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油蒿叶片氮分配对其最大净光合速率季节变异的影响

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生态学报 2022年第17期42卷 7156-7166页

作者：赵洪贤张洋军徐铭泽卫腾宙毛军雒宇贾昕查天山北京林业大学水土保持学院北京100083 宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站盐池751500 北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室北京100083 甘肃省林业科学研究院兰州730020

植物最大净光合速率的季节变异性及其氮调控机制是近年来植物生理生态领域研究热点,对荒漠植物光合最大净光合速率季节动态及其叶氮影响,特别是叶氮分配对最大净光合速率调控机制的了解仍非常有限。2018年5—10月在宁夏盐池毛乌素沙地,... 详细信息

植物最大净光合速率的季节变异性及其氮调控机制是近年来植物生理生态领域研究热点,对荒漠植物光合最大净光合速率季节动态及其叶氮影响,特别是叶氮分配对最大净光合速率调控机制的了解仍非常有限。2018年5—10月在宁夏盐池毛乌素沙地,对当地主要建群种油蒿(Artemisia ordosica)进行生长季原位观测,测定其叶光合光响应曲线(A-PAR)、CO_(2)响应曲线(A-Ci)和叶氮含量,结合环境观测数据,分析A-PAR关键参数最大净光合速率(A_(max))的季节变异和叶片氮分配相关参数对A_(max)的调控。结果表明,油蒿叶片A_(max)在生长期季节变异系数(Cv)为14%,在完全展叶中期,光合氮利用效率(PNUE)有最大值11.82μmolCO_(2) gN^(-1) s^(-1),此时叶片氮素在光合系统中的分配比例最大,A_(max)有最大值29.48μmol CO_(2) m^(-2)s^(-1),油蒿光合能力较强。在完全展叶末期,油蒿叶片氮在光合系统中的分配比例(P_(p))有最小值0.21,此时叶氮分配更倾向于非光合系统,A_(max)较小,光合能力较弱,有利于油蒿延长叶片寿命。A_(max)与单位干重叶片氮含量(Nmass)、氮在捕光系统中分配比例(P_(L))、氮在生物力能系统中分配比例(P_(b))正相关(P<0.05),其中,P_(L)对A_(max)产生了最大的直接正向影响,氮在羧化系统中分配比例(P_(c))主要通过P_(b)对A_(max)的产生了间接的正向影响,P_(b)对A_(max)季节动态的解释度最大(R^(2)=0.49,P<0.01)。A_(max)与比叶重(LMA)负相关(P<0.05),即当有较高LMA时油蒿具有较低的光合速率,此时叶片光合能力较弱,叶片机械韧性较强。不同物候时期,油蒿叶片氮素分配的变化及叶片光合能力与结构性状之间的权衡关系,标志着荒漠植物对其生境的适应性调节。研究结果不但可提高荒漠灌木油蒿生态系统生产力预测的准确性,也是对植物光合适应机理认识的补充和深入。

关键词：最大净光合速率光合参数光合响应曲线氮分配油蒿

毛乌素沙地油蒿叶性状对光能利用效率动态的影响

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生态学报 2023年第12期43卷 5122-5136页

作者：徐铭泽刘鹏田赟赵洪贤靳川李满乐毛军魏晓帅贾昕查天山北京林业大学水土保持学院北京100089 宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站北京100089 北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室北京100089

目前对于荒漠灌木光能利用效率(LUE)的季节变异及其调控因素,尤其是其生物调控因素的认识非常有限,导致了荒漠生态系统生产力模型的不确定性。拟验证假设:长期干旱环境下,典型荒漠灌木油蒿光能利用效率日均值(LUEday)的动态变化与叶片... 详细信息

目前对于荒漠灌木光能利用效率(LUE)的季节变异及其调控因素,尤其是其生物调控因素的认识非常有限,导致了荒漠生态系统生产力模型的不确定性。拟验证假设:长期干旱环境下,典型荒漠灌木油蒿光能利用效率日均值(LUEday)的动态变化与叶片性状的季节性调整有关。试验采用Li-6400便携式光合仪定期测量了油蒿生长季叶片LUEday的季节动态及相关叶性状指标,探究叶性状对LUEday的影响。结果表明:LUEday的季节波动范围为0.003—0.017 mol/mol,整体变异系数(CV)为38.75%。完全展叶期LUEday均值相比生长季平均值降低17.37%,相比展叶期和落叶期时降低30%;8个叶性状的季节变异幅度差异较大,其中总叶绿素含量(Chl)、类胡萝卜素含量(Car)和叶氮含量(LNC)均表现出较大的季节变异性(CV≥20%),叶碳含量(LCC)和叶片相对含水量(LRWC)的变异程度最低(CV<7%)。LRWC与所有叶片化学性状(Chl、Chl a/b、Car、LNC和LCC)均存在显著相关,表明其变化与叶片的养分吸收、光合色素合成以及碳同化的运输过程密切相关;油蒿LUEday的相对变化与LRWC、Chl a/b和LNC显著正相关,而LRWC和LNC的季节动态受空气温度(Ta)和土壤含水量(VWC)的共同调节,Chl a/b的季节波动主要由浅层土壤含水量(10 cm VWC)控制。以上研究结果强调,在未来预计极端的气候事件(如极端干旱和持续热浪事件)发生更频繁的旱地场景中,时间尺度植物叶性状对于土壤干旱和高温的适应性调整应当被充分考虑到旱地生态系统的通量建模方案中。该结果将为构建叶片尺度的光合生理模型与厘清LUE的生物调控机制提供理论依据。

