流动沙丘先锋植物沙米对风沙环境的生态适应对策

Agriophyllum Squarrosum is a pioneer annual on the shifting sand dunes and a typical economical plant distributing widely in the each sandy deserts of China. A. Squarrosum plays important role on wind breaking, sand fixation and micro-habitat improvement, which promotes the restoration process of sand-binding vegetation on the shifting sand dunes. A. Squarrosum adapts to sandy soil and is one of indicator plants for soil desertification. How do A. Squarrosum adapt to harsh desert environments which have little and varied rainfall, long period drought, high temperature, frequent sand erosion and burial, is urgently solved scientific issues. So,it is very important for plant desert combating to research the ecological adaptation rules and strategy of A. Squarrosum to harsh desert environments. The different desertification land at the ecological regions, such as Naiman at the Horqin sandy land, Shapotou at the Tengger desert, Minqin at the Badaim Jaran desert and Dunhuang at the Kumtak desert, will be selected as research areas to carry out lots of field investigations, position observations and control trials. Individual growth charateristics,morphological plasticity, density effect, reproductive allocation, physiological and biochemical characteristics, seed germination mechanism, soil seed bank of A. Squarrosum will be researched to understand characteristics of spatial distribution and growth regularity at the shifting sand dunes, to reveal the ecological adaptation strategy for the drought, sandy erosion and burial environment, and explain the reason for population degradation during the process of sand dune fixation and germination in inconsecutive years at the same place of A. Squarrosum. Base on above research results, the artificial technological measures for A. Squarrosum development will be provided by simulating plantation trials, which has important guidance significance for the protection and utilization of A. Squarrosum, and sand-binding vegetation restoration in arid areas.

沙米是流动沙丘先锋植物，也是沙区重要野生经济植物和土地沙漠化的指示植物，广泛分布于我国各大沙漠，在防风固沙与改善微生境中发挥了重要作用。因此，研究沙米对流沙环境的适应规律及其对策对植物固沙意义重要。本项目选择科尔沁沙地（奈曼）、腾格里沙漠（沙坡头）、巴丹吉林沙漠（民勤）、库姆塔格沙漠（敦煌）等不同生态区域的不同沙漠化土地，通过开展野外调查、定位观测与室内控制实验，分析研究不同生态区域一年生植物沙米的时空分异、生长发育、形态可塑性、密度效应、繁殖分配、生理生化特征、种子萌发机制与土壤种子库动态等，以认识先锋植物沙米在流沙上如何利用有限降水完成生长发育，揭示沙米对干旱风蚀沙埋环境及沙区少而多变降水的生态适应对策，解答沙丘固定后沙米种群衰败以及不连续萌发的原因，并通过模拟种植探讨沙米人工促进技术措施，将对沙米保护与利用以及沙地植被恢复具有重要的指导意义。

植物生态适应性研究一直是植物生态学关注的热点问题之一。野生一年生经济植物沙米作为流动沙丘生长的固沙先锋植物，必然对风沙环境具有特殊的生态适应对策。为此，选择科尔沁沙地（奈曼）、腾格里沙漠（沙坡头）、巴丹吉林沙漠（民勤）和库姆塔格沙漠（敦煌）等4个生态区域，开展了沙米空间分布、生长发育、繁殖分配、生理生化、种子库、种子萌发行为、营养价值以及模拟种植等研究。结果表明，沙米生长于表土层沙粒含量介于92%～99%，容重大于1.45 g/cm3，有机质低于0.5%, 0～60cm平均水分高于1.75% 的生境，是土地沙漠化的指示植物。随沙地植被的恢复，沙米种群逐渐衰退，恢复15年时成为偶见种，25年后完全消失。沙米生长快且可塑性大，能在50天完成横向生长，55天完成高生长，高和横向生长量均随种群密度增加快速减小。同化物质尽可能多地分配于生殖生长，果穗占到植株干生物量的37.2%，单株结实量与干生物量间存在线性模型，以r对策适应风沙环境。光合效率高，在极度干旱胁迫下表观量子效率减少了50%，最大光合速率降低75%；但20s以下短时风沙流对沙米光合作用的影响不显著。沙米种子存在休眠和光抑制现象，其萌发需要黑暗条件，这也是分布于流动沙丘主要原因，但赤霉素、乙烯利、双氧水和冷冻处理可有效打破种子休眠。沙米表层土壤种子库主要分布在表层0～20cm，但20～200cm深层也具有沙米土壤种子库，是沙丘活化或扰动后沙米快速定居的种源基础；土壤种子库与地上种苗存在显著的线性相关关系，种子库随植被恢复年限逐渐降低是沙米种群逐渐衰败的根本原因。沙米种子富含蛋白质、氨基酸和多种矿物质，且富集于种皮，开发潜力巨大。项目阐明了沙米对风沙环境的生态适应对策；回答了沙米种群随生态恢复衰败、沙丘活化后沙米快速侵入和次年无沙米生长等科学问题；发现了打破沙米种子休眠的4种方法，提出了沙米人工种植技术，开发出2种产品，将对沙米资源保护与利用具有一定的理论与现实指导意义。项目已发表论文8篇，申请专利10项（授权1项），取得软件著作权1项，培养硕博士4名，5人晋升高一级职称。