北京山区干旱胁迫下侧柏叶片水分吸收策略

干旱与半干旱地区,水分是限制树木生长的重要影响因子。由于降水稀缺且分配不均,叶片吸收水分是此地区树木吸收和利用小量级降水和凝结水的主要方式。北京山区处于易旱少雨的生态脆弱地带,森林植被经常遭受干旱胁迫,所以对该地区的森林系统而言,叶片直接吸收利用截留的降雨是干旱时期树木获得水分的重要途径。基于野外对比控制试验和室内盆栽模拟试验,选取北京山区的主要造林树种侧柏为研究对象,进行利用天然降雨与模拟降雨试验,研究降雨前后侧柏叶片吸水特征,探究侧柏在干旱环境下如何通过叶片吸水缓解干旱胁迫。结果表明:当侧柏长期处于干旱胁迫状态时,叶片可以利用降雨,从中获益用来缓解树木的干旱胁迫状态;叶片的吸水能力与降雨强度呈正相关关系,与土壤含水率呈负相关关系;重度干旱下侧柏植株在降雨强度为15 mm/h时叶片吸水现象最明显,叶水势变化最大为(1.18±0.17) MPa,叶片含水率变化最大为(8.47±1.00)mg/cm^(2);当土壤水率高于20.8%时,基本不发生叶片吸水现象。试验结果说明在干旱地区叶片吸水是树木除根系吸水外的重要水分来源方式,并且对干旱地区有效利用短缺水资源,减轻植物水分亏缺具有重要意义。

基于稳定同位素的SPAC系统水分转化研究进展

大气⁃土壤⁃植被连续体(soil⁃plant⁃atmosphere continuum,SPAC)系统水分转化过程是生态水文学重要的研究内容。稳定同位素作为天然的示踪剂能有效示踪、整合和指示SPAC系统中的水分输入、输出以及转化过程。笔者在简述稳定同位素应用原理的基础上,以垂直方向上SPAC系统水分运移的视角,阐释基于稳定同位素技术的土壤⁃根系界面水分运移、植物传输水分中存在的分馏和植物冠层⁃大气界面水分交换的研究进展,探讨了SPAC系统水分转化研究中稳定同位素技术在分馏机制、时间分辨率与空间异质性方面的局限性。认为未来基于稳定同位素的SPAC水分转化研究还需着重在以下3个方面进行:①借助广泛应用于其他领域的便携式同位素分析仪对各种同位素水池同位素组成进行原位观测;②结合多种同位素分析水体同位素组成来分析土壤⁃根系界面水分运移过程,进一步确定树木水分来源,提高识别和划分的准确性,并以此完善稳定同位素应用模型;③利用同位素标记盆栽实验精准控制叶片吸水的水源,高分辨率地解析叶片吸水的发生位置以及时间;④结合控制性同位素标记实验并利用离心技术提取木质部导管中的汁液水,对比分析各水池同位素偏差,以深入开展同位素分馏机制的研究。

干旱胁迫下杉木叶片吸水及水分逆向运移特征

全球气候变化下降水格局时空分布不均导致亚热带地区季风气候周期性干旱日益严重,而叶片吸水对缓解植物干旱胁迫具有重要的生态和水文效应。本研究以盆栽杉木(Cunninghamia lanceolata)作为对象,利用重水(δD)喷施模拟降水,设置4个土壤水分(自然充沛、自然适宜、轻度干旱和中度干旱,分别对应实际土壤含水量(SWC)21%~26%、16%~21%、12%~16%和8%~12%)和4个叶面湿润时长(10、30、40和60 min),对杉木叶片吸水及逆向运移重水的利用比例进行连续监测。结果表明:当土壤受到干旱胁迫(SWC 8%~16%),叶片持续喷湿时间≥30 min时,叶片会发生吸水,且叶片吸收的水分可沿叶-枝-根的水势梯度逆向运移到木质部和根附近土壤中,改善植物水分状况;叶片对逆向运移重水的利用比例随降水结束后时间的增加而逐渐减小,在降水结束1 h后达到最大值,为10.82%;枝条和根对逆向运移重水的利用比例随降水结束后时间的增加先升高后缓慢减小,其分别在降水结束2 h和2~4 h后利用比例达到最大,为8.36%和0.65%,说明杉木各个部位对逆向运移重水的利用比例不同,响应时间也不同且存在一定的滞后性。因此,杉木可以通过根和叶吸收水分,对季节性干旱地区利用自然水资源、有效缓解自身干旱胁迫具有重要意义。

