我国北方多沙粗沙区常见树种水分利用效率的研究

我国北方多沙粗沙区常见树种水分利用效率的研究 我国北方多沙粗沙区常见树种水分利用效 率的研究 第14卷第1期 2006年1月 中国生态农业 ChineseJournalofEco—Agriculture Vo1.14No.1 Jan.,2006 我国北方多沙粗沙区常见树种水分利用效率的研究* 高素华郭建平 (中国气象科学研究院北京100081) 康玲玲王云璋 (黄河水利科学研究院郑州450003) 摘要采用Li一6400光合作用系统测定北方多沙粗沙区不同光强条件下常见树种水分利用效率和蒸腾效率结果 明,6个树种水分利用效率依次为剌槐>山楂>杨树>柳树>榆树>核桃,2种灌木沙柳水分利用效率高于柠 条,但其蒸腾速率却小于柠条,在半旱区水分竞争力强干柠条. 关键词水分利用效率光合速率蒸腾速率 WateruseefficiencyofcommontreespeciesintheexcessiveandthicksandlandregionsofNor thernChina.GAOSu— Hua,GUOJian.Ping(ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China ),KANGLing'Ling,WANG YunZhang(YellowRiverInstituteofHydraulicResearch.Zhengzhou450003,China),aEA, 2006,14(1):90,92 AbstractThewateruseefficiencyandtranspirationrateofcommontreespeciesunderdiffere ntradiationsweremeasured byusingLi.6400potablephotosyntheticsystemintheexcessiveandthicksandlandregionsof NorthernChina.The resultsshowthattheorderofthewateruseefficiencyof6treespeciesisacacia>haw>po plar>osier)"elm>walnut.and alsoshowthatthewateruseefficiencyofS.psarnmophilaisgrealerthanthatofC.intermedia,b utitstranspiration efficiencyisfarlessthanthatofC.intermediaandthedrought.resistantabilityofS.psammoph ilaisstrongerthanthat ofC.ntermedia. KeywordsWateruseefficiency,Photosyntheticrate,l'ranspirationrate (ReceivedJune9,2004;revisedJuly26,2004) 以往有关农作物水分利用效率的研究[卜3-和不同树种抗旱性,水分动态变化的研 究[]已见诸报道, 但对不同光强多个树种水分利用效率的研究尚未见报道.本研究探讨了我国北方 多沙粗沙区常见树种水 分利用效率,为该区科学选择树种提供依据. 1研究区域概况与研究方法 研究区域黄土高原多沙粗沙区位于黄土高原北中部,沟壑纵横,地形破碎,土壤疏 松,常年干旱少雨,且 降水时空分布极不均匀,6,9月份降水量占年降水量的65%,75%且多暴雨,常发 生高含沙洪水,使下游河 床连年抬高,大大降低河道的防洪能力;多大风,温差大,自然灾害频繁,水土流失加 剧,多年平均输沙量达 16亿t,其中面积为7.86万km的多沙区输沙量占65%,加之区域内人口数量增长 过快,陡坡开荒和过度 放牧等人为破坏植被的现象频发,使其生态环境十分脆弱,干旱缺水严重影响与制 约了该区土地资源潜力 的发挥,阻碍了当地经济的发展.本研究采用Li一6400便携式光合作用系统测定 了8种植物光合速率和蒸 腾速率,于2003年6月7日在北京观测榆树,刺槐,杨树,柳树,核桃和山楂6个树种;于2002年9月8日观 测柠条和沙柳2个灌木;测定时由低辐射强度到高辐射强度(0,3000t,mol/m2?S). 2结果与 2.16个树种光合速率与蒸腾速率变化 观测结果表明6个树种光合速率均随辐射强度的增大而增加,当辐射强度增至一定程度后光合速率增 速极慢,且呈明显对数关系,其相关方程见表1,置信度均达0.001.