[目的]前山带是天山北坡山地-绿洲-荒漠生态系统的重要组成部分,探讨植物对干旱胁迫的动态生理适应性和抗旱性评价方法,筛选植被恢复的适宜树种,对该区域植被生态恢复具有重要意义.[方法]以新疆天山北坡前山带种植的12种植物为研究对象,观测灌水后土壤水分时空变化,分析干旱和复水对植物光合和抗逆生理指标的影响,采用主成分分析评价12种植物的抗旱能力.[结果](1)干旱胁迫后,土壤水分散失在0-20 cm层最快,20-40 cm层次之,40-60 cm层最慢,不同植物采用不同策略改变生长情况来适应干旱;(2)干旱胁迫后,叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、电子传递速率(ETR)和叶绿素含量降低,而抗逆生理指标超氧化物歧化酶(SOD)活性、脯氨酸含量、丙二醛(MDA)含量及非光化学淬灭系数(qN)升高,复水后各指标都有一定程度的恢复,但均未达到初始水平;(3)主成分分析结果显示,P、叶绿素含量、ETR和MDA含量等指标贡献率较大,梭梭、柽柳、刺蔷薇和柠条锦鸡儿抗旱性较强,'中亚沙棘'、'新棘5号'、'新棘1号'和山杏次之,而'新棘4号'、'新棘3号'、文冠果和'新棘2号'较弱.[结论]Pn、叶绿素含量、ETR和MDA含量可作为评价植物适应干旱的重要指标;新疆天山北坡前山带植被生态恢复应优先选择梭梭、柽柳、刺蔷薇及柠条锦鸡儿进行建植.

以塔里木荒漠区建群种胡杨(Populus euphratica Oliv.)为实验材料,研究3种典型异形叶的渗透调节物质和抗氧化酶活性沿地下水埋深(GWD)梯度的变化规律及适应干旱胁迫的策略.结果显示:(1)随GWD的增加,3种异形叶的相对含水量、叶水势、可溶性蛋白质(SP)含量和过氧化物酶(POD)活性呈降低趋势,水分饱和亏缺、游离脯氨酸(Pro)含量、可溶性糖(SS)含量和丙二醛(MDA)含量呈增加趋势,而超氧化物歧化酶(SOD)始终保持较高活性且较稳定.(2)条形叶Pro、SS含量与GWD呈极显著正相关,卵形叶SS、SP含量与GWD呈显著正相关,锯齿阔卵形叶SS含量与GWD呈极显著正相关.(3)条形叶主要以Pro和SS协同维持细胞渗透势以应对水分胁迫,卵形叶以增强渗透调节能力(SP、Pro、SS)来提高其抗旱性,锯齿阔卵形叶则以SS、Pro维持细胞膨压,并通过POD、SOD清除活性氧(ROS)协同适应干旱的荒漠环境.

喀斯特地区岩石裸露、土壤浅薄、持水能力差.对比分析喀斯特和非喀斯特森林树种叶性状有利于了解叶片对喀斯特生境的生理生态适应.前期比较研究集中在叶经济学性状,对叶水力学(抗旱)和机械抗性(防御)性状关注较少.该研究测定热带-亚热带地区典型喀斯特和非喀斯特森林共101种乔木的叶形态解剖、机械抗性和水力学性状,比较两个植物类群叶性状以及性状网络的差异.结果发现:(1)与非喀斯特森林乔木相比,喀斯特森林乔木叶撕裂力(Ft)较大、最大导水率(Kleaf max)较高,膨压丧失点(Ψtlp)和气孔安全边界均较低.(2)喀斯特森林乔木叶性状网络的平均路径长度和直径较短,边缘密度较大,表明叶性状之间的关联程度更高.(3)喀斯特森林乔木叶性状网络的关键性状为比叶质量(LMA)和机械抗性,而非喀斯特森林则为叶厚度(LT)和叶密度.喀斯特森林乔木LMA与Ψtlp负相关,与Ft正相关,即增加叶构建成本可同时提高机械抗性和耐失水能力;非喀斯特森林乔木无此相关关系.(4)喀斯特森林乔木Kleaf_max与叶抗栓塞能力(耐旱性)之间权衡,它们与叶形态解剖和机械抗性均不相关;非喀斯特森林乔木无水力学权衡关系,Kleaf_max与LT和叶密度显著相关.该研究进一步揭示了与非喀斯特森林相比,喀斯特森林乔木倾向于采取异水策略,且叶性状之间密切协同.

