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岩溶环境下牧草光合速率日动态和水分利用效率研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 江苏农业科学2007年第3期 一161一 岩溶环境下牧草光合速率日动态和水分利用效率研究 徐祥明1,2,曹建华 ,李小方 一,莫 彬 ,陶毅明 ,覃灵华 (1.中国地质科学院岩溶地质研究所,国土资源部岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004; 2.广西师范大学,广西桂林541004) 摘要:在晴天条件下,研究了菊苣、类玉米、木豆3种牧草在岩溶区和红壤区的净光合速率、蒸腾速率、水分 利用效率,结果表明:菊苣在岩溶区和红壤区的日均净光合速率分别为12.40 i.Lmol/(m ‘S)和l1.60 I.Lmol/(m ・s),类玉米为27.98 I.Lmol/(m ・s)和18.99 I.Lmol/(m ・s),木豆为17.01 I.Lmol/(m ・s)和13.98 I.Lmol/(m ・s);岩溶区和红壤区,类玉米的Lt均蒸腾速率都小于菊苣和木豆,类玉米属于高光合、低蒸腾型,相比 较而言,菊苣和木豆则属于低光合、高蒸腾型,就水分利用效率来说,岩溶区和红壤区的类玉米都显著高于菊苣、 木豆;岩溶区3种牧草的Lt均光合速率为19.13 i.Lmol/(m ・s),红壤区为14.86 i.Lmol/(m ‘s);岩溶区的Lt均蒸 腾速率为7.45 mol/(m ・S),红壤区为5.65 mol/(m ・S);岩溶区Lt均水分利用效率低于红壤区。 关键词:岩溶区;牧草;净光合速率;蒸腾速率;水分利用效率 中图分类号:Q945.11 文献标识码:A 文章编号:1002—1302(2007)03—0161—05 岩溶生态系统是受岩溶环境制约的生态系 济效应,结果表明:就生态效益而言,最好是自然抛 统…。岩溶地区的植被具有石生性、旱生性和喜钙 荒和种植牧草,其次是种植板栗+金银花、毛竹,最 性 。即使是雨水非常丰富的地区,其生态环境也 差是种植任豆;而经济效益最好的是种植牧草,其次 经常干旱,形成一种特殊的岩溶干旱环境,在岩溶区 是种植任豆、毛竹、板栗+金银花,最差的是自然抛 生长的植物常表现出岩溶植物特有的旱生性 j。 荒;可以看出,从生态和经济效益两方面综合考虑, 中国西南岩溶山区面积达50多万km ,包括贵 种植牧草是最好的结合点 ]。任继周等在考察研 州大部分,广西、云南、四川、重庆、湖北、湖南等省的 究了我国西南岩溶地区的基本概况、当地生态环境 部分地区,是全球三大岩溶集中连片区中面积最大、 建设和草地畜牧业发展现状的同时,对当地贫困原 岩溶发育最典型的生态脆弱区。据遥感调查,目前 因进行了深入的分析后认为:只有改变以往单一的 贵州省喀斯特石漠化面积已达5万km ,广西为4.7 谷物(籽实体农业)生产,发展草地畜牧业(营养体 万km ,两地每年以2 500 km 的速度在不断扩展, 农业)才是该地区脱贫致富的必由之路 。 其扩张速度并不比中国北方沙漠化低。喀斯特石漠 岩溶环境被视为与沙漠边缘一样的脆弱生态环 化不仅破坏生态环境,使土地生产力衰减,而且严重 境。目前,针对一些特殊生态环境内(如青藏高 影响农林牧业生产,甚至危及到人类生存,因此喀斯 原 、黄土高原 、沙漠 、高山 叫)的植被恢复方 特石漠化已经成为制约中国西南地区可持续发展最 面的研究很多,但关于岩溶地区植物生理特别是光 严重的生态地质环境问题 。开展岩溶地区退化 合生理方面的研究非常缺乏。黄玉清等做了岩溶石 生态系统恢复是目前生态学研究的前沿热点。