毛乌素沙地一年生植物生活史关键阶段对温度和水分变化的响应-以沙蓬为例

We will determine the response patterns of an annual plant species（Agriophyllum squarrosum）to climate change in critical life history stages by experimental ecological methods in this case study. The response patterns of A. squarrosum to climate change will be explained at species and population levels by determining the response patterns of: (1) the dormancy release to low temperature and soil moisture in Spring, (2) seed germination to seasonal temperature and moisture changes, (3) seedling growth and survival to changes in soil temperature and moisture, (4) morphology, phenology, growth and fruiting patterns to changes in precipitation pulse, and (5) seedling and soil seed bank dynamics to seasonal and inter-annual changes in precipitation and temperature. Further, we will deepen the understanding on how A. squarrosum responses to climate change in life history strategy and physiological mechanisms by explaining the regulatory mechanisms of phytohormone in effects of temperature in spring stratification on seed dormancy and verifying theories of maternal effect in different life stages of this species. Our study will enrich the life history strategy theory under changing environments by predicting the population dynamics of plants in temperate semiarid regions under climate change.

本项目利用实验生态学方法，以毛乌素沙地一年生植物沙蓬（Agriophyllum squarrosum）为案例，研究生活史关键阶段（种子和幼苗阶段）对气候变化（温度和降水变化）的响应格局。通过研究1）种子生理休眠打破对春季低温和湿度变化的响应，2）种子萌发对季节性温度和湿度变化的响应，3）幼苗生长和存活对土壤温度和降水梯度的响应，4）幼苗形态和生长物候、结实格局和子代种子性状对降水脉冲变化的响应，以及5）地上种群和土壤种子库对降水和温度变化的季节间和年季间响应，旨在从物种和种群水平上阐明沙蓬对气候变化的响应格局。进一步通过：I）阐明春季低温层积条件改变引发种子休眠状态改变的激素调控机制，II）验证植物生活史不同阶段应对降水脉冲变化对子代的"母体效应"，理解沙蓬响应气候变化的生活史对策与生理机制。该研究通过推测温带半干旱区植物应对气候变化的生存策略，将丰富和完善变化环境下植物的生活史对策理论。

项目的背景：每一种植物都发展出复杂的生存机制，以确保其能够在特定的环境中生存和发展。对于分布在温带半干旱区的植物来说，温度和水分是限制它们生长的主要因子。本研究以生长在我国北方半干旱区毛乌素沙地的一年生植物沙蓬为研究案例，以植物生活史几个关键阶段对温度和水分响应特征为线索，通过野外观测、野外控制实验和实验室实验相结合的方法，研究沙蓬生活史重要阶段对变化环境的响应机制。.主要研究内容：探讨了(1)种子特性及其对土壤温度和湿度变化的萌发响应；(2)地上与土壤种子库的年际动态对环境温度和降水变化的适应特征，以及(3)植株生长、结实格局、子代种子萌发特征等对降水格局变化(5个降雨量 × 5个频度，降雨量：448、364、280、196和112 mm；降雨频度：120、12、6、4 和1 d/次)的响应机制，以探讨未来气候变化背景下，温带半干旱区植物对变化环境的可能适应能力及适应机制。.重要结果、关键数据及其科学意义：1)新成熟沙蓬种子存在非深度生理休眠，划破种皮和干燥贮藏均可促进种子萌发，湿/干循环可打破休眠，而低温层积处理则不能有效打破休眠；2)黑暗和变温条件有利于种子萌发，渗透势-0.1 MPa、沙埋深度0.5 cm和14.0%沙土水分含量分别为种子萌发的适宜条件；3)种子休眠特性(或萌发特性)呈现季节性周期变化：条件休眠(冬季)-非休眠(春季)-次生休眠(夏季和秋季)；4)沙蓬种子同时具有气生和土壤种子库，两种子库在沙蓬生活周期中扮演不同的生态角色；5) 降水量和频对沙蓬植株的生长特性具有显著影响，表明沙蓬通过功能性状的可塑性及营养和繁殖生长之间、根和叶生长之间的权衡及保持较为稳定的繁殖分配策略来适应未来降水格局变化。6)降水格局变化改变了沙蓬的繁殖物候、结实性状和子代萌发行为等生活史性状，而沙蓬则通过繁殖可塑性来适应未来降水格局变化。在未来气候变化背景下，沙蓬通过生活史各阶段的多种适应方式来应对半干旱区沙丘生态系统的温度和水分变化，从而使其种群能够得以维持、更新和发展。