Effects of vegetation control on ecosystem water use efficiency within and among four grassland ecosystems in China

Through 2-3-year (2003-2005) continuous eddy covariance measurements of carbon dioxide and water vapor fluxes, we examined the seasonal, inter-annual, and inter-ecosystem variations in the ecosystem-level water use efficiency (WUE, defined as the ratio of gross primary production, GPP, to evapotranspiration, ET) at four Chinese grassland ecosystems in the Qinghai-Tibet Plateau and North China. Representing the most prevalent grassland types in China, the four ecosystems are an alpine swamp meadow ecosystem, an alpine shrub-meadow ecosystem, an alpine meadow-steppe ecosystem, and a temperate steppe ecosystem, which illustrate a water availability gradient and thus provide us an opportunity to quantify environmental and biological controls on ecosystem WUE at different spatiotemporal scales. Seasonally, WUE tracked closely with GPP at the four ecosystems, being low at the beginning and the end of the growing seasons and high during the active periods of plant growth. Such consistent correspondence between WUE and GPP suggested that photosynthetic processes were the dominant regulator of the seasonal variations in WUE. Further investigation indicated that the regulations were mainly due to the effect of leaf area index (LAI) on carbon assimilation and on the ratio of transpiration to ET (T/ET). Besides, except for the swamp meadow, LAI also controlled the year-to-year and site-to-site variations in WUE in the same way, resulting in the years or sites with high productivity being accompanied by high WUE. The general good correlation between LAI and ecosystem WUE indicates that it may be possible to predict grassland ecosystem WUE simply with LAI. Our results also imply that climate change-induced shifts in vegetation structure, and consequently LAI may have a significant impact on the relationship between ecosystem carbon and water cycles in grasslands.

西双版纳片段化热带雨林植物水分利用效率的边缘效应

本研究利用稳定性碳同位素法，测定了西双版纳城子片断化季雨林和补蚌沟谷雨林7条样线上70个科226种林下植物叶片δ13C值，并以此为表征研究了片断化雨林植物WUE边缘效应，结果表明： 西双版纳热带雨林林下植物叶片δ13C值与世界范围内其他热带雨林的研究结果相近。补蚌样地的植物叶片δ13C值显著低于城子样地植物叶片δ13C值，说明水分条件是植物水分利用效率的主要决定因素。 常绿植物的δ13C值显著低于落叶植物，由此可推知常绿植物的WUE显著低于落叶植物;乔灌草和藤本植物叶片δ13C值也存在显著差异，表现为：藤本＞灌木，乔木＞草本。 方位对边缘效应的影响不容视。东、西、南、北四个方位相比，边缘的产生对四面影响最大，北面最小。森林边缘对植物WUE的影响深度至少进入林内30m。 侵入物种所占比例在林缘较大，而进入林内锐减。有些植物δ13C值与距离显著负相关，说明这些植物对水分条件敏感（如假海桐，木奶果），若小气候条件继续变干，他们有在林缘消失的危险;有些相关不显著（如冬叶、锡金粗叶木、小叶藤黄），则植物对水分条件不敏感，这些物种在边缘产生后对环境条件变化影响不敏感，不会因森林片断化而迅速灭绝。

