基于根系水力特征研究禾本科植物水分再分配能力及其限制因子

Hydraulic redistribution (HR), a process by which vegetation roots redistribute soil moisture, has been recognized as an important mechanism impacting several processes that regulate plant water uptake. As pioneer group of degraded ecosystem succession, several Poaceae species were found to display HR. However, the relationship between hydraulic traits of roots and HR of Poaceae species remain much unknown. This study is based on a dataset of 548 Poaceae species in southern China. Natural habitat types of as many Poaceae species as possible will be investigated and collected, and about 16 species with different root morphology will be selected for vertically split-root design and drought treatment in the greenhouse. Root hydraulic traits at cellular, tissue, and organ levels will be measured, so as to test all the parameters for building HR model. The objectives of this proposal are: (1) to explore draught adaptation mechanism of grasses on hydraulic traits of root, find their correlations and establish hydraulic models for them; (2) to carry out correlation tests and find out key hydraulic traits of HR and establish HR models for grasses. This study will provide very important data for exploring ecophysiological mechanism of HR, and for predicting the soil hydrological response of meadow to future changes in precipitation patterns.

水分再分配(HR)是指水分在水势梯度驱动下，通过根系在土壤中实现空间再分配的过程，对植物干旱适应具有重要意义。近年来，禾本科植物的HR作用逐渐受到关注。该类群是退化生态系统演替的先锋类群，其HR作用对退化生态系统恢复和农业生态系统的生产力保持具有重要意义。根系是实现HR的结构基础，但根系水力特征与HR之间的关系却缺乏研究。本项目拟选取16种华南地区代表性禾本科植物，进行温室分根栽培及干旱处理，结合压力室法及压力探针法系统地测定植物根系在器官、组织和细胞水平的水力特征，联系地上部分水力功能性状和地下HR量，进行对比分析，旨在：(1)探讨草类根系水力特征在组织和细胞水平上对干旱胁迫的适应机制；以及 (2)找出植物HR吸收、运输和释放水分过程中的限制因子。本项目可为完善HR模型提供生理生态学机制的支持，为预测草类群落对未来降水格局改变的响应，及全球变化背景下生态恢复、生态农业的构建提供重要依据。

在全球变化的影响下，热带亚热带地区的季节性干旱正逐步加剧，水分制约着该地区生态系统的初级生产力，因此，影响着植物干旱适应策略的水分再分配作用 (hydraulic redistribution, HR) 愈发受到研究者的关注。根系是实现HR的结构基础，但由于其深埋于土壤当中的生长特性，目前对植物根系功能性状的了解甚少，这些功能性状对HR的影响也尚不明确。草本植物大多种类体型弱小、生长迅速，且易于栽培及分离根系，十分适合于根系研究；同时，该类群是退化生态系统演替的先锋类群，对退化生态系统的恢复和生态农业系统生产力的保持具有重要意义。本文选取了根系类型截然不同的华南地区具有代表性的菊科植物和禾本科植物各4种，进行温室分根栽培及干旱处理，结合使用压力室法及显微技术系统地测定植物根系器官和组织的水力特征，联系地上及地下部分的水力功能性状，探讨植物个体的水分再分配机制。主要结论是：(1) 通过逐步回归分析初步获得植物HR能力与水力性状的模型。该模型显示，在轻度干旱的条件下，草本植物的根系水分再分配能力受导管在根横截面中的面积占比 (Sv:Sr) 影响最大，其次依序为比叶面积 (SLA)、根系生物量 (DWroot)、叶片导水率 (Kleaf) 和1 ~ 1.5 mm径级根表面积 (SA1.5)。其中，Sv:Sr和DWroot回归系数为正数，表明细根导管总横截面积和根系生物量越大根系水分再分配能力越强。(2) 相关性分析显示，根系水分再分配速率 (KHR) 与根段导水率 (Kroot) 正相关，二者分别与SLA及根潜在导水率 (Kp) 负相关，同时二者均与膨压丧失点 (-ΨTLP) 正相关，表明根段在干旱条件下保持的导水率越高，植物耐旱能力越强则根系水分再分配能力越强。(3) 菊科植物细根的Sv:Sr显著低于禾本科植物，但0 ~ 0.5 mm径级根表面积 (SA0.5) 显著高于禾本科植物，而二者的KHR并无显著差异。这表明虽然两种植物的根系解剖和形态具有明显差异，但水分再分配能力的大小与植物所属的类群无关。本研究解答了不同植物HR能力大小的问题，找出可以预测植物HR能力的生理生态性状，为探讨HR的植物生理调节机制补充了重要数据，为构建高效率利用土壤水分的生态农业系统过程中的物种选育提供基础依据。