[目的]前山带是天山北坡山地-绿洲-荒漠生态系统的重要组成部分,探讨植物对干旱胁迫的动态生理适应性和抗旱性评价方法,筛选植被恢复的适宜树种,对该区域植被生态恢复具有重要意义.[方法]以新疆天山北坡前山带种植的12种植物为研究对象,观测灌水后土壤水分时空变化,分析干旱和复水对植物光合和抗逆生理指标的影响,采用主成分分析评价12种植物的抗旱能力.[结果](1)干旱胁迫后,土壤水分散失在0-20 cm层最快,20-40 cm层次之,40-60 cm层最慢,不同植物采用不同策略改变生长情况来适应干旱;(2)干旱胁迫后,叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、电子传递速率(ETR)和叶绿素含量降低,而抗逆生理指标超氧化物歧化酶(SOD)活性、脯氨酸含量、丙二醛(MDA)含量及非光化学淬灭系数(qN)升高,复水后各指标都有一定程度的恢复,但均未达到初始水平;(3)主成分分析结果显示,P、叶绿素含量、ETR和MDA含量等指标贡献率较大,梭梭、柽柳、刺蔷薇和柠条锦鸡儿抗旱性较强,'中亚沙棘'、'新棘5号'、'新棘1号'和山杏次之,而'新棘4号'、'新棘3号'、文冠果和'新棘2号'较弱.[结论]Pn、叶绿素含量、ETR和MDA含量可作为评价植物适应干旱的重要指标;新疆天山北坡前山带植被生态恢复应优先选择梭梭、柽柳、刺蔷薇及柠条锦鸡儿进行建植.

高大树木木质部水分运输阻力和叶片蒸腾速率随树高的增加导致高度梯度水分供需矛盾.量化分析相关功能性状随高度的变异与性状协同关系,有助于深入理解植物的水分供需机制.该研究选取了生长在湿生同质园中的落羽杉(Taxodium distichum)及其变种池杉(T.distichum var.imbricatum),采用回归分析、单因素方差分析、通径分析等方法探究其水力(枝比导率(Ks)、叶比导率(K1)、导水率损失50％时的水势(P50)、最大蒸腾速率(Tr)、正午叶水势(ΨMD)、胡伯尔值(Hv)等)、光合(最大净光合速率(Pn))和碳经济性状(比叶质量(LMA)、木质部密度(WD))随高度的变异规律、协同关系以及种间性状差异.结果发现:(1)落羽杉和池杉K1、Hv、Pn和LMA随高度增加,其中Pn的增加可能与中冠层的Tr和最大气孔导度(Gs)下降有关.(2)种内性状间协同关系:落羽杉和池杉Ks与Hv显著负相关,落羽杉WD与Ks显著正相关,池杉WD与Hv极显著负相关.(3)落羽杉和池杉高冠层存在水分限制,由达西定律和Tr计算的理论水分供需比(r)量化了水分供需能力的下降,且它们r=0时的理论最大高度(落羽杉:32 m(95％置信区间上限:57 m);池杉:21 m(95％置信区间上限:27 m))在历史记载的最大高度范围内.(4)池杉各个冠层高度K1、Hv和LMA显著高于落羽杉,而Pn、Tr和Gs显著更低;池杉中、高冠层水力安全边界(HSM)显著更高,P50显著更低:池杉保守的水力策略与低资源获取能力导致其最大理论高度较低,而落羽杉激进的水力策略与高资源获取能力导致其最大理论高度较高.

为了探讨不同生境香果树光合特性的差异,采用室内试验和野外试验相结合的方法,研究了香果树幼苗光合特性和宝天曼自然保护区、青苔关林场、武夷山国家公园三种生境下香果树自然种群的光合及荧光特性.结果表明:(1)香果树幼苗光饱和点为400 μmol·m-2·s-1,CO2饱和点为1 200 μmol·mol-1,日变化为双峰曲线,存在有明显的"午休"现象;(2)纬度越高香果树净光合速率越低,树龄越大香果树净光合速率越高;蒸腾速率随树龄增加呈增加趋势;3～10年龄香果树的气孔导度最高;(3)随纬度增加香果树PSⅡ有效光化学效率增加,电子传递效率和非光化学淬灭减少;青苔关林场和武夷山国家公园香果树光化学淬灭系数显著高于宝天曼自然保护区.纬度高低显著影响香果树光合特性是导致香果树种群年龄结构不同的关键因子,高纬度地区可以采用栽植种苗增加种群幼苗数量,低纬度地区可以通过间伐降低冠层遮荫促进幼苗生长,保证香果树自然更新.