关键词：光能利用效率叶功能性状季节动态油蒿

北京百花山华北落叶松群落主要木本植物的叶性状变异及适应策略

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林业科学 2023年第7期59卷 12-23页

作者：刘新月王立平刘春和孙艳丽魏晓帅徐铭泽韩聪田赟贾昕查天山北京林业大学水土保持学院北京100083 林木资源高效生产全国重点实验室北京100083 北京市八达岭林场管理处北京102112 北京市园林绿化规划和资源监测中心北京100193

【目的】探讨华北落叶松群落叶性状间的权衡及叶化学性状、结构性状与光合性状间的关系,为林业经营管理优化造林树种的选择和配置提供科学支撑。【方法】以北京百花山落叶松群落木本植物包括优势种华北落叶松、3种落叶阔叶乔木(白蜡、... 详细信息

【目的】探讨华北落叶松群落叶性状间的权衡及叶化学性状、结构性状与光合性状间的关系,为林业经营管理优化造林树种的选择和配置提供科学支撑。【方法】以北京百花山落叶松群落木本植物包括优势种华北落叶松、3种落叶阔叶乔木(白蜡、黄檗和五角枫)、2种灌木(胡枝子和绣线菊)为研究对象,于2021年7—8月测定分析叶片的8个光合性状:最大净光合速率(P_(nmax))、饱和光强(I_(sat))、暗呼吸速率(R_(d))、饱和胞间CO_(2)浓度(C_(isat))、最大羧化速率(V_(cmax))、最大电子传递速率(J_(max))、水分利用效率(WUE)和光合氮利用效率(PNUE),2个化学性状:碳氮比(C∶N)、氮磷比(N∶P),3个结构性状:叶厚(LT)、比叶面积(SLA)、叶组织密度(LTD)。利用单因素方差分析、斯皮尔曼相关性分析、主成分分析和线性回归等方法,分析叶性状之间的权衡及化学性状和结构性状对光合性状的影响。【结果】1)种间变异最大的性状为PNUE和SLA,其为反映光合速率和获取光能的主要性状,变异系数分别为60.88%和56.8%,说明该群落植物更多的是对光资源的竞争。2)灌木为增加群落垂直结构上的光获取能力,通常具有更大的SLA。同时,灌木叶片的N:P为21.10,高于乔木(14.58),证明位于林分垂直结构下层的灌木为获取更多的光以维持自身生长发育,会将更多的氮分配到叶片中。3)阔叶乔木叶C∶N、N∶P和SLA分别为18.19、16.04和193.77 cm^(2)·g^(-1),针叶乔木的对应指标分别为39.6、10.2和82.2 cm^(2)·g^(-1),针叶乔木具有较大的C∶N和较低的N∶P、SLA,说明针叶乔木更倾向于构建叶片的防御组织,对胁迫具有更强抵抗能力,但光的截获能力和利用率较低。4)华北落叶松在叶经济谱中倾向于“缓慢投资-收益”型,2种灌木更倾向于“快速投资-收益”型。华北落叶松具有较高的WUE和较低的PNUE,2个叶性状之间存在明显的权衡关系。5)五角枫和绣线菊的P_(nmax)没有显著差异,但其R_(d)仅为0.54和0.68μmol·m^(-2)s^(-1),显著小于同生活型的其他物种。6)该典型群落木本植物的Isat、R_(d)、WUE和PNUE与C∶N、LT和SLA呈显著线性相关(P<0.05)。【结论】百花山华北落叶松典型群落6种主要木本植物之间存在叶经济谱,群落的种间竞争主要是对光资源竞争。在一定程度上C∶N、LT和SLA可以作为预测植物光合能力的易于观察的叶化学性状和结构性状,即具有较大C∶N、LT,较小SLA的物种,其对强光的耐受能力更高、水分利用效率越高、对弱光的利用能力强且碳消耗较少,但其光合氮利用能力较弱。

