岩溶植物根系对水环境变化的形态可塑性响应及其水分再分配的生态效应研究

The solute carbonate rock of karst in southwest China develops a epikarst zone with rich ground water but disjunctive soil and water beddings . The a high fissure and rich spatial structure underground is favor for root growth and extend to deep karst bedding. With morphological plasticity, deep root is capacity to transport deep water to top soil where it is considered rich in nutrient. This process might pay an important role in evolution of epikarst environment as well as positive effect on sustainability of the ecosystem. In this project, we will take investigation, monitoring and sampling in nature cave vacuum, using technology of Granier's sap flow and stable isotope δD and δ18O, measuring the columniation control experiment under karst condition, to study the root morphological plasticity and its response to soil water variation, root-soil hydraulic redistribution(HR) and its dynamic, and the ecological nursing effect resulted by HR. The result will show the water flow and quantity in root, discuss the water variation effect on plant root plasticity, and understand the importance of root water redistribution benefitting to Interspecific relationship and ecosystem stability during drought period. Hence to understand the positive driving consequence by the biological course for stable of karst system.

我国西南岩溶区由于其可溶性碳酸岩的地质背景特征，发育了地下水十分丰富但呈水土分离的表层岩溶带地质结构。植物根系具有形态可塑性，深层水分丰富有利于植物根系向岩溶内部生长和延伸，而这些深根植物具有将深层水或湿润土壤水运输到干旱但养分丰富的表层土壤的潜力，对岩溶表层环境演化与生态系统稳定发挥重要作用。本研究利用洞穴内根系及其植株，通过茎段液流监测和稳定δD与δ18O同位素分析，结合层柱模拟控制水分试验方法，进行岩溶植物根系对环境水分变化的形态可塑性响应、岩溶植物根系-土壤系统水分再分配（HR)特征与驱动机制、基于根系-土壤系统水分再分配的生态护理效应等研究。研究结果将确定根系水分运动的流向和流量，提出我国南方岩溶区植物根系形态可塑性对水分变化的响应规律；阐明干旱期根系水分再分配对植物种间的惠存关系及生态系统稳定性的重要意义。由此可以认识生物-地质过程及其对岩溶生态系统稳定性的积极作用。

开展了岩溶植物根系对环境水分变化的可塑性响应、岩溶植物根系-土壤系统水分再分配特征与驱动机制、根系-土壤系统水分再分配的地质生态效应等方面工作。建立了控制试验和野外试验设施。控制试验方面，建立左右分根和上下分根盆栽、模拟喀斯特地下水-岩-土-植物的1米层柱试验装置，进行水分控制和同位素示踪试验。野外试验方面，选取有具有相对高差2米的两个台阶，选取样树安装树干液流系统进行蒸腾和水势监测，在下台阶进行了同位素示踪和水分添加试验。基于试验数据，分析和总结了水力再分配发生规律、驱动机制和生态效应：（1）在控制试验中，当右湿盆或下湿盆水分充足时，相对应的左干盆和上干盆土壤体积含水率分别为18.01%和21.15%时，干盆土壤水分出现波动；采用18O同位素示踪试验，发现干盆18O同位素均显著提高，说明发生了水分再分配现象并且是日间发生；旱期的野外试验中发现局部下台阶的浇水行为提高了上台阶的土壤含水量，从而也说明了发生提水作用。（2）采用土壤水分动态法、同位素示踪法分另计算左右分根青冈栎根系日均提水量分别达到27.4g和28.9g、而上下分根为 34.7g和 34.3g；野外低台阶添加水试验表，青冈栎植株的树干液流明显增大，也说明了根系的深层次分布。（3）水力再分配水量大小与气温和水汽压亏缺呈显著正相关，与空气相对湿度呈显著负相关，说明VPD和气温共同驱动水力再分配。（4）岩溶环境下不同土壤湿度造成根系可塑性生长，水力再分配缓解了干旱土壤斑块的干旱胁迫，不仅能提高青冈栎的渗透调节和抗氧化胁迫的能力，还能维持较高的光合速率、气孔导度和蒸腾速率。（5）基于本项目的岩溶植被根系向水的可塑性生长以及根系的水力再分配机制发现，结合喀斯特环境资源的限制和高渗透性和岩溶关键带地下水分赋存条件，解释了岩溶植物冠层年总蒸腾量甚至远高于相近纬度的非岩溶区的桉树人工林或马点相思林的结果，为进一步开展岩溶区植被根系深度-水文-NPP机制，推动该地区的植被碳汇研究具有重要科学意义。