降水梯度带共有种银白杨适应策略的区域分异规律

【目的】揭示共有种银白杨对环境适应策略的区域分异规律,可为气候变化背景下预测植物适应潜力提供数据支持。【方法】沿中国东南至西北降水梯度带选取9处国有林场,测量银白杨水碳相关的18个功能性状,采用性状网络与主成分分析等方法,量化性状的区域分异规律,阐明驱动性状变异的主要气候因子及其生境适应策略。【结果】(1)各性状的变异系数为12.09%~60.35%,其中光合生理及气孔相关性状的变异水平普遍高于其他性状。(2)生长季光合有效辐射、生长季平均气温、年均降水量及干燥度指数对性状变异的影响分别为35.45%、28.37%、19.36%、16.93%,其中生长季光合有效辐射是驱动性状变异最主要的气候因子。(3)性状网络的中心性状为最大净光合速率。【结论】在降水梯度带银白杨适应策略存在差异,由湿润/半湿润区至干旱区,其碳经济策略由相对保守型向获取型转变。

湿润地区3种松属植物枝和根导水系统的效率-安全关系

【目的】干旱导致的树木衰退甚至死亡并不局限于干旱地区,湿润区树木干旱适应能力弱,更易因水力失效而死亡。建立湿润区树木器官水平上的木质部结构与水力功能性状(包括输水效率和安全)的数量关系,是解答湿润区树木干旱致死机制的关键。【方法】以湿润地区马尾松、日本五针松和湿地松为对象,测定其枝条、根的木质部水力功能性状(导水率与栓塞抗性)和结构性状(管胞、纹孔特征等)。结合已发表的其他松属树种相关数据,检验了松属枝条与根的水力效率-水力安全权衡;定量分析了木质部输水效率(K_(s),单位边材面积的导水率)和栓塞抗性(P_(50),导水率损失50%时的木质部水势)的结构基础。【结果】1)对所研究的松属3个种,根比导率(K_(sr),根单位边材面积的导水率)>枝条比导率(K_(ss),枝条单位边材面积的导水率),根P_(50)>枝条P_(50);K_(ss)与K_(sr)正相关,枝条P_(50)与根P_(50)也呈正相关;3个种均属低效率低安全性树种。2)相关分析表明:K_(ss)与枝条P_(50)负相关,枝条存在效率-安全权衡;K_(sr)与根P_(50)的决定系数接近0(R^(2)=0.01,P=0.94),即根无效率-安全权衡。这种功能权衡关系由其解剖结构决定:K_(ss)与枝条P_(50)对结构的需求趋异(枝条有效率-安全权衡),而K_(sr)与根P_(50)对结构的需求趋同(根无效率-安全权衡)。3)冗余分析表明,枝条纹孔膜面积对K_(ss)解释度最高,枝条纹孔塞面积对枝条P_(50)解释度最高;根木材密度对K_(sr)解释度最高,根塞缘面积对根P_(50)解释度最高。【结论】枝条和根的输水效率、栓塞抗性主要由木质部结构决定,其中纹孔结构影响最大,木材密度与管胞壁厚度次之。马尾松、日本五针松和湿地松的枝条存在效率-安全权衡,而根不存在这种权衡,其相关的结构性状解释为:效率与安全的结构需求趋异存在权衡,趋同则无权衡。

湿润区3种杉科植物枝和根木质部的水力功能与解剖结构的关系

【目的】全球变暖导致干旱强度增大、频率更高。研究湿润区3种杉科植物枝条和根系的水力功能性状和木质部结构性状的差异,以及木质部结构性状与水力功能性状的数量关系,有助于了解湿润区植物的干旱适应机制,为湿润区树木死亡风险在时空上的相对可预测性提供数据支持。【方法】以湿润区池杉、落羽杉和北美红杉为研究对象,测定枝条和根系的导水率和脆弱曲线,制作石蜡切片观察枝条和根系的木质部解剖结构,并计算管胞结构和纹孔结构参数。【结果】3个树种根系的P20、P50、P88(导水率损失20%、50%、88%时所对应的木质部水势,代表枝条和根系栓塞抗性的大小)均小于其枝条;枝、根比导率与P50相关分析的决定系数接近0(R2=0.01,P=0.62)。木质部解剖结构与功能性状的相关分析发现:管胞直径与比导率显著正相关(r=0.82,P=0.001),管胞密度与比导率显著负相关(r=-0.68,P=0.01);纹孔塞面积与P50正相关(r=0.4,P=0.19)。冗余分析表明:管胞直径对比导率有显著影响且解释度达80.1%(P=0.004);纹孔塞面积对P50影响较大且解释度达70.1%(P=0.18)。【结论】杉科3个树种根系的栓塞抗性均比枝条弱。其枝、根木质部导水系统无效率-安全权衡关系,因为决定其输水效率(比导率)的是管胞直径,决定其栓塞抗性(P50)的是纹孔塞面积,即枝、根木质部导水系统不具备效率-安全权衡的基础。3个树种均为低效率低安全性物种。

