荒漠生物土壤结皮层中优势藓类对积雪变化及冻融的生理生态学响应

In areas with seasonal steady snow-cover, snow melting is a vital water resource for plant growth and development. With global warming, seasonal snow-cover changes greatly, which also have large impacts on the light, temperature, water and other environmental factors under the snow-cover. These changes will inevitably induce dramatically impacts on the growth, physiological characteristics and photosynthetic carbon assimilation capacity of the plants. Syntrichia caninervis is the dominant biocrust moss in the Gurbatunggut desert which has seasonal steady snow-cover in winter. This study was focusd on the snow-cover and the progress of freezing-thawing. Field and laboratory simulation experiments were united together to study the effects of snow-cover and freezing-thawing on the growth and photosynthetic characteristics of S. caninervis. The purposes of this project are (a) to investigate the impacts of snow on the key factors (light, temperature, water) which mainly determined the photosynthetic capcity of S. caninervis; (b) to clarify the ecophysiological responses of S. caninervis to snow-cover changes; (c) to quantify the optimum range conditions of photosynthesis for S. caninervis. The results not only have important implications on understanding the responses of bryophytes to climate change and its vital role in carbon cycle in the desert ecosystem, but also can provide a strong scientific basis for artificial propagation of desert mosses, thereby improving their abilities of ecological restoration in desertification soil.

在季节性积雪覆盖地区，积雪融水是植物生长和发育的重要水源。在全球气候变暖的背景下，季节性积雪覆盖以及与之相关联的雪下光、温、水等环境因子都发生着较大的变化。这些变化无疑将对植物的生长、生理特性以及光合固碳能力等产生重要影响。本项目以古尔班通古特沙漠苔藓结皮的优势种齿肋赤藓为研究对象，围绕积雪-冻融过程，结合野外原位和室内模拟实验，研究不同雪盖时期以及积雪处理下齿肋赤藓的生长状况及光合生理特性，阐明其对积雪变化的生理生态响应。通过对比分析积雪对齿肋赤藓光合作用关键因子（光、温、水）的影响，量化其光合作用的最适条件范围，揭示积雪变化对苔藓结皮固碳能力的影响。研究成果不仅对认知和理解苔藓植物对气候变化的响应规律及其在荒漠生态系统碳循环中的作用具有重要意义，也可为荒漠藓类的人工扩繁提供强有力的科学依据，从而提高其对荒漠化土壤的生态修复能力。

近年来，有关积雪变化对生态系统影响的研究已成为生物圈对全球气候变化响应的热点问题，但多集中于极地苔原地区，对温带荒漠生态系统的研究尚缺乏，尤其对生物土壤结皮这一特殊地被层涉及较少。齿肋赤藓（Syntrichia caninervis）作为组成新疆古尔班通古特沙漠苔藓结皮的优势种，冬季经历长达4个月的积雪覆盖期。针对这一特殊生境，本项目采用野外原位和室内模拟相结合的方法，从生理生态学的角度来探讨积雪覆盖变化以及与之相关联的环境因子变化对荒漠藓类植物的影响，为阐明苔藓植物对环境变化的响应机制提供依据。结果表明：（1）基于野外原位长期监测数据，积雪覆盖能够显著提高融雪期的土壤含水量，同时积雪能有效隔离土壤与大气，对土壤温度的剧烈变化具有很好的“缓冲”作用。然而，积雪去除大大增加了地表温度的日变幅和冻融循环次数。（2）通过野外原位积雪处理实验（加雪+S、遮雪-S、自然降雪CK为对照），于4个不同积雪覆盖时期（雪盖前、雪盖初期、盛雪期和融雪后）对比研究积雪变化对齿肋赤藓生理生态特性的影响。研究证实了齿肋赤藓对积雪变化响应敏感，能够通过调节植物体内渗透调节物质和抗氧化酶活性以应对外界环境变化。积雪覆盖可为齿肋赤藓提供适宜的水热条件，积雪去除后大大加剧其膜脂过氧化的程度。（3）通过对比研究生长于3种不同微生境（活灌丛、枯死灌丛和裸露地）下的齿肋赤藓，经由冬季低温冻结到积雪覆盖再到早春融雪复水过程中其生理生化指标的变化特征，研究发现，与生长于灌丛下（活灌丛和死灌丛）的齿肋赤藓相比，裸露地齿肋赤藓渗透调节物质含量、抗氧化酶活性以及光合潜力均为最高。（4）基于冻融过程的室内模拟实验，并借助于叶绿素荧光动力学技术来探测冻融作用对齿肋赤藓叶绿素荧光特性的影响。研究发现在冻结过程中下降的叶绿素荧光参数在消融过程中均可恢复至未冻结前的正常水平。从而证明一定范围内的低温胁迫不会对齿肋赤藓的光合器官造成永久伤害，光合系统仍维持在可恢复的状态。