在全球气候变化背景下,区域降水格局正在发生改变,对森林生态系统生产力和水文过程将产生重要影响.为揭示降雨量减少对树木蒸腾耗水特征及其响应环境因子的影响,本研究以黄土高原半湿润区主要造林树种刺槐(Robinia pseudoacacia)为对象,在减雨样地林分行间布设人工减雨板减少约47％的降雨输入,采用Granier型热扩散探针测定树干液流动态,并同步监测太阳辐射、空气温度、相对湿度、降雨事件和土壤含水量等环境因子,分析了树干液流对减雨处理及季节性土壤水分变化的响应特征.结果表明:减雨处理显著降低了刺槐液流通量密度标准化值,处理第3年标准化液流通量密度显著低于对照样地;减雨样地刺槐标准化液流日变化峰值时间早于对照样地,表明减雨样地刺槐较早实施了气孔调节,改变了其与气象因子的时滞时间;标准化液流通量密度响应蒸腾驱动因子的拟合方程参数值在样地间呈极显著差异,显示减雨样地刺槐响应气象因子的敏感性有所降低.降雨量的改变不仅影响林地土壤水分状况,还会对刺槐蒸腾耗水及其对环境因子的响应产生影响.

藓类植物作为缺乏维管组织的非等水植物,其光合作用和耗水量主要受到光照、温度和水分供应状况的影响;这些环境条件随昼夜交替改变,是否使得藓类植物形成了类似维管植物的内在昼夜节律调节机制,目前还所知甚少;理解其节律响应特点对于藓类植物的保育与利用具有重要意义.该研究对脆枝青藓(Brachythecium thraustum)、大灰藓(Hypnum plum-aeforme)和长叶提灯藓(Mnium lycopodioides)进行12 h/12 h的昼夜光周期驯化后进行24 h/0 h的持续光照处理,分别测定3种藓类在12 h/12 h和24 h/0 h光周期条件下的净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr),结果表明:排除光照和叶-气水汽压差(VPD)等环境影响之后,3种藓类的这两个指标均观察到明显的节律变化,节律调节作用能够解释其Pn和Tr日变化的23.4％和30.2％;且维管植物中少见的Tr节律作用出现在所有受试的藓类植物上;Pn和Tr的节律响应存在明显的种间差异,该研究中节律性最强的物种为脆枝青藓.以脆枝青藓为例进一步分析其全光照下非结构性碳水化合物(NSC)的节律响应时序转录组,结果表明:35.1％的淀粉、糖类合成代谢相关基因的表达具有节律性,且与NSC含量的昼夜节律变化相关;脱落酸信号和气孔调节相关基因的表达变化与Tr的节律调节相关;光合电子传递和暗反应相关蛋白的转录水平变化与光合作用节律保持一致.藓类植物虽然丢失了生物钟核心反馈环CCA1/LHY基因,但是核心生物钟功能集中于PRRs家族,通过级联调节使得光合作用生物学过程和保卫细胞水分/离子运输过程等相关基因表达呈现显著的节律性,最终导致固碳耗水的节律响应高度保守.

木质部正压力(根压)在长期被低估之后,作为一种潜在的重要过程引起了人们的新兴趣,其可以恢复组织的水分,保持植物液压系统的功能和相互连接,并有助于细胞和组织的生长.该研究以株高60-80 cm水培龙舌兰科富贵竹(Dracaena sanderiana)为研究对象,将压力传感器连接到茎干上端测量其根压,研究其昼夜节律变化以及温度、矿质元素(氮)、分蘖和去根等对其的影响,从而揭示根压在木质部水分向上运输中的重要作用.结果表明:(1)富贵竹的正根压全天存在,实验中测到的最大值为103 kPa,具有较明显的昼高夜低变化规律;(2)根压随水培温度下降而下降,水温为0 ℃时,根压几乎降低为0,根压的昼夜节律也随之改变;(3)不同浓度的硝酸盐(KNO3)处理均增加根压,但未改变昼夜节律;(4)具有分蘖的富贵竹茎干根压值比无分蘖的小,但也为正值;(5)剪掉全部须根后,根压迅速降为负值,但下降速率低于降温处理.综上所述,相较于其株高,大部分水培富贵竹全天存在的根部正压完全能够提供蒸腾耗水向上运输需要的动力,可以排除掉蒸腾拉力的影响.同时,水培富贵竹根压呈现出较稳定的节律变化,即昼高夜低,且受温度、氮含量、分蘖和去根等因素影响较为显著.

