河岸带植物根际特性对季节变化的动态响应过程和环境效应

Alternation of drought and flood of river, prosperity and decline of plant follows seasonal variation. Seasonal variation affects plant rhizospheric properties and environmental effects of riparian zone. The complex of hydrological processes and the high strength interference of human activities on river ecosystem in Taihu river plain make it distinctive of the difference of the sources of water and biogenic substance in rhizospheric environment, rhizospheric properties and environmnetal effects of riparian zone. Around the key scientific issue “ seasonal succession law of rhizospheric properties of riparian plant”, soil chemicophysical properties, rhizospheric physiological properties, and rhizospheric microbiologic properties will be studied. Aim at the complex of the sources, transportation and fate of water and biogenic substance, using the stable isotope, microelectrode, minirhizotron and high-throughput sequencing techniques, the driving mechanism of the sources of water and biogenic substance in rhizospheric environment of native plants in Taihu Area, the dynamic response and succession law of rhizospheric properties (microbiologic properties specially) of riparian plants upon seasonal variation, and the response mechanism of plant growth on the coupling stress of water and nitrogen and phosphorus will be discussed based on the research method that combines indoor experimental and field observation. The project will reveal the dynamic response process of riparian plant rhizospheric properties on seasonal variation and its environmental effects, and provide the theoretical basis and scientific support for the construction of ecological riparian zone and water environmental comprehensive control of Taihu Area.

天时季节轮回，河流枯洪交替，植物盛衰更迭。季节变化影响河岸带植物根际特性及其环境效应。太湖平原河网地区复杂的水文过程以及人类活动对河流生态系统的高强度干扰使得该地区河岸带植物根际的水分和生源要素来源、河岸带植物根际特性以及河岸带环境效应的季节性差异尤为显著。本项目瞄准“河岸带植物根际特性的季节性演替规律”这一核心科学问题，以根际土壤理化特性、根系生理特性以及根际微生物特性为着眼点，针对太湖地区河岸带土壤水分和氮磷等生源要素的来源、输移和归宿均复杂的现象，基于野外观测与室内试验，运用稳定同位素技术、微电极技术、微根管技术、以及微生物高通量测序等技术，探明太湖地区河岸带典型土著植物根际水分和生源物质来源的驱动机制，揭示河岸带植物根际特性（尤其微生物特性）对季节变化的动态响应和演替规律，阐明河岸带植物在水和氮磷耦合胁迫下的生理响应，为太湖地区生态河岸带建设和水环境综合治理提供基础理论和科学支撑。

天时季节轮回，河流枯洪交替，植物盛衰更迭。季节变化影响河岸带植物根际特性及其环境效应。本项目基于野外观测与室内试验，探明太湖地区河岸带典型滨水植物水分和氮来源的驱动机制，揭示河岸带植物根际特性对季节变化的动态响应和演替规律，阐明河岸带植物在氮磷耦合胁迫下的生理响应。研究结果发现：(1)研究区降雨主要集中在每年的6-9月，河水水位和地下水水位的变化与降雨量密切相关，河水水位和地下水水位出现最大值（最小值）的时间延迟于降雨量出现最大值（最小值）的时间。(2)三种滨水植物的细根形态特征随土壤深度和季节变化表现出相似的变化规律。植物细根平均直径(D)和根组织密度(RTD)均随土壤深度的增加而增加，而比根长(SRL)和比表面积(SRA)随土壤深度的增加而下降；RTD、SRA和SRL在夏秋季最大，冬季最小；而D则相反。(3)N源对三种滨水植物N营养贡献顺序为：土壤>河水>地下水>雨水。与菖蒲和美人蕉相比，芦苇对土壤DIN的吸收比例更低，而对河水、地下水和雨水DIN的吸收比例更高，这与芦苇具有相对较深的根系有关。NO3-是滨水植物利用的主要N形态。(4)河岸带各土层DIN对三种滨水植物N营养贡献顺序为：0-15cm>15-30cm>30-45cm>45-60cm>60-75cm。滨水植物的N吸收能力与细根的平均直径呈负相关，而与比根长和比表面积呈正相关。(5)河岸带非根际/根际土壤的微生物群落多样性及组成四季间差异显著。气温和土壤NH4+-N含量变化是河岸非根际土壤微生物特性变化的主要原因。滨水植物的存在显著改变河岸土壤微生物群落多样性及组成，具有正向促进作用，并增加稀有物种的出现概率。(6)氮磷联合胁迫对于不同种类挺水植物的形态特征和抗氧化能力具有显著的影响。相较于千屈菜，芦苇对于氮磷养分的耐受性明显较强，并具有对高氮磷的高适应性。氮磷缺乏和高水平氮磷均会加剧千屈菜根系的氧化胁迫，而氮或磷的缺少是加剧芦苇根系氧化胁迫的主要原因。挺水植物在承受氮磷联合胁迫时存在P优先的调控机制。项目成果可为太湖地区生态河岸带建设和水环境综合治理提供理论依据和科学支撑。