高大气CO_2浓度下C3植物叶片水分利用效率升高的研究进展

大气CO2升高不仅造成一系列的气候变化反应,而且对植物的生理、生长等都有显著影响。本文对高大气CO2浓度下C3植物叶片的气孔密度、气孔导度以及植物的光合、蒸腾作用和水分利用效率影响的研究进展进行了论述,认为高大气CO2浓度下,植物叶片气孔密度明显降低,而气孔导度同样也下降了约30%左右。光合速率的增幅一般为50%~100%,不同植物蒸腾速率下降幅度表现极为不一致,约为10%~70%,水分利用效率则呈上升趋势,且氮肥处理充足下的WUE增加幅度比氮肥处理不充足的大。本文对它们之间的相互关系进行了分析,为培育高水分利用效率和节水作物品种提供理论依据。     

限根条件下供氮对玉米光合作用有关生理特性的影响

以玉米为供试作物,在遮雨棚内进行了微区田间试验,在不同水分与供氮条件下,分期测定了玉米自由水与束缚水比值和细胞汁液浓度、气孔导度和细胞间隙CO2浓度、核酮糖-1,5二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性和叶绿素含量、以及叶片的光合速率和作物产量,研究供氮对玉米光合作用有关生理特性的影响。结果表明,氮素对光合生理特性的影响受水分供应状况的制约:水分供应较好时,供氮提高了叶片自由水与束缚水比值,降低了叶肉细胞汁液和细胞间隙CO2浓度;增加了气孔导度,提高了RuBPCase活性和叶绿素含量,既有利于改善气孔因素,也有利于改善非气孔因素,显著提高光合速率和作物产量。水分胁迫较轻时,供氮降低了气孔导度,增加了CO2进入气孔的阻力,不利于光合作用,但却提高了叶片自由水与束缚水比值,降低了叶肉细胞汁液和细胞间隙CO2浓度,增加了RuBPCase活性和叶绿素含量。在这种情况下,光合作用的气孔因素受到影响,非气孔因素不但没有减弱,反而有所增强,因而光合速率和产量都有所提高。水分胁迫严重时,供氮不但抑制了光合作用的气孔因素,还更严重地抑制了非气孔因素,导致光合速率和作物产量严重下降。供氮对光合作用影响的水分依赖性为调控氮素营养提供了有力依据。     

锡林浩特草原区27种植物净光合速率影响因素的多因子分析

植物净光合速率的关键影响因子关系到草原生产力的波动和稳定性。实地测定锡林浩特草原22个样地27种共82株植物的光合指标和环境影响因子,采用Pearson相关性分析、多元回归分析、通径分析、决策系数分析等方法,分析各因子与草原植物净光合速率的关系。结果表明:锡林浩特草原区植物净光合速率与气孔导度、蒸腾速率呈极显著正相关,与胞间CO2浓度呈显著负相关;净光合速率与水分利用效率呈线性相关;在影响草原植物的环境因子中,净光合速率随大气相对湿度的增加而增大,而空气温度对净光合速率的影响并不显著;由通径分析可知,水分利用效率、蒸腾速率、气孔导度和大气相对湿度成为影响净光合速率的主要因素。决策系数表明,锡林浩特草原区植物的蒸腾速率、水分利用效率、气孔导度、胞间CO2浓度4个生理因子是净光合速率的主要决策变量,而环境参数中的空气温度和大气相对湿度,则成为净光合速率的限制性因素。影响草原植物净光合速率的因素有蒸腾速率、水分利用效率、气孔导度和大气相对湿度。     

中亚哈萨克斯坦西部过去～30000年以来有机碳同位素变化及其意义

选取位于中亚干旱区哈萨克斯坦中西部的VA剖面作为研究对象,在AMS14C测年基础上,分析了该剖面记录的过去～30000年以来的有机碳同位素组成变化。结果表明:该剖面记录的过去～30000年以来有机质碳同位素值(δ13Corg)变化于-26.19‰--22.12‰之间,均值为-23.77‰,植被主要为C3植物,C4植物仅仅在末次冰盛期出现且其相对丰度极低。因此VA剖面土壤有机碳同位素组成变化主要反映的是C3植物对气候环境因子的响应,进一步对影响该地区植物碳同位素因素的分析发现,降水是控制该地区C3植物碳同位素变化的主要因素,即:降水增多导致C3植物碳同位素值偏负,可以用来指示研究区古降水变化趋势,CO2浓度以及温度仅仅在末次冰盛期对C3和C4植物相对丰度有一定的影响。     

