石羊河中游沼泽湿地车前叶片性状及其光谱特性研究

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植物的生物量分配策略、适应性机制和生长生存平衡等特性,都需要各性状间的紧密联系与调控来实现,性状间的替补转换和构建稳固形成最优化的内稳态机制以保证生存。随着湿地退耕恢复演替的进行,群落内的物种丰富度逐渐增高,物种间的生态位重叠逐渐变大,群落资源的竞争逐渐增强,植物群落环境的变化及其制约性调节是决定植物资源配置平衡的关键因素,促使植物叶片性状发生适应性的调整。植物叶片作为主要的光合器官,环境的变化可引发叶片结构、色素转化、碳同化等生理变化的反射光谱响应。因此研究叶性状间的异速生长关系和适应策略、叶片光合特性的变化以及叶片光谱特征对叶性状改变的响应性表现,对于揭示植物叶性状间的相互权衡机制、资源的分配过程及生活史策略具有重要意义。鉴于此,本文以石羊河中游永昌北海子国家湿地公园的沼泽湿地车前(Plantago asiatica)为研究对象,按湿地恢复时间长短选择了I(退耕5a)、II(退耕15a)、III(退耕25a)和Ⅳ(原生样地)4个梯度,分析了湿地恢复演替过程中车前叶片结构性状间的异速生长关系,研究了车前叶片光合色素含量变化对净光合速率的影响,探讨了车前叶片光谱特征的变化和光合色素植被指数的反演关系。结果表明:(1)随着湿地退耕演替的进行,湿地群落环境逐渐趋于稳定,湿地群落的密度、平均株高与地上生物量均呈现逐渐增大的趋势;湿地群落土壤含水量呈逐渐增大的趋势,土壤水解性氮、有效磷、有机质含量均呈现先减小后增大的U型趋势;车前种群的盖度和密度呈先增大后减小的倒U型趋势,株高呈逐渐增大的趋势。(2)随着湿地的恢复演替,车前的叶结构性状间存在显著差异(P<0.05),叶面积呈现先增大后减小的趋势,叶厚度呈现先增大后减小的趋势,叶柄长度呈逐渐增大的趋势,叶干重和叶柄干重均呈先减小后增大的U型趋势;在退耕5a(I)和退耕25a(III)的样地,车前叶面积与叶厚度均呈极显著负相关关系(P<0.01),在退耕15a(II)和原生样地(Ⅳ)中,车前叶面与叶厚度均呈显著负相关关系(P<0.05);各退耕还湿样地车前叶面积与叶柄长度均呈极显著负相关关系(P<0.01);在退耕5a(I)、退耕15a(II)和退耕25a(III)的样地中车前叶干重与叶柄干重均呈极显著正相关关系(P<0.01),在原生样地(Ⅳ)车前叶干重与叶柄干重呈显著正相关关系(P<0.05)。(3)随着湿地退耕年限的增加,湿地群落光合有效辐射(Photosynthetically active radiation,PAR)逐渐减小,车前叶片的气孔导度(Stomatal conductance,Gs)、胞间CO2浓度(Intercellular carbon dioxide concentration,Ci)、净光合速率(Photosynthetic rate net,Pn)、蒸腾速率(Transpiration rate,Tr)均呈现出先增大后减小的倒U型趋势,叶片水分利用效率(Water use efficiency,WUE)呈现出先减小后增加的U型趋势;各退耕梯度车前的叶绿素、类胡萝卜素含量与净光合速率之间均呈极显著正相关关系(P<0.01)。(4)随着湿地恢复演替的进行,车前叶片的原始光谱曲线、一阶微分光谱和红边位置均呈现明显的差异;车前叶片叶绿素与类胡萝卜素含量逐渐增大,叶绿素归一化植被指数CNDVI呈先减小后增大的U型趋势,类胡萝卜素反射指数CRI1呈逐渐增大的趋势;CNDVI指数与叶绿素含量的相关性高,各样地中拟合R2分别为0.84、0.95、0.97和0.97,表明关系方程拟合度良好,CRI1指数与类胡萝卜素含量的相关性高,各样地中拟合R2分别为0.75、0.79、0.97和0.97,表明关系方程的拟合精度存在差异。叶片的结构性状与功能性状间的权衡生长关系及制约规律,与植物对环境资源的获取利用密切相关,同时能够反映出叶片可塑性机制和对环境异质性的适应。光谱分析技术和叶片特殊的光谱响应机制对于叶片无损伤研究和叶片生理活动机制的研究具有重要作用。随着退耕年限的增加,湿地群落环境逐渐接近原生样地,资源竞争激烈的生存环境促使车前选择大叶模式生长,同时增加了光合色素含量,提高自身的净光合速率,使得其叶片光谱特性发生了改变,在各梯度下形成差异的光谱响应。叶片的协同生长规律保证了异质生境中资源的最大化利用,形成了最优的内稳态机制来平衡生长与生存。
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