木本植物冠层叶面积是影响冠层蒸腾作用和调控冠层碳水交换的关键性状,除遗传因素之外,冠层大小主要由个体发育和环境因子(干旱区尤其是水分)共同决定。荒漠生态系统中,木本植物灌丛化和斑块状植被分布对量化植被冠层蒸腾具有挑战性,木本植物的冠层叶面积对于研究干旱地区灌木的碳水经济权衡至关重要。然而,由于冠层叶面积测量的局限性,整个冠层的碳水通量的精确量化仍然很困难。
中国科学院西北生态环境资源研究院张志山研究员团队,依托沙坡头沙漠试验研究站野外试验样地和蒸渗仪 (Lysimeter) 群,采用叶面积指数(LAI)法、基径推导(BDD)法、烘干称重(ODW)法和异速生长关系等方法,估算了不同年龄柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)的冠层叶面积,量化了不同水分条件下的日光合碳同化量和蒸腾量。
人工植被区概况。人工柠条种植年和相应年龄:2016年(8)、2010年(14)、1987年(37)、1981年(43)、1964年(60)和1956年(68)。
研究发现 LAI 方法低估了幼龄柠条的冠层叶面积,而BDD方法高估了老龄柠条的冠层叶面积,表明了这两种方法在准确估计不同年龄柠条冠层叶面积的局限性。随后,利用株高、灌丛面积、枝条总横截面积和单叶叶面积等四个关键形态性状建立了多性状异速生长关系并进行了验证,与它方法相比,其可以准确估计柠条的冠层叶面积。
不同年龄柠条锦鸡儿的冠层叶面积。(A)用烘干称重(CLAodw)法和叶面积指数(CLAlai)法测量的冠层叶面积;(B)用CLAodw和BDD (CLAbdd)测量的冠层叶面积。
不同方法测量的冠层叶面积比较。(A)中的数字表示每个个体的数量(例如,第一个个体植物为1#)。(B):dCLA1是CLAmlsr与CLAodw的差值;(C):dCLA2是CLAbdd与CLAodw的差值;(D):dCLA3是CLAlai与CLAodw的差值。
基于建立的多性状异速生长关系,对蒸渗仪群中有无地下水补给下柠条蒸腾速率和光合速率的日变化进行了研究,定量分析表明有地下水补给的柠条锦鸡儿整个冠层的日光合碳同化量和日蒸腾量显著高于无地下水条件,这阐明了一种适应性干旱策略,即干旱区灌木通过最大碳增益和最小水分散失来提高水分利用效率。综上,本研究提出的多性状异速生长关系为估计算冠层叶面积提供了有效的方法,为量化干旱生态系统中灌木冠层动态和碳水通量提供了新的方法学视角。
不同条件下柠条锦鸡儿叶片的净光合速率和蒸腾速率拟合曲线及其日变化量
相关成果以“Quantitative Study on Whole Canopy Leaf Area and Daily Transpiration and Photosynthetic Carbon Assimilation of Caragana korshinskii”为题,发表于国际期刊Physiologia Plantarum。西北研究院霍建强助理研究员为第一作者,张志山研究员为通讯作者,本研究得到国家自然科学基金项目(32301314,U23A20223, 32201289)和国家重点研发计划项目(2024YFF1306903)的支持。