喀斯特关键带植物水分适应机制研究取得新进展
作者：环江站 更新时间：2023-04-26
西南喀斯特关键带具有基岩广泛出露、土层浅薄且不连续的特点，与土层较厚的非喀斯特关键带相比，同等深度范围内的储水能力明显偏低，加之水分渗透性强，岩溶干旱风险高，严重制约该区植被的生长和可持续恢复。在此背景下，探明植物的水分利用来源是理解喀斯特关键带植物对“石多土少水缺”环境适应机制的关键。
水分来源是植物水分适应机制的核心，涉及吸水深度来源（空间来源）和时间来源两方面。但目前关于植物水分来源的研究大多集中在空间来源方面，包括不同深度的土壤水源、地下水源、甚至是基岩裂隙水源。而植物水分的时间来源是表征植物利用何时的降水补给水源，能综合反映植物对降水变化的适应机制。然而，在喀斯特地区，因地下复杂岩土结构和取样困难的挑战，植物水分利用的空间来源难以精确量化。团队前期研究表明水分来源深度直接影响喀斯特石生植物的水势调节及干旱脆弱性（Ding et al. 2021）。此外，从植物水分利用的时间来源角度，前期研究提出了量化植物根区水分滞留时间模型（Luo et al. 2021），并对比分析了喀斯特与非喀斯特关键带典型植物根区水分补给动态的异同，发现在不同关键带和气候环境下，降水在植物根区的分流（Bypass）现象广泛存在（Luo et al. 2022）。这为理解降水变化如何影响植物水源及其在植物根区再分配过程奠定了基础。但在全球气候变化背景下，降水格局的变化如何耦合关键带结构影响植物的水分利用模式及其适应机制尚不清楚，喀斯特关键带植物水分适应策略有何独特之处并不明确。
针对以上问题，中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站陈洪松课题组依托环江站植物-水分关系研究平台，并综合文献数据，利用稳定同位素示踪技术，估算了植物根区水分被降水（新水）补给的比例，基于根区新旧水比例，采用分段线性混合式水龄（滞留时间）模型计算了植物蒸腾水龄的季节变化（反映植物水分利用的时间来源）。对比分析了不同气候类型（温带大陆性气候、温带海洋性气候、温带季风气候、地中海气候和亚热带季风性湿润气候）下典型植物蒸腾水龄的季节动态及其影响机制。
研究结果发现，不同气候区植物蒸腾水龄季节变化明显，变化范围约为1~229天。在相对湿润气候区，植物蒸腾主要依赖当月降水补给的水源（约占全年水源的60%）；而在相对干旱的气候区，植物蒸腾很大程度上依赖来自前几个月/季节的降水补给的水源。这表明气候类型是影响植物蒸腾平均水龄的主要因素，但同时受根系深度的调控。研究揭示了不同的关键带结构通过影响植物根系深度分布和根区储水能力来调控降水的入渗、补给和滞留时间，进而影响植物的蒸腾水龄及水分适应机制。此外，研究考虑了蒸发对根区水源稳定同位素的影响，解决了稳定同位素示踪植物水分来源研究中蒸发效应的校正问题。
更为重要的是，与其他非喀斯特地区植物相比，喀斯特石生环境植物蒸腾平均水龄最短（<30天），主要是由该区植物根区储水能力低以及频繁地被降水补给所致，表明在降雨充沛的西南喀斯特地区，降水频率对多石少土生境植物生长更为重要。研究预示喀斯特关键带植物对复杂岩土结构主控的快速水文过程具有独特的水分适应机制。但这种适应策略的植物在较长时间无降水补给条件下，可能面临严重的干旱胁迫而枯亡。
该研究成果近期以Water age dynamics in plant transpiration: the effects of climate patterns and rooting depth为题，发表在水文领域著名期刊Water Resources Research上。研究得到国家自然科学基金重点基金（41930866）、青年基金（42107103）等项目的支持。（罗紫东 撰稿）
植物蒸腾水龄估算模型概念图
不同气候区植物蒸腾水龄的季节变化
不同气候区植物蒸腾水龄的累积分布