
文章編號:1000-0240(2012)01-0155-
06不同立地條件下胡楊葉片穩定碳同位素組成
及水分利用效率的變化
收稿日期:2011-08-11;修訂日期:2011-11-
09 基金項目:國家自然科學基金項目(4
0861026;40801001);國家社會科學基金項目(08XJY012;10CJY015);國家自然科學基金重點研究計劃項目(91025024);青海省科技廳項目(2010276;2011-2-7437);青海師范大學科研創新基金資助 作者簡介:曹生奎(
1979—),男,青海西寧人,副教授,2010年在中國科學院寒區旱區環境與工程研究所獲博士學位,主要從事干旱區生態水文與水資源研究.E-mail:caosheng
kui@163.com曹生奎1,馮起2,司建華2,劉蔚2,曹廣超1,陳克龍1,朱錦福1
(1.教育部青藏高原環境與資源重點實驗室,青海師范大學生命與地理科學學院,青海西寧 810008;
2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所,甘肅蘭州 730000
)摘 要:研究了黑河流域下游額濟納荒漠河岸不同立地條件下胡楊(Populus eup
hratica Olivier)葉片穩定碳同位素組成及水分利用效率的變化特征.結果表明:5個典型樣地中,胡楊葉片δ13
C值在(-25.80±0.05)‰~(-29.19±0.05)‰間變化,均值為(-27.70±0.13)‰;就生長季胡楊葉片δ13 C均值而言,沙丘樣地具有最高的δ13 C值,其次為戈壁樣地,最低值出現在河岸低地.樣地間δ13 C值的差異主要是由樣地間土壤含水量和地下水埋深的不同導致的;整個生長季胡楊葉片δ13
C值在樣地間表現為2種變化趨勢.5個典型樣地生長季胡楊水分利用效率在(60.41±0.47)~(
95.46±0.47)μmolCO2·(mmolH2O)-1間波動變化,其平均值為(75.69±1.37)μ
molCO2·(mmol H2O)-1
,
從水分利用效率波動范圍和平均值可以看出,胡楊是個具有高水分利用效率的物種.從河岸低地到河岸沙堆
再到戈壁、沙丘,隨著土壤含水量逐漸下降,地下水埋深逐漸加深,胡楊逐漸提高了其水分利用效率.關鍵詞:胡楊;穩定碳同位素組成;水分利用效率;變化;極端干旱區中圖分類號:Q946.91
文獻標識碼:A
0 引言
葉片穩定碳同位素組成(δ13
C)
不僅可以精確地反映植物的水分狀況,而且可以綜合反映植物的生理意義,是目前植物葉片長期水分利用效率研究的
最佳方法[1-3].目前,用穩定碳同位素組成(δ13
C)
研究植物水分利用效率的研究主要集中在探討不同
地區或同一地區不同種植物δ13C與環境因子(主要是氣候因子)之間的關系[4-6
].那些影響植物氣體交換代謝過程的環境因子對許多植物δ13
C值也產生
影響,植物δ13
C值往往受降水量、土壤含水量、濕
度、溫度、光照、氮素有效性及大氣CO2濃度等多
種氣候及環境因子的影響[
7-13
],并且各環境因子之間還會互相影響,甚至對植物δ13
C值產生完全相反的作用[14].因此,需對同種植物在小生境的δ13C組
成特點和水分利用效率進行研究.
胡楊(Populus euphratica Oliv)為我國三級重點保護植物,胡楊林生態系統具有維護分布區內生態平衡、保護資源與生物多樣性的重要意義.聯合國糧農組織(FAO)林木基因資源專家組于1993年6月召開的例會上,確定了全世界最急需優先保護
的林木基因資源,其中,胡楊是干旱和半干旱地區保護的重點.額濟納胡楊林是世界上僅存的三大天然胡楊林之一,隨著黑河流域上中游用水量的增加,下泄水量的減少,地下水位持續下降,使胡楊林面積急劇縮小,胡楊林分狀況同綠洲生態環境一
樣正處于危機關頭[15]
.胡楊依河岸兩旁的沙堆,戈
壁,沙丘等立地分布.在這種情況下,胡楊不同立地條件下其水分利用狀況也將發生變化.了解和掌握不同立地條件下胡楊的水分利用效率,對荒漠河岸胡楊依據立地條件進行合理水分分配具有十分重要的理論和實踐意義.因此,本文利用穩定碳同位
第34卷 第1期2 0 1
2年2月冰 川 凍 土
JOURNAL OF GLACIOLOGY AND
GEOCRYOLOGYVol.34 N
o.1Feb.2 0 1
2
素法就不同立地條件下胡楊水分利用效率的季節變化進行研究,以了解其水分利用效率的變化特征.