小叶杨作为六道沟流域植被恢复的优势乔木速生树种,对该区的生态恢复与建设有着至关重要的作用.通过测定六道沟流域生长旺期(8和9月)不同冠层高度下小叶杨叶片的水势、光合气体交换参数、稳定性碳同位素比率(δ13 C)和叶片全N全P含量,分析了冠层叶片的δ13 C、光合特性指标、叶水势等在不同月份及冠层高度下的变化特征.结果表明:(1)小叶杨8、9月份间叶片光合特性指标净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)均随着冠层高度增加而减小.(2)小叶杨叶片δ13 C和瞬时水分利用效率(WUEi)均随冠层高度增加而增加,δ13 C沿冠层高度的变化范围为-29.81‰~-27.43‰.(3)叶片δ13 C与植物的水分利用效率呈正相关关系,8月份和9月份δ13 C沿树高的变化幅度分别为2.22‰和2.12‰.研究发现,六道沟流域小叶杨叶片确实受到来自树高所引起的水分胁迫,叶片δ13 C能真实反映其长期的水分利用状况,且叶片δ13 C的变化是自身遗传特性与环境因子共同作用的结果.

以超级杂交晚稻品种‘五丰优T025’为材料,设置日排夜灌,灌溉水深4～5 cm(H1);日排夜灌,灌溉水深8～10 cm(H2);深水灌溉,保持水深8～10cm(H3)等3个处理,以稻田湿润处理水层0～1 cm为对照,研究了抽穗扬花期遭遇低温条件下不同灌水方式和水层深度对双季晚稻生理特性及产量的影响.结果表明:低温期间,不同灌水处理叶片、土层和冠层温度较对照均有所提高,其中H2处理增温效果最好.低温胁迫下各处理稻株叶片叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、叶片气孔导度和胞间CO2浓度均逐渐降低,其中H2处理降低幅度最小;H2处理叶片丙二醛、游离脯氨酸含量上升幅度最小,可溶性蛋白含量高于其余处理,超氧化物歧化酶和过氧化物酶增幅最小,过氧化氢酶下降幅度最小.灌水保温均可达到增产效果,以H2处理效果最佳,遭遇低温的2014年和2015年第二播期H2处理分别比对照增产12.9％和13.5％;从产量结构上看,各处理较对照在单株有效穗数、穗长、结实率、千粒重上均有一定的改善,日排夜灌8～10 cm水深处理是增强双季杂交晚稻抽穗扬花期低温抵御能力较为实用的农艺措施.

针阔叶混交林是我国南亚热带针叶林向地带性常绿阔叶林演替的中间林分类型,为我国南亚地区主要森林类型,发挥着重要的生态系统服务功能.基于树干液流技术和对臭氧浓度的连续监测,评价该森林类型的臭氧吸收特征和能力有着重要的环境生态学意义.对鼎湖山天然针阔叶混交林优势种马尾松(Pinus manssoniana)、锥栗(Castanopsis chinensis)、木荷(Schima superba)和华润楠(Machilus chinensis)在自然环境条件下的臭氧吸收能力进行了分析研究.结果表明:在日尺度上,4个优势树种的冠层气孔对臭氧导度(GO3)和臭氧吸收通量(FO3)均呈单峰型曲线,其最大值的时间在干季(10月至竖年3月)比湿季(4月至9月)滞后;季节尺度上,臭氧浓度在湿季达到最大值48.94 nl/L,湿季GO3、FO3和年臭氧吸收累积量(accumulative stomatal O3flux,AFst)均显著高于干季(P＜0.01),华润楠的臭氧吸收能力最强,在干季和湿季可分别达1.11 nmol m-2 s-1和1.71nmol m-2 s-1.随着水汽压亏缺(VPD)增大,优势种GO3降低.光合有效辐射(PAR)超过1500 umol m-2s-1时,优势树种GO3和FO3呈下降趋势.针阔叶混交林的年臭氧吸收累积量超过了保护森林树木所采用的临界阈值,可认为鼎湖山针阔叶混交林受臭氧危害的潜在风险较高.

为研究间伐改形对红富士成龄乔化密植果园树体冠层特征、生育后期叶片生理特性、养分积累分配规律、光合生产力和土壤水分时空分布动态的影响,以18年生‘红富士’苹果密闭园为试材,对苹果树单株结构参数、枝量、枝类组成、覆盖率、叶片光合速率等参数进行测定.结果表明:密闭果园叶片光合作用受非气孔因素限制,导致PSⅡ最大光化学效率、PSⅡ光合潜能、光合性能指数下降了1.2％、11.5％、13.9％.间伐改形后,叶面积指数、树冠覆盖率有所降低,使得冠层直射光透过系数增加了79.0％,树形结构有所改善.苹果园总枝数降低到约1100400条·hm-2,单株枝量增加了5.0％,短枝比例提高至73.0％.由于冠层光照条件的改善,叶面积、比叶质量、百叶重、叶绿素含量有不同程度的提高.叶片光合速率的提高促进了光合产物的积累,淀粉、蛋白质含量为密闭果园的143.5％、107.8％.叶片的发育质量与其所处的光照辐射环境有着密切联系,密闭果园经间伐、改形后,果园群体结构和冠层光照得以改善,促进了叶片生长发育,提高了叶片光合效能,降低了果园土壤水分的无效消耗,是陇东旱塬苹果产区密闭果园适宜的调整、优化方案.

