干旱胁迫下蒙古莸的碳水动态响应及死亡机理

With global climate change, the deaths of tree due to drought and rising temperature have been more and more common, and the regional-scale vegetation mortality has increased greatly. However, the underlying physiology mechanism of how to drought stress resulted in the tree mortality is still unclear. Taking high drought-resistant shrub Caryopteris mongolica as the experimental material, using two kinds of drought-induced tree mortality test strategies of short-term severe drought and long-term low intensity continuous drought, the dynamics of water balance and carbon metabolism under the whole drought-induced survive-death continuous states are studied emphatically in terms of hydraulic characteristics, photosynthetic carbon assimilation product consumption, transportation and distribution of root, stem and leaf organs. This study will clarify the water and carbon dynamic balance under drought stress process in organ and individual level, analyze and evaluate the contributions of hydraulic failure hypothesis and carbon starvation hypothesis to drought-induced tree mortality mechanisms, and finally explore the physiology mechanisms of drought-induced tree mortality. It provides a theoretical basis for evaluating forest water and carbon dynamic balance and carbon sink function to global climate change and is of great significance to accurately predicting the forest ecosystem response and biodiversity protection.

随着全球气候变化，气温升高、干旱导致树木死亡的现象越来越普遍，地区性植被死亡率大大升高，然而对于干旱胁迫如何导致树木死亡的生理学机制仍不清楚。本研究拟以高抗旱灌木蒙古莸为材料，通过短期严重干旱和低强度持续干旱两种干旱胁迫致死试验策略，从根、茎、叶器官的水力学特征、光合碳同化产物的消耗、运输与分配等方面，重点研究在整个干旱胁迫生存-死亡连续过程中蒙古莸的水分平衡、碳代谢动态变化，揭示干旱胁迫过程中蒙古莸器官与个体水平的碳水协调平衡关系，分析和评价树木干旱死亡的“水力失衡”假说和“碳饥饿”假说，以探求蒙古莸干旱致死的生理学机制，为评估全球气候变化条件下森林的碳水平衡及碳汇功能提供理论依据，对准确预测森林生态系统应对环境变化的能力及生物多样性的保护方面有重要意义。

全球气候变化背景下，极端干旱如何导致树木死亡确切的生理学机制，特别是干旱胁迫如何影响树木的水分动态和碳代谢的碳水协调平衡关系仍未清除，存在很大争议。项目以气候变化敏感区（蒙古高原）特有抗旱灌木蒙古莸为研究对象，通过短期严重干旱和低强度持续干旱两种干旱胁迫致死试验策略，连续观测蒙古莸的根、茎、叶器官的水力学特征、光合产物及碳代谢动态变化过程。.结果表明，短期严重干旱和低强度持续干旱两种处理的蒙古莸苗木分别在处理后第30d和第79d死亡，蒙古莸干旱致死点时的土壤含水量为2.0~3.5%，土壤水势为-2~-2.5MPa。短期严重干旱在很短的时间内，显著降低了蒙古莸苗木的株高、地径、生物量、器官含水量、叶水势、根茎水分传导速率、土壤-叶片导水率、光合速率、呼吸速率等指标，且下降趋势远大于低强度持续干旱；低强度持续干旱处理的蒙古莸苗木在初期能维持同CK一般的正常生理生化活动，但随胁迫时间延长和水分亏缺程度增加，各指标受抑制程度和下降幅度，同短期严重干旱趋于一致。在致死点时，两种干旱致死处理苗木各项指标基本相同，实际水分传导速率相对于最大传导率降低百分率（PLC）均在80%左右，两种干旱致死过程均存在“水力衰竭”的现象。.低强度持续干旱胁迫下蒙古莸根、茎、叶器官淀粉被消耗（叶、茎和粗根的淀粉和NSC含量低于CK），转化的部分可溶性糖优先被分配至叶片以维持生命活动所需，同时部分淀粉向地下运输并储存在根部，提高延长植物存活时间和增加复苏的可能性。短期严重干旱处理下，蒙古莸为应对急剧的干旱胁迫，根、茎、叶器官淀粉被消耗转化（淀粉和NSC总量均低于CK）为可溶性糖（可溶性糖含量均高于CK），且集中至茎、叶器官，以维持细胞代谢和光合作用，调节渗透势。相对于短期严重干旱，蒙古莸幼苗受到慢速干旱致死胁迫，发生碳饥饿的概率较高。.本项目研究为进一步阐明树木干旱致死的生理机制提供理论依据，对准确预测未来气候变化条件下森林的碳水循环及碳汇功能具有重要意义。