河西走廊荒漠区典型C3 和C4 荒漠灌木对模拟增温的响应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00111

摘要/Abstract

摘要：

全球气候变暖给荒漠生态系统带来巨大影响，也给荒漠固沙稳定性维持及可持续性管理带来新的挑战。本研究利用开顶箱（Open-top chamber， OTC）模拟增温装置研究增温对典型荒漠固沙植物泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa，C₃植物）和梭梭（Haloxylon ammodendron，C₄植物）光合生理及化学计量元素含量的影响。结果表明：（1）不同植物光合指标对增温的响应明显不同，不同增温幅度（ΔT）下，泡泡刺净光合作用速率（P_n）和水分利用效率（WUE）均显著低于梭梭；泡泡刺P_n和ΔT间为显著的线性关系，而梭梭P_n与ΔT呈二次曲线关系；泡泡刺WUE随着ΔT的增加而增加，而梭梭先降低后增大。（2）增温也对两种植物叶片C、N和P含量有显著影响，两种植物叶片C、N和P含量均随ΔT的增加而增大，但泡泡刺C、N和P含量高于梭梭。（3）ΔT和泡泡刺光合指标呈显著正相关，而和叶片C、N、P含量呈负相关关系；ΔT和梭梭P_n显著正相关，但和WUE显著负相关，且和叶片C、P含量也呈正相关关系。这说明两种荒漠植物对高温都有很强的适应能力，C₃植物泡泡刺通过增加叶片C、N和P的累积来应对高温胁迫，呈现出“高储存-高防御”的适应策略；而C₄植物梭梭通过增加C、N和P的消耗来加速生长，呈现出“快速生长-高效利用”的适应策略。总之，C₃植物和C₄植物光合指标和叶片化学计量元素含量对增温的响应截然不同。以上结果对于深入理解气候变化对荒漠植物生长发育的调控具有重要意义，同时也为干旱区人工固沙植被的稳定性维持及科学性管理提供了科学支撑。

关键词: C₃植物, 泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）, C₄植物, 梭梭（Haloxylon ammodendron）, 模拟增温, 光合生理, 化学计量元素.

Abstract:

Global warming has brought great impact on desert ecosystems， and also brought new challenges to the establishment and management of desert sand-fixation vegetation. This study investigated the effects of varying degrees of warming on the photosynthetic physiology and stoichiometric element content of two typical desert sand-fixing plants—Nitraria sphaerocarpa （a C₃ plant） and Haloxylon ammodendron （a C₄ plant）—using Open-top chambers （OTCs） as warming simulation devices. The results showed that：（1） The photosynthetic responses of the two plants to warming differed significantly. Under different warming magnitudes （ΔT）， N. sphaerocarpa exhibited significantly lower net photosynthetic rate （P_n） and water use efficiency （WUE） than H. ammodendron. The P_n of N. sphaerocarpa showed a linear relationship with ΔT， while that of H. ammodendron followed a quadratic relationship. The WUE of N. sphaerocarpa increased with ΔT， whereas that of H. ammodendron first decreased and then increased. （2） Warming also significantly affected the leaf C， N， and P contents of two plants. The C， N， and P contents of both species increased with ΔT， but N. sphaerocarpa had higher levels than H. ammodendron. （3） ΔT was positively correlated with the photosynthetic parameters of N. sphaerocarpa but negatively correlated with its leaf C， N， and P contents. In contrast， ΔT was positively correlated with the P_n of H. ammodendron but negatively correlated with its WUE， while showing a positive correlation with its leaf C and P contents. These findings indicate that both desert plants exhibit strong adaptability to warming through different strategies： The C₃ plant N. sphaerocarpa adopts a "high storage-high defense" strategy by increasing leaf C， N， and P contents to enhance photosynthetic capacity under thermal stress. The C₄ plant H. ammodendron employs a "fast growth-efficient utilization" strategy by accelerating growth through increased consumption of C， N， and P. In summary， the responses of photosynthetic traits and leaf stoichiometric element contents to warming were markedly different between the C₃ plant N. sphaerocarpa and the C₄ plant H. ammodendron. These results provide important insights into how climate change regulates the growth and development of desert plants and provides scientific support for the stability maintenance and scientific management of artificial sand-fixing vegetation in arid desert areas.

Key words: C₃ plant, Nitraria sphaerocarpa, C₄ plant, Haloxylon ammodendron, simulated warming, photosynthetic traits, stoichiometric element content

中图分类号:

Q948

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图/表 7

图1 研究区位置及OTC增温装置

Fig.1 Location of study area and Open-top chambers

图2 生长季不同增温处理（4—9月）空气温湿度和土壤温度变化

Fig.2 Changes of air temperature， humidity and soil temperature under different warming treatments during growth seasons （April to September）

图3 不同增温幅度下C3植物泡泡刺和C4植物梭梭光合指标变化（*、**和ns分别表示同一增温幅度下C3植物和C4植物各指标差异显著（P<0.05）、极显著（P<0.01）和无差异（P≥0.05））

Fig.3 Changes of photosynthetic indices of C3 plant N. sphaerocarpa and C4 plant H. ammodendron under different warming ranges （*， ** and ns indicated that the indices of C3 plant and C4 plant were significantly different （P<0.05）， extremely significant （P<0.01） and had no difference （P≥0.05） under the same warming range， respectively）

图4 不同增温幅度下C3植物泡泡刺和C4植物梭梭叶片化学计量元素含量变化注：*、**和ns分别表示同一增温幅度下C3植物和C4植物各指标差异显著（P<0.05）、极显著（P<0.01）和无差异（P≥0.05）

Fig.4 Changes of leaf stoichiometric element contents of C3 plant N. sphaerocarpa and C4 plant H. ammodendron under different warming ranges

表1 物种和增温幅度对植物光合指标影响的双因素方差分析

Table 1 Two-way ANOVA analysis of the effects of species and warming range on plant photosynthetic indexes

	P_n		G_s		C_i		Tr		WUE
	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P
物种S	991.66	<0.01	19.32	<0.01	691.15	<0.01	97.12	<0.01	50.65	<0.01
增温幅度ΔT	74.28	<0.01	148.92	<0.01	81.09	<0.01	132.00	<0.01	11.18	<0.01
S×ΔT	56.83	<0.01	14.64	<0.01	1.47	0.26	82.49	<0.01	29.21	<0.01

表2 物种和增温幅度对植物化学计量元素含量的影响双因素方差分析

Table 2 Two-way ANOVA analysis of the effects of species and warming range on leaf stoichiometric element contents

	C		N		P		C∶N		C∶P		N∶P
	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P
物种S	121.00	<0.01	9.31	<0.01	51.20	<0.01	5.33	0.04	6.70	0.20	26.03	<0.01
增温幅度ΔT	6.49	<0.01	2.08	0.14	1.31	0.30	0.80	0.51	1.63	0.22	3.16	0.05
S×ΔT	0.23	0.87	0.94	0.44	1.40	0.28	1.59	0.23	1.54	0.24	2.06	0.15

图5 C3植物泡泡刺和C4植物梭梭光合指标和叶片化学计量元素含量与增温幅度的相关关系

Fig.5 Correlation between photosynthetic indexes， leaf stoichiometric elements content and warming ranges of C3 plant Nitraria sphaerocarpa and C4 plant Haloxylon ammodendron

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河西走廊荒漠区典型C₃ 和C₄ 荒漠灌木对模拟增温的响应

Responses of typical C₃ and C₄ desert shrubs to simulated warming in Hexi Corridor

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