杨树无性系水力学特性与其生物量、生长率相关性研究

Water stress is one of the factors most limiting the growth rate and yield of trees. Even mild water stress (leaf water potential, Ψleaf) causes significant partial closure of stomata and the resulting decline in stomatal conductance, g（s） causes corresponding declines in net assimilation rate and leaf growth rate. Net assimilation rate is a linear function of g（s）. Whole plant studies of large tropical trees and juvenile and adult Betula in the USA reveal that maximum g（s） is strongly dependent on whole plant hydraulic conductance of the water pathway from soil to leaves, K（plant）. Our hypothesis is that assimilation rate, growth rate, annual growth increment and long term yield of all trees depends on K（plant）. The objective of our research is to see if K（plant） and its components is a predditor of short term carbon gain, annual growth rate and long term yield in plantation trees commonly grown in China (genus Populus). The components of K（plant） will be measured with the LPFM (low pressure flow meter) on stem segmmets and the HPFM (high pressure flow meter) on small shoots and small roots. K（plant）will be calculated by Kplant=Kshoot*Kroot/(Kshoot+Kroot). Anatomical studies of stem and root xylem will be conducted to find correlates between vessel size and the components of stem and root segment conductance. The key outcome of this research (if the hypothesis is true) will be a simple physiological criterion for genetic improvement of trees in sustainable forestry. This is important because sustainable foresty is a key goal of the PR China.

水分胁迫是限制树木生长速率和生物量的主要因素之一，即使轻微的水分胁迫也会引起显著的气孔关闭，致使气孔导度下降，从而降低净同化率和叶片生长速率，净同化速率与气孔导度呈线性相关。对热带大型林木及幼年和成年期的美国桦木的研究表明，最大气孔导度与整株植物从土壤到叶片的导水力（Kplant）具有极显著的相关性。本研究基于以下假设：所有树木的同化速率、生长速率、年生长量以及长期的生物量取决于Kplant，拟以杨树无性系为材料，采用低压液流计和高压液流计对其茎段、小枝、根系及全株导水率进行测定，探究Kplant及其组分是否可作为预测树种短期生长量、年增长率及长期生物量的指标，同时对茎和根的木质部解剖特征进行研究，旨在揭示导管大小与根、茎导水率的相关性。研究完成后将建立一个适用于可持续林业中选育优良遗传基因的简单的生理学标准，为林木新品种选育和林业生产实践提供理论指导。

本项目按照研究计划主要进行了杨树水力学特性与其生物量、生长率相关性的研究。此外，还进行了杨树无性系水力效率与光合能力的相关性、水力学特性对不同土壤水分条件适应性、干旱胁迫及复水后的水力学特性、干旱复水对水力学特性及非结构性碳水化合物的影响等研究。结果表明：茎段、小枝、整株层面的水力效率与年增长量、总生物量均呈正相关关系，与年增长量的相关性更强，但是随着树龄的增长，相关性会变弱。水力效率与短期的生长速率无相关性。相比于茎段水力效率，小枝、整株层面的水力效率与无性系速生高产更加密切相关，是判断林木速生潜质更可靠的水力学性状。水力效率与水力安全性之间存在权衡关系，生物量越大的无性系水力效率更高，水力安全性更低。水力学特性与导管解剖结构相关，快速生长的无性系茎导管直径更大。年增长量、生物量与水力阻力分配相关。水力效率与光合能力相关，光系统II的实际光化学量子效率、电子传递速率是影响短期生长速率的关键。干旱环境下生长的无性系更不易栓塞。遭受干旱胁迫的无性系在复水后会发生栓塞修复，恢复生长，茎导水率的恢复是植物经历严重干旱后再生的关键。水碳平衡在干旱-复水循环中起到重要的作用，快速生长的无性系会将同化的碳更多地用于生长，慢速生长无性系的碳更多用于维持水力安全。. 通过本项目研究，建立了植株导水率与树木生长速率及生物量的关系模式，找出了与林木速生高产密切相关的植物水力学性状，为今后造林新品种选育中快速准确地判断某一造林树种速生潜质提供了理论与实践依据。从水力学角度阐明了树木遭受干旱胁迫及复水后的生理生化过程，为干旱、半干旱地区选育耐旱树种，恢复植被，保护环境，维持生态平衡提供了重要的理论指导。