曾馥 漠化治理先锋植物任豆、金银花、狗骨木的光合、蒸 平等针对桂西北喀斯特地区森林生态系统退化造成 腾方面的研究,发现这些植物通过自身调节来避旱 的水土流失加剧以及石漠化严重的现状,筛选适合 避光,具有适应岩溶区高温干旱的生理生态学特 该地区植被快速恢复的5种人工造林(草)方式和 征 。本研究在岩溶区进行人工种植牧草,研究牧 自然抛荒恢复模式,分析评价各种模式的生态和经 草的光合、蒸腾及水分利用效率等生理生态特征,旨 在了解它们的生理适应性,为岩溶区退耕还草提供 收稿日期:2006—12—2O 基金项目:广西科学研究与技术开发计划(桂科能O5l12001—8A; 理论依据。 063006—5H一2)。 1材料与方法 作者简介:徐祥明(1981一),男,广西富川人,硕士,主要从事岩溶生 物地球化学研究。E—mail:xxm8l1210@126.com。通讯作者:曹 1.1试验地自然概况 建华.E—mail:jhcao@karst.edu.crl。 广西桂林潮田乡毛村为典型的峰丛洼地和峰丛 维普资讯 http://www.cqvip.com

162一 江苏农业科学2007年第3期 谷地代表,距桂林60 km,属中亚热带湿润季风气 候,气候温和,雨量充沛,最热的天气在7~8月,雨 水最多季节为4~7月(降雨量占全年总量的 40%)。据桂林市气象台近32年的观测资料,多年 平均降雨量为1 915.2 mm,多年平均水面蒸发量为 1 378.3 mm,年平均气温为18℃。研究区地层主要 由泥盆系融县组(D,r)和东岗岭组(D d)碳酸岩盐 及一套含Fe沙岩组成。研究区内的石灰土(岩溶 区)为棕色石灰土,分层明显,土壤为中性偏碱;地 带性硅酸盐红壤(非岩溶区)层次也很清楚,土壤呈 酸性。 1.2试验材料与研究方法 供试材料为菊苣(Cichorium intybus L.)、木豆 [Cajanus c咖n(Linn.)Millsp.]、类玉米(Euchlaena mexlcanna Schrad.),由广西草业开发中心提供。 试验地面积为200 m ,土壤pH值为6.94,土壤 有机质含量为33.56 g/kg,全氮含量为0.85 g/kg, 碱解氮含量为54.49 mg/kg,全磷含量为2.03 g/kg, 速效磷含量为11.03 mg/kg,全钙含量为7.13 g/kg, 全镁含量为3.25 g/kg。试验分3个区,分别栽培菊 苣、类玉米、木豆。为了更好地研究岩溶区牧草的生 理生态,还在约1 km外选择一块红壤地(非岩溶 区)作为比较。红壤试验地面积为400 m ,土壤pH 值为4.72,有机质含量为27.28 g/kg,全氮含量为 0.56 g/kg,碱解氮含量为47.43 mg/kg,全磷含量为 1.20 g/kg,速效磷含量为35.24 mg/kg,全钙含量为 1.48 g/kg,全镁含量为0.87 g/kg;栽培规划同岩 溶区。 2006年4月1 Et开始整地,4月6 Et进行播种。 菊苣株行距10 em x 30 em,穴播,播种量为200 g/667m ;类玉米株行距30 em x 30 em,穴播,播种 量为1.5 kg/667m ;木豆株行距0.8 m x 1.0 m,穴播, 播种量为0.5 kg/667m 。播种后按照25 kg/667m 的 施肥量给每个小区施含氮14%、磷20%、钾11%的硫 酸钾复合肥。此后整个过程不施肥。播种后约1周 出苗。田间试验测定于2006年6月25 Et晴朗天气 进行,在8:O0~18:O0时段内,每间隔2 h测定1 次,并增加中午11:O0、13:O0 2次,对每种牧草随机 选择3株,选择阳生和充分展开的距顶端第三至五片 成熟叶进行以下各项测定。光合测定仪器采用美国 Li—Cot公司的Li一64OO便携式光合测定系统。测 定参数主要包括:净光合速率(P )、蒸腾速率( )、气 孑L导度(G。)、叶温( )、光合有效辐射(PAR)、大气压 (P )和空气相对湿度(RH)。用Microsoft Excel 2002 进行数据读取和统计分析。 