据IPCC预测,未来中高纬度地区极端降水事件发生频率将会增加,我国西北干旱区降水将出现增加的趋势。降水作为荒漠生态系统结构和功能的主要驱动因子,是干旱区植物主要生理生态过程的重要限制因素。近年来,在荒漠植物对模拟增雨的响应方面已开展了一些研究,但是系统地分析荒漠植物的生理生态特性对模拟增雨的响应及其对环境变化的适应策略方面的研究还很少。本文以分布于乌兰布和沙漠东缘的典型荒漠植物白刺为研究对象,设置不同的增雨梯度(分别增加年均降水量的25%、50%、75%和100%),从2008年至2014年对自然生长的白刺沙包进行连续的人工模拟增雨,研究白刺光合生产能力、生理特性、叶片性状、植物生长及生物量分配对人工模拟增雨的响应,揭示白刺光合作用对模拟增雨响应的生理机制,并从生理生态角度探讨白刺对模拟增雨的响应机制和长期的适应策略。本研究得到以下主要结果和结论:(1)人工模拟增雨后,白刺光合能力在不同时间尺度上都表现出积极的响应。增雨使叶片进行物质积累和生理代谢的持续能力增强,对光合产物的累积和转化能力提高。促使白刺光合作用提高的增雨量存在阈值,增雨达到75%以上,白刺光合生产能力显著提高。白刺为了维持较高的光合生产能力,通过维持较高的蒸腾速率为光合作用提供原料,甚至以降低水分利用效率为代价。(2)人工模拟增雨后,白刺光合生理特性受到显著影响。增雨使白刺叶片叶肉细胞的光合活性、叶片Ru BP羧化酶和光合碳循环酶活性增强,使叶片对弱光的吸收、转化和利用能力增强,对强光和高CO2的利用范围增加。增雨有利于白刺叶片PSⅡ反应中心活性的提高,使叶片能够把所捕获的光能以更高速度和效率转化为生物化学能,为光合碳同化过程提供更充足的能量。同时,增雨可以缓解强光或高温对叶片的抑制作用,能够增强光系统反应中心的稳定性。(3)人工模拟增雨后,白刺叶片的水分状况得到明显改善,比叶面积(SLA)和叶氮含量(Nmass)等叶性状随着增雨量的增加呈升高的趋势。增雨促进了白刺的生理代谢和水分循环,使叶片单位质量的叶面积增加,使光合酶的活性及数量来提高,并最终表现出较高的光合生产能力。叶片性状对光合能力产生影响的大小顺序为:叶片RWC>SI>Nma ss>SLA。(4)人工模拟增雨后,白刺叶片的δ13C随着增雨量的增加而降低,说明增雨使白刺的水分利用效率降低。白刺水分利用效率具有明显的季节变化,在生长季前期较高,之后开始下降,在生长季末期达到最低。增雨对叶片的δ15N有显著影响,增雨量越大,δ15N越高,说明增雨使氮在植物体内输入、转化和输出的速度加快,有利于光合作用的进行和光合产物的积累。(5)人工模拟增雨后,白刺生殖枝和营养枝的生长量明显增加,地上生物量的累积和光合产物向叶片的分配比例提高。增雨使白刺群落盖度增加,用于光合作用的有效面积也增加,以使其在群落中能够捕获更多的光能并吸收更多的CO2。增雨后白刺将生物量干重相对多地分配到地上部分的同时,将更多的光合产物分配到叶片部分。白刺对降水的增加具有一定的适应能力。(6)在未来气候变化、降水增加的背景下,白刺将通过调整自身的形态结构和生理机能来适应环境条件的变化,从而有效利用环境资源并逐渐适应新的水分条件。具体包括:1)通过增加叶片PSⅡ反应中心的活性及电子传递速率,增加对光能的吸收、转化和利用效率;2)通过增加Ru BP羧化酶和光合碳循环酶的数量和活性以及对环境资源的获取能力和利用范围,来增加叶片尺度上碳同化速率,并最终促进光合产物的积累和转化;3)通过调整枝叶生长、植被盖度等形态特征来增加群落尺度上的光合有效面积,以便在群落中能够捕获更多的光能和吸收更多的CO2;4)通过增加叶片的水分代谢和生理水平来加快物质和能量周转速度以适应新的水分条件。