)5个样地生长季胡杨叶片δ13
C均值各样地
也存在差异.沙丘样地具有最高的δ13
C均值,其次为戈壁样地,再次为河岸沙堆,δ13C最低值出现在河岸低地.样地间δ13C值的这种差异主要是由样地
间土壤含水量和地下水埋深的不同导致的.(3)5个典型样地胡杨水分利用效率月变化结
果表明,胡杨水分利用效率在(60.41±0.47)~
(95.46±0.47)μmolCO2·(mmolH2O)-1间波动变化,其平均值为(75.69±1.37)μmolCO2·(mmolH2O)-1.样地间胡杨水分利用效率均值变化说明,
沙丘样地具有最高的水分利用效率均值,
8
51 冰 川 冻 土 3
4卷
其次为戈壁,再次为河岸沙堆,水分利用效率最低值出现在河岸低地样地.说明从河岸低地到河岸沙堆再到戈壁、沙丘,随着土壤含水量逐渐下降,地下水埋深加深,胡杨提高了其水分利用效率.
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