1 研究區概括及研究方法
1.1 研究區概括
本研究區為黑河流域下游額濟納荒漠綠洲胡楊林國家自然保護區,地理位置為41°57′35.3″N,101°01′36.5″~42°01′40.86″N,101°03′45.12″E.研究區屬典型的大陸性氣候,具有降水量少,蒸發量大、冬季寒冷、夏季炎熱、氣溫年較差和日較差大、光照充足、風沙多等氣候特點.多年月平均氣溫8.78℃,降水十分稀少,多年月平均降水量為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,約占全年降水量的70%~80%.多年月平均蒸發量是282.22mm,主要集中在6—8月.
在2008年生長季,依據目前胡楊在額濟納荒漠綠洲生長的最普遍生境,在胡楊林保護區挑選了5個典型胡楊樣地,包括沙丘,戈壁,河岸低地,河岸平地和河岸沙堆,樣地詳細描述見參考文獻[16].樣地間距離小于20km,樣地周圍沒有公路和其他化石燃料設施,樣地間空氣碳同位素被假定為沒有顯著差異.
1.2 研究方法
(1)地下水位和土壤水分測定.在所測定的胡楊林地打地下水位觀測井一口,每15d時間觀測1次.土壤水分探頭埋設5層,每40cm為一層,自動數據采集器(Zeno3200-A-D)每10min記錄1次,每月采用105℃烘干法測定0~200cm土層內的土壤含水率進行矯正.測定深度選擇為(0~40cm,40~80cm,80~120cm,120~160cm,160~200cm),每個樣地3個重復,進行土壤含水量測定后,各個剖面0~40cm深度的土壤樣品用四分法混合后帶回實驗室用于土壤營養物的分析.
(2)葉片樣品采集與分析.盡管樣地間高度和密度有差異,但為了避免葉片成熟度和光照條件的影響,在每個采樣期,上午08:00—10:00時采集向陽面同高度(6~7m)和胡楊枝條上位置相同的成熟葉片,每個樹采集20個葉片,然后混合作為1個樣品.葉片樣品首先用蒸餾水漂洗,在105℃殺青確保溶質的最小變化,晾干,然后在60℃溫度下烘48h至恒重,用植物樣品粉碎
機(1093SampleMill,Sweden)將葉片粉碎過0.25mm篩.粉碎樣品帶回實驗室用于分析.所有樣品均在中國科學院
寒區旱區環境與工程研究所寒旱區水文及應用生態
實驗室用Finnigan DELTAPlus XP穩定同位素質譜儀(Thereto Electron Corp.,Waltharn)進行測定.穩定同位素比率表示為:
δ13C(‰)=(Rsam/Rstd-1)×1000‰(1)式中:δ為樣品相對于國際標準V-SMOW的同位素分差;Rsam為樣品中元素的重輕同位素豐度之比(13C
sam
/12 C
sam
);R
std
為國際通用標準物的重輕同位素豐度之比(13Cstd/12Cstd).
(3)數據分析.水分利用效率由公式(2)計算得到[1-2]:
WUEL=Ca(1-δ
13 C
p-δ
13 Ca-a)(
2)
式中:δ13 C
p
和δ13 Ca分別為植物及大氣CO2的碳同位素比率;a=4.4‰,代表CO2通過氣孔時擴散分餾;b=27‰,指CO2被Rubisco羧化過程中的分餾.
使用SPSS 13.0統計軟件進行數據整理和分析,對胡楊葉片δ13C值和水分利用效率值不同立地間的差異采用單因子方差分析(ANOVA),當測驗存在顯著差異時,各水平間的多重比較采用最小顯著極差法(Duncan’s new multiple range test).
