旱生灌木根土界面水分输移及养分吸收机理研究

Grassland desertification in Minqin county of Gansu province is becoming more and more serious, and has caused the great resource loss and harm to social and economic development. So the study of desertification grassland management has become a international focus. This study is based on two kinds of leguminous shrub which grow in desert area to research water and nutrient characteristics of spatial distribution, water consumption characteristics of root-soil interface and physiological ecological adaptation strategies of plants under drought stress, and then reveal the growth mechanism, water and nutrient uptake mechanisms and response of against the wind and sand erosion. In addition, through in-depth research of the desert shrub water and nutrient uptake and utilization, the characteristics of limiting nutrient in the rhizosphere of interface chemistry and rhizosphere soil respiration are determined in the extreme arid environment; the relationship between moisture transport and nutrient uptake and utilization of shrub is revealed; immanent connection of phenotypic plasticity, resource distribution and environment (mainly drought stress) is discussed, plant hydraulic structure, water transport safety and effectiveness are elucidated, and further reveals adaptation mechanism and reproductive strategy at the low moisture content and the nutrient conditions.

民勤地区草地沙化日趋严重，业已造成巨大的资源危害和社会经济发展危害损失，因此研究沙化草地的治理已成为国际上关注的前沿热点。本项研究正是通过对荒漠区两种耐旱的豆科沙生灌木根土界面水分及养分空间分布特征、植物耗水特征、干旱胁迫下植株生理生态适应策略，揭示灌木在荒漠区沙地上生长机理、对水分及养分吸收机制、对抗风沙侵蚀的响应。此外，通过对荒漠区灌木水分及养分吸收利用的深入研究，拟确定在极端干旱环境下主要限制性营养元素在根际的界面化学过程和根际土壤呼吸特征；揭示灌木水分输移与养分吸收利用的相互关系；探讨灌木表型可塑性、资源分配与生境（主要是干旱胁迫）内在联系，阐明植株水力结构、水分运输安全性和有效性，进而揭示对低水分和养分条件的适应机理及生殖策略。

荒漠化是当今全球性的环境问题, 它制约着区域经济的发展。我国西北部属于干旱、半干旱地区，是荒漠化的重灾区。研究沙化区灌木水分的输移和养分吸收机理，对认识灌木在荒漠区生态恢复过程中的作用，保护植物资源和生物多样性等有重要指导意义。为此本项目以荒漠灌木紫穗槐和蒙古岩黄芪为研究对象，研究了养分在根土界面的分布特征、灌木对土壤的改良效应、在逆境下表型性状与水分的关系以及适应逆境的生理机制等内容，取得了如下结果：1. 探明了荒漠灌木紫穗槐和蒙古岩黄芪根际与非根际土壤养分特征，证明了种植灌木对沙化土壤的改良效应。这两种灌木根际土壤中氮、磷、有机碳的含量均高于非根际，表现出明显的根际效应。同时， 0-20cm土层中养分含量，都随着株龄增长而出现了不同程度的增加，而且灌丛内土壤养分均高于灌丛间，说明长期种植灌木可以有效地改良土壤。2. 揭示了灌木在逆境下表型性状与水分的关系。紫穗槐根系集中分布于接近地表的土层中，土壤含水量与地上生物量、根生物量、比根长呈显著相关，与根表面积呈正相关。利用主成分分析法将根系分布参数确定为水分控制因子和构架因子。随着株龄的增加紫穗槐没有出现衰退现象，说明其根系有自疏与更新的能力，不断适应环境的变化。另外，对不同株龄蒙古岩黄芪的17种表型性状进行方差（单元）分析和主成分（多元）分析，发现55 龄长势优于其他株龄，主枝和二级侧枝重量变异最大，说明在干旱环境下，植株生长和繁衍采取向空间扩展来提高对水分、光照和养分等资源的利用效率。3. 研究了蒙古岩黄芪和紫穗槐适应逆境的生理机制。在不同干旱程度和NaCl浓度处理下，蒙古岩黄芪采取协同升高叶片中抗氧化酶活性，提高脯氨酸和可溶性糖含量来减轻植株所受到的伤害。同时，轻度干旱以及25 mmol/L NaCl对蒙古岩黄芪的生长有一定的促进作用。紫穗槐在表面水淹条件下根系浅生化，半水淹条件下茎根生长不定根，近全淹条件下先生长茎后生出不定根来适应水淹胁迫。3个水淹处理组植株对氮、磷、钙、铁及锰的吸收表现为增益；对铜的吸收表现为降低；改变氮、磷、钙、锌和铜的分配以适应水淹逆境。4. 钠复合肥提高多浆旱生灌木霸王生长及抗旱性。探讨了一种由适量的氮、磷和钠等元素组成的钠复合肥对多浆旱生植物霸王幼苗生长及抗旱性的影响。结果表明，干旱胁迫下施钠复合肥后，增加了霸王的生物量、促进了光合效率、提高了水分利用效率，且效果优于磷酸二铵肥。