地下水对柠条（ Caragana korshinskii ）、油蒿（ Artemisia ordosica ）光合蒸腾日动态的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00064

摘要/Abstract

摘要：

干旱荒漠区生态系统中，土壤水分是限制植被生长与生态功能的关键因子，植物气体交换过程对水分状况及气候变化高度敏感，但其日尺度碳水耦合调控机制仍不明确。本研究以典型固沙灌木柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）和油蒿（Artemisia ordosica）为对象，设置有地下水和无地下水两种处理，系统监测叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶片水势及环境因子的日变化特征，并分析其调控机制。结果表明：两种灌木的光合和蒸腾速率在日尺度上均呈现典型“双峰型”变化，表现出明显的光合“午休”现象。地下水补给显著提高了两种植物的光合和蒸腾能力。在有地下水条件下，柠条与油蒿的单位叶面积日光合碳同化量（P_nDL）分别为67.9、73.7 g·m^-2，日蒸腾量（TrDL）分别为44.3、39.9 kg·m^-2，均显著高于无地下水条件。土壤水分、气温及饱和蒸气压亏缺是驱动光合日变化的主要环境因子。两种灌木在碳获取与水分消耗之间表现出不同的权衡策略。柠条具有较高的气孔导度和蒸腾速率，但水分利用效率相对较低，表现为通过增强气孔开放和蒸腾以促进碳同化的趋利型策略；而油蒿在较低气孔导度和蒸腾水平下维持较高的水分利用效率，呈现保守型水分利用策略。该碳水耦合策略的差异反映了两种物种对干旱环境的不同适应途径，对干旱区植被恢复的稳定性与生态系统适应能力具有重要意义。

关键词: 地下水补给, 气体交换, 日变化, 柠条, 油蒿

Abstract:

In arid desert ecosystems， soil moisture is a key factor limiting vegetation growth and ecosystem functioning， and plant gas exchange is highly sensitive to water status and climatic variation； however， the mechanisms underlying diurnal carbon water coupling remain insufficiently understood. In this study， two typical sand-fixing shrubs， Caragana korshinskii and Artemisia ordosica， were selected as target species， and two treatments， under groundwater and non-groundwater conditions， were established. Diurnal variations in leaf net photosynthetic rate， transpiration rate， stomatal conductance， leaf water potential， and environmental factors were systematically monitored， and their regulatory mechanisms were analyzed. The results showed that both shrubs exhibited a typical bimodal diurnal pattern in photosynthesis and transpiration， with a pronounced midday depression of photosynthesis. Groundwater supply significantly enhanced the photosynthetic capacity and transpiration rate of both species. Under groundwater conditions， daily photosynthetic carbon assimilation per unit leaf area （P_nDL） of C. korshinskii and A. ordosica reached 67.9 and 73.7 g CO₂·m^-2， respectively， while daily transpiration per unit leaf area （TrDL） reached 44.3 and 39.9 kg H₂O·m^-2， respectively， all of which were significantly higher than those under non-groundwater conditions. Soil moisture， air temperature， and vapor pressure deficit were identified as the main environmental factors driving diurnal photosynthetic variation. Further analysis showed that the two shrubs adopted distinct trade-off strategies between carbon gain and water consumption. C. korshinskii showed relatively high stomatal conductance and transpiration rate but comparatively low water-use efficiency， indicating an “opportunistic” strategy characterized by enhanced stomatal opening and transpiration to promote carbon assimilation. In contrast， A. ordosica maintained relatively high water-use efficiency under lower stomatal conductance and transpiration levels， exhibiting a “conservative” water-use strategy. These differences in carbon-water coupling strategies reflect distinct adaptive pathways of the two species to arid environments and provide important implications for vegetation restoration stability and ecosystem adaptability in arid regions.

Key words: gas exchange, groundwater supply, diurnal variation, Caragana korshinskii, Artemisia ordosica

中图分类号:

Q945

赵自强, 南益聪, 韩高玲, 柳小妮, 石亚飞, 张志山, 霍建强. 地下水对柠条（ Caragana korshinskii ）、油蒿（ Artemisia ordosica ）光合蒸腾日动态的影响[J]. 中国沙漠, 2026, 46(5): 415-424.

Ziqiang Zhao, Yicong Nan, Gaoling Han, Xiaoni Liu, Yafei Shi, Zhishan Zhang, Jianqiang Huo. Effects of groundwater on diurnal photosynthetic and transpiration dynamics of Caragana korshinskii and Artemisia ordosica[J]. Journal of Desert Research, 2026, 46(5): 415-424.

