巴丹吉林沙漠高大沙山植物水分利用途径研究

Water is the key limiting factor for plant growth in arid regions. China’s Badain Jaran sand sea features the tallest dunes on Earth and frequent aeolian activities, which is hard living environment for plant. But, we find that the tallest distribute line of vegetation on the mega-dunes can reach a few hundred meters near the dune crest in our fieldwork. The plant water utilization on the mega-dunes must have its specific characteristics. This proposal for funding will study the plant water utilization on mega-dunes using stable isotope technique and water potential theory through field survey and laboratory experiment, to find the special water use methods for plant in their long-term adaptation and evolvement process in arid environment. Based on the above investigation, we attempt to mainly clarify the vapor and dew absorb and transport process for plant under the limitation supplement of rainfall and groundwater, and to reveal the adaptation mechanism of desert species to water stress and aeolian environment under extreme conditions. This research will provide helpful scientific insights to the theory of eco-hydrology in arid area.

水是干旱区植物正常生长和维系生命的最主要限制因子。巴丹吉林沙漠沙山巨大，风沙活动频繁，对植物来说应当是极其严酷的生存环境。但近年来的野外考察发现，巴丹吉林沙漠南部高大沙山上的植被分布上线可达几百米高的沙丘脊线附近，其水分利用途径必然有其特殊性。本项目拟通过野外监测和室内控制实验，应用稳定同位素技术以及水势理论研究高大沙山上的植物水分利用途径，进一步认识流动沙丘上植物长期适应干旱环境的演化过程中形成的独特水分利用方式，着重阐明在降水和地下水补充十分有限的情况下，沙山不同部位的植物茎叶对大气水汽和凝结水的吸收和传输过程，以揭示极端条件下植物对水分胁迫和风沙环境的适应机制，为丰富和完善干旱区生态水文学理论提供科学依据。

在干旱、半干旱地区，水分是决定生态系统结构和功能的重要环境因素，尤其在极端干旱的沙漠地区，水是植物生长和维系生命的最主要限制因子。本项目以巴丹吉林沙漠东南部典型的高大沙山-湖泊群为研究区域，应用同位素技术以及茎干液流理论和方法，通过野外原位监测实验，研究了高大沙山上的植物水分利用途径，进一步认识流动沙丘上植物长期适应干旱环境的演化过程中形成的独特水分利用方式。研究结果表明：在生长季，植物茎干液流速率日变化过程多呈明显的“双峰型”或“多峰型”曲线，主要受大气环境因子调控。夜间，植物常常维持着较低而稳定的液流速率。早上植物枝条液流开始快速上升时间一般在6:00-7:30，液流速率最大值在9:00-17:00均有可能出现。同一枝上不同级别的枝液流速率变化也存在一定的规律：越靠近冠层顶部的枝条，其液流启动、出现峰值的时间越早。液流速率日变化与气温密切相关。降雨后柽柳茎干液流出现明显的负值，表明柽柳叶片吸收了雨水。柽柳叶片中δ18O和δD的变化幅度较大，而同化枝和老枝的δ18O和δD值变化幅度较小。降雨前柽柳叶片δ18O和δD值较高，降雨后减小，而柽柳枝中的变化正好相反。沙蒿中δ18O和δD的值总体变化幅度都较大。降雨前沙蒿叶片和同化枝δ18O和δD值较高，降雨后减小，而沙蒿老枝中的变化不明显。不同深度沙层含水量随深度变化较大含水量极低，处于极度干旱状态。表层土壤水的δ18O 值较大，随着深度增加持续偏负，直至7.5米深度时仍未达到稳定状态。四个不同试验点的实验结果显示出植物器官的生理构造和成熟度以及土壤剖面含水量的变化都会对柽柳的水分利用方式造成很大的影响。