典型造林树种对节律性干-湿交替干扰的应激反应特征与机制

Based on the combination of the tree’s stage heterogeneity in water requirement and the rhythmicity characteristics under drought stresses, the study will employ modern regression designs, simulated drought stress experiments and environment control techniques to model the characteristics of acute stress response intensities, durations, recovery extents, phenotypic plasticity and characterization indexes of typical afforestation tree species seedlings (Platycladus orientalis, Robinia pseudoacacia and Amorpha fruticosa) to rhythmicity drought stress that is caused by precipitation pulses at different growth stages. The aims of this study are to explore the early warning, protective and compensatory changes in morphological structure, growth, physiological and biochemical metabolism characteristics, as well as characteristic index of acute stress response during the alternation process of wetting and drying due to rhythmicity drought stress at different growth stages; to reveal the relationships between seedling stress reactions and drought stress modes, strengths and durations ; and to illustrate the adaptive strategies and acute stress response mechanisms of typical tree species to drought-rewatering-drought stress environments. This study will remarkably improve our understanding in biological and ecological traits of woody plants, and provide a solid theoretical basis for selecting suitable afforestation tree species from existing woody plants resources, so as to make sustainable use of rainfall resources and to improve the water use efficiency of woody plants in different arid and semiarid regions.

以树木生长发育的阶段异质性与干旱胁迫的节律性相耦合为突破口, 采用环境控制技术、近代回归设计和模拟实验相结合的方法，模拟降水脉动所形成的不同类型、不同强度干旱-复水-再干旱的节律性“干—湿”交替胁迫环境，以典型造林树种侧柏、刺槐、紫穗槐苗木为研究对象，对其在年生长期内不同生长阶段遭受节律性“干—湿”交替干扰过程中的生长、生理和生化应激反应强度、持续时间、恢复度、表型可塑性等特征及其表征指标这一科学理论问题进行研究。探讨苗木年生长期内各阶段因胁迫刺激而产生的形态结构、生长和生理生化代谢的预警性、保护性和补偿性变化及其表征指标体系，揭示干旱胁迫方式、强度、持续期与苗木应激反应的关系，阐明苗木对不同类型干旱—复水—干旱环境的应激反应机制，对深刻认识树木的生物学、生态学特性，充分利用现有木本植物资源、合理利用有限降水资源，为不同类型旱区选择适生造林树种、提高树木水分利用效率，必将提供重要理论依据。

采用环境控制技术、近代回归设计和模拟实验相结合的方法，以典型乔、灌木树种苗木为研究对象，对苗木年生长期内不同生长阶段遭受节律性“干—湿”交替干扰过程中的生长、生理和生化应激反应强度、持续时间、恢复度等特征进行了实验研究，力求探明降水脉动所形成的不同类型、不同强度节律性“干—湿”交替胁迫环境在苗木年生长期内不同生长阶段的应激反应特征，揭示干旱胁迫方式、强度、持续期及其旱后复水与苗木应激反应的预警性、保护性和补偿性变化特征及其表征指标，阐明苗木对不同类型干旱—复水环境的应激反应机制。结果表明：①随着干旱胁迫程度的加剧，侧柏和紫穗槐幼苗叶水势逐渐下降，且52.16%SWC和40%SWC处理对幼苗不同生长阶段叶水势产生了显著影响，较对照下降了0.58～1.84MPa。②干旱胁迫条件下，气孔因素和非气孔因素共同抑制了2个树种幼苗的光合作用，幼苗通过降低光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度，调节水分利用效率来增强对干旱胁迫环境的适应能力和抵抗能力。③在40%SWC的土壤水分条件下，侧柏和紫穗槐幼苗3个生长阶段的可溶性糖和脯氨酸含量达到最大，其中紫穗槐幼苗生长后期的可溶性糖含量和生长初期的脯氨酸含量增加幅度最大，分别是对照的1.63倍和22.65倍，2个树种幼苗细胞膜结构和功能逐渐遭到破坏。④复水72h后，2个树种幼苗不同生长阶段叶水势、光合参数、可溶性糖含量、脯氨酸含量、MDA含量恢复到接近对照水平，2个树种幼苗生长初期和生长中期的抗氧化酶活性、生长后期CAT活性也恢复到接近对照水平，表现出补偿效应。⑤ 2个树种对“干—湿”干扰环境的生长补偿效应呈现出生长初期>生长中期>生长后期；在生长后期，生长的补偿效应不显著。研究结果对深刻认识树木的生物学、生态学特性，合理利用有限天然降水资源，提高树木水分利用效率，奠定了理论基础，具有重要的理论与实践意义。