中国南方湿润区局地气候条件多变、下垫面情况复杂,导致蒸散发的测算较为困难.树木蒸腾是森林蒸散发的关键组成部分,树干液流监测成为树木蒸腾耗水研究的主要手段.杉木(Cunninghamia lanceolata)林作为新安江源区的代表性植被,对该区的水源涵养、水土保持及气候调节等至关重要.该研究基于树干液流测定系统量化新安江源区杉木树干液流速率(Js),结合气象梯度塔监测和土壤含水率连续观测,揭示杉木生长季(2020年4-9月)环境因子对Js变化的作用机制.主要结果:杉木Js呈显著季节性变化,其平均值8月最大,5月最小;环境因子中太阳净辐射(Rn)及饱和水汽压差(VPD)与Js的相关性最强;主成分分析结果显示,在小时及日尺度上主成分1的方差贡献率分别达59.1％、57.9％,其中,VPD和Rn对主成分1起主要作用,是影响该区杉木树Js变化的关键环境因子;观测期Js峰值提前于VPD约(20±3)min,滞后于Rn约(100±5)min.杉木生长季由降雨产生的土壤含水率差异未对Js产生显著影响,而不同天气条件下Js存在较大差异,晴天Js较高,主要呈单峰变化且启动早结束晚,雨天Js呈多峰型变化,启动晚结束早.

树干液流是量化植物蒸腾耗水的基本指标.本研究于2015年5-10月采用FLGS-TDP热扩散式树干液流计对辽西北半干旱区的沙地樟子松树干液流进行连续观测,同时结合林内小气候观测系统,探讨樟子松树干液流的动态变化特征及其影响因素.结果表明:树干液流速率和日累积量均为晴天＞阴天＞雨天,树干液流速率变化均呈“倒U”型,晴天时出现“光合午休”现象;不同月际间(5-10月),树干液流速率与月累积量为7月＞6月＞8月＞5月＞9月＞10月;不同季节间,树干液流启动时间夏季比秋季早lh左右,且树干液流速率夏季＞秋季.树干液流受气象因子的影响较大,其中光合有效辐射、空气温度、饱和水汽压差(VPD)和风速与树干液流呈显著正相关,空气相对湿度则相反;土壤温度和含水量对树干液流的影响较为复杂,随时间(月际)、天气状况(阴天、晴天和雨天)和土层深度(5、10、20、40和100 cm)的变化而变化,其中,生长季期间和不同月际间(5-10月)、表层土壤温度(0～ 10 cm)与树干液流均呈显著正相关,深层土壤(20～ 100 cm)则相反;生长季前(5月)和生长季末期(10月),树干液流随土壤水分的增多而增加,生长季期间(6-9月)则相反,树干液流随土壤含水量的增加而减弱.

为深入了解玉米在关键发育期干旱条件下的耗水特征及致灾机理,对春玉米‘丹玉39’分别从拔节(T1)和抽雄(T2)期开始采用持续无补水方式进行干旱及复水试验,基于对叶和根水势、主要光合变量(净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、气孔导度gs、胞间CO2浓度Ci)以及茎流速率(SF)的动态观测,研究各生理参数对干旱及复水过程的响应特征.结果表明:叶、根水势均与土壤湿度呈对数关系,不同时期干旱使二者都减小,对根水势的影响比叶水势提前,与拔节期相比,抽雄期叶水势的干旱响应偏早,根水势偏晚;叶水势在T1处理复水后能得到恢复,但不能恢复到正常水平,T2处理不能恢复;T1处理的根水势对复水的响应比叶水势更快,且更接近于正常水平.Pn和Tt对T2处理的响应快于T1处理;复水后二者对T1处理的恢复速度快于T2处理,T1和T2处理Pn分别超过和达到正常水平,而Tr分别能和不能达到正常水平;Tr对T1处理的响应早于Pn,二者对T2处理的响应一致;各处理gs对干旱的响应与Pn一致;T1处理的Ci与Pn趋势一致,T2处理相反.各干旱处理SF比对照减小,在晴天比阴天响应明显,SF对T2处理的响应比T1处理敏感,在一定干旱水平后响应敏感性减弱;复水后SF比对照明显增大,T2处理的增幅小于T1处理.

以‘津优3号’黄瓜(Cucumis sativus)为研究对象,采用完全随机区组设计,研究了交替滴灌、分根滴灌和对照3种滴灌方式对日光温室黄瓜光合作用及抗氧化酶活性的影响,结果表明:(1)交替滴灌可以显著降低黄瓜的株高和叶面积,显著提高黄瓜根系的活力,但黄瓜产量并未显著降低.(2)与对照相比,虽然交替滴灌下黄瓜叶片的叶绿素含量显著下降,但叶绿素a/b值没有差异,交替滴灌黄瓜叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间C02浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)均显著低于对照,但显著高于分根滴灌;与对照相比,交替滴灌和分根滴灌下黄瓜叶片中光系统Ⅱ (PSII)非光化学淬灭(NPQ)上升显著.(3)交替滴灌显著提高黄瓜叶片的可溶性蛋白含量,丙二醛(MDA)含量显著低于分根滴灌,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性显著高于对照.综上诉述,交替滴灌能有效抑制黄瓜植株冗余生长,提高黄瓜根系活力,降低蒸腾耗水.交替滴灌通过提高黄瓜叶片可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性、降低MDA含量来减轻膜脂过氧化作用,是其节水耐旱的重要机理之一.交替滴灌可作为日光温室黄瓜节水高效栽培的灌溉模式.