杉科植物枝/根木质部水分运输功能、机械强度与解剖结构的关系

【目的】研究湿润地区杉科Taxodiaceae北美红杉Sequoia sempervirens、落羽杉Taxodium distichum、池杉T.distichum var.imbricatum木质部水分运输、解剖结构和机械强度的定量关系,探讨木质部解剖结构与功能在器官和物种水平的权衡。【方法】以浙江省天目山北美红杉、落羽杉、池杉为研究对象,用空气注入法测量3种植物枝/根的比导率(K_(s))和栓塞抗性(P_(50)),测量管胞壁厚度(T_(t))、纹孔膜面积(A_(pm))、纹孔口面积(A_(pa))、纹孔膜直径(P_(d))、纹孔口直径(A_(d))、水力直径(D_(h))、管胞密度(N_(t))、纹孔开口比((R_(ap)))、纹孔密度(N_(pm))等指标与水分运输有关的解剖结构,以及木质部密度(D_(w))、厚度跨度比(T_(tob))等与机械强度相关的指标,同时分析了水力功能与结构的关系。【结果】3种植物根的输水效率高于枝,栓塞抗性低于枝;北美红杉枝和根、落羽杉根以及池杉枝和根的K_(s)与P_(50)均为正相关,落羽杉枝的K_(s)与P_(50)有微弱的负相关,差异不显著(R^(2)=0.03,P=0.35),因此,3种植物在种内水平上没有效率-安全权衡;在跨物种间,K_(s)与P_(50)存在权衡,遵循指数为−2.23的负幂函数关系(R^(2)=0.91,P<0.001);北美红杉枝的K_(s)与D_(w)(R^(2)=0.37,P<0.01)、K_(s)与T_(tob)(R^(2)=0.20,P<0.01)、P_(50)与T_(tob)(R^(2)=0.20,P<0.01)均有显著的负相关关系。【结论】3种植物枝与根的木质部安全性和效率均较低,在种内水平上没有效率-安全权衡,这是因为3种植物对高安全性和高效率的结构需求不同,即效率-安全权衡的结构基础并不存在。

罗汉松科3种植物茎和根木质部水分运输、解剖结构与机械强度之间的关系

水力失效是植物干旱死亡的主要机制。量化分析水力性状的种间和器官间差异是预测树木在气候变化下的响应甚至生存能力的基础。该研究对比分析了罗汉松科3种植物器官(茎和根)水平上水力功能性状的差异,并探讨其与解剖结构和机械强度之间的关系。在湿生同质园内选择罗汉松科3种植物,测定了茎和根木质部水力功能性状(最大比导率(K_(s))和栓塞抗性(P_(50)))、解剖结构性状(管胞直径(D_(t))、水力直径(D_(h))、管胞密度(N_(t))、管胞壁厚(T_(w))、纹孔膜直径(D_(p))和纹孔密度(N_(p)))和机械强度(木材密度(WD)和管胞厚度跨度比((t/b)^(2)))。结果发现:(1)罗汉松科3种植物茎木质部不存在效率-安全权衡,而根木质部存在权衡。(2)茎Ks与Dp显著正相关,与(t/b)^(2)和WD无关;茎P_(50)与D_(p)极显著负相关,与(t/b)^(2)和WD无关。(3)根K_(s)与D_(h)显著正相关,与Tw和(t/b)^(2)极显著负相关;根P50与Tw、(t/b)^(2)和WD均极显著正相关。在罗汉松科植物中,根木质部性状与输水效率和栓塞抗性的密切关系是解释其存在效率-安全权衡的基础,而茎木质部的过度建造是茎不存在效率-安全权衡的原因,木质部的过度建造仍需要更多的实验证据。