将按Et进程测定的叶片净光合速率和蒸腾速率 作累积处理,分别得到净光合累积值和蒸腾累积值, 并由此计算得出Et均水分利用效率,即:净光合累积 值:∑{[P ( 。)+P ( )]X/kt/2},其中P ( 。)、 P ( )分别为相邻两次测定的叶片净光合速率,△£ 为测定时间间隔;蒸腾累积值:∑{[E( .)+E ( )]X/kt/2},其中E( 。)、E( )分别为相邻两 次测定的叶片蒸腾速率,△ 为测定时间间隔;Et均 光合水分利用效率=净光合累积值/蒸腾累积值;瞬 时光合水分利用效率(WUE)则由每次测定的净光 合速率与蒸腾速率比值求得。 2结果与分析 2.1 大气主要因子日变化 桂林潮田乡毛村的环境因子变化在岩溶区和红 壤区都有着相似的趋势。从早上8:O0开始,PAR 迅速升高,岩溶区测定Et在12:O0至14:O0有一 个高峰,PAR为2 050~2 099 I.Lmol/(m ・s),13: 00有最大值,为2 280 I.Lmol/(m ・s);红壤区测定 Et的高峰区出现在1 1:O0~14:O0,PAR为2 009 ~2 130 I.Lmol/(m ・s),也在13:O0有最大值,为 2 151 I.Lmol/(m ・s);一天中PAR的最低值均出现 在18:O0,岩溶区为95 I.Lmol/(m ・s),红壤区为 151 ̄mol/(m ・s),而在8:O0的PAR分别为820 I.Lmol/(m ・s)(岩溶区)和350 I.Lmol/(m ・s)(红 壤区)。气温变化在岩溶区Et均气温稍大于红壤 区,分别是36.73℃和36.09℃,测定日岩溶区的最 高温达40.26℃(13:O0),最低温为29.35℃ (8:O0);测定Et红壤区最高温达39.01℃(12: O0),最低温为32.57℃(8:O0)。岩溶区空气相对 湿度Et变化趋势与红壤区有较大差别,岩溶区测定 Et相对湿度Et变化趋势为从早上8:O0开始,逐渐 降低,在8:O0出现最大值(为81.57%),在18:O0 降到最低点(为40.80%);红壤区测定Et相对湿度 Et变化趋势是起伏明显,有明显的峰谷,RH在8: 00~10:O0和16:O0~18:O0有峰值,分别是 78.68%~81.69%和73.34%~69.15%,在11:O0 ~14:O0出现峰谷,为63.86%~55.89%,全天最 大值出现在上午10:O0,为81.99%,最小值出现在 14:O0,为55.89%。表1数据为桂林毛村试验地环 境参数平均值。 维普资讯 http://www.cqvip.com 徐祥明等:岩溶环境下牧草光合速率日动态和水分利用效率研究 一163一 表l桂林毛村试验地环境参数(平均值±标准偏差) 2.2净光合速率的日变化进程 由图1和图2可见:岩溶区和红壤区牧草菊苣、 类玉米的净光合速率具有明显的日变化特征,均为 “双峰”曲线;岩溶区类玉米在11:O0有一“午休” 低谷,红壤区类玉米低谷则推迟到13:O0;岩溶区 菊苣低谷出现在13:O0,红壤区菊苣在12:O0出现 旺 * 时间 时间 +菊苣—-一 类玉米 十木豆 图1 岩溶区3种牧草的光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的日动态变化 一一0哪/一0lI兰瓣 一 时间 +菊苣—-一 类玉米 十木豆 图2 红壤区3种牧草的光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的日动态变化 低谷。而木豆则显示出不同的日变化进程,均为 与红壤区相比,两者无差异(表2)。 2.3 蒸腾速率的日变化进程 “单峰”曲线;岩溶区木豆在12:O0达列峰值,最大 值是21.O0 i.I,mol/(m ・s),且从8:O0—14:O0一 直保持比较高的净光合速率,为18.9O~19.3O ixmol/(m ・s),而红壤区木豆峰值则推迟到14: 0o,最大值是19.97 b ̄mol/(m ・s)。