陸生植物對CO2的同化必然伴隨著水分的散失,在高等植物中進(jìn)化出維管系統(tǒng),使得物質(zhì)在植物體內(nèi)更高效地運輸,維管系統(tǒng)的產(chǎn)生對植物的進(jìn)化和全球生態(tài)系統(tǒng)的演化都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。樹木維管系統(tǒng)水分傳輸的效率和安全性是保障森林生產(chǎn)力形成的功能支柱,相關(guān)生理研究對于探討森林碳匯功能和森林氣候變化響應(yīng)等具有重要基礎(chǔ)意義。
復(fù)葉樹木是一類重要的樹種,我國“東北三大硬闊”(水曲柳、胡桃楸和黃檗)都為復(fù)葉樹種,復(fù)葉特征長期以來被認(rèn)為與較高的生產(chǎn)力有關(guān)。我們前期的研究表明,“東北三大硬闊”較大的復(fù)葉葉片和環(huán)孔材結(jié)構(gòu)二者相組合,使這些樹種得以實現(xiàn)比其他共存樹種顯著更高的水分傳輸效率,從而支撐高的潛在光合碳同化速率。然而,由于對木質(zhì)部結(jié)構(gòu)具有不同的需求,水分傳輸效率和對干旱造成的木質(zhì)部栓塞的抵抗力二者常呈現(xiàn)顯著權(quán)衡關(guān)系。復(fù)葉樹種在保障其高效水分傳輸能力的同時,如何避免災(zāi)難性氣穴化栓塞發(fā)生是一個重要研究命題,在極端干旱事件頻發(fā)的背景下該研究尤其具有重要意義。
我們以水曲柳和胡桃楸為研究對象,利用“木質(zhì)部栓塞可視化技術(shù)”分別對小葉葉脈、復(fù)葉葉柄、莖木質(zhì)部內(nèi)栓塞產(chǎn)生及擴散情況進(jìn)行實時捕獲及長時間序列記錄,量化了不同部位導(dǎo)管在干旱處理過程中氣穴化發(fā)生的動態(tài)過程。研究證實了復(fù)葉樹種枝條存在顯著的水力學(xué)脆弱性分割(hydraulic vulnerability segmentation)機制,即葉片、復(fù)葉葉柄和莖的水力失敗發(fā)生的臨界水勢顯著不同,氣穴化抵抗力依次為:莖>葉柄>葉片。同時,與葉片和葉柄相比,莖能夠在日間蒸騰強烈發(fā)生時仍保持較高的水勢,莖中氣穴化栓塞發(fā)生的風(fēng)險顯著低于葉片和葉柄。由于該機制的存在,在嚴(yán)重干旱發(fā)生時栓塞優(yōu)先在更末端的器官發(fā)生,復(fù)葉的水力系統(tǒng)在極端干旱時起到了“保險絲”的作用,通過“熔斷”機制以脫落葉片為代價保護(hù)了碳成本更高的莖干。而在濕潤生境的非極端水分狀況下,復(fù)葉樹種高效的水力系統(tǒng)支撐高的氣孔導(dǎo)度和光合速率,實現(xiàn)了高的生產(chǎn)力。復(fù)葉樹種是東北典型針闊混交林中的重要組分,本研究結(jié)果對探討該地帶性植被的氣候變化響應(yīng)具有重要科學(xué)意義。






