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环境变化生态效应研究组揭示杨树水分利用和环境变化关系

来源: 发布时间:2020-03-24 13:36:11 点击数: 使用提问咨询价格


冯兆忠教授团队在环境变化对杨树水分利用效率影响方面取得新进展,该项成果近期正式发表于国际森林生态领域的重要刊物Forest Ecology and Management 上。
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本研究主要研究了两个方面:一个是未来臭氧升高是否抑制了杨树的水分利用效率,另一个是如果限制杨树的供水,能不能降低臭氧的负面影响结果发现,臭氧污染损害了杨树的光合能力并导致了水分利用效率的降低,但是限制供水也不能消除臭氧对水分利用效率的负面影响

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(一)研究背景

目前还不清楚O3和水分限制的生理反应是如何相互作用来影响整个叶片的水分利用效率(WUE),以及这些水分利用效率的响应将可能如何影响生态系统的生产力


(二)科学问题&研究方法&假设和结果

1、科学问题:升高的O3浓度和有限供水对WUE分别的影响以及交互作用对其的影响。

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北京延庆实验站开顶式气室

2、研究方法:开顶室,O3敏感型杨树苗。 研究期间土壤水分含量(soil water content)随不同O3浓度-供水状况变化情况见图1

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图1  臭氧和控水处理下的土壤含水量


3、假设和结果:

(1)假设:O3升高会导致光合能力受损以及气孔调节能力丧失,从而导致WUE降低。--结果:部分支持假设,因为O3对冠层中部叶片的气孔导度没有影响。但在臭氧升高处理下土壤含水量(SWC)比过滤臭氧处理低,表面在升高的O3下长期蒸腾速率增加的间接证据。

(2)限制供水条件下,气孔关闭导致的蒸腾降低高于对光合能力的影响使得WUE升高。--结果:反对假设,因为此研究的结果显示,限制供水之所以对WUE有积极影响,是因为长期蒸腾速率的降低以及光合的增强,而非水分损失的影响大于光合。

(3)限制供水能够使得气孔吸收的O3降低,从而减轻杨树暴露在O3中的负面生理影响。--反对假设,该研究中没有找到限制供水与臭氧污染对气孔导度的交互作用从而减轻O3的负面影响的证据。而且研究结果发现,尽管此研究的限制供水升高了单位面积的光合速率和水分利用效率,限制供水会导致杨树拥有更少以及面积更小的叶片,而这可能会限制植株的碳吸收,并导致植株的高度和直径减小。


(三)具体研究结果

1、O3的影响:

1)在升高的O3浓度下,基于气体交换测量的叶片固有水分利用效率(iWUEge)下降(图2),这是由于光合能力、叶肉细胞导度(mesophyll conductance)以及表观量子效率(apparent quantum yield)显著降低,但气孔导度并没有被影响。

(2)升高的O3浓度导致了显著的叶片衰老,但对其它形态上的变异并未有显著影响。

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图2  臭氧和限制供水对基于气体交换和稳定同位素计算水分利用效率的影响

2、水分的影响:

1δ18O测定显示,获得更少水分的植株,其iWUEge和基于同位素测定的固有水分利用效率(iWUEiso)升高(图2),这是由于其光合能力更强、蒸腾速率更低。

2)更少的水分供给显著降低了整体的植株生长(树高、茎干直径、叶片数量、单叶投影面积)(图3)。

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图3  臭氧和限制供水对杨树叶片数量、单个叶片面积、株高和基径的影响


3、O3-水分的影响:

1)降低水分可利用性能够阻止O3诱导的比叶重降低以及叶片损失增加(图4)。

(2)并未有显著的O3-水分可利用性的相互作用影响了生理和形态上的变异。

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图4  比叶重与饱和光合速率、叶肉导度、最大羧化速率、最大电子传递速率和表观电子产量的关系

(四)研究结论

1、限制供水无法降低O3对杨树的光合生理过程的伤害。

2、无论未来植物的可利用水分如何变化,高O3浓度都会降低叶片的iWUEge。

3、在未来更加干燥和温暖的气候下,O3-敏感型杨树的低水分利用效率很可能对生长和健康都产生负面影响。


文章第一作者为中国科学院生态环境研究中心博士生徐彦森,通讯作者为南京信息工程大学应用气象学院冯兆忠教授。本研究得到国家自然科学基金(41771034)、中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-DQC019等经费的支持。

 

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