本文關(guān)鍵詞：喬木樹種葉片碳平衡對氣候變化的響應(yīng)

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【摘要】：葉片水平碳平衡(A/R)調(diào)控植物的生長、發(fā)育及繁殖,同時又在決定個體及生態(tài)系統(tǒng)碳收支中發(fā)揮重要作用。葉片碳平衡取決于葉片的光合作用(A)和呼吸作用(R)的動態(tài)平衡。水分條件和溫度是導(dǎo)致葉片碳平衡發(fā)生變化的重要原因,然而目前對于葉片碳平衡對水分和溫度的響應(yīng)及適應(yīng)機制缺乏系統(tǒng)的了解。本研究以生長于不同氣候帶的6種喬木樹種為實驗對象,分別研究了水分條件及溫度變化對光合作用、呼吸作用以及葉片碳平衡的影響,以期揭示葉片碳平衡對自然環(huán)境波動的響應(yīng)方式及調(diào)控機制。在溫帶沙漠氣候區(qū),選用落葉樹種胡楊(Populus euphratica)為實驗材料,并以地下水埋深的空間變化為梯度,研究了其葉片碳平衡隨地下水埋深度的變化；在北美溫帶大陸性氣候區(qū),選取了針闊葉混交林中尖葉扁柏(Chamaecyparis thyoides)、白松(Pinus strobus)和鐵杉(Tsuga canadensis)為研究對象,對其葉片碳平衡的季節(jié)動態(tài)進行了觀測。主要研究結(jié)果如下：以內(nèi)蒙古額濟納旗天然胡楊林為研究對象,研究了胡楊不同葉形(闊卵圓形,過渡形,披針葉形)葉片水平的碳平衡及其調(diào)控機制。結(jié)果表明：胡楊三種葉形比葉面積(SLA)存在顯著差異,闊卵圓形葉比葉面積顯著低于過渡形和披針葉形,葉片單位質(zhì)量氮含量(Nmass)差異不顯著；闊卵圓形葉單位面積碳同化速率(Aarea)顯著高于過渡形葉和披針形葉,然而,不同葉形葉片單位質(zhì)量(Amass)和光合氮利用效率(PNUE)無顯著差異；闊卵圓形葉片呼吸速率暗呼吸速率(Rn)及光下線粒體呼吸速率(RL)顯著高于其他2種葉形；不同葉形間葉片的碳平衡不具有顯著差異。胡楊不同葉形在碳代謝上的差異可能同其功能密切相關(guān)。闊卵圓形葉具更強結(jié)構(gòu)支持能力和更高呼吸速率有利于個體代謝活動的維持,而披針形葉具更高的碳同化能力則用于支持生長(第四章)。在內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納旗境內(nèi),根據(jù)地下水埋深度的差異分別建立了干旱樣地和濕潤樣地,并對樣地中胡楊葉片氣體交換特性進行了觀測。結(jié)果表明：(1)干旱樣地胡楊葉片相對含水量(RWC)顯著低于濕潤樣地,但葉片干物質(zhì)含量(DMC)以及比葉面積(SLA)差異不顯著；(2)干旱樣地胡楊葉片具有較高的可溶性糖含量(Soluble sugar content)和葉綠素a：b比值(chl a:chl b),同時具有較低的單位面積葉綠素含量(Ch1area)；(3)不同樣地葉片的最大凈光合速率(Amax)差異不顯著。干旱樣地葉片最大氣孔導(dǎo)度(gsmax)和表觀量子效率(AQY)較濕潤樣地分別提高了22.5%和47.1%。此外,干旱樣地胡楊葉片最大羧化效率(Vcmax)降低,但最大電子傳遞速率(Jmax)同濕潤樣地葉片保持一致。長期生長于水分條件虧缺環(huán)境中的胡楊葉片能夠通過滲透壓調(diào)節(jié)保持水分含量。同時,葉片氣體交換能力提高可能是其葉片碳同化速率得以維持的關(guān)鍵因素(第五章)。干旱樣地胡楊葉片的相單位質(zhì)量氮含量(Nmass)顯著低于濕潤樣地,但葉片單位質(zhì)量氮含量(Narea),比葉面積(SLA)以及干物質(zhì)含量(DMC)差異不顯著。葉片暗呼吸速率(Rn)和光下線粒體呼吸速率(RL)均隨地下水埋深的降低而升高,同時地下水埋深度的變化對RL的影響更加明顯。光對葉片暗呼吸速率具有抑制作用,其抑制程度在11%～57%變化。此外,光對暗呼吸的抑制程度同Rubisco酶的氧化速率(v0)呈正相關(guān)。水分對呼吸作用的促進作用同細胞代謝對能量和物質(zhì)需求的增加有關(guān)。同樣,光對暗呼吸的抑制作用也可能同樣受到細胞代謝需求的調(diào)控(第六章)。