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聚焦干旱区植物与水分关系研究 科技支撑西北干旱区生态可持续发展——荒漠与绿洲生态国家重点实验室周洪华副研究员研究团队

2021-04-16

 

荒漠与绿洲生态国家重点实验室(以下简称“实验室”)是新疆首个国家重点实验室。实验室依托中国科学院新疆生态与地理研究所,围绕干旱区山地-绿洲-荒漠三大生态系统的关键科学和技术难题,重点开展荒漠环境保育与生态安全、盐碱地治理与土地生产力提升,水资源利用与绿洲可持续发展等方面研究及试验示范,创新干旱区科学研究的理论与方法,服务西北干旱区可持续发展与国家丝绸之路经济带建设。实验室周洪华副研究员研究团队近年来聚焦干旱区植物(植被)-水分关系研究,注重基础理论与生产应用的密切结合,取得一系列科学成果。
 
1 解析荒漠植物对水分胁迫的响应与适应,确定维系荒漠植物群落稳定的适宜水位和群落组成模式,丰富干旱区荒漠植物-水分互制研究,并促进了受损生态系统的恢复
水分是荒漠植物生长发育的关键生态因子之一,尤其是在极端干旱的塔里木河流域。因此,了解植物-水分互制关系对于干旱区植物演替和发育以及受损生态系统恢复有着重要的理论和指导意义。
(1)以稳定性严重受损的塔里木河下游荒漠河岸林为研究对象,解析了干旱区荒漠植物光合作用对水分胁迫的生理响应及适应机制,揭示了干旱区荒漠植物的衰退演替过程,并构建了维系塔里木河下游受损生态系统稳定的植物群落组成模式。研究发现,地下水埋深是控制干旱区胡杨生长的根本因素,地下水埋深和80 cm以下深层土壤含水量共同影响群落物种多样性。从维持群落物种多样性来看,小于4 m是保护塔里木河下游荒漠植物群落稳定的适宜地下水埋深,6 m是维系塔里木河下游植物生长的临界地下水埋深,9 m是维系植物生存的极限水位。
(2)采用树木年轮技术评估了未来气候变暖对荒漠河岸林的影响,研究发现胡杨生长对降水和气温等气象因素的敏感性主要依赖于区域水环境。判别胡杨生长对气候变化敏感性的地下水埋深关键阈值是67 m。当地下水埋深小于7 m时,降水可以有效地促进干旱区荒漠河岸林树木的生长,但当地下水埋深大于7 m时,降水对荒漠河岸林的生长并没有显著的影响。当地下水埋深小于6 m时,未来气温升高可以显著地促进干旱区荒漠河岸林植物的生长,而当地下水埋深大于6 m时,未来气候变暖反而将加剧干旱区荒漠河岸林的衰败。
该系列研究成果既丰富了荒漠植物与水分关系的基础理论,也为干旱区植物(群落)恢复提供了科学指导依据。
 
