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      1. 喀斯特關鍵帶植物水分適應機制研究取得新進展

        2023-04-25 羅紫東      】

          西南喀斯特關鍵帶具有基巖廣泛出露、土層淺薄且不連續的特點,與土層較厚的非喀斯特關鍵帶相比,同等深度范圍內的儲水能力明顯偏低,加之水分滲透性強,巖溶干旱風險高,嚴重制約該區植被的生長和可持續恢復。在此背景下,探明植物的水分利用來源是理解喀斯特關鍵帶植物對“石多土少水缺”環境適應機制的關鍵。 

          水分來源是植物水分適應機制的核心,涉及吸水深度來源(空間來源)和時間來源兩方面。但目前關于植物水分來源的研究大多集中在空間來源方面,包括不同深度的土壤水源、地下水源、甚至是基巖裂隙水源。而植物水分的時間來源是表征植物利用何時的降水補給水源,能綜合反映植物對降水變化的適應機制。然而,在喀斯特地區,因地下復雜巖土結構和取樣困難的挑戰,植物水分利用的空間來源難以精確量化。團隊前期研究表明水分來源深度直接影響喀斯特石生植物的水勢調節及干旱脆弱性(Ding et al. 2021)。此外,從植物水分利用的時間來源角度,前期研究提出了量化植物根區水分滯留時間模型(Luo et al. 2021),并對比分析了喀斯特與非喀斯特關鍵帶典型植物根區水分補給動態的異同,發現在不同關鍵帶和氣候環境下,降水在植物根區的分流(Bypass)現象廣泛存在(Luo et al. 2022)。這為理解降水變化如何影響植物水源及其在植物根區再分配過程奠定了基礎。但在全球氣候變化背景下,降水格局的變化如何耦合關鍵帶結構影響植物的水分利用模式及其適應機制尚不清楚,喀斯特關鍵帶植物水分適應策略有何獨特之處并不明確。 

          針對以上問題,中國科學院亞熱帶農業生態研究所陳洪松課題組依托環江喀斯特站植物-水分關系研究平臺,并綜合文獻數據,利用穩定同位素示蹤技術,估算了植物根區水分被降水(新水)補給的比例,基于根區新舊水比例,采用分段線性混合式水齡(滯留時間)模型計算了植物蒸騰水齡的季節變化(反映植物水分利用的時間來源)。對比分析了不同氣候類型(溫帶大陸性氣候、溫帶海洋性氣候、溫帶季風氣候、地中海氣候和亞熱帶季風性濕潤氣候)下典型植物蒸騰水齡的季節動態及其影響機制。 

          研究結果發現,不同氣候區植物蒸騰水齡季節變化明顯,變化范圍約為1~229天。在相對濕潤氣候區,植物蒸騰主要依賴當月降水補給的水源(約占全年水源的60%);而在相對干旱的氣候區,植物蒸騰很大程度上依賴來自前幾個月/季節的降水補給的水源。這表明氣候類型是影響植物蒸騰平均水齡的主要因素,但同時受根系深度的調控。研究揭示了不同的關鍵帶結構通過影響植物根系深度分布和根區儲水能力來調控降水的入滲、補給和滯留時間,進而影響植物的蒸騰水齡及水分適應機制。此外,研究考慮了蒸發對根區水源穩定同位素的影響,解決了穩定同位素示蹤植物水分來源研究中蒸發效應的校正問題。 

          更為重要的是,與其他非喀斯特地區植物相比,喀斯特石生環境植物蒸騰平均水齡最短(<30天),主要是由該區植物根區儲水能力低以及頻繁地被降水補給所致,表明在降雨充沛的西南喀斯特地區,降水頻率對多石少土生境植物生長更為重要。研究預示喀斯特關鍵帶植物對復雜巖土結構主控的快速水文過程具有獨特的水分適應機制。但這種適應策略的植物在較長時間無降水補給條件下,可能面臨嚴重的干旱脅迫而枯亡。

          該研究成果近期以Water age dynamics in plant transpiration: the effects of climate patterns and rooting depth為題,發表在水文領域著名期刊Water Resources Research上。研究得到國家自然科學基金重點基金(41930866)、青年基金(42107103)等項目的支持。

          論文鏈接:1 2 3 4 

          植物蒸騰水齡估算模型概念圖

          不同氣候區植物蒸騰水齡的季節變化 

          不同氣候區植物蒸騰水齡的累積分布 

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