类玉米的日均 净光合速率显著高于菊苣和木豆,岩溶区和红壤区 13均净光合速率表现为一致的规律,即类玉米>木 3种牧草蒸腾速率日变化呈现出不同的趋势, 同种牧草在不同的土壤环境中也有不同的13变化趋 势。从岩溶区牧草(图1)来看,菊苣蒸腾速率日变 化表现为“双峰”曲线,峰值出现在12:O0和14: o0这两点,分别是11.93和12.13 mol/(m ・s),13 :O0出现低谷,最小值是8.14 mol/(m ・s),为典型 的蒸腾“午休”型;类玉米的蒸腾速率日变化则是午 间高峰的“单峰”曲线,最高峰出现在1 3:O0,是 豆>菊苣;岩溶区类玉米和木豆日均净光合速率显 著高于红壤区,而菊苣在岩溶区的日均净光合速率 表2被试植物在不同地质背景土壤的净光合速率、水分利用效率及蒸腾速率的日均值(平均值±标准偏差) 维普资讯 http://www.cqvip.com

---——164---—— 江苏农业科学2007年第3期 8.98 moL/(m ・S),为典型的非蒸腾“午休”型;木 豆与菊苣一样,蒸腾速率日变化为“双峰”曲线,所 且降雨时地表水常沿溶蚀裂缝、落水洞等很快向地 下漏失,只有少量的水保存在土壤中¨ 。岩溶区土 壤的母岩为碳酸盐母岩,其主要成分为CaCO 和 CaMg(CO ) 。在这种母岩条件下,形成的土壤往往 具有较高的Ca、Mg含量,岩溶区土壤Ca、Mg含量是 不同的是“午休”时间推迟到下午14:00,最小值为 l0.12moL/(m ・S)。类玉米的日均蒸腾速率明显 低于菊苣和木豆,即木豆>菊苣>类玉米(表2)。 从红壤区牧草(图2)来看,菊苣蒸腾速率日变化表 现为“单峰”曲线,最高值出现在12:00,是l0.06 mot/(m ・S),与岩溶区截然不同;类玉米为“双峰” 红壤的5倍多,土壤pH值比红壤的pH值高2.20, 所以石灰土是偏碱富钙的。由于石灰土的这个特 征,虽然其有机质、全氮、全磷含量较高,但有效态并 曲线,低谷出现在13:00,最小值是4.33 moL/(m ・s),12:00和14:00出现两个峰值,分别是6.07 和5.70 moL/(m ・S);木豆蒸腾速率为非蒸腾“午 休”型的“单峰”曲线,最大值出现在13:00,是 11.37 moL/(m ・s),在早上10:00出现一个最低 谷,最小值为1.23 moL/(m ・S)。与岩溶区一样, 类玉米的日均蒸腾速率明显低于菊苣和木豆,即木 豆>菊苣>类玉米(表2)。而对于同种牧草而言, 岩溶区牧草的日均蒸腾速率明显大于红壤区的 牧草。 2.4水分利用效率日变化 水分利用效率(WUE)是指植物消耗单位水分 所生产同化物质的量,本研究采用瞬时水分利用效 率即净光合速率与蒸腾速率的比值来求得。岩溶土 壤上的牧草WUE日均值低于红壤牧草,显示红壤 上生长的牧草的水分利用效率高于岩溶土壤牧草 (表2)。3种牧草WUE值一天中的变化规律,可分 为两种类型:①起伏大,峰谷明显。8:00~10:00 和16:00~18:00出现峰值,11:00~14:00时有 明显低谷(图1、图2)。如红壤区牧草菊苣、类玉 米、木豆,其WUE日均值较高,分别是1.83、6.32、 2.87 p,moL/mol;但其净光合速率日均值却较低,分 别是1 1.60、18.99、13.98 la,moL/(m ・S)。②渐降 型。一天中以8:00~10:00时的WUE值最高,以 后逐渐降低(图1、图2)。如岩溶区牧草菊苣、类玉 米、木豆,其WUE日均值较低,分别是1.67、6.07、 2.46 p,moL/mol(表2);但其净光合速率日均值却较 高,分别比红壤区提高6.89%、47.34%、21.67%。 