大南湖二矿3种乔木的光合特性

王梦 李云 马伊琍 罗艳丽 张继卫 时威 麻浩

摘要：为探究人工种植植被在当地的适应能力，为矿区生态修复提供理论依据。利用CIRAS-2型便携式光合仪测定了新疆哈密大南湖二矿榆树（Ulmus pumila L.）、沙枣（Elaeagnus angustifolia L.）、竹柳（Salix fragilis）这3种人工乔木的净光合速率、蒸腾速率日变化，以及对影响植物净光合速率的环境因子进行相关性分析，结果表明：①在野外自然条件下，7月的3种植物净光合速率日均值大小表现为：竹柳>沙枣>榆树，竹柳表现出有较强的光合作用;②影响榆树、竹柳、沙枣出现光合“午休”现象的原因分别为非气孔因素、共同作用、气孔因素;③3种植物日均蒸腾速率由大到小依次为沙枣>榆树>竹柳;④蒸腾速率与胞间CO2浓度是影响植物净光合速率的主要环境因子。

关键词：乔木;光合;大南湖二矿

中图分类号：Q945

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）14-0032-03

1 引言

我国是一个以煤炭为主的能源生产和消费大国[1]。开采矿产资源过程中，给经济带来快速增长的同时，也不可避免地给生态环境带来了严重的影响，如：地表塌陷、水环境质量破坏、水土流失、沙漠化等[2～5]。哈密地区拥有丰富的煤炭资源，品种多，易开采，在新疆有着举足轻重的地位。由于大南湖二矿地表主要是原始戈壁，随着露天煤矿的开采，对地表与地层均有破坏，该矿区植被覆盖率极低，难以抵抗土壤的侵蚀与搬运，土地沙化、荒漠化加剧[6]。为保障矿区生态环境，需要合理地利用当地乡土及人工种植植物，科学修复矿区被扰动的环境[7～9]。

光合作用作为植物生长发育的基础，能够很大程度地反应出植物對当地的适应状况[10]。目前，针对荒漠干旱区的植物生理特性的报道较多，如郭洋楠等在新疆克里雅河流域荒漠-绿洲交错带研究芦苇、柽柳、胡杨的光合特性[11]。许疆维等探究荒漠植物-花花柴在高温胁迫下的生理特性的响应[12]。然而，对矿区这种干旱荒漠区的植被光合生理特性研究较少，本研究选择榆树（Ulmus pumila L.）、竹柳（Salix fragilis）、沙枣（Elaeagnus angustifolia L.）3种矿区常用修复植物，这3种植物均具有耐碱、耐干旱的特点。通过探讨这3种植物的光合作用日变化以及对环境因子的响应，为矿区进行生态修复和保护提供理论科学依据，同时可对矿区修复植物在该区域的环境胁迫下的生态适应性提供借鉴。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区位于哈密市西南部，距哈密市区约84 km。属于典型的大陆性气候，年平均气温9.8 ℃，极端最高气温43 ℃，极端最低气温-32 ℃;年降水量33.8 mm，年蒸发量3300 mm，年均日照3358h，无霜期182 d[13]。

2.2 测定方法

在矿区的生态修复示范区中分别选择榆树、竹柳、沙枣3种植物，在2019年7月选择晴朗无云的天气，从当地时间早上10：00～18：00，每隔2 h采用英国PP-systems公司产的CARAS-2型光合仪分别测定榆树、竹柳、沙枣叶片的光合参数及环境因子，每株植物选择3片叶片，植物应选择选择健康、完整的叶片，反复测定3次取平均值。光合参数包括：净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）;环境因子包括：大气温度（Ta）、光合有效辐射（PAR）、大气相对湿度（RH）、大气CO2浓度（Ca）。

2.3 数据处理

使用Excel 2016进行数据整理分析及作图，SPSS 2017进行Pearson相关性分析。

3 结果与分析

3.1 环境因子日变化

研究区环境因子如表1所示。

由表1可知，矿区在7月的温度极高，中午可达45 ℃，随温度的升高，光合有效辐射增强，二者均先上升再下降;大气CO2浓度在14：00为最低值;大气相对湿度早晨最大，下午18：00最小，可能由于矿区热度具有累积性，在18：00热度不减小。

3.2 3种植物净光合速率日变化

在野外晴朗天气下，3种植物的净光合速率日变化如图1所示。3种植物日均净光合速率由大到小依次为竹柳（20.61 μmol/（m2·s））>沙枣（10.91 μmol/（m2·s））>榆树（9.95 μmol/（m2·s））。竹柳的净光合速率日变化曲线为“V”型，最低值出现在14：00;沙枣的净光合速率日变化曲线幅度较大，在12：00达到峰值，在14：00为谷值，出现“午休”现象。

