Effects of changes in precipitation on stomatal morphology and photosynthetic and physiological characteristics of major species in desert steppe plant communities

doi:10.11686/cyxb2025073

Abstract

Abstract:

In this study， we investigated the photosynthetic adaptation mechanisms of five dominant plant species in the desert steppe of Ningxia （Stipa breviflora， Lespedeza secalinus， Lespedeza potaninii， Convolvulus ammannii， and Polygala tenuifolia） under altered precipitation regimes. Three treatments were applied： precipitation increased by 50% （PA）， natural precipitation （CK）， and precipitation decreased by 50% （PR）. We examined changes in leaf photosynthetic parameters， stomatal morphology， and water use efficiency （WUE） to elucidate how these plants adapt to varying water availability. The results show that desert steppe plants were able to enhance their drought tolerance by increasing the stomatal perimeter and area， thereby reducing the transpiration rate and stomatal conductance. These adaptations lowered the net photosynthetic rate （P_n） and increased the WUE. C. ammannii exhibited the highest sensitivity of P_n to changes in precipitation， with the P_n in the PA treatment being 6.65-fold that in the PR treatment， although it had the lowest WUE among the five plants. L. secalinus had the highest WUE， followed by S. breviflora and P. tenuifolia. The specific leaf area （SLA） of all species significantly increased with reduced precipitation （P<0.05）. Stomatal shape also influenced drought adaptation； rounder stomata were correlated with higher WUE， whereas elongated stomata were correlated with enhanced P_n. As indicated by changes in photosynthesis and water use， the five plants were ranked from highest ecological adaptability to lowest as follows： S. breviflora>L. secalinus>P. tenuifolia>C. ammannii>L. potaninii. These findings provide theoretical insights into the management of desert steppe ecosystems under the conditions of global climate change.

Key words: desert steppe, precipitation variability, photosynthesis, stomatal characteristics, δ¹³C, specific leaf area

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Figures/Tables 10

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物种 Species	科 Family	生活型 Life style	根系类型 Root type	重要值Important value			生物量Biomass （g·m^-2）
物种 Species	科 Family	生活型 Life style	根系类型 Root type	PA	CK	PR	PA	CK	PR
短花针茅S.breviflora	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.81	0.95	0.89	134.31	90.81	25.97
银灰旋花C. ammannii	旋花科Convolvulaceae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.10	0.27	0.28	10.66	17.20	5.21
牛枝子L. potaninii	豆科Leguminosae	半灌木Semi-shrubs	须根系Fibrous root system	0.36	0.18	0.11	8.37	3.63	0.22
赖草L. secalinus	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.54	0.67	0.45	2.10	2.96	2.07
远志P. tenuifolia	远志科Polygalaceae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.18	0.12	0.20	2.36	1.06	0.32
猪毛菜Salsola collina	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	直根系Straight root system	0.22	0.06	0.03	0.75	0.43	0.83
狭叶米口袋Gueldenstaedtia verna	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.11	0.04	0.04	0.16	0.36	0.02
骆驼蒿Peganum nigellastrum	白刺科Nitrariaceae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.10	0.14	0.22	1.73	0.67	1.40
老瓜头Vincetoxicum mongolicum	夹竹桃科Apocynaceae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.18	0.04	0.00	0.43	0.43	0.00
阿尔泰狗娃花Aster altaicus	菊科Compositae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.00	0.08	0.07	0.00	0.00	0.00
二裂委陵菜Sibbaldianthe bifurca	蔷薇科Rosaceae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.08	0.08	0.20	0.22	0.02	0.00
砂针棘豆Oxytropis racemosa	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.08	0.09	0.06	0.83	0.16	0.37
白草Pennisetum flaccidum	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.00	0.12	0.00	0.00	0.00	0.00
猫头刺Oxytropis aciphylla	豆科Leguminosae	半灌木Semi-shrubs	直根系Straight root system	0.00	0.08	0.09	0.29	0.00	0.65