三种裸子植物木质部结构与功能对不同生境的适应

生境异质性是影响植物生长发育的重要因素。植物木质部水力系统是土壤-植物-大气连续体的主要通路,直接影响植物的基本行为和功能,同时也反映了植物对环境变化的适应性。为对比天目山3种裸子植物枝条木质部水力功能、机械和解剖结构性状在不同生境(自然生境与人工生境)的差异,揭示裸子植物对不同生境的适应机制,该研究以金钱松(Pseudolarix amabilis)、杉木(Cunninghamia lanceolata)和雪松(Cedrus deodara)为研究对象,测定枝木质部导水率、栓塞抗性(导水率损失50%时的水势)、机械以及解剖结构性状。结果发现:1)人工生境植株比自然生境植株水力效率弱,但栓塞抗性强。2)自然生境雪松木质部导水系统存在效率-安全权衡;不论自然还是人工生境杉木、金钱松木质部导水系统均无效率-安全权衡。3)人工生境雪松和金钱松木质部存在机械-安全权衡。相比人工生境,土壤水分有效性低的自然生境中,植物采用增大纹孔膜直径来提高水力效率,此外,还可通过增加木材密度、扩大管胞直径来避免栓塞带来的威胁。

自然和人工生境被子植物枝木质部结构与功能差异

水是植物生存与生长的基础条件,水分有效性影响植物木质部解剖结构、水力功能,使之形成特定的适应特征。因此,对比自然与人工生境中同一植物的水力功能与解剖结构差异,有助于理解植物对水分环境的适应机理。该研究以湿润区三角槭(Acer buergerianum)、青冈(Cyclobalanopsis glauca)和女贞(Ligustrum lucidum)为研究材料,对比分析了自然和人工生境中各物种的栓塞抗性(导水率损失50%时的水势(P_(50)))、输水效率(比导率(Ks))和解剖结构(导管直径(D)、导管壁厚(T)、导管密度(N)、木质部密度(WD)、厚度跨度比(t/b)^(2))特征,探究了同生境种内与跨生境、跨物种水平的效率-安全权衡关系,量化分析了水力功能与解剖结构的关系。结果发现:1)3种被子植物在自然生境中Ks更大,P_(50)更小,与其更大的D、更小的(t/b)^(2)有关。2)同生境种内Ks与P_(50)不存在权衡。3)功能性状和解剖结构相关分析表明:同生境种内D与P_(50)不存在显著的相关关系;除自然生境女贞外,T、(t/b)^(2)均与P_(50)正相关。相对于人工生境,在水分有效性低或无额外浇灌的自然生境中,植物通过增大导管直径显著提高其输水效率,从而避免水势下降、降低潜在栓塞风险。

落羽杉和池杉功能性状随高度的变异与协同

高大树木木质部水分运输阻力和叶片蒸腾速率随树高的增加导致高度梯度水分供需矛盾。量化分析相关功能性状随高度的变异与性状协同关系,有助于深入理解植物的水分供需机制。该研究选取了生长在湿生同质园中的落羽杉(Taxodium distichum)及其变种池杉(T.distichum var.imbricatum),采用回归分析、单因素方差分析、通径分析等方法探究其水力(枝比导率(K_(s))、叶比导率(K_(l))、导水率损失50%时的水势(P_(50))、最大蒸腾速率(T_(r))、正午叶水势(ψ_(MD))、胡伯尔值(H_(v))等)、光合(最大净光合速率(P_(n)))和碳经济性状(比叶质量(LMA)、木质部密度(WD))随高度的变异规律、协同关系以及种间性状差异。结果发现:(1)落羽杉和池杉K_(l)、H_(v)、P_(n)和LMA随高度增加,其中P_(n)的增加可能与中冠层的T_(r)和最大气孔导度(G_(s))下降有关。(2)种内性状间协同关系:落羽杉和池杉K_(s)与H_(v)显著负相关,落羽杉WD与K_(s)显著正相关,池杉WD与H_(v)极显著负相关。(3)落羽杉和池杉高冠层存在水分限制,由达西定律和T_(r)计算的理论水分供需比(r)量化了水分供需能力的下降,且它们r=0时的理论最大高度(落羽杉:32 m(95%置信区间上限:57 m);池杉:21 m(95%置信区间上限:27 m))在历史记载的最大高度范围内。(4)池杉各个冠层高度K_(l)、H_(v)和LMA显著高于落羽杉,而P_(n)、T_(r)和G_(s)显著更低;池杉中、高冠层水力安全边界(HSM)显著更高,P_(50)显著更低:池杉保守的水力策略与低资源获取能力导致其最大理论高度较低,而落羽杉激进的水力策略与高资源获取能力导致其最大理论高度较高。