2 阐释干旱区荒漠植物的水分吸收、利用和传导过程,从不同角度提出荒漠植物在水分胁迫下的生存策略,拓宽了干旱区荒漠植物-水分关系的理论认知
以塔里木河下游荒漠河岸林关键建群种——胡杨为例,分析研究了胡杨在盐分胁迫下的水分传输和水分利用机制,并提出了胡杨的耐盐上限。通过对比胡杨根-茎-叶水分传输通道在长达3个月的零(0.00 g/L NaCl 溶液)、低(2.93 g/L NaCl 溶液)、中(8.78 g/L NaCl 溶液)、高(17.55 g/L NaCl 溶液)浓度的咸水灌溉胁迫中的响应发现,在胡杨组织器官对盐分敏感度上,根木质部对盐分胁迫的响应最为敏感,在遭遇盐分胁迫时,胡杨会立即降低根木质部导管对水分的传导率,降低植物吸水效率,因此,在盐分胁迫下,胡杨最先感受的是“渴”而非“饿”;在植株耐盐程度上,胡杨可以在8.78g/L的咸水灌溉下正常生长,其主要通过枝条木质部调节导管的组成结构和叶片调节气孔导度来维系中度盐分胁迫时水分在胡杨植株内的正常传输和利用。但是,当灌溉咸水的浓度达到17.55g/L后,胡杨无法维系其正常的生长发育,在这种重度盐分胁迫下,胡杨的光合过程、水分吸收和水分运输都受到严重抑制,从而造成胡杨体内水分和碳水化合物匮缺,最终导致其“饥渴交加”而死。
从木质部水分传导角度,提出了荒漠植物应对水分胁迫的主动防御策略:在木质部水分传输上,不同胁迫环境下,植物木质部水分传输方式不同。在研究区地下水埋深小于4 m、胁迫较小时,植物根木质部栓塞度较小,根系吸水能力相对较强,而枝条木质部水分传输能力较根系减弱,植物通过枝条木质部较强的水流阻力既可有效减少枝叶的水分散失,也有利于使根系输送的水分能在枝叶中均匀分配,保持植物体内有充足的水分来协调整个植株的正常生长发育。植物木质部这一水分传输特点表明,在地下水位较浅处,荒漠植物是通过枝条木质部限流来适应轻度干旱胁迫。而在严重干旱胁迫下(地下水位埋深大于6 m),胡杨和柽柳的根木质部栓塞程度明显大于枝条,这时荒漠植物水流阻力主要发生在根部,根系吸水能力受到严重限制,植株为了维持生存,只能主动降低枝条吸水阻力来竞争根部输送的有限的水分,使水分向叶片快速传输。然而,由于水分的有限性,部分竞争力不强的劣势枝条则因缺水而干枯,这种大部分枝条枯死、小部分枝条生长良好的主动防御现象在研究区胡杨和柽柳群落中很常见。
该研究成果扩宽了干旱区荒漠植物-水分关系的理论认知,为综合、全面地理解荒漠植物-水分关系提供了科学依据,并为干旱区荒漠植物的保育和恢复提供了理论指导依据。
 
3 提出利用树木年轮技术进行生态需水量评估和地下水埋深重建,为极端干旱区植物生态需水评估与地下水历史变化研究提供了新视角
生态需水量是水资源开发利用过程中必须考虑的一个重要水资源需求组分,尤其是在水资源极端匮乏的中国西北内陆河流域,它是脆弱生态区恢复重建的一个关键问题。目前生态需水量模型主要基于水量平衡、水热平衡、水盐平衡或水沙平衡,没有涉及生态系统和水文系统的互作机制,也未考虑水分与物种生产力之间的关系;同时这些水文模型采用的数据来源是相互独立的,由于观测和实验数据的时间序列有限,这些水平衡模型无法诠释水文过程和生态过程的交互作用,造成很多研究结果相互悖论。研究团队通过解析生态输水量与胡杨木质部生长发育的关系,定量评估了生态输水对木质部形成的贡献率,并采用树木年轮技术,从植物长期生长发育角度重新评估了干旱区荒漠河岸林不同生长状态下的生态需水量,提出将树木年轮作为定量评估生态输水下植被恢复效应和植被生态需水量计算的有效生态指标,为定量计算干旱区断流河流天然植被生态需水量和未来研究植被生理过程-生态水文过程互作机制提供了一个技术方法。
地下水历史数值模拟逐渐成为研究地下水各种问题的重要手段。然而,现有的地下水数值模拟模型涉及参数众多,数据获取难度大,参数校准过程复杂,因区域环境、地质、地理或生态因素的差异,模型的应用十分受限,拟合、重建或预测结果差异很大,精准度有待完善。研究团队发现塔里木河下游胡杨年轮主要承载区域水文环境变化信息,提出胡杨年轮可以作为研究塔里木河下游地下水变化过程的一个新的生态指标,并采用树木年轮技术重建塔里木河下游地下水近百年来的历史变化动态过程。该研究成果弥补了塔里木河下游地下水埋深历史数据资料的不足,为干旱区内陆河流域地下水重建研究提供一个新的视角。
周洪华副研究员研究团队面向国家和新疆维吾尔自治区科技需求,以干旱区植物与水分关系研究为主线,重点解析了荒漠植物对水分胁迫的响应与适应,阐释了干旱区荒漠植物的水分吸收、利用和传导过程,提供了极端干旱区植物生态需水评估与地下水历史过程研究的新方法,为西北干旱区生态可持续发展提供了科技支撑。