3.3 3种植物蒸腾速率日变化

该矿区的3种植物的蒸腾速率日变化如图2所示，3种植物日均蒸腾速率由大到小依次为沙枣（11.67 mmol/（m2·s））>榆树（9.41 mmol/（m2·s））>竹柳（8.65 mmol/（m2·s））。3种植物的蒸腾速率日变化与净光合速率呈相反的趋势，榆树从10：00～16：00呈持续上升趋势，与大气温度有相同的趋势，至16：00到达最高峰（17.63 mmol/（m2·s））;竹柳的蒸腾速率日变化呈双峰型，且第一峰值（12：00）>第二峰值（16：00）;沙枣在12：00出现蒸腾“午休”现象，比竹柳出现的“午休”现象提前2 h。

3.4 3种植物气孔导度日变化

在野外自然状态下3种植物的气孔导度日变化如图3所示，3种植物日均气孔导度与日均蒸腾速率大小排列一致，由大到小依次为沙枣（235.12 mmol/（m2 s））>榆树（213.11 mmol/（m2 s））>竹柳（173.44 mmol/（m2 s））。榆树和沙枣的气孔导度日变化呈单峰型，沙枣的峰值出现在14：00（305.22 mmol/（m2 s）），榆树的峰值比沙枣延迟2 h，出现在16：00（352.00 mmol/（m2 s））。竹柳的气孔导度日变化呈双峰型，峰值出现在12：00和16：00，且第一峰值（268.00 mmol/（m2 s））>第二峰值（220.33 mmol/（m2 s））。

3.5 3种植物胞间CO2浓度日变化

在大南湖二矿矿区，3种植物的胞间CO2浓度日变化如图4所示，3种植物日均胞间CO2浓度由大到小依次为沙枣（298.30 μmol/mol）>榆树（254.70 μmol/mol）>竹柳（191.93 μmol/mol）。整体来看，3种植物在上午的胞间CO2浓度高，日变化曲线为下降的趋势。榆树和沙枣在下降过程中在14：00达到峰值。

3.6 3种植物净光合速率与环境因子的相关性分析

表2为3种植物净光合速率与环境因子的相关性分析，3种植物中只有沙枣的净光合速率和蒸腾速率与胞间CO2浓度呈极显著负相关，相关系数分别为0.667和0.681。3种植物与大气温度和大气CO2浓度分别呈负相关和正相关，但不具有显著水平;3种植物中仅有沙枣与大气相对湿度和气孔导度呈负相关，其余2种植物与大气相对湿度和气孔导度呈正相关。

4 讨论

植物进行光合作用是其生理活动之一，光合作用日变化反应植物一天中有机物的积累，其动态变化不仅仅与周围的环境（光照、温度、水分等）有关，更与自身的生理特性（气孔、RuBP羧化等）相关[14～16]。本研究对大南湖矿区7月的大气温度、相对湿度、光照强度、大气CO2浓度以及3种植物的光合参数进行测定发现上午随着光照强度以及温度的升高，沙枣在12：00达到一天中的最高值，这可能是由于各种环境因子同时作用造成的。之后随着光照强度以及温度继续上升，但大气相对湿度在降低，3种植物的光合在14：00有了下降的趋势，这可能是环境因子对其产生了胁迫作用。根据Farquhar的观点，植物的光合作用下降的原因包括气孔因素（植物叶片气孔关闭）和非气孔因素（叶肉细胞活性降低），由植物净光合速率与环境因子的相关性可知，榆树的净光合速率与蒸腾速率呈负相关，与气孔导度呈正相关，因此榆树出现光合“午休”现象是由于非气孔因素;沙枣是由于自身生理特性及气孔因素同时作用导致的;竹柳时由于气孔因素占主导作用[17，18]。在本次研究中，3种矿区植物净光合速率日均值表现为：竹柳>沙枣>榆树，从植物种类来看，表明竹柳的光合能力最强，较在矿区生存[3]。

5 结论

（1）在野外自然条件下，7月的3种植物净光合速率日均值大小表现为：竹柳>沙枣>榆树，竹柳表现出有较强的光合作用。

（2）影响榆树、竹柳、沙枣出现光合“午休”现象的原因分别为非气孔因素、共同作用、气孔因素。

（3）3种植物日均蒸腾速率由大到小依次为沙枣>榆树>竹柳。

（4）蒸腾速率与胞间CO2浓度是影响植物净光合速率的主要环境因子。

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