我組在功能性狀對防護(hù)林樹種抗旱性影響機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展
我國"三北"地區(qū)的防風(fēng)固沙林在維系國土生態(tài)安全方面具有關(guān)鍵作用,但受氣候暖干化以及極端氣候事件頻發(fā)等的影響,防護(hù)林出現(xiàn)了普遍衰退死亡的現(xiàn)象,我國北方廣大地區(qū)防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性在未來面臨較大的不確定性。水力學(xué)相關(guān)功能性狀對樹木適應(yīng)和響應(yīng)干旱具有至關(guān)重要影響,而樹木徑向生長動態(tài)是樹木適應(yīng)響應(yīng)環(huán)境的重要綜合表現(xiàn)形式,通過將樹木年輪分析和水力學(xué)相關(guān)等關(guān)鍵功能性狀研究相結(jié)合,可為揭示樹木對干旱等的適應(yīng)和響應(yīng)規(guī)律及其生理機(jī)制提供新穎的研究途徑。
在遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺研究基地同質(zhì)園條件下,我們細(xì)致分析了7種針葉樹種的重要生理功能性狀,分析了其對樹木徑向生長表現(xiàn)的影響,以揭示水分受限條件下防風(fēng)固沙造林樹種功能穩(wěn)定性形成的生理生態(tài)機(jī)制。結(jié)果表明:(1)在該水分受限環(huán)境中,具有較強(qiáng)木質(zhì)部水分傳導(dǎo)效率的樹種雖具有較高的瞬時(shí)光合速率,但并沒有表現(xiàn)出較快的徑向生長速率,較高資源獲取和利用潛在效率相關(guān)的功能性狀在水分受限環(huán)境中反而制約了樹木的生長。(2)具有較強(qiáng)的木質(zhì)部水分傳輸效率的物種,表現(xiàn)出了較弱的水分傳輸安全性,在面對極端干旱事件時(shí)受到更嚴(yán)重的水力損傷,從而抵消了其較高潛在水分運(yùn)輸和光合碳同化能力方面的優(yōu)勢,導(dǎo)致其在極端干旱期間的徑向生長速率下降更為顯著,同時(shí)也表現(xiàn)出對年際間降雨波動更高的敏感性。(3)水分傳輸與利用更加保守的樹種,則對極端干旱表現(xiàn)出較強(qiáng)的抵抗力,徑向生長對年際間降雨波動的敏感性低,在水分受限環(huán)境中具有更高的功能穩(wěn)定性。
同樣,我們發(fā)現(xiàn)在造林實(shí)踐中具有不同功能性狀的樹種對環(huán)境適應(yīng)性存在顯著差異。通過將樹木年輪氣候分析和水分生理功能性狀測定相結(jié)合,我們研究了塞罕壩機(jī)械林場最重要的兩個造林樹種——華北落葉松和樟子松生長表現(xiàn)隨海拔梯度(1336,1428,1517,1687,1825m)變化出現(xiàn)明顯分異的生理生態(tài)機(jī)制。結(jié)果表明:(1)在相對濕潤的1500m海拔以上的林地中,華北落葉松徑向生長速率高于同一海拔的樟子松,這與該環(huán)境中華北落葉松具有更高的木質(zhì)部水分傳輸效率相一致。(2)與之相反,在海拔低于1500m的林地中華北落葉松徑向生長速率明顯低于樟子松,甚至在海拔1300m左右只有樟子松可以存活。水力學(xué)研究結(jié)果表明,低海拔下兩種樹木木質(zhì)部栓塞風(fēng)險(xiǎn)都顯著增加,但落葉松增加更為顯著,水力失敗是該區(qū)低海拔下落葉松人工造林難以成功的重要機(jī)制。(3)樹輪氣候相關(guān)分析結(jié)果也表明,較低海拔下的華北落葉松徑向生長受水分的限制顯著強(qiáng)于樟子松。
該研究表明,可通過水力結(jié)構(gòu)等方面的關(guān)鍵功能性狀測定,為氣候變化背景下防風(fēng)固沙造林樹種的篩選和優(yōu)化提供科學(xué)參考。
研究成果分別以"Greater hydraulic safety contributes to higher growth resilience to drought across seven pine species in a semi-arid environment"和"Contrasting patterns of radial growth rate between Larix principis-rupprechtii and Pinus sylvestris var. mongolica along an elevational gradient are mediated by differences in xylem hydraulics"為題,發(fā)表在Tree Physiology和Forest Ecology and Management。植物生理生態(tài)學(xué)科組博士研究生段春旸、助理研究員李名勇分別為兩篇論文的第一作者,郝廣友研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(31722013, 31901093)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020YFA0608100)、中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所特色所大團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的支持。
圖1. 重要生理功能性狀對防風(fēng)固沙造林樹種抗旱性的影響
圖2. 塞罕壩不同海拔(水熱組合)條件下落葉松和樟子松徑向生長規(guī)律的差異
圖3. 塞罕壩不同海拔條件下落葉松和樟子松水力性狀的差異
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