兴安落叶松水分利用效率对模拟气候变暖的响应

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2025.05.004

摘要/Abstract

摘要：

研究气候变暖对树木水分利用效率的影响，有利于揭示树木碳水耦合关系对全球气候变暖的响应。2004年，将4个不同气温地点（年均温从低到高依次为塔河、松岭、孙吴、带岭）生长的兴安落叶松（Larix gmelinii）幼树移栽至其自然分布区南缘的同质园（帽儿山），通过被动增温模拟气候变暖。2022年8月，在同质园和4个移栽地同步采用气体交换法测定兴安落叶松瞬时水分利用效率（WUE_i）和潜在水分利用效率（WUE_g），并用碳同位素丰度表示长期水分利用效率（WUE_L），探讨不同模拟变暖程度对兴安落叶松水分利用效率的影响。结果表明：WUE_i和WUE_g在不同模拟变暖程度下均显著增大，塔河、松岭、孙吴、带岭的WUE_i分别增大33.37%、38.84%、42.06%和58.76%，WUE_g分别增大15.94%、18.47%、20.84%和39.10%，WUE_L仅在模拟变暖程度较大的松岭和塔河显著增大16.92%和30.56%。WUE_i、WUE_g和WUE_L增大的幅度均与模拟变暖程度呈线性正相关。模拟气候变暖处理前后，WUE_i和WUE_g均存在显著的地点间差异且具有相似规律，而WUE_L仅在模拟气候变暖处理前具有显著的地点间差异。WUE_i对模拟气候变暖处理的响应最为敏感，而WUE_L仅在模拟变暖程度较大时表现出差异性响应。综上，在研究气候变暖对树木水分利用效率影响时，既要考虑变暖的程度，也要考虑计算方法。

关键词: 气候变化, 碳水耦合, 水分利用效率, 兴安落叶松, 光合能力

Abstract:

Exploring the impact of climate warming on water use efficiency（WUE） of treesis significant for understanding the responses of tree carbon-water coupling to climate warming. In 2004， Larix gmelinii seedlings grown in four sites along temperate gradient（e.g.， Tahe， Songling， Sunwu and Dailing） simulating climate warming were transplanted to a common garden（Mao’ershan） near the natural edge of this species’ range. In August 2022， in the common garden and four different transplanting sites， the instantaneous water use efficiency（WUE_i） and intrinsic water use efficiency（WUE_g） were measured using the gas exchange method， and long-term water use efficiency（WUE_L） was calculated via carbon-13 isotope abundance to explore the effects of different simulating climate warming magnitudes on WUE of L. gmelinii. The results showed that both WUE_iand WUE_g significantly increased， with an increase of 33.37%， 38.84%， 42.06% and 58.76% for WUE_i， and an increase of 15.94%， 18.47%， 20.84% and 39.10% for WUE_gof L. gmelinii under the simulated climate warming by transplantation from the sites Tahe， Songling， Sunwu and Dailing， respectively. The WUE_L significantly increased by 16.92% and 30.56% for Songling and Tahe， respectively. The increasing rate of WUE_i， WUE_g and WUE_L showed positive linear correlations with the warming magnitude. Both WUE_i and WUE_gshowed significant and similar site differences in the common garden and among the transplanting sites， while WUE_L showed significant differences only among the transplanting sites. WUE_i was sensitive to all the warming magnitudes， but WUE_L was sensitive only to the high warming magnitude. Therefore， the warming magnitude and the determining methods should be taken into consideration in tree WUE responses to climate warming.

Key words: climate change, carbon-water coupling, water use efficiency, Larix gmelinii, photosynthetic capacity

中图分类号:

S718.51

王楠, 王晶晶, 王传宽, 全先奎. 兴安落叶松水分利用效率对模拟气候变暖的响应[J]. 植物研究, 2025, 45(5): 686-694.

Nan WANG, Jingjing WANG, Chuankuan WANG, Xiankui QUAN. Responses of Water Use Efficiency in Larix gmelinii to Simulated Climate Warming[J]. Bulletin of Botanical Research, 2025, 45(5): 686-694.