2 結果與討論
2.1 樣地間水分條件的變化
5個樣地的土壤含水量(θ)在生長季表現為3種變化趨勢(圖1):1)5月土壤含水量較低,5—6月開始升高,6—8月減小,9月土壤含水量又逐漸恢復或者升高.如,沙丘和河岸沙堆樣地;2)5月土壤含水量較高,而后逐漸減小至8月,9月土壤含水量增大.如,河岸胡楊低地和戈壁樣地;3)5月土壤含水量較低,5—6月土壤含水量升高,然后一直減小,如河岸平地樣地.造成土壤含水量5月較低,6月較高,而后6—8月逐漸減小的原因是5月氣溫較低,土壤蒸發較弱,6月氣溫逐漸升高,土壤蒸發和胡楊蒸騰增強,地下水持續上升補給土壤水分的損耗,造成土壤含水量有所升高,7—8月隨著地下水埋深的加深,對土壤水分的補給減弱導致土壤含水量減小.9月出現不同變化情況是在于地下水得到河水補給,埋深變淺,出現重新補給土壤水的情況,加之氣溫下降,土壤和胡楊蒸散發減弱,土壤含水量得到恢復,如第一種情況;或者得到人工灌溉的,土壤含水量明顯升高,如戈壁;再就是在河岸平地,由于得不到河水和周圍土壤水分
6
5
1
冰 川 凍 土 34卷
的補給,9月份土壤含水量沒能得到恢復而減小.5個樣地平均土壤含水量(θ)從高到低依次為河岸胡楊低地(12.54%),河岸平地(8.72%),河岸沙堆(6.51%),戈壁(4.67%)和沙丘(0.83%).5個樣地地下水埋深季節變化如圖2所示,結
果表明,除沙丘樣地外,地下水埋深在生長季一直緩慢下降,最淺埋深均出現在5月,最深埋深出現在生長季末期的9月.沙丘樣地地下水埋深從5月開始逐漸下降,7月后逐漸有所回升.5個樣地生長季平均地下水埋深依次為沙丘(-5.32m),戈壁(-3.86m),河岸沙堆(-3.00m),河岸胡楊平地(-2.33m)和河岸低地(-2.15m)
.
圖1 不同立地土壤含水量的季節變化Fig
.1 Soil water contents in different plotsfrom May
to Septembe
r圖2 不同立地地下水埋深的季節變化
Fig.2 Variations of groundwater dep
ths in different plotsduring
the growth period2.2 不同立地條件下胡楊葉片δ13
C值變化
不同立地條件下,胡楊葉片δ13
C值存在明顯差異.如圖3所示,5個樣地中,胡楊葉片δ13
C值在
(-25.80±0.05)‰~(-29.19±0.05)‰間變化,均值為(-27.70±0.13)‰.整個生長季胡楊葉片
δ13
C值在5個樣地間表現為2種變化情況:第一種
是從生長季初期δ13
C值就開始一直減小,在生長季
末期的8月或者9月出現最低值.如在河岸平地,河岸沙堆樣地(圖3a
);第二種是從生長季初期的5月開始δ13C值先減小,在生長旺盛期的7月出現最
低值,而后δ13
C值逐漸增大,如在沙丘,戈壁,河岸
低地樣地(圖3b).
5個樣地生長季胡楊葉片δ13
C均值各樣地也存
在差異(圖4).沙丘樣地具有最高的δ13
C均值
((-26.54±0.16)‰),其次為戈壁樣地((-27.33±0.15)‰),再次為河岸沙堆((-27.88±
0.23)‰),δ13
C最低值出現在河岸低地(
(-28.48±0.19)‰),河岸平地樣地胡楊葉片δ13
C均值處在
河岸低地和河岸沙堆之間,其均值為(-28.27±
0.15)
‰.
