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        遼西北沙地常見針葉樹光合特征比較

        2020-10-12 12:29:38王曼
        防護(hù)林科技 2020年8期
        關(guān)鍵詞:針葉樹長(zhǎng)白武松

        王曼

        (遼寧省沙地治理與利用研究所,遼寧章古臺(tái)科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,遼寧 阜新 123000)

        遼寧省西北部降雨稀少,比較容易引發(fā)干旱而影響樹木的生長(zhǎng),針對(duì)這種情況當(dāng)?shù)卦谥矘湓炝诌^程中大多采用比較耐干旱的針葉樹種,比如樟子松、長(zhǎng)白松、彰武松、油松以及赤松等[1]。而植物在生長(zhǎng)過程中必須要進(jìn)行光合作用,但是外界環(huán)境因素很容易對(duì)其產(chǎn)生影響,植物的光反應(yīng)曲線能夠?qū)夂蠌?qiáng)度與光合速率之間的關(guān)系特征進(jìn)行充分、清晰的反應(yīng)。本文的研究主要是通過設(shè)置相同的外界環(huán)境,對(duì)比和探析以上五種針葉樹在夏季的光合以及水分利用能力。

        1 試驗(yàn)地概況

        試驗(yàn)地點(diǎn)位于遼寧省彰武縣章古臺(tái)鎮(zhèn),是典型的亞濕潤(rùn)大陸性氣候區(qū),年降水量450~550 mm,6—8月份降水較多,其他大部分時(shí)間都比較干旱多風(fēng)。年均氣溫6.1 ℃,年無霜期154 d,土壤以生草風(fēng)沙土為主。

        2 試驗(yàn)方法

        采用上述5種針葉樹的5年生苗木作為試驗(yàn)苗木,育苗杯的規(guī)格為30 cm×30 cm,先進(jìn)行圃地裝杯,之后將其埋入地下,另外要注意灌水充分,從而確保苗木的正常生長(zhǎng)。當(dāng)年8月5、6日通過Li-6400光合儀對(duì)當(dāng)年參與試驗(yàn)的5種針葉樹的新生葉片光合日變化規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)。在測(cè)量針葉面積時(shí),首先要在儀器室內(nèi)平鋪葉片,并進(jìn)行拍照,之后通過電腦對(duì)針葉寬度進(jìn)行測(cè)量,最后利用梯形面積法對(duì)針葉面積進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

        每天8:00—19:00為光合日變化測(cè)定時(shí)段,測(cè)定間隔為2 h,每天需要測(cè)定6次。在實(shí)際的測(cè)量過程中,工作人員穩(wěn)定儀器之后,對(duì)相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行詳細(xì)的記錄,5種苗木每一種隨機(jī)挑選3株,每株測(cè)量3次共得到9組數(shù)值,計(jì)算其平均值并記錄。之后,在8月6、7日上午9點(diǎn)到11點(diǎn)測(cè)量光響應(yīng)曲線,每5分鐘記錄一次,共得到10個(gè)梯度的光強(qiáng):0、10、30、60、150、300、600、1 000、1 500、1 800和2 000 μmolm-2s-1,每個(gè)樹種測(cè)量3次,之后通過直角雙曲線模型對(duì)光合速率進(jìn)行計(jì)算。相關(guān)數(shù)據(jù)全部計(jì)算得出后,利用Excel表格完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的作圖工作,在本次研究中利用Photosynthesis以及SPSS22.0計(jì)算飽和光照強(qiáng)度、表觀量子效率、光補(bǔ)償點(diǎn)、暗呼吸速率以及最大凈光合速率等參數(shù)[2]。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 環(huán)境因子日變化

        由圖1可知,氣溫最大值出現(xiàn)在正午時(shí)分,在其日間測(cè)量時(shí)間段內(nèi),空氣中的二氧化碳濃度不斷降低,直到18:00才緩慢回升。另外,8:00—15:00光照強(qiáng)度并沒有出現(xiàn)明顯的變化,但是15:00以后一直到6:00持續(xù)大幅下降。另外,8:00—10:00空氣濕度明顯提升,之后一直到12:00又開始下降,12:00以后又持續(xù)上升。

        圖1 日間環(huán)境因子變化

        3.2 光合反應(yīng)日變化

        從圖2光合速率日變化來看,5種針葉樹都呈雙峰型,其中9:00—11:00出現(xiàn)了第一個(gè)高峰,之后15:00—17:00出現(xiàn)了第二個(gè)高峰,而日間總光合速率最大的樹種是彰武松,其他4種樹種與之相比略小,不過并沒有顯著的差異。另外,從圖中還可以發(fā)現(xiàn),除了油松之外,其他4種樹種的蒸騰速率日變化都是一個(gè)單峰曲線,并且峰值出現(xiàn)的時(shí)間也有一定的差異,其中10:00樟子松出現(xiàn)了蒸騰峰值,12:00長(zhǎng)白松和赤松出現(xiàn)了蒸騰峰值,而從10:00—14:00彰武松一直保持較高的蒸騰速率[3]。蒸騰速率會(huì)對(duì)植物的水分狀況產(chǎn)生直接的影響,因此能夠?qū)χ参镞m應(yīng)干旱的能力進(jìn)行一定的反應(yīng)。另外,根據(jù)氣孔導(dǎo)度相關(guān)方面的測(cè)量數(shù)據(jù)可知,氣孔導(dǎo)度值在早晨最小,上午開始逐漸升高,這主要是因?yàn)樵绯康墓夂媳容^弱,之后光合作用開始逐漸增強(qiáng),氣孔也隨之張開。到正午時(shí)分,只有長(zhǎng)白松在氣溫和光強(qiáng)都比較高的情況下,氣孔導(dǎo)度達(dá)到了峰值,其余4種樹種的氣孔導(dǎo)度值都有所降低。下午各樹種的氣孔導(dǎo)度值都出現(xiàn)了緩慢地上升,之后隨著溫度以及光強(qiáng)的持續(xù)下降,樹木葉片的光合作用也越來越弱,氣孔也隨之關(guān)閉。彰武松的氣孔導(dǎo)度日間平均值在5種樹種中最大。最后,就胞間二氧化碳濃度的測(cè)量數(shù)據(jù)來看,早晨胞間二氧化碳濃度較高,這是因?yàn)樵绯康墓夂献钊?;同時(shí),正午時(shí)分胞間二氧化碳濃度也比較高,這是因?yàn)橹形鐦淠救~片上的氣孔已經(jīng)關(guān)閉,導(dǎo)致光合減弱。過了中午,隨著光合作用的逐漸增強(qiáng),胞間二氧化碳濃度也隨之下降,之后光合作用逐漸減弱,胞間二氧化碳濃度又隨之上升。

