长白山不同类群植物水力结构特征研究

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木质部水分传输对植物的生存和生长至关重要。植物水力结构特征与植物对环境的适应性密切相关。长白山位于我国温带高海拔地区,低温是此地区影响植物生长最主要的环境因子。在长白山阔叶红松林中不同植物种共存,植物木质部水力结构方面的差异可反映不同植物对同一环境适应性的差异。本文从植物水分关系角度研究不同类群植物水力结构特征来揭示植物对环境的适应性策略,从而为林业发展提供科学理论依据。  以长白山阔叶红松林优势树种和灌木为研究对象,研究了不同木本植物对冻融循环胁迫响应的季节性变化,木质部水力结构特征及其对冻融循环胁迫的适应策略,以及森林生态系统中具有不同高度的乔木、小乔木和灌木类群植物水力结构及光合水分生理特征。重点比较了有木质部正压力(根压/茎压)树种和没有木质部正压力类群树种对冻融循环适应策略的差异,以及乔木和灌木水力结构特征和光合生理特征。主要研究结果如下:  1)冻融循环事件(freeze-thaw cycle)可诱导枝条木质部导管产生大量的气栓,造成不同树种丧失14.5%~98.7%的导水率。不同树种对冻融循环的抵抗能力存在差异,环孔材树种最为脆弱,冬季丧失63.3%~98.7%的导水率;散孔材树种抵抗冻融循环能力较强,冬季导水率丧失百分比范围在14.54%~38.89%之间。木质部具有根压或茎压的树种(比如白桦,胡桃楸,色木槭等)夏季导水率丧失百分比(PLC)明显低于冬季;对于没有修复机制的树种,PLC季节变化不明显。  2)不同功能类群树种木质部导管大小对冻融循环诱导的栓塞脆弱性有很大影响。环孔材树种平均导管直径最大,为47.3μm,显著高于其它功能类群树种的导管直径,但是木质部导水率丧失百分比显著高于其它类群树种;小乔木木质部导管直径最小,为21.4μm,对冻融循环诱导气穴化的抵抗能力最强。然而,对于具有木质部正压力的树种,由于其具有根压或茎压修复机制,可有效修复冬季产生的气穴化栓塞,导管大小和对冻融循环的脆弱性之间的关系不明显。木质部平均导管直径与木质部导水率呈显著正相关关系,具有较大导管的环孔材树种,导水效率显著高于具有较小导管直径的散孔材树种,但是却小于具有木质部修复功能的树种。  3)不同高度类群植物木质部水力结构存在显著差异。与较高的乔木相比,小乔木和灌木具有较小的导管,抵抗冻融循环胁迫的能力较强,但导水效率显著低于较高的乔木树种。植物最大树高与木质部导水效率呈显著正相关关系,较高的乔木具备较高的导水率和光合速率以适应快速生长。不同高度类群植物木质部导水效率和植物叶片最大光合速率存在显著正相关关系,较低的小乔木和灌木具有较小的导水效率和较低的气孔导度和光合速率,表现出较保守的水分传输和利用策略。不同高度植物具有不同的水力结构特征和光合生理特征,从而适应不同的微环境。  综合以上研究结果,不同功能类群树种应对冻融循环胁迫的适应性策略存在差异,有修复机制的树种生长季基本完全修复冬季冻融循环诱导的气穴化栓塞,有效缓解了冻融循环胁迫对其生长的限制。对于没有修复机制的树种,其在生长季节通过长出新的导管恢复水分传导。其次,较高的乔木树种具有快速生长的适应策略,但对冻融循环诱导的气穴化抵抗力较弱。对于小乔木和灌木,虽然具有较低的水分传输效率和光合能力,但体现出较强的抵抗冬季冻融胁迫的能力。不同类群植物种具有不同水力结构特征和叶片光合生理特征,体现出水分传输的有效性和安全性之间的权衡关系,以及木质部水分传输效率和叶片光合碳同化能力之间的协同关系,反映了相同环境下不同植物种的生态适应性的分化。
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