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沈阳生态所等揭示固沙灌木环境适应性差异的水分生理机制

  土地退化是当今世界主要的生态危机之一,我国北方干旱、半干旱地区面临着严重的土地荒漠化风险。科尔沁沙地作为我国最大的沙地,其土地荒漠化风险严重威胁“京津冀城市群”和“辽中南城市群”的环境安全和生态文明建设。人工防风固沙灌木林的建立是科尔沁沙地植被恢复的主要措施之一,而选择适当固沙灌木树种是植被恢复成功与否的关键。在沙丘植被恢复过程中的各个阶段,不同的固沙灌木种具有显著不同的生长表现(图1),但其生理机制尚不明确。中国科学院沈阳应用生态研究所植物生理生态学科组、美国迈阿密大学、阿根廷国家科学与技术研究理事会的科研人员开展了合作研究,依托沈阳生态所乌兰敖都荒漠化试验站,以几种分别在流动和固定沙丘占据优势的重要固沙灌木为对象,研究了其木质部水分传导和水分利用等相关生理特征和过程,以揭示其水分生理适应机制。

  结果表明,在沙丘植被恢复过程中土壤水分含量呈下降趋势,固定沙丘不同土层的含水量总体上显著低于流动沙丘。在植被恢复初期(流动沙丘)阶段,先锋灌木种具有“索取型”的水分利用策略、较高的水分传导效率和光合碳同化能力(图2),从而能够实现相对快速的生长速率,迅速占领生境并起到限制沙丘流动的作用,而相对快速的生长速率也是先锋固沙灌木应对流动沙丘环境沙埋风险的重要适应机制。而在植被恢复后期(固定沙丘)阶段占据优势的灌木种采取“保守型”的水分利用策略,具有较低的水分传输效率但更高的木质部气穴化栓塞抵抗力(图2),因此在干旱胁迫更严重的固定沙丘上具有相对更强的存活能力。在沙丘恢复进程中,固沙灌木的水分消耗对土壤的水分状况产生显著的反馈作用,而土壤水分条件的变化又对灌木的生存产生影响,植物-土壤在水分关系方面的互馈作用是沙丘植被演替的重要生理生态学基础。

  该研究从木质部水力结构特征和叶片水分利用策略角度,揭示了水分条件具有较大时空异质性的沙丘环境中不同固沙灌木环境适应性差异的生理生态机制。相关结果可为水分受限地区人工固沙植被建立过程中更好地遵循“适地适种”原则,以及为防风固沙灌木林的可持续经营管理提供基础科学依据。相关研究成果分别发表于Forest Ecology and Management Land Degradation and Development 期刊。植物生理生态学科组博士研究生龚雪伟和郭晶晶分别为两篇论文的第一作者,研究员郝广友为通讯作者,该研究得到国家自然科学基金优秀青年基金、中科院国际人才计划、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才项目等的支持。

  论文链接:12

  图1. 沙丘植被恢复不同阶段典型固沙灌木的环境适应性差异。在人工植被固沙工程中,固沙灌木山竹岩黄芪和小叶锦鸡儿通常被搭配种植,在沙丘植被恢复早期阶段(左)山竹岩黄芪占优势地位,而小叶锦鸡儿在后期阶段(右)占据优势。

  图2. 沙丘植被恢复不同阶段的优势固沙灌木水分传导(左)和水分利用(右)特征。流动沙丘灌木乌丹蒿和小黄柳具有较高的水分传导效率,采取“索取型”的水分利用策略;而固定沙丘灌木小叶锦鸡儿和柠条锦鸡儿具有较高的水分传导安全性,采取“保守型”的水分利用策略。


研究团队单位:沈阳应用生态研究所

分类标签:科学进展  

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