        圖2 凈光合速率與蒸騰速率日變化

        3.3 光能利用效率與水分利用率日變化

        水分利用率指標(biāo)能夠反映植物物質(zhì)生產(chǎn)與水分消耗之間的關(guān)系,該指標(biāo)主要受兩個(gè)方面因素的影響,即蒸騰速率和凈光合速率。由測(cè)得的數(shù)據(jù)可知,5種樹種的水分利用率最低值出現(xiàn)在正午時(shí)分,其中油松和樟子松全天水分利用率變化較小,而長(zhǎng)白松、赤松以及彰武松全天水分利用率變化較大。另外,在這5種針葉樹中水分利用率最低的是彰武松,而水分利用率最高的是長(zhǎng)白松[4]。

        光能利用率指標(biāo)能夠反映植物利用不同光強(qiáng)的能力。光能利用率越高,就表明植物對(duì)光能的吸收利用越容易、越充分,植物的生長(zhǎng)也會(huì)更加旺盛。從相關(guān)資料來看,每天上午9點(diǎn)到11點(diǎn)光能利用率會(huì)達(dá)到峰值,而在正午時(shí)分光能利用率會(huì)出現(xiàn)最低值。下午光能利用率會(huì)出現(xiàn)小幅回升,而光能利用率的最大值出現(xiàn)在每天下午的6點(diǎn)左右。5種樹種中光能利用率最低的是長(zhǎng)白松,光能利用率最高的是彰武松。

        3.4 Pn-PAR響應(yīng)曲線

        圖3表示5種針葉樹的光響應(yīng)曲線,其中位置比較靠下的是長(zhǎng)白松的光響應(yīng)曲線,而位置比較靠上的是彰武松。其中,彰武松在0~2 000 μmolm-2s-1這個(gè)光強(qiáng)范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的光合能力,而長(zhǎng)白松的光合能力比較弱,其余的三種針葉樹的光合能力差異不大。光響應(yīng)曲線特征參數(shù)可以通過相應(yīng)的擬合曲線計(jì)算出來,其中光補(bǔ)償點(diǎn)這個(gè)指標(biāo)主要表示植物利用弱光的能力,植物利用弱光的能力越強(qiáng)則該指標(biāo)越??;光飽和點(diǎn)這個(gè)指標(biāo)則是指植物利用強(qiáng)光的能;暗呼吸速率與葉片的生理活性密切相關(guān),主要是指在無光照的環(huán)境中植物的呼吸速率。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)可知,在本研究的5種樹種中,飽和光強(qiáng)最大的是樟子松,最小的長(zhǎng)白松。長(zhǎng)白松飽和光強(qiáng)較小說明其在生長(zhǎng)過程中對(duì)光強(qiáng)的要求不高。另外,暗呼吸速率最高的是樟子松,這表明其在生長(zhǎng)過程中具有旺盛的呼吸作用[5]。

        4 結(jié)論

        在光合速率日變化方面,5種針葉樹都表現(xiàn)出一定的規(guī)律,具體表現(xiàn)為雙峰曲線,但是不同樹種之間的變化規(guī)律具有較大的差異,其中以下兩個(gè)方面表現(xiàn)得最為明顯:一是凈光合速率峰值出現(xiàn)的時(shí)間;二是凈光合速率的日變幅。

        在水分利用率方面,可以利用這個(gè)指標(biāo)判斷植物是否能夠充分適應(yīng)干旱和半干旱環(huán)境。通過研究分析葉片水平上水分利用效率,能夠?qū)⒅参飪?nèi)在的耗水機(jī)制進(jìn)行充分的了解和把握。在這5種針葉樹中,光能利用率最好的是彰武松,其他4種則沒有明顯的差異。但是,彰武松與其他4種針葉樹相比,其水分利用率偏低。

        另外,需要說明的是在試驗(yàn)過程中,直角雙曲線模型與非直角雙曲線模型還存在一些問題,比如在實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)高于飽和光強(qiáng)的情況下,卻遠(yuǎn)低于最大光合速率,這充分說明這兩個(gè)模型在實(shí)際的應(yīng)用中在某些方面還存在一定的局限性,因此本文中的數(shù)據(jù)只能作為參考,相關(guān)方面的問題還需要進(jìn)行更加深入的研究。

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