辐射强度为100,200Or,mol/m?s6个 树种光合速率平均值榆树最大(为11.28ttmol/m?S),柳树最小(仅为1.64~mol/m?S),6个树种光合速率依 次为榆树>刺槐>山楂>核桃>杨树>柳树.辐射强度达2200~mol/m2?s以上时,6个树种中除榆树,刺槐 和杨树光合速率均随辐射强度的增加而增幅变小,如刺槐变幅为0.09%左右,说明刺槐几乎处于光饱和状态, *黄河水利委员会治黄专项(2002Z031)资助 收稿日期:200406r09改回日期:2004—07—26 第1期高素华等:我国北方多沙粗沙区常见树种水分利用效率的研究91 而榆树和杨树变幅仅有0.10%,0.20%左右,也可认为近似达到 光饱和点,补偿点约20ttmol/m2?S左右;而柳树光合速率则随辐射 强度的增大而极缓慢增加,辐射强度达2800p.mol/m2?s后才有较 大增幅,且测定多个样本结果均类似,但柳树光饱和点为何比其他 3个树种高的原因尚待进一步研究.6个树种蒸腾速率变化趋势 同光合速率,亦随辐射强度的增大而增加,但辐射强度较低 (<100ttmol/m?s)时各树种变化不同,辐射强度>100肚mol/m2?S 时均随辐射强度的增强而增大,二者呈抛物线关系,其相关方程见 表2,由表2可知除与山楂相关关系不明显外,与其他5个树种相 关性极显着,置信度均达0.001.辐射强度为100,2000~mol/m2?s 时6个树种平均蒸腾速率值榆树最大(为3.8ttmol/m2?s),柳树最小 (仅为1.03ttmol/m?s),6个树种依次为榆树>核桃>刺槐>杨树 表16个树种辐射强度与光合速率的关系 Tab.1Therelationshipsbetweenradia. tionandphotosyntheticrate 榆树Y=2.4261ln(3L")4.45490.96 刺槐Y2.49351n()一8.52020.99 杨树Y=1.37571n()一2.41900.91 柳树Y=0.6155In()一1.84060,81 核桃Y=3.30441n(z)一14.44300.99 山楂Y=2.64021n(,72)一9.85320.97 表26个树种辐射强度与蒸腾速率的关系>山楂>柳树.低辐射(1O0ttmol/m-s) 时6个树种蒸腾 Tab?2Therelationshipsbetweenradiationand速率为榆树>核桃>山楂>杨树>刺槐>柳树.但仍为 transpirationrateof6treespecies 同树种亦有差异,辐射强度>600ttmol/m?S 时榆树,刺槐水分利用效率均随辐射强度的 增加而减小;辐射强度>1000ttmol/m?S时 杨树和核桃水分利用效率均随辐射强度的 增加而减小;而柳树和山楂这种关系则不明 显.辐射强度<600ttmol/m2-s~,-t,除杨树外 其余5个树种水分利用效率均随辐射强度 的增加而呈增大趋势.辐射强度为100, 2000ttmol/m?S时6树种平均水分利用效率 山楂最大(为6.0),而榆树最小(仅为2.95), 6树种为山楂>杨树>刺槐>柳树>榆树> 核桃;低辐射(100ttmol/m?S)时为刺槐> 山楂>杨树>柳树>榆柳>核桃;强辐射 (2000p.mol/m2?s)时为山楂>杨树>柳树> 核桃>榆树>刺槐.蒸腾效率的计算即蒸 腾速率/光合速率值,表示生产单位光合产 物所需蒸腾消耗的水分,蒸腾效率和水分利 用效率为倒数关系,故变化趋势基本一致. 6个树种中生产单位的光合产物山楂需水量 少,而核桃最大,其排序与水分利用效率一 致,但对水分利用的评价意义则相反.该区 水分竞争能力最强的树种为杨树,其次为刺 榆树最大,柳树量小,其余3个树种排序有变化;而强辐射 (2000ttmol/m-S)时6个树种蒸腾速率为榆树>刺槐>核 桃>杨树>山楂>柳树,与平均值基本一致,仅刺槐和核 桃排序有变化. 2.2不同辐射强度6个树种水分利用效率与蒸腾效率 水分利用效率的计算即光合速率/蒸腾速率值,表示 单位数量的水所能生产的光合产物.不同辐射强度6个 树种的水分利用效率见表3.由表3可知水分利用效率与 辐射强度的关系较为复杂,不同辐射强度表现不一,且不 表3不同辐射强度6个树种的水分利用效率 Tab.3Thewater1lSeefficiencyof6treespeciesindifferentradiations 辐射强度/~m0l-lit-s'水分利用效率/pmol?pmol一.Wateruseefficiency Radiantintensity榆树刺槐杨树柳树核桃山楂 ElmAcaciaPoplarOsierWalnutHaw 0.58一O.55 O.5O3舟5 2.375.34 2.996.8O 2.967.2O 2.816.81 槐,柳树和榆树.2个经济树种山楂水分竞争能力高于核桃. ?M鲫"玛趴跚 l2332323333333333 加踟"如"町 23544444333333333 ?"