科研人員揭示固沙灌木環境適應性差異的水分生理機制

土地退化是當今世界主要的生態危機之一，我國北方乾旱、半乾旱地區面臨著嚴重的土地荒漠化風險。科爾沁沙地作為我國最大的沙地，其土地荒漠化風險嚴重威脅“京津冀城市群”和“遼中南城市群”的環境安全和生態文明建設。人工防風固沙灌木林的建立是科爾沁沙地植被恢復的主要措施之一，而選擇適當固沙灌木樹種是植被恢復成功與否的關鍵。在沙丘植被恢復過程中的各個階段，不同的固沙灌木種具有顯著不同的生長表現（圖1），但其生理機制尚不明確。中國科學院瀋陽應用生態研究所植物生理生態學科組、美國邁阿密大學、阿根廷國家科學與技術研究理事會的科研人員開展了合作研究，依託瀋陽生態所烏蘭敖都荒漠化試驗站，以幾種分別在流動和固定沙丘佔據優勢的重要固沙灌木為物件，研究了其木質部水分傳導和水分利用等相關生理特徵和過程，以揭示其水分生理適應機制。

結果表明，在沙丘植被恢復過程中土壤水分含量呈下降趨勢，固定沙丘不同土層的含水量總體上顯著低於流動沙丘。在植被恢復初期（流動沙丘）階段，先鋒灌木種具有“索取型”的水分利用策略、較高的水分傳導效率和光合碳同化能力（圖2），從而能夠實現相對快速的生長速率，迅速佔領生境並起到限制沙丘流動的作用，而相對快速的生長速率也是先鋒固沙灌木應對流動沙丘環境沙埋風險的重要適應機制。而在植被恢復後期（固定沙丘）階段佔據優勢的灌木種採取“保守型”的水分利用策略，具有較低的水分傳輸效率但更高的木質部氣穴化栓塞抵抗力（圖2），因此在乾旱脅迫更嚴重的固定沙丘上具有相對更強的存活能力。在沙丘恢復程序中，固沙灌木的水分消耗對土壤的水分狀況產生顯著的反饋作用，而土壤水分條件的變化又對灌木的生存產生影響，植物－土壤在水分關係方面的互饋作用是沙丘植被演替的重要生理生態學基礎。

該研究從木質部水力結構特徵和葉片水分利用策略角度，揭示了水分條件具有較大時空異質性的沙丘環境中不同固沙灌木環境適應性差異的生理生態機制。相關結果可為水分受限地區人工固沙植被建立過程中更好地遵循“適地適種”原則，以及為防風固沙灌木林的可持續經營管理提供基礎科學依據。相關研究成果分別發表於

Forest Ecology and Management

和

Land Degradation and Development

期刊。植物生理生態學科組博士研究生龔雪偉和郭晶晶分別為兩篇論文的第一作者，研究員郝廣友為通訊作者，該研究得到國家自然科學基金優秀青年基金、中科院國際人才計劃、遼寧省“興遼英才計劃”青年拔尖人才專案等的支援。

圖1。 沙丘植被恢復不同階段典型固沙灌木的環境適應性差異。

在人工植被固沙工程中，固沙灌木山竹巖黃芪和小葉錦雞兒通常被搭配種植，在沙丘植被恢復早期階段（左）山竹巖黃芪佔優勢地位，而小葉錦雞兒在後期階段（右）佔據優勢。

圖2。 沙丘植被恢復不同階段的優勢固沙灌木水分傳導（左）和水分利用（右）特徵。流動沙丘灌木烏丹蒿和小黃柳具有較高的水分傳導效率，採取“索取型”的水分利用策略；而固定沙丘灌木小葉錦雞兒和檸條錦雞兒具有較高的水分傳導安全性，採取“保守型”的水分利用策略。