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降水是半干旱沙地植物生长发育最主要的生态制约因子,降水过程与格局的改变会影响沙地植物的生长特征以及水分、光合、呼吸和物质代谢等生理过程;同时风作为一种重要的环境因子,对沙地植物生长、发育、繁衍的整个过程都具有重要影响,直接或间接决定着沙地植被类型、分布和生产力,乃至植被资源的稳定和可持续利用。因此,在不同区域和环境背景下,综合考虑风和降水两种环境因素交互作用对沙地植物生长过程的影响作用,认识不同沙地植物对干旱风沙环境响应的普适性机理显得尤为重要。本文以科尔沁沙地植物为研究对象,通过风速和降水控制试验,开展风速和降水变化对沙地植物生长的影响研究。分析沙地植物种子萌发响应风吹和降水的变化特征;阐明风速和降水变化对沙地植物群落特征的影响;揭示沙地植物响应风速和降水变化的生理生态学机制;从而为该地区沙漠化防治,沙地植物选育及引种,以及沙地植被的稳定与恢复提供理论依据。主要研究结论如下: (1)风速和降水变化对科尔沁沙地植物种子萌发及幼苗特征有重要影响。一方面,风速降低和降水增加可使沙地植物萌发物种数、幼苗平均高度及植被盖度增加,但会使幼苗密度降低。另一方面,风速降低可以提升猪毛菜的优势作用,而减弱五星蒿的优势作用;降水增加30%促进五星蒿种子萌发,限制猪毛菜种子萌发,降水增加60%则刚好相反。降水增加使物种Simpson优势度增加,其中降水增加30%使其显著增加。此外,二者交互作用对幼苗物种丰富度、Simpson优势度指数、Shannon-Wiener指数均有显著影响。 (2)风速降低和降水增加可使植物平均高度、植被盖度及优势植物高度显著增加。风速降低20%和40%使植被盖度分别增加23.6%、40.5%,降水增加30%和60%使植被盖度分别增加29.1%、39.6%。风速降低20%和降水增30%及其交互作用均有利于优势植物五星蒿密度、重要值的增加,风速降低40%和降水增加60%及其交互作用则对优势植物猪毛菜有利。风速降低和降水增加单因素处理对科尔沁沙地植物物种多样性无显著影响,但二者交互作用下,沙地植物物种多样性差异显著,风速降低40%和降水增加60%交互作用时物种多样性最大。 (3)随着风速降低和降水增加,沙地植物地上、地下生物量及总生物量显著增加,优势植物生物量也呈增加趋势,生物量大小顺序为:猪毛菜>五星蒿>狗尾草。风速降低20%和降水增加30%的交互作用能提高优势植物五星蒿的生物量,风速降低40%和降水增加60%的交互作用则有利于优势植物猪毛菜生物量的增加。风速降低40%使群落地下生物量/地上生物量比值降低10.7%,降水增加30%、60%分别使群落地下生物量/地上生物量比值降低15.8%、18.1%。地下生物量主要集中在0-20cm土层深度,占地下总生物量的68.25%;同一土层深度,风速降低20%和降水增加60%的交互作用能促进地下生物量的增加。 (4)风速降低和降水增加单因素处理下,优势植物细胞膜透性大小为:五星蒿>猪毛菜>狗尾草,风速降低使优势植物细胞膜透性呈下降趋势,降水增加使细胞膜透性显著增加。风速降低20%和降水增加60%交互作用下优势植物五星蒿细胞膜透性最大。优势植物细胞含水量的大小为:狗尾草<五星蒿<猪毛菜,风速降低使优势植物五星蒿茎、叶细胞含水量显著增加,降水增加则对优势植物细胞含水量无显著影响。 (5)风速降低可以提高优势植物净光合速率,但降水增加可使优势植物的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均增加。风速降低处理,优势植物净光合速率的大小为:狗尾草>猪毛菜>五星蒿,且风速降低20%时净光合速率最大。降水增加处理下,优势植物净光合速率的大小为:狗尾草>猪毛菜>五星蒿,降水增加60%时最大。风速降低20%和降水增加30%的交互作用可使优势植物狗尾草净光合速率增加,风速降低20%和降水增加60%的交互作用则有利于优势植物猪毛菜净光合速率、气孔导度、蒸腾速率的增加。 (6)风速降低和降水增加单因素处理下,优势植物水分利用效率的大小为:狗尾草>猪毛菜>五星蒿,风速降低20%有利于提高优势植物狗尾草、五星蒿植物的水分利用效率,降水增加使优势植物猪毛菜水分利用效率显著提高。风速降低20%和降水增加30%的交互作用可以提高优势植物五星蒿的水分利用效率。此外,随着优势植物生长时间的增加,优势植物狗尾草水分利用效率显著降低,优势植物五星蒿、猪毛菜水分利用效率显著增加。