3讨论 虽然桂林潮田乡毛村地处亚热带季风气候区, 年平均降雨量达到1 915.2 mm,但是由于岩溶生态 系统本身的脆弱性,在岩溶区降水后形成的地表岩 溶水很快向地下渗漏,地面不能存储雨水,加上土层 薄,岩溶区成土速度慢,岩石裸露,地表蒸发水分快, 不高,速效磷的含量甚至大大低于红壤¨ 。 无论是岩溶区还是红壤区,木豆的净光合速率 日变化都呈典型的“单峰”型,这与谢田玲等 测定 黄土高原4种豆科牧草的净光合速率日变化趋势一 致。早晨光强和气温低,净光合速率也很低,由于光 合有效辐射在午间的持续增强,气温和光照强度上 升,气孔开放,净光合速率增高,岩溶区木豆12:00 达到峰值,红壤区则为14:00,说明木豆对高光合 有效辐射及高温有较强的忍受能力,这也受益于它 具有的发达根系(木豆的直根长达30 em,而菊苣为 12 em,类玉米为21 cm),可充分吸收土壤深层水分 来满足其生长需要。岩溶区类玉米的日均净光合速 率远远大于菊苣和木豆,分别是菊苣的225.68%、 木豆的164.49%。这主要是因为类玉米属于暖季 (C )牧草,而C 植物与C 植物在固定C总量上有 很大差异,其光合碳还原途径也不同,C 型牧草往 往拥有很高的光合效率,光呼吸非常低或没有¨ 。 综合3种牧草净光合速率情况,岩溶区牧草日均净 光合速率比红壤区牧草高,这主要是因为岩溶区试 验地营养元素较高的缘故。岩溶区有机质是红壤区 的123.02%,而有机质对土壤肥力有重要的作用, 是土壤养分的主要来源,可促进土壤结构形成,改善 土壤物理性质,提高土壤的保肥能力和缓冲性能,有 机质在分解过程中还可以形成腐殖质,腐殖质在促 进作物生长、发育方面有重要作用。 3种牧草蒸腾速率日变化呈现不同的趋势,这 主要是供试材料本身的差别,说明不同科属的牧草 在蒸腾生理上存在很大差异。同种牧草,在岩溶区 和红壤区也各不相同,这主要受试验区环境因子的 影响。与日均光合速率相反,类玉米的日均蒸腾速 率稍小于菊苣和木豆,这使得类玉米的水分利用效 率大大高于菊苣和木豆,说明在同等的水分条件下, 类玉米能够生产更多的生物量。有资料研究表明, C 型牧草每生产1 g干物质消耗水分250~350 g, 而C 型则需要450~950 g 。在南方石漠化地 维普资讯 http://www.cqvip.com 徐祥明等:岩溶环境下牧草光合速率日动态和水分利用效率研究 一165一 区,由于岩石裸露,地面对太阳光的反射较大,因此 地区脱贫致富的必由之路[J].中国农业科技导报,2003,5(8): 28—32. 该地区总的光合有效辐射比有林地区较大。光强是 加速植物蒸腾的主要原因之一,岩溶石漠化地区有 效光辐射较大,温度因此也比较高,植物通过自身的 蒸腾调节作用,以降低组织温度,使其免受灼伤。节 水植物研究中的一大主攻方向是植物蒸腾。在 [7]师生波,李惠梅,王学英,等.青藏高原几种典型高山植物的光合 特性比较[J].植物生态学报,2006,30(1):40-46. [8]谢田玲,沈禹颖,邵新庆,等.黄土高原4种豆科牧草的净光合速 率和蒸腾速率日动态及水分利用效率[J].生态学报,2004,24 (8):1679—1686. 石漠化地区的牧草栽培过程中,要考虑能从光合有 效辐射人手实施不同种类牧草配备措施,如类玉米 与木豆、菊苣搭配种植,既可大大降低蒸腾又可改善 光合效率,节水增效作用不言而喻。 参考文献 [1]袁道先.全球岩溶生态系统对比:科学目标和执行计划[J].地 球科学进展,2001,16(4):461—466. [9]周海燕,黄子琛.不同时期毛乌素沙区主要植物种光合作用和蒸 腾作用的变化[J].植物生态学报,1996,20(2):120—131. [10]周瑞莲,程国栋.高寒山区牧草根中丙二醛、渗透调节物、多胺 季节动态与抗冻力关系研究[J].植物生态学报,2000,24(5): 554—559. [11]黄玉清,王晓英,陆树华,等.岩溶石漠化治理优良先锋植物种 类光合、蒸腾及水分利用效率的初步研究[J].