高寒草地紫外辐射的时间变动特征与UVA、UVB增加对植物与生态系统功能的影响

Over the last decade, growing evidence indicates that UV-A (Ultraviolet-A) UV-B have widespread and significant impacts on various ecosystems. The Qinghai-Tibetan Plateau is the most extensive area with the strongest UV radiation intensity combing with the largest UV seasonality in the world. However, little information is available, either on the long-term ground observation, or on the effects of UV radiation on ecosystem structure and function. We will continue a long-term ground observation on the solar UV-A and UV-B in an alpine meadow, to examine the temporal variability of the two UV components in relation to other environmental conditions including radiation components and sky conditions. Moreover, we will conduct a manipulation experiment with UV-A and UV-B additions, both combined and independently, to understand the effects of UV radiation on the ecosystem properties including leaf traits, photosynthesis, plant biomass growth and carbon budget. The results will provide insights into our further understanding on the structure and function of the unique plateau ecosystem in the world, and also provide supporting information for the management of the alpine meadow.

近十来年，越来越多的研究发现，紫外辐射的UV-A和UV-B对生态系统功能有复杂而多样的影响。在全球范围内，青藏高原是紫外辐射最强烈的地区之一，而且季节变化最大，强紫外辐射覆盖的面积最广，未来变化的不确定性也很高。但是，有关该高原紫外辐射环境的长期地面观测很少，就紫外辐射对生态系统影响的研究就更少。本研究将利用并继续在海北高寒草地的UV-A和UV-B长期观测，进行紫外辐射增加实验。本研究的问题是，青藏高原紫外辐射的时间动态特征是什么？不同波长的紫外辐射的增加对高山植物的光合特性、草地生态系统功能有何影响？该研究将揭示并预测UV-A和UV-B在不同时间尺度上的动态变化，探讨典型高山植物的光合碳同化特性、草甸生态系统的主要功能（植物群落的光合与呼吸）对UV-A、UV-B单独增加以及同时增加的响应。其结果将从紫外辐射这一新的角度理解青藏高原草地生态系统，并为高寒草地管理等提供信息支持。

本研究旨在阐明不同波段的紫外辐射对青藏高原植物不同叶特性特别是光合特性的影响。为此，我们观测了不同海拔紫外辐射的时空变化以阐明植物对随海拔变化而变化的紫外辐射环境的应对策略；为探究高山植物光合特性对紫外辐射的响应机制，我们对不同海拔植物叶片包括花的光物理和光化学特性进行了系统的观测；同时，为阐明包括光合特性在内的叶特性与紫外辐射的关系，在室内改变紫外辐射，集中分析了UV-A的光合生理特性及其与叶性状的关系分析。初步结果如下：.（1）晴天紫外辐射强度沿海拔升高显著增大，增加率约为7.51W m-2 km-1；这是明确知道的青藏高原紫外辐射随海拔变化规律的初步特征值，该高原的其他地区有待核实。海北的观测还表明，生长季紫外辐射晴天通常在当地最大太阳高度角时达到最大，UV-A波段的日最大值约为38.29W m-2，UV-B波段的日最大值为3.28W m-2。.（2）在海北地区两座典型高山的大样本研究发现：叶片UV-B和UV-A反射率均随海拔升高显著增大，海拔上升1000mUV-B反射率约增加2.5 %，UV-A反射率的增加约为2.0 %。不同物种紫外反射率差异较大。在紫外光吸收方面，所有物种的平均紫外吸收物质含量不具有明显的海拔变化特征，但不同物种的紫外吸收物质含量的海拔变化趋势具有显著不同。.（3）花是植物的繁殖器官，探讨花对紫外辐射的响应有助于进一步理解同源器官叶对紫外辐射的响应机理。我们的观测发现，海北地区高山植物花的紫外吸收区域的相对大小与海拔呈显著负相关，即随海拔升高紫外靶心相对越小。花瓣紫外反射率约在10%~20%之间，不同物种间海拔变化趋势及数值上均有较大差异。不同物种的花瓣吸收率在不同海拔间的差异很小。.（4）UV-A增补实验发现，一方面，植物可以通过光合色素直接利用UV-A 辐射进行光合作用，有利于植物的干物质积累，另一方面，环境中UV-A 辐射可影响植物的形态结构并抑制其生长发育。. 上述结果表明：高山植物在形态结构和生理功能对紫外辐射有复杂而多样的应对策略，未来需要对这些策略在机理方面做进一步的探索。