??舳卯"如"" 44444333322222222 ?档%卯档??;2如?勰 O1223333332222222 如???????????????? :加M加勰? 中国生态农业第14卷 2.3沙柳与柠条水分利用效率 表4不同辐射强度沙柳的水分利用效率 Tab.4WaterUSeefficiencyof$Mixpsammophilaindifferentradiations 表5沙柳辐射强度与水分利用效率的关系 Tab.5Therelationshipbetweenradiationand wateruseefficiencyofSalixpsarnmophila 光合速率Y=9×106X2—0.0081+1.75810.98 蒸腾速率Y:1×106/:20.0011+0.51630.98 水分利用效率Y=1×10,X2—0.0046z一1.24400.98 沙柳,柠条光合速率测定辐射强度设 200t~mol/mS,500/lmol/mS,800/~mol/ms,lO00tmaol/mS, 1200umol/m?s和14001~mol/m?s7个梯度.表4表明沙柳光合速率随辐射强度的增大而增加,其蒸腾速 率亦呈同样变化趋势均为抛物线相关(其相关方程见表5),而水分利用效率亦呈同样变化趋势,蒸腾效率则 呈相反趋势,200,1400/~mol/m?s平均光合速率为3.15/lmol/ms,平均蒸腾速率 0.597/lmol/m_2.s,平均水 分利用效率3.72ttmol//lmol,平均蒸腾效率0.97/1mol/~mol.表6表明辐射强度为200,1400t~mol/ms时 表6不同辐射强度柠条的水分利用效率柠条平均光合速率为7.03taml/m2?s,平均蒸腾速率 Tab.6WateruseefficiencyofC.intermediaindifferentradiations3.41~-nol/m2.s'平均水分利用效率1.93~mol/tanol, 平均蒸腾效率2.38/~mol/ttmol,且光合速率,蒸 腾速率,水分利用效率均随辐射强度的增强而增 大,蒸腾效率则相反随辐射强度的增强而减小. 与柠条相比,沙柳平均蒸腾速率仅为柠条的 l7.5%,平均水分利用效率则高92.7%,而平均 蒸腾效率却低59.2%,蒸腾速率与光能利用率 可认为是互补关系,据生态位理论可推测不同植 物的生长和水分利用策略亦可能存在差异,即存 在光能和水资源利用生态位的分离,在半干旱区沙柳水分竞争能力强于柠条. 3小结 本研究表明水分利用效率和蒸腾效率是互补关系,水分利用效率高的植物其蒸腾效率亦非常高,沙柳 水分利用效率大于柠条,但其蒸腾速率却小于柠条,黄土高原多沙粗沙区气候严重干旱,从抗旱性考虑沙柳 应为首选灌木,榆树,刺槐,杨树,柳树,核桃和山楂6个树种中榆树水分利用效率最低,但蒸腾效率最大,从 增加抗旱性考虑应首选榆树,从提高水分利用效率考虑应首选杨树. 参考文献 1钟兆站.赵聚宝.中国北方主要旱地作物需水晕的计算与分析中国农业气象,2000,21(2):1,4 2张劲松.孟平,尹昌君等.植物蒸散耗水量计算方法综述.世界林业研究,2001,14(2):23,28 3杜尧东,刘作新.张运福等参考作物蒸散计算方法及其评价.河南农业大学,2001,35(1):57,61 4冯金朝沙生植物水分特征曲线及水分关系的初步研究.中国沙漠.1995.15(3):222,226 5董学军,陈仲新,陈锦正等.毛乌寨沙地油松的水分关系参数随不同土壤基质的变化.植物生态.1999.23(5):385,392 6郭连生.田有亮.应用PV技术对针阔叶树种耐旱性生理指标的研究林业科学,1989,25(5):389,394 7李吉跃PV技术在油松侧柏苗水抗旱性研究中的应用北京林业大学,1989,11(1):3,11 8田有亮.郭连生.应用Pv技术对7种针阔叶幼树抗旱性的研究.应用生态,1990,1(2):114,119 9李吉跃,张建国.北京主要造林树种耐旱机理及其分类模型的研究I.苗术叶水势与土壤含水量的关系及分类.北京林业大学 1993,15(3):1,11 10董学军,陈仲新,阿拉腾宝等.毛乌素沙地柏的水分生态初步研究植物生态,1999,23(4):311,319 l1蒋进.极端气候条件下胡杨的水分状况及其与环境的关系.干旱区研究,1991(2):35,38