荒漠河岸植被水分利用策略及其对干旱胁迫的适应机制

干旱区植物在长期的适应演化中形成了特有的适应机制和水分利用方式，揭示干旱区植物水分利用与耗水的生物学机制是提高干旱区水生态效益的重要基础。本项研究从叶片到生态系统等不同尺度，采用野外定位实验到区域监测以及控制试验等不同的技术途径，开展植被如何应对干旱环境与水分胁迫的研究。在研究思路上，以SPAC系统中水过程为关键驱动因子，综合考虑地上与地下生态过程，将野外监测和控制试验相结合，探讨在干旱环境与水分胁迫下下，荒漠植被（植物）动态响应过程与适应机制。从生理生态水平、个体和种群（群落）水平阐明荒漠植物应对水分条件变化的策略，突出植物个体/群落水平应对水分条件变化的响应与适应机制；从生态系统、流域尺度分析植被耗水特征与调节能力；在综合集成方面，进行荒漠植被（植物）关键生态水文过程的模拟研究，力争在不同尺度转化的方法方面取得突破，揭示植被各组分对恶劣环境的主动性适应与被动性响应的过程与机制。

本项目结合4年（2011-2014年）的野外监测、定位实验、盆栽控制试验和室内分析，重点开展了荒漠河岸林植物应对干旱胁迫的水分利用方式和生存策略、水分吸收和来源、水力提升和水分再分配以及植物蒸散发量研究，揭示了植被各组分对干旱环境的主动性适应与被动性响应的过程与机制。在个体尺度上，综合植物生理、生化和生态等多角度揭示了优势物种对干旱胁迫的水分利用和适应策略，其中胡杨通过木质部限流来适应轻度干旱胁迫；柽柳主要通过增加地下物质投入来应对干旱；苦豆子则通过增强光合来提高水分利用效率。在种群尺度上，胡杨成熟林和幼林采用“挥霍型”，而过熟林采用“保守型”水分利用策略来适应干旱。在水分吸收来源上，胡杨过熟木利用100~260cm土壤水及地下水，成熟木利用200~220cm土壤水及地下水，胡杨幼苗利用30~50cm土壤水；柽柳主要利用200-300 cm深层土壤水；花花柴主要利用50-100 cm土壤水；骆驼蓬主要利用0-20 cm土壤水；苦豆子主要利用0-5 cm土壤水。在群落尺度上，模拟评估了植物根系水分再分配的动态过程，控制因素以及水分再分配作用提升水量的空间分布格局与生态效应，发现胡杨根系水分再分配过程主要发生在0-120 cm土层，其中以60-80 cm土层再分配水量最大（HRWmean=0.078mm）。探讨了植物个体蒸腾到种群蒸腾耗水以及由群落到生态系统的蒸腾耗水的尺度上推方法、途径，构建了基于单株蒸腾的林分尺度蒸腾耗水模型，计算得出胡杨幼林在生长季的日蒸腾耗水量为3.1±0.3 mm /d,成熟林2.8±0.4 mm/d, 过熟林2.2±0.2 mm/d；胡杨林分6~10月蒸腾总量为382.37 mm，整个生长季的耗水量在400 mm以上。综合植物的水分利用方式和水分来源及对干旱的适应策略，提出了苦豆子、花花柴、柽柳和过熟胡杨是恢复黑河下游受损生态环境的最佳植物种组合方式。结合本项目研究，发表课题研究论文30篇，其中SCI检索18篇，培养研究生10名，派出5名课题组成员出国学习进修，参加国际学术交流5人次。本项目研究全面完成了科研任务和各项指标，达到了预期目标。