基于稳定同位素和热比率技术的侧柏水分逆向运移特征与过程

植物在一定环境条件下可通过叶片吸水发生水分逆向运移来维持自身生长,尤其是在季节性干旱地区。但这一过程通常被忽视,使得在量化理解干旱胁迫下的森林植被水分利用过程与机制方面仍存在一定的空白。本研究以北京山区为研究区,以其典型造林树种侧柏为研究对象,利用稳定同位素和热比率技术,通过野外布设对比试验和室内控制盆栽试验,分析树木体内水分逆向运移的发生条件和规律,量化逆向运移量及补给率,研究不同部位水分逆向运移变化特征及过程。结果表明:在野外对比试验中,控制样方在雨后的树木胸径和根系处监测到逆向液流,且根系逆向液流的发生比胸径处会有所延迟,而对比样方则无逆向液流;在室内控制试验中,不同处理组在雨后2 h树木各部位逆向运移补给率达到最高值,除重度和中度干旱处理外,雨后8 h基本恢复初始状态,水分逆向运移对植物的影响一般不超过24 h;叶片吸水量与其产生的对枝条和根际土壤的逆向补给率和土壤前期含水量呈负相关关系,对叶片、枝条和根际土壤的最大补给率分别为(9.5±0.1)%、(5.9±0.3)%和(5.7%±0.6)%;在水分逆向运移过程中,侧柏不同部位水分运移对时间的响应不同。在复杂多变的水分供给条件下,研究植物水分逆向运移的过程与机制,对准确理解其生存和竞争力具有重要意义。

叶片吸收水分的研究进展

叶片吸收水分(foliar water uptake, FWU)是植物通过叶片"逆蒸腾作用"吸收和利用空气水分的现象。近年来, FWU一直是植物生理生态学领域的研究热点,几乎所有生态系统中的植物都存在FWU生理过程。FWU对植物个体、群落和生态系统的水分及碳平衡起到了不可忽视的作用,尤其是在全球气候变暖导致干旱加剧的背景下, FWU备受关注。为此,本文总结了国内外研究具有FWU现象的各科物种数量、FWU过程和影响因素:(1)降雨和云雾导致空气相对湿度上升或土壤水势降低等外界环境因素;(2)叶片表面结构对水分的渗透影响;(3)叶片内部结构和物质通过改变叶片吸水速率和通量进而影响FWU。同时,本文归纳了FWU的生理生态学意义:FWU可通过提高植物叶片水势,增加气孔导度和光合速率等,促进植物的生存和生长发育。此外,在极端情况下,叶片吸收的水分还可以通过植物的维管系统进入到根系及根周的土壤中,具有改善土壤水分平衡和保持水土等作用。

柠条(Caragana korshinskii)、油蒿(Artemisia ordosica)、花棒(Hedysarum scoparium)叶片吸水潜力及影响因素

叶片吸水是干旱荒漠人工植被区植物利用小量级降水的主要方式,对缓解植物干旱胁迫具有重要的生态水文学意义。测定了腾格里沙漠人工固沙植被区1956、1964、1981年栽植的柠条(Caragana korshinskii)、油蒿(Artemisia ordosica)和花棒(Hedysarum scoparium)叶片单位面积吸水量(LWUC)、叶片含水量增加率(Rw)、叶片水分饱和亏(WSD)、比叶面积(SLA)和叶片干物质含量(LDMC),并分析了它们与叶片水势、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及浅层、深层土壤水分之间的关系。结果表明:柠条、油蒿、花棒的叶片均具有吸收水分的能力,吸水量油蒿>花棒>柠条,LWUC分别为0.249~1.879、0.429~10.009、0.051~4.955 mg·cm-2。LWUC最适合表征植物吸水能力的性状,柠条的LWUC与Rw、LDMC极显著正相关(P<0.01),与SLA显著正相关(P<0.05);油蒿的LWUC与Rw、WSD极显著正相关(P<0.01);花棒的LWUC与Rw、WSD极显著正相关(P<0.01),与SLA显著负相关(P<0.05)。柠条和油蒿的叶片单位面积吸水量主要受叶片水势的影响,而花棒则受叶片水势和WUE的共同影响,但在不同年代的人工植被区,浅层土壤水分均为主要影响因子。