沙拐枣属植物种子风力传播机制与过程的风洞模拟研究

Seed dispersal is an important stage of plant life history, determining plant genetic and adaptive characteristics and the plant population size. Wind seed dispersal is one of the main dispersal modes in grassland and desert ecosystems. Modelling primary seed dispersal by wind, elucidating the effects of characteristics of species, plant population and landscape on secondary seed dispersal distances, and exploring the adaptive strategies that dispersal patterns represent are the biggest challenges for ecologists involved in seed dispersal by wind. However, studies concerning diaspores with different morphological characteristics have rarely been conducted. Based on the investigation on 12 Calligonum species with four wind dispersal mechanisms, the objectives of this study are: 1) to elucidate the processes of seed release and the primary and secondary wind dispersals by means of large portable wind tunnel; 2) to develop models for seed dispersal by wind; 3) and to determine how the morphological properties of diaspore affect the primary dispersal and secondary wind dispersals and what adaptation strategies the primary and secondary wind dispersals reflect. This study will help to reveal the patterns of seed dispersal by wind and provide theoretical guides for vegetation restoration and biodiversity conservation in desert regions.

种子传播是决定植物遗传和适应特性及种群规模的重要生活史阶段。种子风力传播在草原及荒漠生态系统极其普遍。种子初始风力传播的模型模拟、物种、种群属性和景观结构如何相互作用以决定二次传播距离、不同的种子传播方式赋予植物的适应策略是当今种子风力传播研究面临的最大挑战，但以不同形态属性的种子作为研究对象开展的相关研究尚很罕见。本研究拟选择具有4种不同风力传播机制的12种沙拐枣属植物，借助大尺寸野外可移动风洞对种子的脱落、初始风力传播、二次风力传播过程进行模拟研究，构建种子风力传播模型，剖析传播体形态差异对初始与二次风力传播过程的影响，阐释初始与二次风力传播过程及其相互关系所赋予的植物适应对策，揭示种子风力传播规律，为荒漠区植被恢复和生物多样性保护提供理论依据。

传播作为植物生活史的重要阶段决定着植物的遗传特性和适应对策。研究种子传播不仅为认识植物进化及适应过程所需，也为制定生态恢复和植物多样性保护对策所需。种子初始风力传播的实验模拟、传播体属性、风力条件和下垫面类型如何相互作用以决定种子二次传播距离、不同的种子传播方式赋予植物何种适应策略是当今种子风力传播研究面临的最大挑战。本项目以不同附属物类型的沙拐枣属植物传播体为研究对象，通过风洞实验观测不同风力条件及下垫面类型下传播体的初始和二次风力传播过程，阐明种子风力传播的过程与机理，探究传播体形态属性、下垫面类型及风力条件对种子初始和二次风力传播过程的影响，分析植物传播体形态属性通过调控初始与二次风力传播过程赋予植物不同的适应策略。研究表明：1）风速与释放高度是决定初始风力传播距离最重要的两个因子，翼负荷比沉降速度及形状系数更重要；2）种子风力传播轨迹不仅取决于种子的形态特征，还取决于环境因素，例如风速和释放高度；3）种子附属物特性是植物为适应种子初始风力传播和二次风力传播权衡的结果；4）在沙质地表上，小的或扁长的传播体更容易被埋藏；5）风对种子二次传播分布格局的影响存在阈值条件，传播体附属物类型与形态参数能预测种子二次传播分布格局；6）传播体初始与二次风力传播之间存在权衡关系但非普遍现象。本项目剖析了种子初始与二次风力传播的过程与机理，揭示了种子风力传播规律，对更好地获取种子进行传播的起始条件与其最终传播命运的信息、最大限度地确保恢复过程中所需物种的建植和留存有推动作用，为退化生态系统植被自然恢复和植物多样性保护对策的制定提供了理论依据。