沙地油蒿对气候干旱的适应机制研究

Knowledge of how leaf functional traits vary along a rainfall gradient is important to understand the adaptation mechanisms of plant to drought. Our recent studies indicated that there are strategy shifts in leaf trait relationships within species of Artemisia ordosica when the ratio of the annual rainfall to annual pan-evaporation is lower than 0.11. The higher area-based leaf nitrogen concentration in lower rainfall plants (ratio of rainfall to pan-evaporation<0.11) tend to lead to significant benefits in terms of enhancing water use efficiency, and the higher area-based leaf nitrogen concentration in lower rainfall plants do not increase their leaf construction cost per area. In this research project, we measured the variations in leaf traits of A. ordosica communities along a large rainfall gradient. First, we examine if there is a general drought threshold for strategy shift in leaf traits within species of A. ordosica along a rainfall gradient. Second, we test our new hypothesis: lower rainfall plants can have higher water use efficiency than higher rainfall plants at a given leaf construction cost per area through adjusting their leaf functional trait relationships (i.e. increasing their area-based leaf nitrogen concentration). Such knowledge plays pivotal roles in understanding the mechanism of ecosystem adaptation in arid and semi-arid regions under global changes.

干旱区植物叶功能性状沿降水梯度的变化特征能为理解植物对气候干旱的适应机制提供一种简便可行的测定指标。我们近期研究发现，当年降水量/年蒸发量比值<0.11时，油蒿叶性状存在明显的策略位移现象，低降水量区（降水量/蒸发量比<0.11）油蒿可通过提高单位面积叶氮含量的方式来提高其水分利用效率，而较高的单位面积叶氮含量并没有导致其构建单位新叶面积的成本增加。本申请项目旨在验证这一发现的普遍意义，拟设计跨越更大降水梯度的样带调查和采样测定，检测并确认油蒿叶功能性状沿降水梯度的策略位移现象是否普遍存在一个干旱阈值，并试图验证我们的新假设：与湿润区植物相比，干旱区植物能通过调节叶功能性状之间的关系（即通过提高单位面积叶氮含量的方式），实现在相同的叶建成成本下具有更高的水分利用效率。据此揭示油蒿叶功能性状发生策略位移的干旱阈值及其机理，为理解全球变化大背景下干旱半干旱区生态系统的适应性机制提供科学依据。

在年降水量150-400mm的毛乌素沙地及青藏高原北部沙地，油蒿是固定、半固定沙地上的广布种，与其它沙生植物组成了相对稳定的植物群落，对当地的防风固沙以及维护整个生态系统的稳定性具有重要作用。本项目系统分析测定了这两个地区油蒿种群几个关键叶功能性状沿降水梯度的变化规律，旨在阐明油蒿叶功能性状沿降水梯度的策略位移现象是否普遍存在一个水分限制阈值以及在相同叶建成成本下，较低降水量区油蒿种群是否具有更高的单位面积叶氮含量以及更高的水分利用效率。相关研究结果可为理解全球变化大背景下干旱半干旱区生态系统的适应性机制提供科学依据。研究发现：（1）沿着降水梯度，油蒿比叶面积（SLA）和单位质量叶氮含量（Nmass）正相关关系在干旱阈值0.29（年降水量/年潜在蒸散量，即湿润指数）下发生位移，导致低降水量区植物（湿润指数≤0.29）具有更高的单位面积叶氮含量（Narea=Nmass/SLA）；（2）当湿润指数>0.29时，Narea随着降水的减少而升高主要是由升高的Nmass和不变的SLA导致（即不变的冠层叶氮库和降低的叶面积指数），当湿润指数≤0.29，Narea随着降水的减少而升高则主要是由降低的SLA和Nmass导致（即降低的冠层叶氮库和叶面积指数）；（3）油蒿单位面积叶建成成本（CCa）和Narea正相关关系在干旱阈值0.29下也发生位移，而叶δ13C值和Narea沿着降水梯度呈现一个连续的正相关关系，导致低降水量区植物（湿润指数≤0.29）在给定的CCa下具有更高的Narea以及更高的水分利用效率（δ13C）；（4）油蒿叶性状及相关关系沿着降水梯度发生显著变化的干旱阈值0.29与我国北方典型草原和荒漠草原的边界具有很好的吻合性，这一结果揭示了植物叶性状对干旱区植被区划的指示意义，对于预测未来气候变化下干旱区植被的动态变化具有重要意义。