大南湖二礦3種喬木的光合特性

王夢 李云 馬伊琍 羅艷麗 張繼衛(wèi) 時威 麻浩

摘要：為探究人工種植植被在當?shù)氐倪m應(yīng)能力，為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。利用CIRAS-2型便攜式光合儀測定了新疆哈密大南湖二礦榆樹（Ulmus pumila L.）、沙棗（Elaeagnus angustifolia L.）、竹柳（Salix fragilis）這3種人工喬木的凈光合速率、蒸騰速率日變化，以及對影響植物凈光合速率的環(huán)境因子進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：①在野外自然條件下，7月的3種植物凈光合速率日均值大小表現(xiàn)為：竹柳>沙棗>榆樹，竹柳表現(xiàn)出有較強的光合作用;②影響榆樹、竹柳、沙棗出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象的原因分別為非氣孔因素、共同作用、氣孔因素;③3種植物日均蒸騰速率由大到小依次為沙棗>榆樹>竹柳;④蒸騰速率與胞間CO2濃度是影響植物凈光合速率的主要環(huán)境因子。

關(guān)鍵詞：喬木;光合;大南湖二礦

中圖分類號：Q945

文獻標識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0032-03

1?引言

我國是一個以煤炭為主的能源生產(chǎn)和消費大國[1]。開采礦產(chǎn)資源過程中，給經(jīng)濟帶來快速增長的同時，也不可避免地給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的影響，如：地表塌陷、水環(huán)境質(zhì)量破壞、水土流失、沙漠化等[2～5]。哈密地區(qū)擁有豐富的煤炭資源，品種多，易開采，在新疆有著舉足輕重的地位。由于大南湖二礦地表主要是原始戈壁，隨著露天煤礦的開采，對地表與地層均有破壞，該礦區(qū)植被覆蓋率極低，難以抵抗土壤的侵蝕與搬運，土地沙化、荒漠化加劇[6]。為保障礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，需要合理地利用當?shù)剜l(xiāng)土及人工種植植物，科學(xué)修復(fù)礦區(qū)被擾動的環(huán)境[7～9]。

光合作用作為植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，能夠很大程度地反應(yīng)出植物對當?shù)氐倪m應(yīng)狀況[10]。目前，針對荒漠干旱區(qū)的植物生理特性的報道較多，如郭洋楠等在新疆克里雅河流域荒漠-綠洲交錯帶研究蘆葦、檉柳、胡楊的光合特性[11]。許疆維等探究荒漠植物-花花柴在高溫脅迫下的生理特性的響應(yīng)[12]。然而，對礦區(qū)這種干旱荒漠區(qū)的植被光合生理特性研究較少，本研究選擇榆樹（Ulmus pumila L.）、竹柳（Salix fragilis）、沙棗（Elaeagnus angustifolia L.）3種礦區(qū)常用修復(fù)植物，這3種植物均具有耐堿、耐干旱的特點。通過探討這3種植物的光合作用日變化以及對環(huán)境因子的響應(yīng)，為礦區(qū)進行生態(tài)修復(fù)和保護提供理論科學(xué)依據(jù)，同時可對礦區(qū)修復(fù)植物在該區(qū)域的環(huán)境脅迫下的生態(tài)適應(yīng)性提供借鑒。

2?材料與方法

2.1?研究區(qū)概況

研究區(qū)位于哈密市西南部，距哈密市區(qū)約84 km。屬于典型的大陸性氣候，年平均氣溫9.8 ℃，極端最高氣溫43 ℃，極端最低氣溫-32 ℃;年降水量33.8 mm，年蒸發(fā)量3300 mm，年均日照3358h，無霜期182 d[13]。

2.2?測定方法

在礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)示范區(qū)中分別選擇榆樹、竹柳、沙棗3種植物，在2019年7月選擇晴朗無云的天氣，從當?shù)貢r間早上10：00～18：00，每隔2 h采用英國PP-systems公司產(chǎn)的CARAS-2型光合儀分別測定榆樹、竹柳、沙棗葉片的光合參數(shù)及環(huán)境因子，每株植物選擇3片葉片，植物應(yīng)選擇選擇健康、完整的葉片，反復(fù)測定3次取平均值。光合參數(shù)包括：凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）;環(huán)境因子包括：大氣溫度（Ta）、光合有效輻射（PAR）、大氣相對濕度（RH）、大氣CO2濃度（Ca）。

2.3?數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理分析及作圖，SPSS 2017進行Pearson相關(guān)性分析。

3?結(jié)果與分析

3.1?環(huán)境因子日變化

研究區(qū)環(huán)境因子如表1所示。

由表1可知，礦區(qū)在7月的溫度極高，中午可達45 ℃，隨溫度的升高，光合有效輻射增強，二者均先上升再下降;大氣CO2濃度在14：00為最低值;大氣相對濕度早晨最大，下午18：00最小，可能由于礦區(qū)熱度具有累積性，在18：00熱度不減小。

3.2?3種植物凈光合速率日變化

在野外晴朗天氣下，3種植物的凈光合速率日變化如圖1所示。3種植物日均凈光合速率由大到小依次為竹柳（20.61 μmol/（m2·s））>沙棗（10.91 μmol/（m2·s））>榆樹（9.95 μmol/（m2·s））。竹柳的凈光合速率日變化曲線為“V”型，最低值出現(xiàn)在14：00;沙棗的凈光合速率日變化曲線幅度較大，在12：00達到峰值，在14：00為谷值，出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。