关键词：叶片化学性状结构性状光合性状权衡光响应曲线 CO_(2)响应曲线

荆条叶片最大水分利用效率的季节变化及其环境调控

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北京林业大学学报 2023年第6期45卷 52-61页

作者：潘梦婷张德怀高娜徐铭泽李鑫豪田赟刘鹏贾昕查天山北京林业大学水土保持学院北京100083 北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室北京100083 北京市密云区园林绿化局北京101599

【目的】水分利用效率(WUE)作为反映生态系统碳水耦合的重要指标,其与环境因子间的相互关系备受关注,然而对植物潜在水分利用能力对环境变化的适应机制却鲜有报道。本研究以北京油松林下灌木层的优势种荆条为研究对象,旨在探明荆条叶片... 详细信息

【目的】水分利用效率(WUE)作为反映生态系统碳水耦合的重要指标,其与环境因子间的相互关系备受关注,然而对植物潜在水分利用能力对环境变化的适应机制却鲜有报道。本研究以北京油松林下灌木层的优势种荆条为研究对象,旨在探明荆条叶片最大水分利用效率(即水分利用能力潜力,WUE_(max))的季节变化特征及其对环境变化的响应机制。【方法】于2021年6-10月,采用微气象原位观测和LI-6800便携式光合仪人工监测的方法,测定荆条叶片光响应曲线和空气温度(T_(a))、土壤含水量(SWC)、空气饱和水汽压差(VPD_(a))等环境因子。通过瞬时水分利用效率(WUE_(i))构建了水分利用效率对光响应模型,计算得到荆条叶片WUE_(max)。并在此基础上进一步分析WUE_(max)的季节动态变化及其与环境因子间的关系。【结果】生长季内荆条叶片WUE_(max)在2.84~9.17μmol/mmol的范围内波动,平均值为4.79μmol/mmol,整体上呈现先下降后平缓的趋势;在湿润条件下荆条WUE_(max)主要受SWC和T_(a)的影响。其中,SWC是调控WUE_(max)的关键环境因子,荆条WUE_(max)与SWC呈负相关,SWC主要通过气孔导度影响WUE_(max);荆条WUE_(max)与T_(a)呈正相关,T_(a)主要通过调控光合羧化酶活性影响WUE_(max)。【结论】本研究初步论证了湿润半湿润环境下荆条主要通过水分资源获得策略来适应环境,且高SWC和低温为荆条叶片WUE_(max)的抑制因子。

关键词：最大水分利用效率土壤含水量空气温度荆条季节动态

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北京植被净初级生产力对物候变化的响应

农业工程学报 2022年第18期38卷 167-175,F0003页

作者：魏晓帅高永龙范雅倩林岭毛军张德怀李鑫豪刘新月徐铭泽田赟刘鹏贾昕查天山北京林业大学水土保持学院北京100083 北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室北京100083 北京市园林绿化规划和资源监测中心北京100013 北京松山国家级自然保护区管理处北京102100 密云区园林绿化局北京101599

植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)对物候的响应是全球气候变化背景下的重要研究内容,气候变化对植物物候与NPP的影响仍需明了,物候的时空变异规律更需深入探讨。该研究基于2001—2020年MODIS归一化植被指数(Normalized D... 详细信息

植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)对物候的响应是全球气候变化背景下的重要研究内容,气候变化对植物物候与NPP的影响仍需明了,物候的时空变异规律更需深入探讨。该研究基于2001—2020年MODIS归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)数据提取北京植被物候信息,利用CASA(Carnegie-Ames-Stanford-Approach)模型模拟NPP,通过线性回归、趋势分析和结构方程模型等方法,阐明NPP与物候时空变化特征,探究气象因素和物候变化对NPP的影响。结果显示:1)2001—2020年超过70%的区域出现生长季开始(Start of growing Season,SOS)逐渐提前,平均每年提前0.57 d。超过90%的区域生长结束期(End of growing Season,EOS)逐渐推迟,平均每年推迟0.51 d。2)SOS提前和生长季(Length of growing Season,LOS)延长均对NPP增长产生显著影响(Pg/m^(2);LOS每延长1 d,NPP增长2.65 g/m^(2)。秋季EOS推迟对NPP变化影响不显著。3)春季和秋季,气候通过改变物候(SOS、EOS)对NPP的间接影响大于直接影响,而夏季温度和降雨对NPP的直接影响更大。该研究表明春季物候变化是NPP年际变异的重要驱动因子,春季物候提前导致NPP年总量增加。研究结果是都市区植被生产力如何响应气候变化认识的重要补充。

关键词：遥感净初级生产力植被物候气候变化 NDVI

北京松山林下典型灌木绣线菊光、水利用效率的季节动态及其对环境因子的响应

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水土保持研究 2023年第3期30卷 301-309页

作者：李满乐范雅倩王可蒋燕李鑫豪田赟李润东徐铭泽郝少荣查天山北京林业大学水土保持学院北京100083 北京林业大学、水土保持国家林业局重点实验室北京100083 北京松山国家级自然保护区管理处北京102100 上海勘测设计研究院有限公司上海200335

