河西走廊荒漠区典型一年生草本植物繁殖物候对小降水事件的响应机制

As the main precipitation type, small precipitation events are essential drivers for annual herb plant growth and reproduction in water-limited arid desert ecosystems. The changes in precipitation pattern and intensity would have important impacts on their reproductive phenology. In recent years we have mainly studied the relationship between precipitation and the reproductive phenology of perennial plants. Further study will be needed about how small precipitation events affect annual plant reproductive phenology. Under the background of global climate and precipitation change, our knowledge of the influence of small precipitation events and their changes on reproductive phenology and reproduction remains limited in Hexi desert area. In this study, we selected three annual dominant herb plants as the research subject in a typical arid desert in Hexi Corridor in Gansu province. By means of field investigations, manipulation experiments, and two theoretical analyses, we address the main scientific questions: (1) the responses of reproductive phenology of the three annual herb plants to small precipitation events; (2) what triggers off such reproductive phonological changes and the possible mechanisms underlying these changes；(3) the reproductive adapting strategies in the non-continuous and uncertain precipitation environment. These findings may provide scientific guidance for the conservation and restoration in Hexi desert area.

小降水事件作为荒漠生态系统主要降水类型，是一年生草本植物在干旱多变环境下生长和繁殖的可靠水分来源，其强度和格局变化会对一年生草本植物繁殖物候产生重要影响。目前荒漠植物繁殖物候与降水关系的研究多集中于多年生植物，对于一年生草本植物繁殖物候与小降水事件关系的研究还相对有限。在全球气候变化背景下，如何准确量化小降水事件格局和强度变化对一年生草本植物繁殖物候的影响以及引起其繁殖适应能力的变化，仍需要进一步探索。本项目以河西走廊荒漠典型一年生草本植物为研究对象，通过野外典型群落自然观测和控制实验，结合结构等式和表型最优化模型的理论分析方法，揭示一年生草本植物繁殖物候对小降水事件的响应规律；阐明繁殖物候变化的内在机制(繁殖物候可塑性或权衡策略)；解析其对间断且不可预知的干旱区小降水事件的繁殖适应对策。研究结果将为河西荒漠地区植被保护和恢复提供科学依据。

为了阐明一年生草本植物繁殖物候对小降水事件的响应机制，本项目对河西走廊荒漠绿洲过渡带不同小降水条件下一年生草本植物繁殖物候特征及其个体性状、生理特征与土壤环境因子相关性进行定量研究。结果表明: 在一年生草本植物拔节期/展叶期单次小降雨减少导致一年生草本植物根系生长发生显著变化，主要表现为根长显著减小,而地下生物量显著增加，主要以侧根生长为主，同时导致拔节期/展叶期延长，开花期和果熟期推迟且持续时间缩短，并最终导致一年生草本植物种子生物量减少；藜科和禾本科一年生草本植物根系的生理指标对小降水变化的响应幅度不同，干旱胁迫下，禾本科植物根系活力下降幅度较高，而叶片的渗透调节物质（可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸）含量上升幅度较高，而藜科一年生草本植物反应较弱，这暗示藜科一年生草本植物比禾本科一年生草本植物抗旱能力更强；通过多次减少小降水事件，发现禾本科一年生草本植物株高、生物量和叶片数量的减少，其中地下生物量比重增加，而地上生物量比重显著下降，同时繁殖物候期持续时间缩短，种子数量和质量都有明显下降；另外，我们还发现藜科一年生草本植物的构件生长和生物量积累在营养生长期内均有不同程度的可塑性，其中叶片和侧根的生长可塑性较强，根冠比在不同生长阶段发生变化，但生物量主要分配到地上部分，地上生物量分配比例不小于87%，地下生物量分配比例不超过23%。