西伯利亚落叶松树轮稳定碳同位素对气候的响应

利用采自阿尔泰山南坡东段正格采点的西伯利亚落叶松树轮样本,建立树轮宽度年表,对比宽度年表,按照树轮稳定碳同位素研究步骤,提取树轮稳定碳同位素序列（δ¹³C）和去趋势序列（DS）。分析表明：阿尔泰山南坡东部近160 a西伯利亚落叶松树轮δ¹³C变化于-22.8‰～-25.4‰,平均值为-24.0‰,变差系数-0.017。相关分析表明：正格采点树轮宽度序列对各气候要素相关不显著;树轮去趋势序列（DS）对前期气候因子的响应也不敏感;在生长季内（5~9月）,树轮去趋势序列（DS）与富蕴气象站平均气温、平均最高气温和平均相对湿度有较好的相关性,树木生长季内的平均气温、平均最高气温与树轮去趋势序列（DS）显著正相关,6~7月平均最高气温与去趋势序列（DS）相关达到0.611（P<0.000 001);与生长季内平均相对湿度呈负相关关系,其中6~7月相对湿度与去趋势序列（DS）相关最高(r=-0.493, P<0.001),与7月降水量呈负相关关系(r=-0.459, P<0.01)。生长季内的平均最高气温和相对湿度对阿尔泰山西伯利亚落叶松树轮δ¹³C的响应最为敏感,阿尔泰山西伯利亚落叶松树木碳同位素分馏的主要控制因子为6~7月的平均最高气温,降水对树轮稳定碳同位素影响不大,相对湿度对树轮稳定碳同位素没有直接影响。     

小麦光合特性对二氧化碳浓度升高的响应

通过采用美国便携式光合作用测定系统实地设置不同CO2浓度,分析了CO2浓度升高对小麦产量贡献较强的两个时期(扬花期和灌浆期)净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度等光合特性的影响,预测了未来高二氧化碳浓度条件下小麦水分利用率的变化趋势.结果表明:小麦不同生育期(扬花期和灌浆期)随着CO2浓度增加,净光合速率,叶片胞间CO2浓度,叶片水分利用率总体呈现逐渐上升的趋势,叶片气孔导度和蒸腾速率都呈现先降后升再降的趋势,气孔限制值则呈现逐渐降低的趋势;小麦不同生育期(扬花和灌浆期)CO2浓度与净光合速率,叶片胞间CO2浓度,叶片水分利用率均呈现极显著的正相关,其中与叶片胞间CO2浓度的相关系数最高;与气孔导度和蒸腾速率在扬花期阶段呈现显著正相关,在灌浆期呈现负相关;而与气孔限制值在两个时期均呈现极显著负相关.     

冬小麦碳同位素分辨率与产量、旗叶光合性状的关系

为了明确不同水分环境下冬小麦碳同位素分辨率(Δ13C)与产量、光合相关性状之间的关系,研究以12份不同时期育成的主栽冬小麦品种为材料,在水(WW)、旱(WS)两种条件下研究碳同位素分辨率、籽粒产量、光合性状及旗叶气孔密度之间的相互关系。结果发现:光合速率、Δ13C、气孔导度、旗叶叶绿素含量、籽粒产量5个性状在干旱胁迫下表现为下降趋势,且与正常灌溉差异极显著;在两种水分条件下,气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率和Ci/Ca间均呈现极显著的正相关,籽粒Δ13C与籽粒产量均呈正相关,且正常灌溉条件下Δ13C与籽粒产量具有更高的相关性(0.27 WS;0.51 WW);干旱胁迫条件下,Δ13C与光合速率、气孔导度、E、胞间CO2浓度和Ci/Ca均呈正相关,其中与Ci/Ca显著相关;灌溉条件下,Δ13C与光合速率呈负相关(-0.42),与其它4个光合性状无显著相关性;Δ13C与旗叶表皮气孔密度均呈负相关(-0.49,-0.21 WS;-0.56,-0.61WW),其中在灌溉条件下与旗叶下表皮气孔密度呈显著负相关,旗叶表皮气孔密度受开花、灌浆期干旱胁迫影响小,稳定性好。研究表明,灌浆初期的旗叶气孔密度可以作为Δ13C的潜在替代指标。     

叶片气孔分布及生理特征对环境胁迫的响应

从干旱、遮荫、盐胁迫、重金属以及CO2浓度5个方面综述了植物叶片的气孔分布及其特性在不同胁迫环境下出现的形态和生理差异。结果表明:(1)干旱胁迫导致大多数植物叶片的气孔密度增大,气孔开度减少,而气孔的分布则随物种和胁迫程度不同而出现差异。(2)遮荫环境导致多数植物的气孔数量和气孔密度减小,气孔的形状发生改变,植物的气孔导度和净光合速率均明显降低。(3)盐胁迫将减少植物的叶片面积,改变叶片的组织结构,增加叶片的气孔密度,降低植物的气孔导度和净光合速率。(4)重金属胁迫则导致植物的气孔导度和胞间CO2浓度均呈现降低趋势。(5)大多数研究都表明叶片的外部形态及其气体交换等特征在提升CO2浓度后将受到显著影响。     