3.3?3種植物蒸騰速率日變化

該礦區(qū)的3種植物的蒸騰速率日變化如圖2所示，3種植物日均蒸騰速率由大到小依次為沙棗（11.67 mmol/（m2·s））>榆樹（9.41 mmol/（m2·s））>竹柳（8.65 mmol/（m2·s））。3種植物的蒸騰速率日變化與凈光合速率呈相反的趨勢，榆樹從10：00～16：00呈持續(xù)上升趨勢，與大氣溫度有相同的趨勢，至16：00到達最高峰（17.63 mmol/（m2·s））;竹柳的蒸騰速率日變化呈雙峰型，且第一峰值（12：00）>第二峰值（16：00）;沙棗在12：00出現(xiàn)蒸騰“午休”現(xiàn)象，比竹柳出現(xiàn)的“午休”現(xiàn)象提前2 h。

3.4?3種植物氣孔導(dǎo)度日變化

在野外自然狀態(tài)下3種植物的氣孔導(dǎo)度日變化如圖3所示，3種植物日均氣孔導(dǎo)度與日均蒸騰速率大小排列一致，由大到小依次為沙棗（235.12 mmol/（m2 s））>榆樹（213.11 mmol/（m2 s））>竹柳（173.44 mmol/（m2 s））。榆樹和沙棗的氣孔導(dǎo)度日變化呈單峰型，沙棗的峰值出現(xiàn)在14：00（305.22 mmol/（m2 s）），榆樹的峰值比沙棗延遲2 h，出現(xiàn)在16：00（352.00 mmol/（m2 s））。竹柳的氣孔導(dǎo)度日變化呈雙峰型，峰值出現(xiàn)在12：00和16：00，且第一峰值（268.00 mmol/（m2 s））>第二峰值（220.33 mmol/（m2 s））。

3.5?3種植物胞間CO2濃度日變化

在大南湖二礦礦區(qū)，3種植物的胞間CO2濃度日變化如圖4所示，3種植物日均胞間CO2濃度由大到小依次為沙棗（298.30 μmol/mol）>榆樹（254.70 μmol/mol）>竹柳（191.93 μmol/mol）。整體來看，3種植物在上午的胞間CO2濃度高，日變化曲線為下降的趨勢。榆樹和沙棗在下降過程中在14：00達到峰值。

3.6?3種植物凈光合速率與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

表2為3種植物凈光合速率與環(huán)境因子的相關(guān)性分析，3種植物中只有沙棗的凈光合速率和蒸騰速率與胞間CO2濃度呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.667和0.681。3種植物與大氣溫度和大氣CO2濃度分別呈負相關(guān)和正相關(guān)，但不具有顯著水平;3種植物中僅有沙棗與大氣相對濕度和氣孔導(dǎo)度呈負相關(guān)，其余2種植物與大氣相對濕度和氣孔導(dǎo)度呈正相關(guān)。

4?討論

植物進行光合作用是其生理活動之一，光合作用日變化反應(yīng)植物一天中有機物的積累，其動態(tài)變化不僅僅與周圍的環(huán)境（光照、溫度、水分等）有關(guān)，更與自身的生理特性（氣孔、RuBP羧化等）相關(guān)[14～16]。本研究對大南湖礦區(qū)7月的大氣溫度、相對濕度、光照強度、大氣CO2濃度以及3種植物的光合參數(shù)進行測定發(fā)現(xiàn)上午隨著光照強度以及溫度的升高，沙棗在12：00達到一天中的最高值，這可能是由于各種環(huán)境因子同時作用造成的。之后隨著光照強度以及溫度繼續(xù)上升，但大氣相對濕度在降低，3種植物的光合在14：00有了下降的趨勢，這可能是環(huán)境因子對其產(chǎn)生了脅迫作用。根據(jù)Farquhar的觀點，植物的光合作用下降的原因包括氣孔因素（植物葉片氣孔關(guān)閉）和非氣孔因素（葉肉細胞活性降低），由植物凈光合速率與環(huán)境因子的相關(guān)性可知，榆樹的凈光合速率與蒸騰速率呈負相關(guān)，與氣孔導(dǎo)度呈正相關(guān)，因此榆樹出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象是由于非氣孔因素;沙棗是由于自身生理特性及氣孔因素同時作用導(dǎo)致的;竹柳時由于氣孔因素占主導(dǎo)作用[17，18]。在本次研究中，3種礦區(qū)植物凈光合速率日均值表現(xiàn)為：竹柳>沙棗>榆樹，從植物種類來看，表明竹柳的光合能力最強，較在礦區(qū)生存[3]。

5?結(jié)論

（1）在野外自然條件下，7月的3種植物凈光合速率日均值大小表現(xiàn)為：竹柳>沙棗>榆樹，竹柳表現(xiàn)出有較強的光合作用。

（2）影響榆樹、竹柳、沙棗出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象的原因分別為非氣孔因素、共同作用、氣孔因素。

（3）3種植物日均蒸騰速率由大到小依次為沙棗>榆樹>竹柳。

（4）蒸騰速率與胞間CO2濃度是影響植物凈光合速率的主要環(huán)境因子。

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