選取北美地區(qū)溫帶針闊葉混交林中5個常綠樹種為研究對象,在10月下旬對葉片光合作用(A)和呼吸作用(R)特性及相關(guān)的結(jié)構(gòu)和生理指標進行了測量。結(jié)果表明：(1)不同樹種間葉片比葉面積(SLA)和單位面積氮含量(Narea)呈顯著差異,但單位質(zhì)量氮含量(Nmass)差異不顯著；葉片單位面積光合速率(Aarea)和呼吸速率(Rarea)呈現(xiàn)出明顯種間差異,但同樣受到葉片結(jié)構(gòu)性狀的調(diào)控。(2)光對5個物種葉片暗呼吸作用均表現(xiàn)出一定的抑制作用,光下線粒體呼吸速率(RL)同暗呼吸速率(Rn)的比值在0.39～0.90間變化；RL/Rn同Rubisco酶的最大氧化速率(vo1500)和最大羧化速率(vc1500)均呈顯著正相關(guān)。(3)物種間呼吸作用的Q10在1.44～2.24之間,而不同物種間呼吸作用的總活化能(Eo)變化幅度較小；(4)葉片呼吸同葉片氮含量、碳同化速率以及SLA間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。(5)使用固定的Q10(2.0)并假定RL=Rn使得5個物種葉片尺度凈碳同化速率之和(∑Anet-daily)降低了3.45%；對于不同物種,此種差異則同其自身生理特性密切相關(guān)。不同物種的呼吸生理特性存在種間差異,忽視這些差異將可能導(dǎo)致錯誤的估計葉片、冠層、生態(tài)系統(tǒng)及全球尺度的碳通量(第七章)。溫度馴化能夠改變植物生理過程對短期溫度變化的響應(yīng),故能夠顯著影響植物的碳同化效率,進而影響個體及生態(tài)系統(tǒng)水平的碳平衡�；诘谖逭卵芯拷Y(jié)果,選取了其中3個樹種(尖葉扁柏,白松,鐵杉)為實驗材料,觀測了其葉片凈光合速率(A),暗呼吸速率(Rn)及光下線粒體呼吸速率(RL)的季節(jié)動態(tài)。同時使用光合-氣孔耦合模型對葉片水平碳通量進行了模擬,并以此量化了3個不同簡化模型對碳同化量估計的影響。研究結(jié)果表明,3個常綠樹種葉片的光合作用同生長溫度(T5)升高而上升；寒冷生長季節(jié)中Rubisco的最大羧化速率(Vcmax)和電子傳遞速率(Jmax)均高于溫暖生長季節(jié),而Jmax同Vcmax的比值x(Jmax/Vcmax)則表現(xiàn)出相反趨勢。尖葉扁柏和鐵杉的Rn隨生長溫度升高而增加,而其RL則同T5呈現(xiàn)較弱的負相關(guān)；白松葉片的Rn和RL均同溫度表現(xiàn)出較強的正相關(guān)；呼吸作用的熱敏性和活化能均在寒冷生長季節(jié)較高,而在溫暖生長季節(jié)較低。3個常綠樹種葉片水平碳平衡的季節(jié)變化趨勢相似,均在測量期間逐漸升高；此外,由于光對暗呼吸的抑制作用,Amax同RL的比值始終高于Amax于Rn的比值。忽略Vcmax和Jmax的季節(jié)變化影響了葉片碳同化量模擬的結(jié)果,但影響的方向同物種相關(guān)；假定RL等同于Rn或不考慮呼吸作用的溫度馴化將分別低估和高估葉片的碳同化量。3個常綠物種葉片光合作用均為表現(xiàn)出溫度馴化,同時只有白松的葉片的呼吸作用顯示出了明顯的溫度馴化。忽略或簡化葉片呼吸和光合作用的季節(jié)動態(tài)以及光對暗呼吸的抑制作用能夠顯著影響葉片碳同化量的估計(第八章)。
【學(xué)位授予單位】：中央民族大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S718.45

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 趙德華;李建龍;齊家國;范亞民;;陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡主要研究方法評述[J];生態(tài)學(xué)報;2006年08期

2 周洪華;陳亞寧;李衛(wèi)紅;陳亞鵬;;干旱區(qū)胡楊光合作用對高溫和CO_2濃度的響應(yīng)[J];生態(tài)學(xué)報;2009年06期

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