温带荒漠灌木水分利用策略与根系寿命关系研究

Root longevity is the core to root turnover study and also an important plant functional trait; moreover, it plays important roles in vegetation net primary production estimation and comprehensive understanding of co-variation rules between plant and environment. Variables controlling root longevity have long been a key study topic, while few studies have investigated root longevity related with plant adaptive strategy. In this project, firstly, based on Tamarix chinensis, Haloxylon ammodendron and Reaumuria soongonica as our material in Gurbantunggut Desert, we will investigate soil available moisture and nitrogen effects on root growth and root longevity as well as water and nitrogen use efficiency through manipulation of soil moisture and nitrogen content in field, we expect to know the root longevity variation of desert plants with differed water use strategies. Secondly, using minirhizotron and root box techniques, we will examine root morphology and growth, root chemical properties and anatomical traits in different soil layers as well as their responses to a gradient of rainfall pulses, we expect to elucidate root functional trait effects on root longevity. At last, we will specifically take H. ammodendron as study material, and investigate responses of root water potential, membrane permeability, respiration and longevity to soil moisture through groundwater depth manipulation, drying-rewetting treatment and internal hydraulic redistribution, we expect to know the modulation of water use strategy by roots in root longevity. The implementation of this project will help us further understand the adaptive strategy and dynamic process of desert plants, and provide theoretical basis for protection and restoration of desert plants.

根系寿命是植物重要的功能性状，在估算区域植被NPP，完整认识植物与环境的协同变化规律中具有重要地位。影响根系寿命的因素一直是相关研究的重点，但较少将其与植物适应策略相联系。本项目以古尔班通古特沙漠中具有不同水分利用策略的柽柳、梭梭和琵琶柴为研究对象，通过野外控制试验，研究土壤可利用水分和氮对根系生长、寿命和水、氮利用效率的影响，揭示不同水分利用策略的荒漠植物的细根寿命变化规律；利用微管和微根窗跟踪监测不同土层深度生长根系及不同降水脉冲刺激生长根系的形态、化学特征、解剖特征和寿命变化，阐明植物不同根系功能特征与根系寿命的关系；利用温室控制试验，通过对不同地下水埋深、干湿循环和水力再分配处理下梭梭根系水势、膜透性、呼吸和寿命的研究，确定根系水分利用方式对根系寿命的调控机制。本研究将有助于从整体上认识荒漠植物的适应机理和动态过程，为荒漠植物的保护和恢复提供理论依据。

根系寿命是植物重要的功能性状，在估算区域植被NPP，完整认识植物与环境的协同变化规律中具有重要地位。影响根系寿命的因素一直是相关研究的重点，但较少将其与植物适应策略相联系。本项目以荒漠中具有不同水分利用策略的柽柳、梭梭、白梭梭和琵琶柴为研究对象，通过野外控制试验，研究土壤可利用水分和氮对根系生长、寿命和水、氮利用效率的影响。结果表明，所有灌木具有相似的季节性的水分吸收模式，即在早春期间植物首先利用融雪水补给的浅层土壤水，而在极其干旱的夏季转移到更深层的水源。表层0-50cm,根系分枝结构在各灌木间具有相似的结构，灌木一级吸收根的根系结构同其利用的水分来源密切关联。深度显著影响了一级吸收根的根长，梭梭一级吸收枝在土壤深层4米具有最大的长度，白梭梭吸收根主要分布在土层1.5米的深度，柽柳主要分布有上层0.5米的土层内。各灌木深层土壤中吸收根的比根长均显著低小浅层土壤。利用微管和微根窗跟踪监测不同土层深度生长根系及不同降水脉冲刺激生长根系的形态、化学特征、解剖特征和寿命变化。结果表明，梭梭浅根和深根在水分吸收和传输功能上显著强于中层土壤吸收根，深层吸收根的根N含量显著低于表层，而根系寿命在浅层为28天，在深层增加至46天，灌木根群内吸收根在土壤层中的功能和寿命分化，增强了灌木对干旱环境波动的抗性。利用温室控制试验，通过对不同地下水埋深、干湿循环和水力再分配处理下梭梭根系水势、膜透性、呼吸和寿命的研究，确定根系水分利用方式对根系寿命的调控机制，结果表明，水分再分配作用帮助干土层中根系获取一定程度的水分补偿，促进梭梭蒸腾及光合作用，增加了梭梭地上及地下部分的碳收益，成为改变光合产物分配重要因素之一。调查了灌木在低磷下环境磷获取策略的变化，当土壤磷可利用性降低时，灌森能够转换其磷获取策略，由菌根模式转向增加蒸腾物质流。本研究结果证明了植物能够根据土壤磷可利用性的变化，在不同的磷吸收策略间进行调整，证实了植物蒸腾物质流可协助植物在低磷土壤中增加磷的吸收。项目的研究成果将有助于从整体上认识荒漠植物的适应机理和动态过程，为荒漠植物的保护和恢复提供理论依据。