圖3 不同立地條件下胡楊葉片δ13
C值的季節變化(同一曲線上不同小寫字母表示同一立地不同生長階段間的比較)
Fig.3 Foliarδ13
C values of P.eup
hraticain different plots from May
to Septembe
r圖4 不同立地條件下胡楊δ13
C的均值比較Fig.4 Average values ofδ13 C of P.eup
hraticain different p
lots 不同樣地間胡楊葉片δ13
C均值差異是由樣地間
微環境差異引起的.樣地間葉片δ13
C均值的最高值和最低值間相差近2‰,結合5個樣地野外實際調
查可知,樣地間土壤養分和組成差異不是很大,差異最大的是土壤水分條件和地下水埋深.也就是樣
地間水分差異導致了樣地間δ13
C值的差異.根據樣
地間土壤含水量、地下水埋深和胡楊葉片δ13
C值的相關分析,二者均與δ13C值呈顯著的負相關(
相關系數分別為-0.70和-0.61,p<0
.001).相類似的報道已有不少,如嚴昌榮等[17]
對暖溫帶落葉闊
葉林主要植物葉中δ13C值的種間差異及時空變化的
研究表明土壤水分含量對植物葉片的δ13
C值的高低
有較大影響,生長在干旱生境中的植物具有較高的
δ13C值.陳世蘋等[18]
對沿土壤水分梯度黃囊苔草碳
7511期曹生奎等:不同立地條件下胡楊葉片穩定碳同位素組成及水分利用效率的變化
同位素組成的研究中也發現,在水分狀況不同生境
條件下,黃囊苔草葉片δ13C值有顯著的變化,變幅為1.8‰,與Ehlering
er[19]
在不同生境下扁果菊(Enceliaf
arinosa)種群中觀察到約2‰的差異.可見,土壤水分條件,包括地下水埋深是影響
樣地間胡楊δ13
C值產生較大差異的關鍵因子之一,在遭受水分脅迫后胡楊的δ13C值持續增大.據相關
研究報道,造成δ13
C值隨水分條件變化的原因是在
干燥情況下,由于氣孔運動使得Ci/Ca(胞間CO2
濃度與周圍空氣CO2濃度之比)減小,植物δ13C值增大[20].另外,不同立地條件下胡楊葉片δ13C的變
化不僅包含了土壤水分的影響,而且可能也包含了大氣相對濕度的影響.
2.3 不同立地條件下胡楊水分利用效率的變化5個典型樣地胡楊水分利用效率月變化如圖5所示,結果表明,胡楊水分利用效率在(60.41±
0.47)~(95.46±0.47)μ
molCO2·(mmolH2O)-1
間波動變化,其平均值為(75.69±1.37)μ
molCO2·(mmolH2O)-1
,從水分利用效率波動范圍和平均值可以看出胡楊是個具有較高水分利用效率的物種,樣地間胡楊水分利用效率變化與δ13
C值
的變化趨勢相同.樣地間胡楊水分利用效率均值變化說明(圖6),沙丘樣地具有最高的水分利用效率均值,其次為戈壁,再次為河岸沙堆,水分利用效率最低值出現在河岸低地
.
圖5 不同立地條件下胡楊水分利用效率的季節變化Fig.5 Seasonal variations of WUE of P.eup
hraticain different plots from May
to September 不同立地條件下胡楊水分利用效率變化結果表
明,從河岸低地到河岸沙堆再到戈壁、沙丘,隨著土壤含水量逐漸下降,地下水埋深逐漸加深,胡楊
逐漸提高了其水分利用效率.Ehlering
er等[21]
也發現沿著一個土壤水分梯度即從土壤含水量較高的洼地到相對較干的坡地,所有植物種隨著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
用效率是植物對干旱響應的一個基本而重要的特性,它可以使植物通過維持較長的土壤水分可利用性而具有干旱避免的性能.有研究指出干旱脅迫會
提高植物群體水分利用效率[22-23
].可見,在胡楊遭
遇水分短缺時,它自身通過提高光合速率或者關閉氣孔導度提高了其水分利用的效率,使水分利用的模式變得更保守,從而節約水分
.
圖6 不同立地條件下生長季胡楊水分利用
效率的均值比較
Fig.6 Comparison of the average WUE in P.eup
hraticain different plots during
growth season3 結論
本文就不同立地條件下胡楊葉片穩定碳同位素組成及水分利用效率的變化進行了研究,得出以下結果論:
(1)5個典型樣地中,胡楊葉片δ13
C值在(-25.80±0.05)‰~(-29.19±0.05)‰間變化,均值為(-27.70±0.13)‰.整個生長季胡楊葉片δ13
C值在樣地間表現為2種變化情況:第一種是從
生長季初期δ13
C值就開始一直減小,在生長季末期
的8月或者9月出現最低值;第二種是從生長季初
期的5月開始δ13C值先減小,在7月出現最低值,而后δ13C值逐漸增大.