广西植物,2006, 26(2):171—177. [12]周运超,潘根兴.茂兰森林生态系统对岩溶环境的适应与调节 [J].中国岩溶,2001,20(1):47-52. [13]温达志,周国逸,张德强,等.禾本科牧草植物的结构、生长特征 及其生理学基础[J].热带亚热带植物学报,2000(增刊):77— 84. [2]曹建华.受地质背景制约的中国西南岩溶生态系统[M].北京: 地质出版社,2005:2—3. [3]袁道先,蔡桂鸿.岩溶环境学[M].重庆:重庆出版社,1988. [4]王世杰.喀斯特石漠化——中国西南最严重的生态地质环境问 题[J].矿物岩石地球化学通报,2003,22(2):120—126. [5]曾馥平,王克林.桂西北喀斯特地区6种退耕还林(草)模式的 效应[J].农村生态环境,2005,21(2):l8—22. [6]万里强,任继周,李向林.大力发展草地畜牧业是我国西南岩溶 [14]Johnson W.Managing Saskatchewan rangeland[A].New Pasture and Technologies Project[c].Saskatchewan:Saskatchewan Agi— cuture Development Fund Regina.1995:25—40. (上接第154页) 而且世界上很多国家通过对水禽流感监测、病毒分 离与鉴定以及基因树分析,表明无论是哺乳动物流 感病毒还是鸡源流感病毒,均可从水禽(主要是鸭) 参考文献 [1]甘孟侯.禽流感[M].北京:中国农业出版社,2002. [2]王恒安,王士强.鸭源禽流感病毒的分离与鉴定[J].江苏农业 研究,l999,20(4):57—60. 中分离到,说明了水禽在流感的发生和传播过程中 起到了非常重要的作用,水禽不但为禽流感而且为 人的流感病毒提供基因库。随着流感病毒的不断变 化,近几年来时有野禽及迁徙鸟类感染发病的报道 [3]王贵华,金梅林,陈焕春,等.鸭源禽流感病毒的分离鉴定及特性 研究[J].中国预防兽医学报,2004,26(4):273—277. [4]张敬峰,李银,孙江河,等.鸭源H9亚型禽流感病毒的分离及 其生物学特性的研究[J].畜牧与兽医,2005,37(9):23~25. [5]中华人民共和国农业部.中华人民共和国兽医生物制品质量标 准[S].北京:中国农业科学技术出版社,2001. [6]Doan C N,Timothy M U,Samadhan J,et a1.Isolation and charac- terization of avian influenza viruses,including hishly pathogenic 1-15N1,from poultry in live bird markets in Hanoi,Vietnam,in 2001 (主要是高致病性禽流感),这样随着候鸟的迁徙, 禽流感病毒迅速在全球蔓延。我国近几年对部分 省、市、区商品蛋鸡场及养鸡专业村进行的禽流感血 清学调查发现,H9亚型阳性鸡群占阳性鸡群总数的 93.67%,证实了禽流感尤其是中等毒力以下的H9 亚型禽流感是目前影响我国乃至整个亚洲养禽业的 主要流感病毒亚型¨ J。所以对水禽(主要是鸭)进 [J].Journal of Virology,2005,79(7):4201-4212. [7]颜其贵,郭万柱,欧[8]李洋.禽流感疫苗研究进展[J].江苏农业科 学,2oo6(1):98—100. 银,刘宇卓,张敬峰,等.一株鸭源H9亚型禽流感病毒在鸡 行免疫接种是预防乃至消灭禽流感不可忽视的一个 重要环节。 胚上传代及其繁殖规律的研究[J].江苏农业科学,2006(4):94 —96. 

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