图/表 6

图1 环境因子日变化注:G和NG分别表示有地下水和无地下水条件

Fig.1 Diurnal variation of environmental factors

图2 柠条和油蒿叶片水势和导水率日变化注：同一曲线中不同小写字母表示有地下水条件不同时间点之间差异显著（P<0.05），不同大写字母表示无地下水条件下不同时间点之间差异显著（P<0.05）

Fig.2 Diurnal variations in leaf water potential and hydraulic conductance in C. korshinskii （Ck） and A. ordosica （Ao）

图3 不同地下水条件下柠条和油蒿气体交换参数日变化。注：Ck-GNG表示柠条有、无地下水条件间的比较，Ao-GNG表示油蒿有、无地下水条件间的比较，G-CkAo表示有地下水条件下柠条与油蒿间的比较，NG-CkAo表示无地下水条件下柠条锦鸡儿与油蒿间的比较。同一曲线中不同小写字母表示有地下水条件下不同时间点之间差异显著（P<0.05），不同大写字母表示无地下水条件下不同时间点之间差异显著（P<0.05）

Fig.3 Diurnal variations in gas exchange parameters of C. korshinskii and A. ordosica under different groundwater conditions

表1 柠条和油蒿净光合速率和蒸腾速率双峰高斯方程拟合参数

Table 1 Fitting parameters of the bimodal Gaussian equation for net photosynthetic rate and transpiration rate of Caragana korshinskii and Artemisia ordosica

物种（处理）	指标	R²	P值	峰值1 (A₁)	峰值2 (A₂)
柠条（有地下水）	净光合速率	0.99	<0.05	1.97	0.91
柠条（无地下水）	净光合速率	0.97	<0.05	14.68	9.66
油蒿（有地下水）	净光合速率	0.99	<0.01	20.61	8.61
油蒿（无地下水）	净光合速率	0.97	0.057	11.65	5.48
柠条（有地下水）	蒸腾速率	0.99	<0.01	8.83	4.80
柠条（无地下水）	蒸腾速率	0.99	<0.05	2.01	1.27
油蒿（有地下水）	蒸腾速率	0.95	<0.01	6.07	4.74
油蒿（无地下水）	蒸腾速率	0.94	0.116	1.35	0.24

图4 不同条件下柠条和油蒿叶片的单位叶面积日光合碳同化量和日蒸腾量。注：Ck-GNG表示柠条有、无地下水条件间的比较，Ao-GNG表示油蒿有、无地下水条件间的比较，G-CkAo表示有地下水条件下柠条与油蒿间的比较，NG-CkAo表示无地下水条件下柠条锦鸡儿与油蒿间的比较。

Fig.4 Daily photosynthetic carbon assimilation and transpiration per unit leaf area of Caragana korshinskii and Artemisia ordosica leaves under different conditions

图5 环境因子与气体交换参数RDA分析注：Ck-Pn和Ao-Pn分别表示柠条和油蒿的净光合速率，Ck-Tr和Ao-Tr分别表示柠条和油蒿的蒸腾速率，Ck-gs和Ao-gs分别表示柠条和油蒿的气孔导度，Ck-WUE和Ao-WUE分别表示柠条和油蒿的水分利用效率，Ck-iWUE和Ao-iWUE分别表示柠条和油蒿的内在水分利用效率，Ck-ΨL和Ao-ΨL分别表示柠条和油蒿的叶片水势，Ck-KL和Ao-KL分别表示柠条和油蒿的叶片水力导度，Ck-VpdL和Ao-VpdL分别表示柠条和油蒿的叶片与空气间水汽压亏缺。GSWC和NGSWC分别表示有、无地下水条件下的土壤体积含水量，GVPD和NGVPD分别表示有、无地下水条件下的水汽压亏缺，GTs和NGTs分别表示有、无地下水条件下的土壤温度

Fig.5 Redundancy analysis （RDA） of environmental factors and gas exchange parameters