(2)5個樣地生長季胡楊葉片δ13
C均值各樣地
也存在差異.沙丘樣地具有最高的δ13
C均值,其次為戈壁樣地,再次為河岸沙堆,δ13C最低值出現在河岸低地.樣地間δ13C值的這種差異主要是由樣地
間土壤含水量和地下水埋深的不同導致的.(3)5個典型樣地胡楊水分利用效率月變化結
果表明,胡楊水分利用效率在(60.41±0.47)~
(95.46±0.47)μmolCO2·(mmolH2O)-1間波動變化,其平均值為(75.69±1.37)μmolCO2·(mmolH2O)-1.樣地間胡楊水分利用效率均值變化說明,
沙丘樣地具有最高的水分利用效率均值,
8
51 冰 川 凍 土 3
4卷
其次為戈壁,再次為河岸沙堆,水分利用效率最低值出現在河岸低地樣地.說明從河岸低地到河岸沙堆再到戈壁、沙丘,隨著土壤含水量逐漸下降,地下水埋深加深,胡楊提高了其水分利用效率.
參考文獻(References):
[1]Farquhar G D,Ehleringer J R,Hubick K T.Carbon isotopediscrimination and photosynthesis[J].Annual Review ofPlant Physiology and Plant Molecular Biology,1989,40:503
-537.
[2]Farquhar G G,Hubick K T,Condon A G,et al.Carbon iso-tope fractionation and plant water use efficiency[M]//StableIsotope in Ecological Research.New York:Springer,1989:21-40.
[3]Cao Shengkui,Feng Qi,Si Jianhua,et al.Summary on theplant water use efficiency at leaf level[J].Journal of DesertResearch,2009,29(5):853-858.[曹生奎,馮起,司建華,等.植物水分利用效率研究方法綜述[J].中國沙漠,2009,29(5):853-858.]
[4]Su Bo,Han Xingguo,Li Linhao,et al.Responses ofδ13Cvalue and water use efficiency of plant species to environmen-tal gradients along the grassland zone of northeast china tran-
sect[J].Chinese Journal of Plant Ecology,2000,24(6):648
-655.[蘇波,韓興國,李凌浩,等.中國東北樣帶草原區植
物δ13C值及水分利用效率對環境梯度的響應[J].植物生態學
報,2000,24(6):648-655.]
[5]Chen Tuo,Feng Huyuan,Xu Shijian,et al.Stable carbon i-sotope composition of desert plant leaves and water-use effi-
ciency[J].Journal of Desert Research,2002,22(3):288-
291.[陳拓,馮虎元,徐世健,等.荒漠植物葉片碳同位素組
成及其水分利用效率[J].中國沙漠,2002,22(3):288-
291.]
[6]Feng Huyuan,An Lizhe,Chen Tuo,et al.The r
elationshipbetween foliar stable carbon isotope composition in Pedicu-laris L.and environmental factors[J].Journal of Glaciologyand Geocryology,2003,25(1):88-93.[馮虎元,安黎哲,陳拓,等.馬先蒿屬(Pedicularis L.)植物穩定碳同位素組成
與環境因子之間的關系[J].冰川凍土,2003,25(1):88-
93.]
[7]Ehleringer J R,Rundel P W,Palma B,et al.Carbon isotoperatios of Atacama desert plants reflect hyperaridity of regionin northern of Chile[J].Revista Chilena de Historia Natural,1998,71:79-86.
[8]Garten C T,Taylor G E.Foliarδ13C with in a temperate de-ciduous forest:Spatial,temporal,and species sources of vari-
ation[J].Oecologia,1992,90:1-7.
[9]Stewart G R,Turnbull M H,Schmidt S,et al.13C natural a-bundance in plant communities along a rainfall gradient:A bi-
ological integrator of water availability[J].Aus.J Plantphysiol,1995,22:51-55.