图/表 6

表1

表2

图1

图2

图3

图4

参考文献 27

[1]	于贵瑞，高扬，王秋凤，等.陆地生态系统碳-氮-水循环的关键耦合过程及其生物调控机制探讨［J］.中国生态农业学报（中英文），2013，21（1）：1-13.
	YU G R， GAO Y， WANG Q F，et al.Discussion on the key processes of carbon-nitrogen-water coupling cycles and biological regulation mechanisms in terrestrial ecosystem［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture，2013，21（1）：1-13.
[2]	SAXE H， CANNELL M G R， JOHNSEN Ø，et al.Tree and forest functioning in response to global warming［J］.New Phytologist，2001，149（3）：369-399.
[3]	HUANG M T， PIAO S L， SUN Y，et al.Change in terrestrial ecosystem water-use efficiency over the last three decades［J］.Global Change Biology，2015，21（6）：2366-2378.
[4]	PICOTTE J J， ROSENTHAL D M， RHODE J M，et al.Plastic responses to temporal variation in moisture availability：consequences for water use efficiency and plant performance［J］.Oecologia，2007，153（4）：821-832.
[5]	KLEIN T， DI MATTEO G， ROTENBERG E，et al.Differential ecophysiological response of a major Mediterranean pine species across a climatic gradient［J］.Tree Physiology，2013，33（1）：26-36.
[6]	SCHULZE E D， TURNER N C， NICOLLE D，et al.Species differences in carbon isotope ratios，specific leaf area and nitrogen concentrations in leaves of Eucalyptus growing in a common garden compared with along an aridity gradient［J］.Physiologia Plantarum，2006，127（3）：434-444.
[7]	NIU S L， XING X R， ZHANG Z，et al.Water-use efficiency in response to climate change：from leaf to ecosystem in a temperate steppe［J］.Global Change Biology，2011，17（2）：1073-1082.
[8]	WAY D A， OREN R.Differential responses to changes in growth temperature between trees from different functional groups and biomes：a review and synthesis of data［J］.Tree Physiology，2010，30（6）：669-688.
[9]	REICH P B， SENDALL K M， RICE K，et al.Geographic range predicts photosynthetic and growth response to warming in co-occurring tree species［J］.Nature Climate Change，2015，5（2）：148-152.
[10]	PRIETO I， LEÓN-SÁNCHEZ L， NICOLÁS E，et al.Warming reduces both photosynthetic nutrient use efficiency and water use efficiency in Mediterranean shrubswarming reduces nutrient use efficiency［J］.Environmental and Experimental Botany，2023，210：105331.
[11]	QUEREJETA J I， REN W， PRIETO I.Vertical decoupling of soil nutrients and water under climate warming reduces plant cumulative nutrient uptake，water-use efficiency and productivity［J］.New Phytologist，2021，230（4）：1378-1393.
[12]	曹生奎，冯起，司建华，等.植物叶片水分利用效率研究综述［J］.生态学报，2009，29（7）：3882-3892.
	CAO S K， FENG Q， SI J H，et al.Summary on the plant water use efficiency at leaf level［J］.Acta Ecologica Sinica，2009，29（7）：3882-3892.
[13]	FARQUHAR G D， RICHARDS R A.Isotopic composition of plant carbon correlates with water-use efficiency of wheat genotypes［J］.Australian Journal of Plant Physiology，1984，11（6）：539-552.
[14]	任书杰，于贵瑞.中国区域478种C₃植物叶片碳稳定性同位素组成与水分利用效率［J］.植物生态学报，2011，35（2）：119-124.
	REN S J， YU G R.Carbon isotope composition（δ ¹³C） of C₃ plants and water use efficiency in China［J］.Chinese Journal of Plant Ecology，2011，35（2）：119-124.
[15]	蔡锦枫，薛子静，黄康祥，等.梅里雪山植物稳定碳同位素组成及其内在水分利用效率随海拔梯度的变化［J］.生态学杂志，2024，43（6）：1558-1565.
	CAI J F， XUE Z J， HUANG K X，et al.Changes in stable carbon isotope composition and intrinsic water use efficiency of plants along an altitude gradient in the Meili Snow Mountain［J］.Chinese Journal of Ecology，2024，43（6）：1558-1565.