喀斯特石漠化区植物水分利用的时空变化研究----以贵州清镇王家寨小流域为例

本研究以西南喀斯特地区的王家寨小流域为研究对象，以植物叶片δ13C值为植物水分利用效率的指示值，结合利用氢氧同位素对植物的水分来源进行确认，通过研究小流域中不同土壤类型石漠化样地、不同季节、不同等级石漠化样地及喀斯特不同小生境中常见植物种水分利用效率及水分来源的差异，旨在从小生境、植物种、植物群落等不同尺度上探讨石漠化发生过程对植物长期水分利用的影响，了解不同水源的利用对植物水分利用效率的影响，了解喀斯特生态系统特有生境中植物对水分的竞争和利用策略，以加深对生态系统水分平衡的认识。通过研究，得出了以下几点认识： 1 喀斯特石漠化区植物叶片δ13C值的时空变化 （1）在本研究区，不同土壤类型区域植物群落δ13C值均随着石漠化的进行趋正，方差分析结果显示黄壤序列植物群落叶片δ13C值存在显著差异（F（3，80）0.01=2.720.05)。整个生长季中，常见种叶片δ13C值与土壤含水量的相关关系研究表明大多数种在大多数时间随土壤水分的减少其WUE提高。 （4）本研究区小生境类型主要有石面、石沟、石缝、及土面。各小生境内植物叶片δ13C值基本上随石漠化进行趋正，即小生境尺度上植物叶片δ13C值随石漠化进行趋正。基于石漠化梯度和小生境类别的双因素方差分析表明，生长于不同石漠化等级及不同小生境的植物叶片δ13C 值总体差异显著。土面上生长的植株叶片δ13C值最负，说明较厚的土层、较多的土量能供给植物较为充足的水分、养分，避免或减小了植物的水分胁迫。对各小生境植物叶片δ13C值与各小生境主要环境因子进行相关分析，结果表明植物叶片δ13C值与小生境土壤厚度、0-10cm土壤平均含水量以及日均大气相对湿度呈显著负相关，而与日均光照强度呈显著正相关。 （5）石漠化过程中常见植物种叶片解剖结构中的栅栏组织厚度、上角质层厚度、下角质层厚度、最大导管直径均呈现逐渐增大的趋势，而海绵组织厚度则呈现逐渐减少的趋势，方差分析结果显示各解剖结构均呈现显著性差异（p<0.05）。另外，对叶片解剖结构指标与叶片δ13C值的相关分析表明，所研究的植物种叶片上述解剖形态结构中除下角质层厚度与叶片δ13C值相关关系不显著（p>0.05）外，其余指标均与其叶片δ13C值呈现显著的正相关关系（p<0.05），说明植物的WUE与植物叶片解剖结构的变化存在着内在的相关关系。 2 喀斯特石漠化区植物水分来源的时空变化 （1）由于07年降雨丰富，其喀斯特皮下水显著低于06年，但是06年喀斯特皮下水的季节变化却不大，这是由于06年为特大欠水年，观测期内降雨仅721mm，为正常年份的60%，“活塞效应”不明显。2006年对各等级石漠化样地植物水分来源研究结果表明：（12月）土壤水及小枝木质部水分的δD及δ18O值明显高于夏季（7、9月）。降雨较多的7月，强、中度石漠化大多数植物主要利用土壤水，轻、无石漠化样地植物则利用土壤水和喀斯特皮下水。9月，由于干旱严重，各石漠化样地大多数植物均不同程度的利用了喀斯特皮下水。 （2）对研究区各小生境植物水分来源的研究表明：各小生境土壤水分δD、δ18O各不相同，石缝小生境土壤水分δD、δ18O最负，石面土壤水分δD、δ18O最正，土面、石沟居中。强度石漠化土壤剖面水分δD、δ18O值>中度石漠化样地>轻度石漠化样地>无石漠化样地，显示随着石漠化的进行，样地蒸发越强烈。整体上，石缝中植物比其他生境更容易利用喀斯特皮下水，无石漠化样地的植物比石漠化样地的植物更容易利用喀斯特皮下水，常绿植物比落叶植物利用更多的喀斯特皮下水，乔木比灌木利用更多的喀斯特皮下水。 3 植物稳定性氢氧同位素与碳同位素耦合 通过对研究区植物叶片δ13C值和不同水源和植物木质部δD、δ18O值的测定，结果表明无石漠化样地植物具有更负的δ13C值，即其水分利用效率（WUE）低于石漠化样地，这是由于无石漠化样地喀斯特水赋存的二元结构，植物除了可以利用浅薄土层的水分，还拥有稳定的浅层地下水即喀斯特皮下水，这已通过植物木质部水分δD、δ18O值的测定得到佐证。落叶种具有比常绿种更正的δ13C值，即其水分利用效率（WUE）高于常绿种，这是由于常绿种比较稳定的利用了浅层地下水，具有稳定的水分来源，使得常绿种的水分利用效率（WUE）较低。土面生境植物具有比其他生境更负的δ13C值，是因为较大的土面面积、较厚的土厚，较多的土量提够给植物较多的水分，养分，土壤水分较充足，避免或减少了植物的水分胁迫，植物WUE较低。

Characterization of photosynthetic pathway of plant species growing in the eastern Tibetan plateau using stable carbon isotope composition

The photosynthetic pathway of plant species collected at Menyuan, Henan, and Maduo sites, east of Tibetan Plateau, China, during the growing season were studied using stable carbon isotopes in leaves. The 232 samples leaves analyzed belonged to 161 species, 30 families, and 94 genera. The delta(13)C values (from -24.6 to -29.2 %o) indicated that all the considered species had a photosynthetic C-3 pathway. The absence of plant species with C-4 photosynthetic pathway might be due to the extremely low air temperature characterizing the Tibetan Plateau. The average delta(13)C value was significantly (p < 0.05) different between annuals and perennials at the three considered study sites. Hence the longer-lived species had greater water-use efficiency (WUE) than shorter-lived species, that is, longer-lived species are better adapted to the extreme environmental conditions of the Tibetan Plateau.