以西南喀斯特地区常见的出露基岩生境为研究对象,针对该类生境典型乔木类植物菜豆树和圆叶乌桕,应用TDP热扩散探针技术,结合遮雨试验,分析了植物树干液流对自然降水和连续干旱的响应特征.结果表明:在生长季不同时期,降水后2树种液流密度较降水前均有一定程度的升高,但始终呈现落叶乔木圆叶乌桕高于半落叶乔木菜豆树的特征;连续2个月遮雨条件下,2树种液流密度均无明显降低的趋势,表明2树种均不依赖受近期降水主导的水源;通过对降水前后及连续干旱条件下2树种液流密度与环境因子的拟合关系研究发现,气象因素差异对水分环境变化条件下植物蒸腾耗水的影响较小.自然降水和短时期的连续干旱并未显著改变2树种的蒸腾耗水特征,这可能与出露基岩生境特殊的水分蓄持环境和乔木类植物依赖相对稳定的深层水源有关.

研究北方土石山区植物耗水特征和环境影响因子对于构建稳定的植被生态系统具有重要意义,能够为当地植被恢复策略提供科学指导.在北京林业大学西山试验林场于2016年7月至10月利用热扩散探针的方法,结合同步观测的土壤含水率和气象因子,对刺槐和油松人工混交林进行蒸腾观测和分析.结果表明:(1)尽管刺槐和油松蒸腾的日变化规律相近,但二者蒸腾的季节变化规律不同;(2)两个树种蒸腾与VPD(饱和水汽压差)成顺时针时滞.刺槐蒸腾与太阳辐射成顺时针时滞,油松则成逆时针时滞;(3)二者与大气环境的耦合程度均较高(Ω＜0.1),其气孔活动能够有效地控制蒸腾;(4)影响植物蒸腾的主要环境因子为太阳辐射(P＜0.01)、VPD(P＜0.01)和风速(P＜0.01),其中由VPD引起的蒸腾量高于太阳辐射;(5)浅层土壤(0-50cm)的水分条件可能并不是影响植物蒸腾的重要因素.研究表明,在实际管理中可以采取调控气孔导度的手段来减少刺槐和油松人工林的耗水量,来降低水分这一人工林成活的限制因子,从而提高造林成活率.

为探究鲁中地区自然条件下野生酸枣光合生理参数对土壤逐渐干旱的响应机制,明确其与土壤水分的定量关系.该研究以2年生野生酸枣盆栽苗为实验材料,采用人工给水和自然耗水相结合法模拟自然条件下土壤干旱过程,分析野生酸枣叶片光合作用和荧光参数对土壤水分含量(RWC)的响应过程及其机制.结果表明:(1)野生酸枣叶片气体交换参数净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)均随着土壤含水量的增加表现出先升高后降低的趋势.当RWC＜38.5％0时,Pn下降,而胞间二氧化碳浓度(Ci)上升,气孔限制值(Ls)下降,叶片光合速率下降主要是非气孔限制因素所致;当RWC在38.5％～65.1％范围内,野生酸枣Pn下降,伴随Ci、气孔导度(Gs)均降低,野生酸枣叶片光合速率下降处于气孔限制阶段.(2)通过Pn和WUE对土壤水分的阈值模拟,发现维持野生酸枣叶片具有较高光合生产力的土壤水分范围为46.O％～0.5％,维持其较高水分利用效率的水分范围为56.3％～73.9％.(3)在土壤逐渐干旱过程中(RWC范围为29.9％～86.5％),野生酸枣最大荧光(Fm)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)逐渐降低,初始荧光(Fo)显著升高,光化学猝灭(qP)先升高再降低,非光化学猝灭(NPQ)在过高(RWC＞83.7％o)或过低(RWC＜38.5％)的土壤水分下呈现较高值,表现出热耗散增加.研究认为,野生酸枣叶片气体交换参数及叶绿素荧光参数对土壤水分均具有明显的阈值响应,阈值点的土壤相对含水量大约为38.5％,低于阈值时叶片光合速率由气孔限制转向非气孔限制,PSⅡ受到损伤,电子传递受阻,光合机构受到破坏.