[目的]植物资源利用效率是反映植物对环境条件适应性的重要指示指标,是气候变化生态学领域的研究热点,因此对林下灌木物种光能利用效率(LUE)和水分利用效率(WUE)的环境调控机理需进一步明晰。[方法]以北京松山天然阔叶林下典型灌木绣线... 详细信息

[目的]植物资源利用效率是反映植物对环境条件适应性的重要指示指标,是气候变化生态学领域的研究热点,因此对林下灌木物种光能利用效率(LUE)和水分利用效率(WUE)的环境调控机理需进一步明晰。[方法]以北京松山天然阔叶林下典型灌木绣线菊(Spiraea salicifolia)为研究对象,于2019年6月至9月完全展叶期开展原位叶片光合测定和同步环境因子的连续观测,分析了绣线菊LUE和WUE的变化特征及其对环境因子的响应。[结果]LUE和WUE具有较为明显的季节变化特征,其中LUE随着光合有效辐射(PAR)和空气温度(Ta)的变化呈现逐渐增大的趋势,季节平均为0.03 mol/mol;WUE随PAR和空气饱和水汽压差(VPD)的变化呈现先增大后减小的趋势,季节平均为8.32μmol/mmol。PAR和Ta是影响LUE变化的主要因子,分别为指数和线性负相关;PAR和VPD是影响WUE变化的主要因子,均与WUE呈线性负相关,其中VPD通过影响气孔导度(gs)限制叶片蒸腾,从而影响WUE;LUE、WUE的季节变化和土壤含水量(SWC)均无显著相关性。LUE与WUE对环境因子存在趋同响应关系。[结论]研究初步确定光合有效辐射、空气温度和空气饱和水汽压差是研究区林下灌木绣线菊资源利用效率的主要限制因子,而非土壤水分;林下灌木绣线菊在有限资源条件下呈现资源保守策略,具体表现为在光能受限的条件下能够最大限度地使用光能进行光合作用,从而具备较高的光能利用效率。

关键词：绣线菊光能利用效率水分利用效率环境因子

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毛乌素沙地油蒿光系统Ⅱ多时间尺度的环境响应特征

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农业工程学报 2021年第2期37卷 152-160页

作者：靳川蒋燕李鑫豪徐铭泽高圣杰魏宁宁贾昕田赟查天山北京林业大学水土保持学院宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站北京100083 北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室北京100083

中国西北荒漠地区极端天气事件频发,探究荒漠植物适应环境波动的调节过程和机制,可帮助预测未来气候变化背景下荒漠生态系统群落的演替和发展。该研究选取宁夏盐池毛乌素沙地优势物种油蒿(Artemisia ordosica)为研究对象,进行叶绿素荧... 详细信息

中国西北荒漠地区极端天气事件频发,探究荒漠植物适应环境波动的调节过程和机制,可帮助预测未来气候变化背景下荒漠生态系统群落的演替和发展。该研究选取宁夏盐池毛乌素沙地优势物种油蒿(Artemisia ordosica)为研究对象,进行叶绿素荧光的长期原位连续观测。运用小波分析方法探究油蒿光系统Ⅱ(Photosystem Ⅱ,PSⅡ)能量分配参数与光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation,PAR)、空气温度、饱和水汽压差(Vapor Pressure Difference,VPD)和土壤含水率(Soil Water Content,SWC)在多时间尺度上的动态格局。结果表明:日尺度下,PSII能量分配参数滞后PAR 43 min,分别滞后空气温度、VPD和SWC 3.3、4.6和10.72 h(P<0.05),油蒿可能通过叶黄素循环等热耗散机制和改变气孔导度等途径调节PSⅡ能量分配。在季节尺度下,PSII能量分配参数分别滞后于空气温度、VPD和PAR 7.2、8.8和14.7 d,滞后于SWC长达21.6 d(P<0.05),油蒿可能通过提高PSII修复能力、增加特定蛋白数量和叶绿素浓度等方式调节PSII能量分配。油蒿PSII能量分配参数和最大光化学效率的波动符合其物候期规律,最大光化学效率和实际光化学效率在7和8月降低,调节性热耗散和非调节性热耗散增高。5和9月,非调节性热耗散增高且伴随最大光化学效率低值出现。研究认为,不同时间尺度PSⅡ能量分配调控机制存在差异,油蒿通过修复损伤最大光化学效率维持在0.78附近使PSⅡ生理状态恢复正常生理水平,对水分亏缺、极端温度和高辐射有一定适应能力。该研究可为农作物生长实时监测与保护农业生态平衡提供科学参考。

关键词：干旱区小波分析荧光监测季节变化