氮、水添加对温带典型草原群落优势植物光合特性的影响

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化石燃料燃烧、工业废气排放等人类活动的加剧是造成全球气候变化的关键因素。而氮沉降和降水格局的改变是全球变化的重要内容,会对受水分和氮限制的温带草地生态系统的结构和功能产生一系列的影响。近年来,关于氮添加和降水增加对草地生态系统的影响的研究主要集中在生产力和生物多样性等方面,而关于植物群落水平光合生理生态对全球变化的响应的研究还相对较少。本研究基于我国内蒙古多伦县温带典型草原的一个长期氮、水添加的控制实验,通过三年的野外原位测定,系统地探讨了降水增加与氮素添加对群落两种优势植物—冰草(Agropyron cristatum)和二裂委陵菜(Potentilla bifurca)光合特性的影响,取得如下主要结果:(1)2019-2021年,氮添加对冰草的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间二氧化碳浓度无显著影响,而对水分利用效率有促进作用。水添加对冰草的光合特性有一定的正效应;其中,水添加在2020年对冰草的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率有显著的正效应;在2021对冰草的净光合速率也有一定的正效应。氮添加和水添加对冰草的净光合速率和气孔导度存在显著的交互作用;氮、水共添加显著提高了冰草2019-2021年的净光合速率和2019-2020年冰草的气孔导度。多元线性逐步回归的结果表明:影响冰草净光合速率的主要因子是气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率,且气孔导度是影响净光合速率最主要的因子,而影响气孔导度的主要环境因子是土壤含水量。因此,土壤含水量通过影响气孔导度间接的影响净光合速率。(2)2019-2021年,氮添加对二裂委陵菜的净光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度和水分利用效率没有产生显著影响,而对气孔导度有促进作用。水添加对二裂委陵菜的气体交换参数有增加的效果;其中,在2019-2020年,水添加对二裂委陵菜的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率有显著的正效应。氮添加和水添加对二裂委陵菜的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率产生了交互作用;氮、水共添加显著提高了2019年二裂委陵菜的净光合速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度。多元线性逐步回归的结果显示:二裂委陵菜的净光合速率主要受到气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率的影响,且气孔导度是影响二裂委陵菜净光合速率的主要因子,而影响气孔导度的主要环境因子是土壤湿度和土壤温度。因此,土壤湿度和土壤温度主要通过对气孔导度的刺激进而引起净光合速率的变化。(3)冰草和二裂委陵菜的光合特性存在年际间差异;2021年,冰草的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著高于2019和2020年,而水分利用效率显著低于其它两年;2020年和2021年,二裂委陵菜的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著高于2019年,而2019和2020年水分利用效率显著高于2021年。2019-2021年生长季降雨量(分别是264.15mm、279.3mm和451.4mm)年际波动可能是植物光合特性年际间差异的主要原因。(4)氮添加处理下,二裂委陵菜的水分利用效率显著高于冰草,其它光合气体交换参数差异不显著;水添加处理下、冰草的净光合速率显著高于二裂委陵菜;氮、水共添加处理下,冰草的净光合速率、气孔导度和水分利用效率均显著高于二裂委陵菜。这说明不同的物种可能具有不同的水或氮素敏感性,因此植物光合特性对增加的氮和水具有物种特异性。在全球变化的背景下,本研究明确了我国温带典型草原群落优势植物光合特性响应降水增加和氮沉降增加的规律,有助于理解相关的生理生态学机制,研究结果也为模型模拟植物对氮、水变化的响应提供了重要的实验数据和参考参数。
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