参考文献 33

[1]	Shu Y， Jiang L， Liu F，et al.Effects of plant diversity and abiotic factors on the multifunctionality of an arid desert ecosystem［J］.PLoS One，2022，17（6）：e0266320.
[2]	Wu X， Wang X， Wang P，et al.Effects of groundwater depth on ecological stoichiometric characteristics of assimilated branches and soil of two desert plants［J］.Frontiers in Plant Science，2023，14：1225907.
[3]	张钰佳，张克海，方桥.植物固沙技术研究进展及展望［J］.绿色科技，2020（6）：123-124.
[4]	戴永明，李明亮，徐明哲，等.毛乌素沙地不同固沙阶段油蒿叶片性状变化［J］.植物生态学报，2022，46（11）：1376-1387.
[5]	Zhang F， Yu M， Zhang J，et al.Which contributes more in predictor of desert shrubs traits：intra-annual or inter-annual precipitation change？［J］.Ecological Indicators，2024，163：112037.
[6]	李锦荣，阿拉腾图雅，张凤杰，等.乌兰布和沙漠周边典型植物群落防风阻沙效果［J］.中国沙漠，2022，42（6）：65-72.
[7]	Liu H， Zhao W， He Z，et al.Effects of Artemisia ordosica on wind speed and sediment transport at different planting densities in arid sandy land［J］.Acta Ecologica Sinica，2022，42（2）：543-552.
[8]	徐铭泽，刘鹏，田赟，等.毛乌素沙地油蒿叶性状对光能利用效率动态的影响［J］.生态学报，2023，43（12）：1-12.
[9]	冯秋红，史作民，董莉莉.植物功能性状对环境的响应及其应用［J］.林业科学，2008，44（4）：125-131.
[10]	Xie Q， Chen K， Li T，et al.Heat and drought have exacerbated the midday depression observed in a subtropical fir forest by a geostationary satellite［J］.Forests，2024，15（9）：1572.
[11]	Guan X， Chen J M， Shen H，et al.A modified two-leaf light use efficiency model for improving the simulation of GPP using a radiation scalar［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2021，307：108546.
[12]	Miao Y X， Cai Y， Wu H， Wang D.Diurnal and seasonal variations in the photosynthetic characteristics and the gas exchange simulations of two rice cultivars grown at ambient and elevated CO₂ ［J］.Frontiers in Plant Science，2021，12：651606.
[13]	张志山，韩高玲，霍建强，等.固沙灌木柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿木质部导水与叶片光合能力对土壤水分的响应［J］.植物生态学报，2023，47（10）：1422-1431.
[14]	张志山，李新荣，赵洋，等.沙坡头生态水文学研究进展及水量平衡自动模拟监测系统［J］.中国沙漠，2018，38（6）：1119-1135.
[15]	Brodribb T J， Powers J， Cochard H，et al.Hanging by a thread？Forests and drought［J］.Science，2020，368（6488）：261-266.
[16]	Li B B， Li P P， Zhang W T，et al.Deep soil moisture limits the sustainable vegetation restoration in arid and semi-arid Loess Plateau［J］.Geoderma，2021，399：115122.
[17]	Huo J， Shi Y， Chen J，et al.Hydraulic trade-off and coordination strategies mediated by leaf functional traits of desert shrubs［J］.Frontiers in Plant Science，2022，13：938758.
[18]	Chen S， Chen Z， Kong Z，et al.The increase of leaf water potential and whole-tree hydraulic conductance promotes canopy conductance and transpiration of Pinus tabulaeformis during soil droughts［J］.Trees，2023，37：41-52.
[19]	Johnson D M， Katul G， Domec J C.Catastrophic hydraulic failure and tipping points in plants［J］.Plant，Cell & Environment，2022，45（8）：2231-2266.
[20]	Xu D H， Fang X W， Su P X，et al.Ecophysiological responses of Caragana korshinskii Kom.under extreme drought stress：leaf abscission and stem survives［J］.Photosynthetica，2012，50（4）：541-548.
[21]	Xiong J， Xu L， Chandanpurkar H A，et al.ET-WB：water-balance-based estimations of terrestrial evaporation over global land and major global basins［J］.Earth System Science Data，2023，15（10）：4571-4597.
[22]	Sagar A， Hasan M， Singh D K，et al.Development of smart weighing lysimeter for measuring evapotranspiration and developing crop coefficient for greenhouse chrysanthemum［J］.Sensors，2022，22（16）：6239.
[23]	Johnson D M， Wortemann R， McCulloh K A，et al.A test of the hydraulic vulnerability segmentation hypothesis in angiosperm and conifer tree species［J］.Tree Physiology，2016，36（8）：983-993.
[24]	Luo Z， Nie Y， Chen H，et al.Water age dynamics in plant transpiration： the effects of climate patterns and rooting depth［J］.Water Resources Research，2023，59（4）：e2022WR033566.
[25]	Yu T， Jiapaer G， Bao A，et al.Disentangling the relative effects of soil moisture and vapor pressure deficit on photosynthesis in dryland Central Asia［J］.Ecological Indicators，2022，137：108698.
[26]	Deng J， Ding G， Gao G，et al.The sap flow dynamics and response of Hedysarum scoparium to environmental factors in semiarid Northwestern China［J］.PLoS One，2015，10（7）：e0131683.
[27]	Mao J， Luo Y， Jin C，et al.Response of leaf photosynthesis-transpiration coupling to biotic and abiotic factors in the typical desert shrub Artemisia ordosica ［J］.Sustainability，2023，15（13）：10216.
[28]	Andivia E， Ruiz-Benito P， Diaz-Martinez P，et al.Inter-specific tolerance to recurrent droughts of pine species revealed in saplings rather than adult trees［J］.Forest Ecology and Management，2020，459：117848.
[29]	李鑫豪，闫慧娟，卫腾宙，等.油蒿资源利用效率在生长季的相对变化及对环境因子的响应［J］.植物生态学报，2019，43（10）：889-898.
[30]	Wang X， Manzoni S，et al.Leaf hydraulic vulnerability triggers the decline in stomatal conductance and photosynthesis during drought［J］.New Phytologist，2018，218（2）：513-525.
[31]	Ma F， Na X， Xu T.Drought responses of three closely related Caragana species： implication for their vicarious distribution［J］.Ecology and Evolution，2016，6（9）：2763-2773.
[32]	Zhang Y， Wang X， Hu R，et al.Stemflow in two xerophytic shrubs and its significance to soil water and nutrient enrichment［J］.Ecological Research，2013，28（4）：567-579.
[33]	Han G， Huo J， Hu R，et al.Coupling relationships between vegetation and soil in different vegetation types in the Ulan Buh Desert and the Kubuqi Desert［J］.Frontiers in Plant Science，2025，16：1505526.