附生植物的水分关系及其对干旱胁迫的响应——以哀牢山湿性常绿阔叶林为例

Epiphytes comprise one of the most diverse, but also the most vulnerable component in montane moist forest ecosystems, and they are extremely important in carbon, water and nutrient cycling in these ecosystems. Water supply is the key factor affecting the composition and distribution of epiphytes. Increased drought is likely to become the most detrimental aspect of climate change for epiphytes that live in montane moist forests. However, water relations of epiphytes and their response mechanisms to drought stress were rarely studied. In this project, both field and laboratory experiments will be conducted to characterize the leaf morphology, structure, and physiological functional traits of different groups of epiphytes in the montane moist evergreen broad-leaved forest in Ailao Mountains. Long-term water use efficiency, the relative contributions of different water sources and their seasonal variations will be quantitatively evaluated by using stable isotope technique (stable carbon, hydrogen and oxygen isotopes). The response mechanisms of epiphytes to drought stress will be revealed based on in situ monitoring (canopy crane), together with a simulated drought experiment (closed-top chambers). The information generated from this project will provide scientific basis for understanding carbon and nitrogen cycling of the montane moist forest ecosystems, as well as protection and utilization of biodiversity in a changing world.

附生植物是山地森林生态系统中多样性最高、最为敏感脆弱的类群之一，在森林生态系统的碳、水和养分循环过程中发挥着重要作用。空气中的水分供应状况是决定附生植物组成和分布的关键因素。然而，在区域干旱加剧的气候背景下，关于附生植物的水分关系及其对干旱胁迫的响应机制却鲜有研究。本项目以哀牢山湿性常绿阔叶林常见附生植物为研究对象，基于林冠塔吊平台和人工气候室，采用氢、氧、碳稳定同位素技术、定位监测和人工控水实验相结合的方法，研究不同类群附生植物叶片形态、结构和生理功能性状各项指标的异同及其相互作用关系，探讨各类附生植物的水分来源、比例及其季节变化特征，定量评估其长期光合水分利用效率，阐明不同类群附生植物的水分关系，揭示附生植物对干旱胁迫的生理响应机制。研究结果为深入研究山地森林生态系统碳、水循环，以及全球变化背景下生物多样性的保护和利用提供科学依据。

植物进化为附生生活型后在林冠获得更多的光资源、逃避捕食者和提高传粉效率，但失去了与土壤水分库接触的机会而可能面临频繁的干旱胁迫，然而，在区域干旱加剧的背景下，关于附生植物的水分关系及其对干旱胁迫的响应机制却鲜有研究。本项目以附生植物为研究对象，采用野外监测和室内研究相结合的方法，研究了不同类群附生植物的水分关系。结果表明：（1）附生苔藓植物具有较低的持水力和较高的失水速率，表明其保水能力较差；（2）大气水分供应状况决定了附生苔藓植物多样性的垂直分布格局。与地生苔藓相比，生长于冠层的附生苔藓具有较厚的细胞壁，较小的叶片和细胞尺寸，较低的叶绿素含量，较高的类胡萝卜素与叶绿素含量比和较强的光合能力，这样的形态与功能性状的组合有助于高效地获取水分、减弱强光伤害以更好地适应林冠生境；（3）雾水和林冠腐殖质作为哀牢山中山湿性常绿阔叶林附生植物在旱季的两个主要水源，对于附生植物的水分平衡发挥着至关重要的作用；（4）哀牢山中山湿性常绿阔叶林内不同类群附生植物的长期水分利用效率（WUE）差异显著，其中，附生地衣和附生苔藓的WUE显著高于附生蕨类和附生种子植物；（5）与宿主树相比，附生种子植物通过更高的WUE、更大的雾水吸收比例以及特殊的叶片表面结构以适应间歇性水分供给的林冠生境；（6）云南省近年来降水不稳定性加剧的同时下降速率明显升高，干旱化趋势越来越严重；（7）宿主树可通过调整其水分获取深度以适应季节性干旱。研究结果为深入研究附生植物的生存适应策略，以及全球变化背景下附生植物的保护和利用提供了科学依据。基于本项目发表专业学术论文17篇，其中SCI论文14篇，培养5名研究生，项目主持人入选“云南省中青年科学和技术带头人后备人才”和“云南省高层次人才培养支持计划青年拔尖人才”。