物种 Species	科 Family	生活型 Life style	根系类型 Root type	重要值Important value			生物量Biomass （g·m^-2）
物种 Species	科 Family	生活型 Life style	根系类型 Root type	PA	CK	PR	PA	CK	PR
短花针茅S.breviflora	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.81	0.95	0.89	134.31	90.81	25.97
银灰旋花C. ammannii	旋花科Convolvulaceae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.10	0.27	0.28	10.66	17.20	5.21
牛枝子L. potaninii	豆科Leguminosae	半灌木Semi-shrubs	须根系Fibrous root system	0.36	0.18	0.11	8.37	3.63	0.22
赖草L. secalinus	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.54	0.67	0.45	2.10	2.96	2.07
远志P. tenuifolia	远志科Polygalaceae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.18	0.12	0.20	2.36	1.06	0.32
猪毛菜Salsola collina	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	直根系Straight root system	0.22	0.06	0.03	0.75	0.43	0.83
狭叶米口袋Gueldenstaedtia verna	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.11	0.04	0.04	0.16	0.36	0.02
骆驼蒿Peganum nigellastrum	白刺科Nitrariaceae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.10	0.14	0.22	1.73	0.67	1.40
老瓜头Vincetoxicum mongolicum	夹竹桃科Apocynaceae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.18	0.04	0.00	0.43	0.43	0.00
阿尔泰狗娃花Aster altaicus	菊科Compositae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.00	0.08	0.07	0.00	0.00	0.00
二裂委陵菜Sibbaldianthe bifurca	蔷薇科Rosaceae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.08	0.08	0.20	0.22	0.02	0.00
砂针棘豆Oxytropis racemosa	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	直根系Straight root system	0.08	0.09	0.06	0.83	0.16	0.37
白草Pennisetum flaccidum	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	须根系Fibrous root system	0.00	0.12	0.00	0.00	0.00	0.00
猫头刺Oxytropis aciphylla	豆科Leguminosae	半灌木Semi-shrubs	直根系Straight root system	0.00	0.08	0.09	0.29	0.00	0.65

物种 Species	处理 Treatment	气孔长宽比 Stomatal aspect ratio	气孔密度 Stomatal density （No.·mm^-2）	气孔周长 Stomatal circumference （μm）	气孔面积 Stomatal area （μm²）
短花针茅 S. breviflora	PA	1.23±0.03b	160.67±0.62c	271.27±6.59a	4.38±0.11a
	CK	1.32±0.02b	220.32±0.82b	109.18±3.24b	2.42±0.08b
	PR	1.51±0.06a	309.32±2.50a	59.50±3.66c	1.90±0.13c
赖草 L. secalinus	PA	2.35±0.04a	37.03±0.78b	441.41±14.75a	1.63±0.06a
	CK	1.87±0.03c	89.24±1.00a	160.02±3.32c	1.43±0.04b
	PR	1.98±0.03b	90.45±0.74a	188.09±4.27b	1.70±0.04a
牛枝子 L. potaninii	PA	2.34±0.05a	146.58±1.56a	88.14±2.32a	1.30±0.04a
	CK	1.82±0.03c	112.13±1.04b	89.37±1.87a	1.01±0.02b
	PR	2.02±0.04b	93.16±0.28c	83.71±2.03a	0.78±0.02c
远志 P. tenuifolia	PA	1.62±0.03b	70.70±0.86c	393.83±8.26a	2.78±0.07b
	CK	1.65±0.03b	84.37±0.79b	384.25±7.10a	3.24±0.07a
	PR	1.75±0.03a	110.32±0.78a	305.54±8.25b	3.37±0.09a
银灰旋花 C. ammannii	PA	1.63±0.06ab	219.87±0.69a	194.38±9.48a	4.27±0.20a
	CK	1.69±0.06a	196.97±1.20b	179.72±11.18a	3.53±0.21b
	PR	1.50±0.04b	152.69±2.12c	62.64±3.97b	0.96±0.07c

物种 Species	处理 Treatment	气孔长宽比 Stomatal aspect ratio	气孔密度 Stomatal density （No.·mm^-2）	气孔周长 Stomatal circumference （μm）	气孔面积 Stomatal area （μm²）
短花针茅 S. breviflora	PA	1.23±0.03b	160.67±0.62c	271.27±6.59a	4.38±0.11a
	CK	1.32±0.02b	220.32±0.82b	109.18±3.24b	2.42±0.08b
	PR	1.51±0.06a	309.32±2.50a	59.50±3.66c	1.90±0.13c
赖草 L. secalinus	PA	2.35±0.04a	37.03±0.78b	441.41±14.75a	1.63±0.06a
	CK	1.87±0.03c	89.24±1.00a	160.02±3.32c	1.43±0.04b
	PR	1.98±0.03b	90.45±0.74a	188.09±4.27b	1.70±0.04a
牛枝子 L. potaninii	PA	2.34±0.05a	146.58±1.56a	88.14±2.32a	1.30±0.04a
	CK	1.82±0.03c	112.13±1.04b	89.37±1.87a	1.01±0.02b
	PR	2.02±0.04b	93.16±0.28c	83.71±2.03a	0.78±0.02c
远志 P. tenuifolia	PA	1.62±0.03b	70.70±0.86c	393.83±8.26a	2.78±0.07b
	CK	1.65±0.03b	84.37±0.79b	384.25±7.10a	3.24±0.07a
	PR	1.75±0.03a	110.32±0.78a	305.54±8.25b	3.37±0.09a
银灰旋花 C. ammannii	PA	1.63±0.06ab	219.87±0.69a	194.38±9.48a	4.27±0.20a
	CK	1.69±0.06a	196.97±1.20b	179.72±11.18a	3.53±0.21b
	PR	1.50±0.04b	152.69±2.12c	62.64±3.97b	0.96±0.07c