荒漠植物白麻气孔导度特征及其影响因子研究

依据2010年对干旱荒漠区白麻的观测资料,对白麻气孔运动及其影响因子进行了分析研究并揭示了荒漠植物白麻的水分利用特征。结果表明:(1)白麻气孔导度的整体下降过程中有少许周期性波动,与净光合速率、蒸腾速率和胞间CO2浓度的转折点基本一致。(2)白麻气孔导度与影响因子之间进行偏相关分析,多元回归分析,通径分析,最终得出白麻气孔导度主要受光合有效辐射(PAR)、水汽压亏缺(VPD)、叶气温差(ΔT)和空气温度(Ta)的影响。(3)白麻水分利用效率和气孔限制值的关系可以看出:水分利用效率随着气孔限制值的增大而增大,随着气孔限制值的减小而减小。     

水肥空间耦合对冬小麦光合特性的影响

在防雨棚管栽试验条件下,以品种“3279”为研究材料,通过7种不同处理来研究水肥空间耦合对冬小麦光合特性的影响,试验结果表明:不同的水肥耦合处理中,冬小麦的光合速率、气孔导度、细胞间隙CO2浓度有所不同,三者之间有很好的平衡关系。其中,深层施肥处理其小麦在生长后期能够维持较高的光合速率,但气孔导度却有所降低,有效地减少了水分散失,表现出很好的节水潜力。同样水分条件下维持同样高的光合速率时,深层施肥的肥上灌水与肥下灌水相比,其受水分影响小,叶绿素含量下降快。深施肥20 cm处灌水处理,在开花后小麦叶片光合作用最强,气孔导度小,细胞间隙CO2浓度高,具有更好的节水潜力。     

Application and verification of simultaneous determination of cellulose δ13C and δ18O in Picea shrenkiana tree rings from northwestern China using the high-temperature pyrolysis method

Stable isotopes in tree-ring cellulose provide important data in ecological, archaeological, and paleoenvironmental researches, thereby, the demand for stable isotope analyses is increasing rapidly. Simultaneous measurement of cellulose δ¹³C and δ¹⁸O values from tree rings would reduce the cost of isotopic commodities and improve the analytical efficiency compared with conventional separate measurement. In this study, we compared the δ¹³C and δ¹⁸O values of tree-ring α-cellulose from Tianshan spruce (Picea schrenkiana) in an arid site in the drainage basin of the Urumqi River in Xinjiang of northwestern China based on separate and simultaneous measurements, using the combustion method (at 1050°C) and the high-temperature pyrolysis method (at 1350°C and 1400°C). We verified the results of simultaneous measurement using the outputs from separate measurement and found that both methods (separate and simultaneous) produced similar δ¹³C values. The two-point calibrated method improved the results (range and variation) of δ¹³C and δ¹⁸O values. The mean values, standard deviations, and trends of the tree-ring δ¹³C obtained by the combustion method were similar to those by the pyrolysis method followed by two-point calibration. The simultaneously measured δ¹⁸O from the pyrolysis method at 1400°C had a nearly constant offset with that the pyrolysis method at 1350°C due to isotopic-dependence on the reaction temperature. However, they showed similar variations in the time series. The climate responses inferred from simultaneously and separately measured δ¹³C and δ¹⁸O did not differ between the two methods. The tree-ring δ¹³C and δ¹⁸O values were negatively correlated with standardized precipitation evapotranspiration index from May to August. In addition, the δ¹⁸O was significantly correlated with temperature (positive), precipitation (negative), and relative humidity (negative) from May to August. The tree-ring δ¹³C and δ¹⁸O values determined simultaneously through the high-temperature pyrolysis method could produce acceptable and reliable stable isotope series. The simultaneous isotopic measurement can greatly reduce the cost and time requirement compared with the separate isotopic measurement. These results are consistent with the previous studies at humid sites, suggesting that the simultaneous determination of δ¹³C and δ¹⁸O in tree-ring α-cellulose can be used in wide regions.     

