The characteristics of stomatal conductance and transpiration of different plants in southern fringe of the Gurbantonggut Desert,China

Abstract

植物叶片通过气孔与外界环境进行物质交换，在水分损失和光合碳固定之间进行权衡。 对于所有陆地植物来说，光合作用固定 CO2 不可避免会导致蒸腾水分散失。 一直以来， 植物水分利用模型预测植物在夜间无碳吸收时会关闭气孔。荒漠植物的生长和生存主要受水力条件的影响，许多植物（除 CAM 植物）在黄昏和夜间气孔闭合不完全，不仅不能固定碳，而且损失一定量的水分， 了解荒漠地区植物昼夜气孔行为和调控机制可以更加深入地分析荒漠植物夜间气孔开放的作用。 研究荒漠植物夜晚蒸腾与环境因子的关系，明确植物与大气的水分运输过程，对预测气候变化背景下植物与大气之间的碳循环和水循环具有重要意义。本研究通过测定古尔班通古特沙漠南缘不同生活型植物的气体交换参数、 稳定性碳同位素组成和土壤生态化学计量特征等指标， 研究昼夜条件下不同生活型植物的气体交换特征及水分利用效率， 揭示不同生活型植物的水分利用能力和昼夜气孔调节机制。结果表明：（1） 荒漠植物均存在夜晚气孔打开和夜间蒸腾失水现象。所有植物在雨后的夜晚气孔导度均大于雨前的气孔导度， 水分条件是荒漠植物表达其夜间气孔打开作用潜力的关键控制因子。部分植物可能存在水分胁迫，但依旧保持一定的夜晚气孔导度和蒸腾作用，在水分充足的条件下， 夜晚气孔导度和蒸腾失水量增大。（2） 不同植物的气孔导度和蒸腾速率日变化过程相似，上午时段随光强增强而增大，而下午时段受温度和水分限制的影响，气孔导度和蒸腾速率有减小趋势。 尽管植物的气孔导度和蒸腾速率在夜晚有缓慢增大的趋势，但并未如昼夜节律假说提到的那样在黎明时段达到最大值，根据植物夜晚气孔导度与白天气孔导度比值的结果，只有灌木昼夜气孔导度的差异最小，与假说预期的结果相符。（3） 尽管植物在白天和夜晚都可以调控气孔，但白天和夜晚气孔控制机制存在差异。环境变量中大气 CO2 浓度、土壤水分、温度和湿度等都对昼夜气孔调控具有重要的影响。驱动植物昼夜蒸腾失水的因素不止环境变量， 植物昼夜气孔导度除受环境因子影响外，可能还与植物自身特性有关。（4）水分匮乏是荒漠区最主要的环境特征， 高效利用水分事关植物生存和繁衍。研究区代表性 C4 植物的夜晚气孔导度与其长期水分利用效率呈正相关关系， 尽管夜间由气孔打开引起的蒸腾失水增加了植物的水分损耗，但夜晚蒸腾抑制了植物水力再分配， 黎明前的气孔启动可以促进植物在清晨时段增大气孔导度，加速了碳同化速率，从而了提高白天（尤其是清晨） 植物光合水分利用效率。研究区代表性 C3 和 C4植物中存在显著的夜间气孔导度和蒸腾作用， 这些观察结果与最适气孔理论并不一致。植物气孔对陆地生态系统的碳通量和水通量有很强的影响，而夜间气孔行为将导致估计植物水分利用效率和生态系统碳水循环方面存在较大偏差。 研究结果对于预测全球变化背景下陆地大气相互作用和碳循环是至关重要的