荒漠草原优势植物水分利用策略与干旱适应机制揭示

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：陈拓等研究发现，天山阜康荒漠植物δ13C 值与年降水量表现出显著的负相关。本研究中，4 种植物的δ13C 值和WUE 随着环境水分的变化也表现出上述现象和结果。当大降水事件增多，4 种植物会根据利用的浅层土壤水的有效性，调整其WUE，2016年4 种优势植物δ13C 值在93.3 mm 降水期显著偏负，比17.5 mm 降水期整体降低了2.40%，在2017年除了蒙古冰草的δ13C 值在85.8 mm 降水期较15.1 mm 降水期下降了1.37‰外，其他植物仍以显著高于蒙古冰草的WUE 保守用水。

C3 植物δ13C 值可以指示植物的WUE，而且遭受干旱胁迫的C3 植物组织具有更高的δ13C 值（Auerswald et al.，2010），植物水分利用效率会提高，其种群的水分利用方式会更保守（Nie et al.，2014）。降水是影响植物δ13C 值的一个重要因素（Chen et al.，2011），Zheng 等（2007）对黄土高原干旱区优势植物种叶片δ13C 值与气候、地理因素的研究发现，年均降水量对植物δ13C 空间分布的贡献率为14.3%，是影响植物叶片δ13C 值的主导因子，年降水量每增加100 mm，植物δ13C 值下降 0.88‰。陈拓等（2002）研究发现，天山阜康荒漠植物δ13C 值与年降水量表现出显著的负相关。Quero 等（2011）研究表明在干旱生境下植物会选择更为保守的水分利用方式，通过提高WUE 来适应干旱胁迫。荒漠草原区土壤水分主要受降水分配、土壤性状等环境因子显著影响，而且降水在土壤水分中的主导作用更明显（宋乃平等，2014）。本研究中，4 种植物的δ13C 值和WUE 随着环境水分的变化也表现出上述现象和结果。首先，年度、降水量与植物物种对δ13C 值均有极显著的影响，两两之间及三者之间亦具有显著的交互效应。其次，通过相关性分析可知，蒙古冰草、甘草和牛枝子的δ13C 值与土壤含水量具有极显著相关关系（P ＜0.01），且整体来看，随着土壤含水量增加，植物δ13C 值与土壤含水量呈极显著负相关（P ＜0.01），这与严昌荣等（2001）、刘莹等（2017）、周雅聃等（2011）的多项研究结果一致。可见，研究区的群落植被在土壤水分匮乏期能够保持较高的WUE，增强干旱条件下对水分的竞争能力。而且，土壤水分的降低是影响植物 δ13C 分馏的重要环境限制因子。进一步表明，降水的时间分布和数量是决定土壤水分变化至关重要的因素，也是影响植物WUE 最重要的环境因子。

在37.7 mm 降水期，由于温度和辐射也达到一年中的顶峰，使土壤水分蒸发大于降水补给，干旱仍不能有效缓解，此时，甘草、牛枝子和短花针茅仍旧保持高的WUE 应对土壤水分的强烈蒸发；由于土壤质地的差异，蒙古冰草样地深层土壤具有充足的水分含量，同时受降水不断补给，使蒙古冰草在利用降水时还有中层水分可以利用，其WUE 较低。当大降水（＞5 mm）事件增多，4 种植物会根据利用的浅层土壤水的有效性，调整其WUE，2016年4 种优势植物δ13C 值在93.3 mm 降水期显著偏负，比17.5 mm 降水期整体降低了2.40%，在2017年除了蒙古冰草的δ13C 值在85.8 mm 降水期较15.1 mm 降水期下降了1.37‰外，其他植物仍以显著高于蒙古冰草的WUE 保守用水。可见，甘草在不同降水期总能保持高的WUE，表现出以节水对策适应环境水分变化；牛枝子在严重水分亏缺时的WUE 较蒙古冰草高，但在雨水相对充沛年度，其降低WUE 且仅利用浅层土壤水就足以生存；蒙古冰草表现出WUE 会随着降水增加而降低。可以看出，蒙古冰草和牛枝子的水分利用方式更灵活，随着环境改善能够从“保守型”向“挥霍型”转变。短花针茅在2016年不同降水期其WUE 差异不明显，在2017年会随着降水增加而降低，由于其群落土壤含水量受高温蒸发影响仍处于一定的亏缺程度，进一步说明短花针茅主要利用中层至浅层土壤水分，总以保守的用水方式维持种群的竞争优势。(www.chuimin.cn)

荒漠草原优势植物水分利用策略与干旱适应机制揭示

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