半干旱区深根植物水分提升与氮素利用效率的关系研究

Both water and nitrogen are limiting factors for plant growth in arid and semiarid areas. There, water content in upper soil layers is very low due to evapotranspiration while nutrient content is relatively high. Deep-rooted plants can transport water from moister deep soil layers to dry upper soil layers through a process termed “hydraulic lift”. The process upwardly regulates water distribution, may help the plants to cope with drought and to improve nutrient uptake. We will take elm (Ulmus pumila L.), the dominant tree in Hunshandake Sandy Land, as an object, artificially control hydraulic lift by maintaining water potential gradient through watering deep soil layers and add stable isotopic (15N) labeled nitrogen into upper soil layer in this project. We aim to study the effects of hydraulic lift on plant nitrogen use efficiency using heat ratio method for sap flow measurements and stable isotopic labeling technique; to explore the ecophysiological mechanisms by studying the plastic response of fine root and the variations of photosynthetic properties, transpiration rate and osmotic adjustment substances. The results will contribute to further understanding on how plants respond and adapt to drought stress in semiarid areas. The project will provide scientific evidences for restoring and protecting the degraded ecosystems and rationally utilizing the water resources.

在干旱半干旱地区，水分和氮素是限制植物生长的关键因子，表层土壤受地表蒸发和植物蒸腾的影响，水分含量很低，而养分水平却最高。深根植物通过水分提升(Hydraulic lift)这一生物物理过程将水分从深层湿润土壤主动传输到浅层干燥土壤，向上调节土壤水分分布，可能有助于植物应对干旱胁迫，促进养分吸收。本项目以浑善达克沙地优势树种榆树为研究对象，通过向深层土壤补水(维持水势梯度)控制水分提升过程，同时模拟氮沉降向表层土壤施氮(15N)。采用热比率茎流计和稳定性同位素标记技术，研究植物根-土界面水分提升过程对植物氮素利用效率的影响；研究植物细根的可塑性响应和叶片光合性能、蒸腾速率及渗透调节物质的变化，探索其内在生理生态学机制。研究成果有助于深入理解半干旱区植物对干旱逆境的响应与适应策略，能为全球变化背景下的模型预测提供数据支持，可为退化生态系统的恢复与保护以及合理的水资源利用提供科学依据。

在干旱半干旱生态系统中，水分和养分的亏缺是限制植物生长及净初级生产力的重要因素。本研究按照课题任务书的内容在浑善达克沙地开展了系列工作，深入探讨了水分和养分变化对沙地植物个体和群落的影响，达到了预期的研究目标。研究结果表明，（1）浑善达克沙地优势植物成年榆树主要利用1m以下的深层地下水，其根系具有明显的水分再分配作用，该作用可以将表层土壤含水量提高10%左右。通过控制榆树的水力提升作用并添加氮素，发现表层土壤水分条件的改善有利于植物对氮素的吸收，榆树叶片的氮素利用效率显著提高，同时净光合速率提高了60%左右。水力提升作用能够帮助榆树有效应对干旱胁迫。（2）榆树幼苗生长主要利用表层土壤水分，通过人为松土可以提升表层土壤水分含量，有利于榆树幼苗的存活和生长。（3）浑善达克沙地90%以上的草地呈现不同程度的退化。有机肥的添加显著改善了退化草地的土壤质量，尤其提高了土壤含水量和碱解氮、速效磷等土壤有效养分的含量，促进了植物群落生产力的恢复，同时提高了群落高度和植被盖度。本研究了解了植物对干旱胁迫的响应与适应机制，探索了松土和施肥对退化草地土壤的改良及调控作用，揭示了表层土壤水分和养分含量在植物应对干旱和退化植物群落恢复过程中所发挥的关键作用。研究结果将为干旱半干旱区退化生态系统的恢复与保护提供理论依据和数据支持。结合本项目研究，已发表课题研究论文4篇，其中SCI论文2篇（最高影响因子9.787），申请专利3项，其中1项已获授权。