Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 干旱绿洲典型植物碳水耦合机制研究 | |
| 韩拓 | |
| 出版年 | 2020 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 兰州大学 |
| 中文摘要 | 在我国西北干旱区,绿洲虽不足总面积的5%,却对调节区域气候、哺育人口起着十分重要的作用。水资源是绿洲最宝贵的自然资源,是制约植被生存、进化的关键因素。准确理解不同物种植物在有限水资源条件下的碳水耦合机制,不仅有助于指导当地科学种植、灌溉,而且对预测气候变化背景下植被-大气间的反馈机制具有重要意义。然而,以往对碳水耦合的研究多集中在生态系统尺度,且在干旱绿洲区开展较少。针对目前研究存在的不足,依托兰州大学--敦煌生态水文观测站,以敦煌南湖绿洲36种典型植物(涉及6个植被功能类型)为研究对象,结合野外实测、室内试验及相关模型揭示绿洲植物叶片光合作用特性、光合能力种间差异;探究植物光合-蒸腾耦合特征及影响因素;同时,通过分析气孔行为,揭示气孔对碳水耦合关系的调节机制;最后,对比水分利用效率(WUE)的种间差异,量化植物碳水耦合关系。主要结论如下:(1)不同物种植物净光合速率(A_n)的日变化特征和季节动态特征基本相似,但光合能力(A_(nmax))差异显著:日变化曲线近似“抛物线”型,存在“单、双峰”两种峰形;季节动态受环境因子和自身生理状况的共同影响,从生长季初期的5月到生长季末期的10月,呈先增大后减小的趋势,通常在8月份达到最大;C4植物具有最强的光合能力,最高可达38.77μmol m~(-2) s~(-1),常绿针叶植物最弱,最小仅6.39μmol m~(-2) s~(-1)。(2)敏感性分析能有效识别出光合作用生化模型中的关键参数,在此基础上,构建贝叶斯层级结构,实现了多参数多尺度(种内尺度、种间尺度和植被功能类型尺度)上的同时估计。结果表明,参数优化后的光合作用生化模型不仅具备更高的模拟精度,而且保证了其内在生物化学意义,在该区适用性强;参数在物种尺度差异大,在未来碳水通量耦合模型模拟中,建议考虑参数的种间差异。(3)气孔导度(g_s)受外界环境因子和自身水力特性共同调节:g_s与主要环境因子(光合有效辐射、饱和水汽压亏缺和环境温度)均呈现顺时针环状关系,说明g_s峰值出现时间早于环境因子;g_s与叶水势(Ψ_L)的回归方程近似韦伯累计分布函数,说明g_s与Ψ_L在不同时段相关性变异性强。在充分研究气孔行为的基础上,对最优气孔导度模型进行参数优化,发现考虑气孔导度斜率(g_1)的季节变化后,模型模拟精度显著提高,在极端干旱绿洲区适用性强。此外,g_1种间差异显著:C4植物的g_1显著小于其他物种;对于C3植物而言,农田(CRO)和草地(GRA)显著大于常绿针叶林(ENF)和开放灌丛(OSH),落叶阔叶林(DBF)的g_1则相对居中。在未来的碳水耦合模型中,建议考虑g_1的种间差异。(4)极端干旱绿洲植物叶片光合-蒸腾存在着密切的耦合关系:首先,外界环境因子对光合、蒸腾作用过程具有同向的驱动作用,表现为净光合速率(A_n)与蒸腾速率(T)较为一致的日变化特征和显著的相关性;其次,气孔是植物和外界环境进行CO_2和水汽交换的共同通道,对光合、蒸腾作用具有同向调控作用,A_n-g_s和T-g_s存在稳定的正相关关系。就不同物种而言,ENF、OSH和C4植物的光合-蒸腾耦合关系稳定,受外界环境因素扰动小,A_n-T始终保持线性相关,气孔始终对光合、蒸腾过程具有较强限制作用;而对于DBF、GRA和CRO植物,随着光合有效辐射、温度以及饱和水汽压亏缺的逐渐增大,g_s不断增大,当达到一定水平后,气孔对光合作用的限制逐渐变弱,光合-蒸腾过程逐渐发生解耦。(5)水分利用效率(WUE)是植物碳水耦合关系的定量表达,同时受外界环境因子和自身生理要素的控制。首先,WUE的种间差异大:C4植物的WUE显著高于其他物种;在C3植物中,常绿针叶林最大,开放灌丛次之,农田和草地相对较小,落叶阔叶林的WUE则相对居中;WUE与叶干物质含量(LDMC)呈指数递增特点(P<0.01),说明不同物种植物WUE差异与植物自身“快速增长-养分贮存”的权衡策略有关。其次,通过预测未来气候条件(升温、干旱和CO_2浓度升高)对植物WUE的影响发现:在一定范围内,WUE对温度(T_a)和土壤含水量(SWC)具有负向反馈,对环境CO_2浓度(C_a)有正向反馈;其中,T_a对DBF、GRA和CRO植物WUE改变的相对贡献率远大于对OSH和C4植物,而C_a对C4植物WUE改变的相对贡献率显著高于其他植被功能类型植物。 |
| 中文关键词 | 干旱绿洲 ; 光合作用 ; 气孔导度 ; 碳水耦合 ; 水分利用效率 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | Q948 |
| 来源机构 | 兰州大学 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/338003 |
| 作者单位 | 兰州大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 韩拓. 干旱绿洲典型植物碳水耦合机制研究[D]. 兰州大学,2020. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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