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環境變化生態效應研究組揭示楊樹水分利用和環境變化關系

來源:北京力高泰科技有限公司 發布時間:2020-04-01 16:11:44 點擊數:696 使用提問 咨詢價格

馮兆忠教授團隊在環境變化對楊樹水分利用效率影響方面取得新進展,該項成果近期正式發表于國際森林生態領域的重要刊物Forest Ecology and Management 上。
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本研究主要研究了兩個方面:一個是未來臭氧升高是否抑制了楊樹的水分利用效率,另一個是如果限制楊樹的供水,能不能降低臭氧的負面影響結果發現,臭氧污染損害了楊樹的光合能力并導致了水分利用效率的降低,但是限制供水也不能消除臭氧對水分利用效率的負面影響

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(一)研究背景

目前還不清楚O3和水分限制的生理反應是如何相互作用來影響整個葉片的水分利用效率(WUE),以及這些水分利用效率的響應將可能如何影響生態系統的生產力


(二)科學問題&研究方法&假設和結果

1、科學問題:升高的O3濃度和有限供水對WUE分別的影響以及交互作用對其的影響。

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北京延慶實驗站開頂式氣室

2、研究方法:開頂室,O3敏感型楊樹苗。 研究期間土壤水分含量(soil water content)隨不同O3濃度-供水狀況變化情況見圖1

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圖1  臭氧和控水處理下的土壤含水量


3、假設和結果:

(1)假設:O3升高會導致光合能力受損以及氣孔調節能力喪失,從而導致WUE降低。--結果:部分支持假設,因為O3對冠層中部葉片的氣孔導度沒有影響。但在臭氧升高處理下土壤含水量(SWC)比過濾臭氧處理低,表面在升高的O3下長期蒸騰速率增加的間接證據。

(2)限制供水條件下,氣孔關閉導致的蒸騰降低高于對光合能力的影響使得WUE升高。--結果:反對假設,因為此研究的結果顯示,限制供水之所以對WUE有積極影響,是因為長期蒸騰速率的降低以及光合的增強,而非水分損失的影響大于光合。

(3)限制供水能夠使得氣孔吸收的O3降低,從而減輕楊樹暴露在O3中的負面生理影響。--反對假設,該研究中沒有找到限制供水與臭氧污染對氣孔導度的交互作用從而減輕O3的負面影響的證據。而且研究結果發現,盡管此研究的限制供水升高了單位面積的光合速率和水分利用效率,限制供水會導致楊樹擁有更少以及面積更小的葉片,而這可能會限制植株的碳吸收,并導致植株的高度和直徑減小。


(三)具體研究結果

1、O3的影響:

1)在升高的O3濃度下,基于氣體交換測量的葉片固有水分利用效率(iWUEge)下降(圖2),這是由于光合能力、葉肉細胞導度(mesophyll conductance)以及表觀量子效率(apparent quantum yield)顯著降低,但氣孔導度并沒有被影響。

(2)升高的O3濃度導致了顯著的葉片衰老,但對其它形態上的變異并未有顯著影響。

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圖2  臭氧和限制供水對基于氣體交換和穩定同位素計算水分利用效率的影響

2、水分的影響:

1δ18O測定顯示,獲得更少水分的植株,其iWUEge和基于同位素測定的固有水分利用效率(iWUEiso)升高(圖2),這是由于其光合能力更強、蒸騰速率更低。

2)更少的水分供給顯著降低了整體的植株生長(樹高、莖干直徑、葉片數量、單葉投影面積)(圖3)。

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圖3  臭氧和限制供水對楊樹葉片數量、單個葉片面積、株高和基徑的影響


3、O3-水分的影響:

1)降低水分可利用性能夠阻止O3誘導的比葉重降低以及葉片損失增加(圖4)。

(2)并未有顯著的O3-水分可利用性的相互作用影響了生理和形態上的變異。

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圖4  比葉重與飽和光合速率、葉肉導度、最大羧化速率、最大電子傳遞速率和表觀電子產量的關系

(四)研究結論

1、限制供水無法降低O3對楊樹的光合生理過程的傷害。

2、無論未來植物的可利用水分如何變化,高O3濃度都會降低葉片的iWUEge。

3、在未來更加干燥和溫暖的氣候下,O3-敏感型楊樹的低水分利用效率很可能對生長和健康都產生負面影響。


文章第一作者為中國科學院生態環境研究中心博士生徐彥森,通訊作者為南京信息工程大學應用氣象學院馮兆忠教授。本研究得到國家自然科學基金(41771034)、中國科學院前沿科學重點研究項目(QYZDB-SSW-DQC019等經費的支持。

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