祁连山高海拔雨养农业区油菜、小麦光合特性比较研究

在作物生长旺盛期,采用LI-6400便携式光合仪测定了祁连山高海拔雨养农业区环境因子和油菜、小麦叶片光合生理指标,比较了油菜、小麦及低海拔地区作物光合参数的差异性。结果表明:光合有效辐射和空气温度均呈单峰型日变化曲线,而空气湿度呈"S"型日变化曲线,大气CO2浓度为早晚较低,下午高。油菜和小麦的叶片净光合速率日变化均呈双峰型曲线,存在"午休"现象,且上午光合速率高于下午。油菜的蒸腾速率日变化呈双峰型曲线,小麦的蒸腾速率却呈单峰型曲线。气孔导度日变化大体呈"S"型曲线。光合有效辐射是影响叶片净光合速率和蒸腾速率的主要环境因子之一,空气湿度是气孔导度的主要影响因子。大气CO2浓度与小麦叶片的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度呈显著正相关关系。     

短时水分胁迫对水稻叶片光合作用的影响

为揭示水分胁迫下水稻叶片光合特性下降的生理原因,以水培的水稻幼苗为材料,测定30%PEG-6000模拟水分胁迫150 min过程水稻叶片光合特性、荧光参数和光合机构关键酶活性的变化。结果表明:短时水分胁迫处理0~60 min气孔导度快速下降,胞间CO_2浓度、净光合速率、蒸腾速率和荧光参数均降低;60~120 min气孔导度缓慢下降,Ru BP羧化酶活性开始快速下降,胞间CO_2浓度开始上升,非光化学猝灭仍然是上升趋势,其它光合荧光参数持续降低。120 min后,非光化学猝灭出现下降趋势,Ru BP羧化酶活性和胞间CO_2浓度分别保持下降和上升趋势,其它光合荧光参数持续降低。短时胁迫处理结果暗示,光合作用0~60 min主要受气孔限制,60~120 min受气孔限制和非气孔限制共同作用,120 min后主要受非气孔限制。     

胡杨光合蒸腾与影响因子间关系的研究

对胡杨光合速率和蒸腾速率同各主要影响因子间相关关系进行了研究。结果表明:胡杨光合速率和气孔导度间呈对数关系,蒸腾速率与气孔导度间呈线性关系;两者与光合有效辐射均呈多项式关系;与空气温度均呈二项式关系。结果说明胡杨属气孔限制型植物,气孔导度和光合有效辐射共同决定胡杨的光合和蒸腾作用。气温和相对湿度通过影响胡杨的气孔导度进而影响胡杨的光合速率和蒸腾速率。适宜胡杨进行光合气体交换的环境条件是光合有效辐射保持在1700μmol.m-2.s-1左右,温度保持在35℃左右,相对湿度保持在20%-30%间。     

黄土高原丘陵沟壑区川地和梯田茄子光合特性比较

采用Li-6400便携式光合系统仪,对黄土高原丘陵沟壑区川地和梯田茄子在覆膜与不覆膜两种栽培方式下的光合特性日变化进行了测定。结果表明:(1)茄子在川地与梯田不同栽培模式下光合速率、蒸腾速率和气孔导度的日变化均表现为"双峰"曲线,都具有明显的"午休"现象;引起川地茄子产生光合"午休"现象的主要原因是气孔因素;引起梯田茄子产生光合"午休"现象的一个重要原因是非气孔因素;(2)梯田茄子在不同栽培方式下的光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度日均值均显著高于川地茄子(P<0.01),而叶片水平水分利用效率日均值却显著低于川地茄子(P<0.01);(3)茄子在覆膜与不覆膜两种栽培方式下的光合特性日变化参数没有显著性差别(P>0.05)。     

Drought changes and the mechanism analysis for the North American Prairie

The worst droughts in the central part of the North American Prairie in the past several hundred years have been reconstructed from tree-ring chronologies,suggesting that some drought years have exceeded the severity shown by the gauge record.A general circulation model of the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL) has simulated climate changes for the area during the past 250 years driven by climatic forces,providing scenarios of extreme climate that can further diagnose the mechanisms.This study refined the drought signals from the tree ring data and GFDL modeling at inter-annual and decadal time scales and analyzed the potential mechanisms driving the droughts.Results showed that drought years with summer precipitation lower than the 10 th percentiles occurred during 1777-1789,1847-1861 and 1886-1879 AD in the area.Both tree rings and model revealed that the frequency of droughts has been relatively consistent in a similar timing and frequency with climate change.Monte Carlo analysis have detected that the tree ring chronologies have recorded drought years with probabilities of 9.3%-12.8%,and the model has simulated the droughts with probabilities 5.7%-17.8%.Under CO 2 and aerosol forcing,the GFDL modeled the drought recurrences of 13 years and 25 years,which are very synchronous changes with tree rings and consistent with gauge records.The 20-a and 10-a time scale reoccurrences of droughts are very consistent with solar radiation cycles,and similar to the length of cycles in oceanic records,suggesting that terrestrial precipitation modeling is properly driven from sun-land-sea dynamics.Detected severity,variability and return periods of droughts from the present study make potential improvements in drought predictions and constructing scenarios for climate impacts and adaptation strategies.