内蒙古典型针茅植物对水热变化的适应性研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoya2001
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温度和水分是植物生长的重要气候因子。当前,以温度升高和降水格局改变为特征的气候变化已经发生,已经并将继续影响植物的生理生态过程、生长发育、分布和适应策略。内蒙古草原作为欧亚草原的重要组成,对气候变化高度敏感和脆弱。探讨典型针茅植物对气候变化的适应性,寻求针茅植物对气候变化的敏感指标及其气候适应阈值,可为客观辨识、监测气候变化对针茅植物的影响,开展草原生态系统脆弱性评估与适应性管理提供依据。然而,目前有关内蒙古典型针茅植物对气候变化的适应性定量研究尚鲜有报道。  本研究以内蒙古草原四种地带性针茅植物(贝加尔针茅、本氏针茅、大针茅和短花针茅)为研究对象,采用人工气候箱法模拟针茅植物功能性状(形态特征、生物量和生长指数)对温度变化(对照,增温1.5℃、2℃、4℃和6℃)、降水变化(减少30%、减少15%、对照,增加15%和增加30%)及其交互作用的响应,探讨针茅植物功能性状对水热交互作用的敏感性差异及其对水热变化的敏感指标,定量评价针茅植物对水热变化的适应阈值。主要结论如下:  (1)水热交互作用对四种针茅植物的功能性状影响显著且不同于水热单一因子影响效应的累加。干旱高温显著减小四种针茅植物的株高、叶片数、叶面积和生物量约15.6%、16.1%、12.4%和39.1%;降水轻度减少和增温增加四种针茅植物的叶面积比、比叶面积和根冠比(除大针茅)约7.1%、4.2%和77.9%,增加针茅植物(除大针茅)的地下生物量(76.5%)和总生物量(19.8%),减小大针茅的地下生物量(-25.0%)和总生物量(-23.6%);适度的增温和增水使本氏针茅和大针茅的生物量分别增加67.2%和42.1%、大针茅根冠比增加约9.4%。这表明,未来干旱高温气候将对四种针茅植物干物质累积和形态生长具有显著负效应;轻度气候暖干化将使针茅植物具有较大的植株个体(株高)和薄叶(比叶面积),且有利于贝加尔针茅和短花针茅的生物量增加;暖湿气候有利于本氏针茅和大针茅的干物质累积,并使大针茅地下分配比例增加。  (2)阐明了水热因子对内蒙古典型针茅植物作用机制的差异。基于偏相关分析和线性回归分析系数可知,大针茅、短花针茅和本氏针茅的多数功能性状均与降水的偏相关系数大于与温度的偏相关系数,而这些功能性状与温度的线性回归系数大于降水,即这三个针茅植物的功能性状主要受降水影响,且对温度的响应程度较大;贝加尔针茅仅株高、地上生物量和根冠比与降水有显著偏相关系数,分别为0.19、0.33和-0.25。这表明,降水是影响四种针茅植物生长和变化的决定因子,而温度主要影响针茅植物(除贝加尔针茅)功能性状变化的波动,未来气候变化可能通过降水变化改变它们的分布与生长,进而改变草原生态系统的结构与功能。  (3)建立了植物对气候变化的敏感指标确定方法。不同温度处理下,四种针茅植物对降水变化的敏感指标不同,且一定程度的增温会加大针茅植物功能性状对降水的敏感性,反之亦然。基于通径分析可知,叶面积、比叶面积和根冠比的变化可解释四种针茅植物生物量变化的86‰其中对贝加尔针茅、大针茅、短花针茅和本氏针茅总生物量直接贡献率最大的指标分别为根冠比(0.87)、叶面积(0.90)、比叶面积(-0.89)和叶面积(0.82),间接贡献率最大的均为比叶面积,并且这三个指标对水热协同变化的敏感性大于其他功能性状。因此,这三个指标一定程度上反映了植物生产能力(叶面积)、适应策略(根冠比)、瞬时环境效应(比叶面积)与累积环境效应(叶面积、根冠比)的综合作用,可以作为针茅植物响应水热变化的敏感指标。  (4)发展了植物适应气候变化的阈值确定方法。四种针茅植物总生物量对水热变化的适应关系并不相同,表现为随温度增加针茅植物总生物量与降水均呈二次曲线关系,而随着水分条件的改善针茅植物总生物量与温度的关系由线性向二次曲线转换,反映出植物由水分限制向温度限制的转变,并存在最适水热条件。随温度增加,在降水减少30%时,所有针茅植物的总生物量均呈线性减小关系;在降水减小15%时,贝加尔针茅和短花针茅植株总生物量呈二次曲线关系,本氏针茅和大针茅植株生物量则呈线性减小关系;在当前降水及降水增加时,除贝加尔针茅外其他针茅植物植株生物量呈二次曲线关系。基于针茅植物总生物量对水热协同变化的响应关系可知,它们最适水热条件(6-8月平均温度和总降水量)分别是:本氏针茅(24.2℃、300mm)、短花针茅(23.6℃、270mm)、大针茅(22.3℃、235mm)、贝加尔针茅(21.3℃、240mm)。这表明,未来气候情景下,四种针茅植物主要适应暖湿环境,且本氏针茅适应的水热范围较大,大针茅和短花针茅次之,贝加尔针茅最小。
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