[16]	GOWER S T， RICHARDS J H.Larches：deciduous conifers in an evergreen world［J］.Bioscience，1990，40（11）：818-826.
[17]	国家林业和草原局.中国森林资源报告［M］.北京：中国林业出版社，2019：275-365.
	National Forestry and Grassland Administration.China forest resources report［M］.Beijing：China Forestry Publishing House，2019：275-365.
[18]	LEE J Y， MAROTZKE J， BALA G，et al.Future global climate：scenario-based projections and near-term information［M］// MASSON-DELMOTTE V，ZHAI P，PIRANI A，et al.Climate change 2021：the physical science basis.Cambridge：Cambridge University Press，2021：553-672.
[19]	JU Y L， WANG C K， WANG N，et al.Transplanting larch trees into warmer areas increases the photosynthesis and its temperature sensitivity［J］.Tree Physiology，2022，42（12）：2521-2533.
[20]	苏波，韩兴国，李凌浩，等.中国东北样带草原区植物δ ¹³C值及水分利用效率对环境梯度的响应［J］.植物生态学报，2000，24（6）：648-655.
	SU B， HAN X G， LI L H，et al.Responses of δ ¹³C value and water use efficiency of plant species to environmental gradients along the grassland zone of northeast China transect［J］.Chinese Journal of Plant Ecology，2000，24（6）：648-655.
[21]	季子敬，全先奎，王传宽.兴安落叶松针叶解剖结构变化及其光合能力对气候变化的适应性［J］.生态学报，2013，33（21）：6967-6974.
	JI Z J， QUAN X K， WANG C K.Variations in leaf anatomy of Larix gmelinii reflect adaptation of its photosynthetic capacity to climate changes［J］.Acta Ecologica Sinica，2013，33（21）：6967-6974.
[22]	ROUSSEL M， LE THIEC D， MONTPIED P，et al.Diversity of water use efficiency among Quercus robur genotypes：contribution of related leaf traits［J］.Annals of Forest Science，2009，66（4）：408.
[23]	刘飞，刘攀，曹铭，等.稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用综述［J］.生态科学，2020，39（6）：224-232.
	LIU F， LIU P， CAO M，et al.Review on applications of stable isotope technique in the study of plant and water relation［J］.Ecological Science，2020，39（6）：224-232.
[24]	GOLLUSCIO R A， OESTERHELD M.Water use efficiency of twenty-five co-existing Patagonian species growing under different soil water availability［J］.Oecologia，2007，154（1）：207-217.
[25]	梁逸娴，王传宽，臧妙涵，等.落叶松径向生长和生物量分配对气候变暖的响应［J］.植物生态学报，2024，48（4）：459-468.
	LIANG Y X， WANG C K， ZANG M H，et al.Responses of radial growth and biomass allocation of Larix gmelinii to climate warming［J］.Chinese Journal of Plant Ecology，2024，48（4）：459-468.
[26]	李景浩，李慧，魏亚伟，等.樟子松、油松、蒙古栎水分利用效率种间变化及其对环境因子的响应差异［J］.植物研究，2016，36（4）：581-587.
	LI J H， LI H， WEI Y W，et al.Water use efficiency of Pinus sylvestris，Pinus tabulaeformis，Quercus mongolica and their response differences to environmental factors［J］.Bulletin of Botanical Research，2016，36（4）：581-587.
[27]	史芮林，张庆芬，李铭，等.植物碳同位素分馏在水分利用效率研究中的应用［J］.中国农学通报，2022， 38（23）：15-20.
	SHI R L， ZHANG Q F， LI M，et al.Application of plant carbon isotope fractionation in the study of water use efficiency［J］.Chinese Agricultural Science Bulletin，2022，38（23）：15-20.

地点 Site	纬度 Latitude （N）/（°）	经度 Longitude （E）/（°）	年平均气温 Mean annual temperature/℃	平均年降水量 Mean annual precipitation/mm	1月平均气温 Average temperature in January /℃	7月平均气温 Average temperature in July/℃	无霜期 Frost-free duration/d
帽儿山 Mao’ershan	45.40	127.50	3.10	629.00	-18.5	22.0	140.0
带岭 Dailing	47.08	128.90	1.34	621.27	-22.0	20.3	139.0
孙吴 Sunwu	49.22	127.20	0.62	554.08	-25.5	19.5	90.0
松岭 Songling	50.72	124.42	-0.54	525.36	-26.3	17.6	93.8
塔河 Tahe	52.52	124.65	-2.30	463.44	-25.5	16.7	89.7