白刺叶形态变化对水分利用的优化调控

Previous studies showed that stoma was a key factor in controlling CO2 absorption and H2O exchange, but usually ignored the influence of non-stoma limitation, such as leaf morphology (or leaf shape). Consequently, we could not accurately understand the change laws of water use efficiency in arid/semiarid ecosystems.. In this study, we will employ 3 sites (Dengkou, Minqin, Dunhuang) along natural rainfall gradient. 20 plots will be conducted in each site, which will be put into 5 different rainfall treatment groups. Of which, 4 groups of the plots will receive rain of different amounts based on the natural rainfall. Furthermore, 13 sites will be chosen along natural rainfall gradient from 600mm to 25mm. . In these sites, we will collect the data of leaf morphology, leaf traits, stomatal characteristics,leaf temperature and leaf δ13C values in Nitraria tangutorum and Nitraria sphaerocarpa along rainfall gradient, and analyze the relationships among them. Leaf boundary layer conductance is the central cause to connect leaf morphology with leaf temperature, which is the key factor in understanding the influence of leaf morphology and stomatal conductance on CO2 absorption and H2O exchange in leaf, and the tradeoff between leaf morphology and stomatal characteristics in regulating and optimizing leaf water use. These results are good for understanding plant adaptive strategy with climatic change, and the significance of leaf morphology plasticity to improve the ability of plants to survive in arid/semiarid ecosystem in . . This study will collect parameter to simulate CO2 absorption/ H2O exchange in leaf, and provide a reliable scientific basis for breeding in water-limited ecosystems, desertification control and recovery of natural vegetation.

前人研究中，强调气孔是控制叶片CO2吸收/H2O交换的关键因子，忽略了叶片形态及其变化的影响，从而无法深入解释干旱区植物水分利用效率复杂多变的内部机理。本研究以唐古特白刺和泡泡刺为研究对象，在磴口、民勤、敦煌设置人工增水样地，同时沿600mm-25mm自然降水梯度设置样带，研究，1)叶片形态、性状、气孔特征、叶片温度、δ13C值沿水分梯度的变化规律；2)沿降水梯度，叶片形态和气孔变化对叶片CO2吸收/H2O交换的影响3）解释水分有效性变化过程中，叶片形态和气孔变化协调调控植物水分利用的机理，及叶片形态变化对提高旱区植物生存适应能力的重要作用；4）通过模拟模型，预测气候变化过程中干旱区植物水分利用效率的变化规律和方向。本研究不仅能够进一步认识干旱、高温环境下植物适应策略，同时为建立精准的叶片CO2吸收/H2O交换机理模型提供重要的参数，为旱区人工物种选育、植被恢复、管理提供科学依据。

本项目在发现干旱区长期水分利用效率与降水之间存在不稳定的相关关系前提下，查阅文献，这一不稳定关系可能来源于叶片形态可塑性对叶片长期水分利用效率的修正。因此，通过野外灌水实验、样地调查对研究假设进行验证。本研究的主要内容包括1)叶片形态、性状、气孔特征、叶片温度、δ13C值沿水分梯度的变化规律； 2)沿降水梯度， 叶片形态和气孔变化对叶片 CO2 吸收/H2O交换的影响 3）解释水分有效性变化过程中，叶片形态和气孔变化协调调控植物水分利用的机理，及叶片形态变化对提高旱区植物生存适应能力的重要作用；4）通过模拟模型，预测气候变化过程中干旱区植物水分利用效率的变化规律和方向。.通过研究，我们发现：1）叶片形态（叶面积、长、宽等参数）沿降水梯度没有明显的变化，但叶片厚气度随降水的增加而降低；但是在人工降水环境下，叶片形态（叶面积、长、宽等参数）与降水具有很好的正相关关系。这一特征说明，自然环境下，控制植物叶片形态变化的因素更多。2）叶片气孔密度、叶氮随自然降水的增加而增加，这一特征可能暗示了植物对脉冲式降水的适应，从而更好的利用表层土壤水与表层土壤养分。这一结果在现有文献中未见发表.3）实验或模拟条件下，降低叶宽能够很好的降低叶温。实地测定过程中，我们发现，由于测定植物叶片宽度变化范围较小，通常形态的变化对降低叶温的作用不明显。但是在低蒸腾、高温作用下，能够窥视到小叶片（低的叶片宽度）依然能够降低叶片温度。4）样地环境小，叶温与气温具有及其密切的线性正相关关系。叶片温度对叶片生理具有显著影响。随温度增加，叶片蒸腾、光合、瞬时水分利用效率先增加后降低；叶片蒸腾、光合在叶温30度时最高，而水分利用效率在25度时最高。5）受测试仪器的限制，我们不能解释形态对叶片生理（瞬时光合、蒸腾）间相关关系。但是通过长期水分利用效率，我们可以发现人工灌水条件下，叶片形态变化与环境因子的联合能够更好的解释叶片长期水分利用效率的变化。但是在自然环境下，叶片形态对长期水分利用效率的影响力较为微小，控制叶片水分利用效率的主要因素应该是地下水埋深与降水。.通过我们的研究，我们进一步推动了干旱区植物叶温与叶片生理的研究，初步揭示了干旱区植物通过气孔变化与降水、养分吸收之间可能存在的内在联系。