[10]Qu Chunmei,Han Xingguo,Su Bo,et al.The characteristicsof foliarδ13C values of plants and plant water use efficiencyindicated byδ13C values in two fragmented rainforests in
Xishuangbanna,Yunnan[J].Acta Botanica Sinica,2001,43
(2):186-192.[渠春梅,韓興國,蘇波,等.云南西雙版納
片斷化熱帶雨林植物葉片δ13C值的特點及其對水分利用效率
的指示[J].植物學報,2001,43(2):186-192.]
[11]Wang Guoan,Han Jiamen.δ13C Variations of C3plants indry and rainy seasons[J].Marine Geology and Quaternary
Geology,2001,21(4):43-47.[王國安,韓家懋.C3植物
碳同位素在旱季和雨季中的變化[J].海洋地質與第四紀地
質,2001,21(4):43-47.]
[12]Wang G A,Han J M,Zhou L P,et al.Carbon isotope ratiosof plant s and occurrences of C4species under different soilmoisture regimes in arid region of Northwest China[J].Phys-iology Plantarum,2005,125(1):74-81.
[13]Chen S P,Bai Y,Lin G,et al.Isotopic carbon compositionand related characters of domi
nant species along an environ-
mental gradient in Inner Mongolia,China[J].Journal of AridEnvironments,2007,71:12-28.
[14]Li Xiangbo,Chen Jianfa.Advances in study on plant carbonisotope discrimination and environment change[J].Advancein Earth Sciences,1998,13(3):285-290.[李相博,陳踐
發.植物碳同位素分餾作用與環境變化研究進展[J].地球科
學進展,1998,13(3):285-290.]
[15]Feng Qi,Si Jianhua,Li Jianlin,et al.Feature of root distri-bution of Populus euphratica and its water uptake m odel inextreme arid region[J].Advances in Earth Science,2008,23
(7):666-772.[馮起,司建華,李建林,等.胡楊根系分布
特征與根系吸水模型建立[J].地球科學進展,2008,23(7):666-772.]
[16]Cao Shengkui,Feng Qi,Su Yunhong,et al.Relationshipsbetween foliar carbon isotope discrimination with potassiumconcentration and ash content of the riparian plants in the ex-treme arid region of China[J].Photosynthetica,2009,47:499-509.
[17]Yan Changrong,Han Xingguo,Chen Linzhi,et al.Foliarδ13C within temperate deciduous forest:its spatial change andinterspecies variation[J].Acta Botanica Sinica,1998,40(9):853-859.[嚴昌榮,韓興國,陳靈芝,等.溫暖帶落葉林主
要植物葉片中δ13C值的種間差異及時空變化[J].植物學報,1998,40(9):853-859.]
[18]Chen Shipin,Bai Yonggei,Han Xingguo,et al.Variations infoliar carbon isotope composition and adaptive strategies ofCarex korshinskyi along a soil moisture gradient[J].ActaPhytoecologica Sinica,2004,28(4):515-522.[陳世蘋,白
永飛,韓興國,等.沿土壤水分梯度黃囊苔草碳同位素組成
及其適應策略的變化[J].植物生態學報,2004,28(4):515
-522.]
[19]Ehleringer J R.Variation in leaf carbon isotope discriminationin Encelia farinosa:implications for growth,competition,and drought survival[J].Oecologia,1993,95:340-346.[20]Pate J S.Carbon isotope discrimination and plant water-useefficiency[M]//Stable Isotope
Technique in the Study of Bio-logical Processes and Functioning of Ecosystems.Dordrecht,Boston,London:Kluwer Academic Publishers,2001:19-
36.
[21]Ehleringer J R,Cook C S.Comparative ecophysiology of En-cenllia farinosa and Encelia frutescens.I.Energy balanceconsiderations[J].Oecologia,1988,76:553-561.
[22]Singh P N,Joshi B P,Singh G.Water use and yield responseof wheat to irrigation and nitrogen on an alluvial soil in NorthIndia[J].Agricultural Water Management,1987,12:311-
315.
9
5
1
1期曹生奎等:不同立地條件下胡楊葉片穩定碳同位素組成及水分利用效率的變化