研究品种之间群体耗水特性的差异及其关键影响因素,为品种耗水特性评价与低耗水品种鉴选方法提供依据.选用水分亏缺条件下产量差异不显著,但耗水量差异极显著的冬小麦品种晋麦47和京41 1及其15个近等基因系为实验材料.利用防雨池和防雨棚开展实验,模拟水分亏缺条件.监测全生育期土壤水分含量,计算总耗水量,收获后测定籽粒产量,计算水分利用效率(WUE).同时,分别在拔节-孕穗期、抽穗-开花期和灌浆期3个不同生育期监测冠层-大气温度差值(CTD)、叶片蒸腾速率和气孔导度.结果表明,3个不同生育期,15个近等基因系及其亲本之间,CTD均达到显著差异.CTD的方差分析表明,基因型和年份均对不同生育期的CTD有显著影响,但是二者之间仅在抽穗-开花期存在互作(P=0.0002).15个近等基因系及其亲本之间耗水量存在显著差异,产量没有显著差异.源于耗水量的差异,部分品种/系之间WUE达显著差异.3个不同生育期,15个近等基因系及其亲本之间,CTD与总耗水量均呈极显著负相关关系.抽穗-开花期最高,2012-2013年度和2016-2017年度分别达到0.7042和0.6095.叶片蒸腾速率和气孔导度与群体总耗水量之间相关性很弱,3个生育期均未达到显著水平.对该组近等基因系材料,影响群体总耗水量的关键因素不是叶片蒸腾生理特性,而是群体冠层生长特性.表明构建合理的群体冠层结构不仅是获得高产的途经,而且是调控群体总耗水量,提高品种水分利用效率的重要途径.

精确模拟冠层气孔导度(Gs)对于评估区域蒸散具有重要意义.该研究选择两种常见的人工阔叶树种尾叶桉(Eucalyptus urophylla,外来种)和木荷(Schima superba,本地种)作为研究对象,利用K(o)stner法和修订的Penman-Monteith公式计算冠层平均气孔导度(分别定义为GS1和GS2).研究还分析了环境因子对冠层脱耦联系数(Ω)的影响,并用其来评价两种方法模拟的冠层气孔导度的合理性.结果表明,两个树种冠层气孔导度均与气象条件耦合较好(尾叶桉:Ω2=0.10±0.03,木荷:Ω=0.17±0.03).主成分分析显示,光合有效辐射(PAR)以及水汽压亏缺(D)显著影响Ω的大小,而风速(u)的影响较小.单因素分析则发现各环境因子与Ω之间的相关性并不显著.边界线分析表明D和PAR的增加使得Ω最终趋向于一个与树种有关的稳定值(木荷≈0.20,尾叶桉≈0.05),而Ω随u的增加呈幂指数下降.与木荷相比,尾叶桉具有更高的气孔导度(尾叶桉和木荷的Gs2年平均值分别为(33.42±9.37) mmol·m-2.s-1和(23.40±2.03) mmol.m-2.s-1),并且尾叶桉和木荷的Gs1与Gs2的线性拟合斜率分别为0.92 (R2≈0.70)和0.98 (R2≈0.76),表明GS1比Gs2高估了冠层气孔导度.另外,Gs1和Gs2对水汽压亏缺的敏感性与参比气孔导度(Gsiref,D=lkPa时的气孔导度)的比值Pi与Ω紧密相关.根据统计,尾叶桉和木荷的Gs,估计值在Ω=0.05-0.15 (83.1％的数据)和0.10-0.20 (47.8％的数据)之间时是相对可靠的.

平茬是荒漠草原老化人工柠条林营林抚育的重要措施,为系统认识柠条平茬后连续的生理与生态响应过程及其变化规律,该研究设置对比观测样地,以未平茬柠条(WPC)为对照,以平茬后连续生长1～5年(PC1～PC5)的柠条为处理,对各样地柠条净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、水分利用效率等光合生理特征及其土壤含水量分布的影响进行测定分析.结果表明:(1)平茬处理对柠条生理特性的影响因平茬年限的增加而异,其中PC1和PC2柠条的净光合速率和蒸腾速率较WPC略有提高,PC1柠条处于补偿生长的活跃期,水分利用效率明显高于其他平茬处理,PC2柠条的水分利用效率开始下降;PC3和PC4的柠条蒸腾速率、净光合速率和气孔导度显著上升,且PC4处理下达到最大值,相应水分利用效率也逐步回升;PC5的柠条几乎不存在补偿性生长,净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率开始回落,逐渐接近WPC;平茬措施对PC1与PC5柠条胞间CO2浓度大小的影响较大.(2)PC1的土壤水分含量在0～100 cm土层因受冠层截留大幅减小的影响而低于其他年限平茬处理;PC2的土壤水分略有改善,PC3、PC4的土壤含水量显著提高,PC5的土壤水分状况则逐渐接近于WPC.(3)随平茬年限的增加,柠条光合特性与土壤含水量间存在一定的动态互馈关系,其中PC1的土壤水分略有下降,柠条生长减缓;PC2土壤含水量逐步恢复;PC3土壤含水量增长幅度开始下降,柠条的各项生理指标上升;PC4柠条的光合生理指标、土壤含水量都达到了最高值;PC5柠条的各项指标开始下降.研究发现,PC4处理是柠条光合生理和土壤水分响应变化的拐点,可参考作为平茬柠条优化管理的一个时间节点.