内蒙古温带草原植物根叶属性对长期夏季增雨的响应及其对光合和蒸腾作用的驱动

Root traits play a decisive role in the species co-existence and the responses of plants to global changes. While it has been recognized that root traits make an important contribution to ecosystem processes, little is known about the mechanisms by which root traits respond and drive the ecosystem processes. Therefore, by using the long-term increased precipitation experimental platform located in the Duolun Restoration Ecology Demonstration Research Station of Institute of Botany, the Chinese Academy of Sciences, we designed and conducted the present study to investigate the inter-species variation patterns of root morphology, architecture, chemical properties, anatomy traits, hydraulics traits and leaf hydraulics traits, as well as their responses to the changes in long-term water condition with digging, root classification, anatomy, and stable isotope technique. Meanwhile, the influences of traits variations on plant photosynthetic rate, transpiration rate and productivity were also examined. Especially, root traits were integrated with leaf veins and stomata via the plant hydraulic transmission system. With emphasis on hydraulic traits, we explored the differences and variation dimensions of water-related traits among species, plant functional groups and water conditions, as well as their responses and effects on the change of long-term water condition. This study has revealed the community species compositions and biodiversity-maintaining mechanism in the temperate steppe and could deepen and broaden our understanding of plant ecological strategies in water-restricted temperate grassland. Thus, this study is of important significance in explicating the responses of temperate grassland to the changes in global precipitation and its driving effect on ecosystem processes.

植物根系属性决定着物种的共存及其对全球变化的响应，尽管人们已经认识到根系属性对生态系统过程有重要贡献，但到目前为止还非常有限地了解根系属性是如何响应和驱动生态系统过程的。因此，我们利用中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验示范研究站的长期夏季增雨试验平台，采用挖掘法、根序法、解剖法和同位素方法，来研究温带草原植物根系形态属性、结构属性、化学属性、水力属性以及叶片水力属性的种间变异格局及其对长期水分变化的响应。同时探讨这些属性变化对物种的光合、蒸腾速率和生产力的影响。特别是将根、叶脉、气孔整合起来，重点从植物水力属性这个维度去探究这些与水分相关的属性在物种、功能群或处理间的差异和变化维度及其对长期水分变化的响应和影响。这对深刻理解水分受限制的温带草原植物的生态适应对策，揭示温带草原植物群落物种组成和生物多样性的维持，解析温带草原植物对全球降水变化的响应和生态系统过程的驱动作用具有重要意义。

根系是植物吸收水分和养分的主要器官，其性状特征决定着植物对地下资源的获取，影响着植物的生长、生存、分布以及对气候变化的响应，同时对生态系统的功能和过程起着至关重要的驱动作用。根系性状的种间差异反映了不同物种的资源利用策略，而同一物种根系性状的种内变异反映了植物对变化环境的适应策略。然而，由于根系的难获取性以及根系结构的复杂性，到目前对根系性状的种间变异规律及其对降水变化的响应机制还知之甚少。.我们以内蒙古典型草原常见植物种为研究对象，解析内蒙古典型草原植物根系性状种间和种内变异规律及其对降水变化的响应机制。我们发现，典型草原植物根系性状为多维的种间变异模式，且这种多维的变异模式与系统发育密切相关。亲缘关系较近的物种有相似的根系性状，而来自不同系统发育分支的物种，通过不同的根系性状组合来更有效的获取资源。这种资源获取策略的多样性是群落物种共存的重要机制之一。研究进一步发现，草原植物的根系性状可以适应一定范围的降水变化，只有当降水变化量超过一定的阈值的时，植物的根系性状才会发生适应性调整。这表明草原植物根系性状对降水变化响应的敏感性不同、敏感性较低，这种较低的响应敏感性可以确保草原植物在年降水量波动较大的环境中得以生存，这是草原植物对干旱半干旱地区降水特征的一种适应性表现。另外我们还发现，根系的直径和皮层厚度越大，维管柱的比例越小的物种其生理属性对增加降水的响应越大。百合科植物具有较大的根系直径和皮层厚度，以及较小的维管柱比例，对增加降水的响应最为敏感。这些结果表明不同类群草本植物根系解剖性状的差异决定着其叶片生理过程对降水变化的差异性响应。 .这些研究结果从根系功能性状的角度揭示了草原植物多样的资源利用策略及其对降水变化的响应和适应机制，为理解和预测草原植物对未来气候变化的响应提供了重要的理论依据。