梭梭(Haloxylon ammodendron)是古尔班通古特沙漠的主要建群种,在生物多样性保护和防止旱地退化等生态系统服务方面有重要作用.气候变化引起的频发干旱对梭梭生存有显著的影响,明晰干旱胁迫下梭梭的抗旱策略,对于荒漠生态系统的可持续发展至关重要.水力性状和碳收益作为抗旱机制中的重要部分,目前对干旱胁迫下梭梭生存的水力性状阈值尚不明确.该研究以成年梭梭为对象,分别设置对照组和干旱处理组,对梭梭上、中、下3个高度的同化枝水分状况、枝条木质部导度损失率、气体交换特征、非结构性碳水化合物含量和形态特征等进行了测定,利用单因素方差分析检验不同处理及枝条高度间的各项性状差异,结合线性回归了解梭梭气孔敏感性,通过主成分分析解析梭梭的抗旱策略.研究表明:(1)梭梭的黎明和正午同化枝水势、同化枝含水量和枝条含水量均因干旱胁迫而下降,但并未随高度增加而降低;P50和P88(最大导水度损失50％和88％的木质部水势)未因干旱胁迫和枝条高度的增加显著变化,两个处理下3个枝条高度的P50平均值为-4.12 MPa,P88为-7.10 MPa,而水力安全边界在干旱胁迫下显著降低;(2)梭梭的气孔行为对水分亏缺敏感性低,干旱胁迫和枝条高度增加总体上未对其净光合速率和气孔导度产生显著影响;(3)同化枝和枝条非结构性碳水化合物含量未因干旱胁迫和枝条高度的增加而降低,反而略有升高,干旱胁迫下同化枝和枝条非结构性碳水化合物含量相较对照组分别升高22.11％和13.10％;(4)梭梭在干旱胁迫下的胡伯尔值相较对照组升高73.78％;比叶面积相较对照组降低14.60％,但两者均与对照组无显著差异.总之,梭梭的水力性状受干旱胁迫影响显著,但不受枝条高度的影响,并不存在随枝条高度增加的水力限制;干旱胁迫下,梭梭树冠外缘枝条同时发生水力失效的风险较大,水力安全边界(正午同化枝水势与P88的差值)只有对照组的40.85％;但由于梭梭气孔对水分亏缺的低敏感性,这使得其光合固碳并未受到影响,反而同化枝和枝条的非结构性碳水化合物含量会有所升高.

全球气候突变导致干旱事件频发,进而易引发严重的植物衰退甚至死亡,聚焦植物尤其是树木死亡的生理学机制并期望基于此评估及预测气候变化导致植物死亡风险已成为热点话题.植物通过调整内在生理代谢过程,例如通过调节渗透物质的含量,来平衡渗透势、维持细胞膨压、调节植物激素的信号水平,诱导植物气孔开放程度降低,有利于植物保存水分、调控植物水通道蛋白的表达,进而保持体内水分稳定并对干旱胁迫做出快速响应.这些生理过程中的每一环调节都为了确保水分运输的效率和安全性,增加植物抗旱性以及生态系统稳定性.植物的抗旱性不仅体现在生理代谢方面的调节,还表现在植物水力特性与解剖结构间相辅相成.当植物改变水力特性的同时,其茎叶会在解剖结构上做出调整以满足植物在干旱环境下水分供需平衡,从而降低植物蒸腾水分散失、增强细胞储水并提高生存能力.植物应对水分胁迫的策略通常与水分消耗和碳获取之间的平衡有关,明晰植物水分消耗与光合碳获取间存在平衡关系的性状特征便于更好地理解植物的水分利用策略.然而,植物表现出的任意单一性状特征的强弱都无法代表整个植物适应逆境的优劣,未来只有通过将植物更多性状特征进行相互关联,以具有代表植物水力功能、结构以及与光合能力相关的综合性状为重点,把众多相互关联的性状合理纳入模型系统,才能在大尺度上预测不同植物在干旱环境下的生存风险与生态分布.综述了干旱胁迫下植物生理代谢机制,同时阐述了植物水力特性与解剖结构及光合作用的关系,在现有研究基础上指明植物水力模型发展的重要意义,促进植物综合性状在水力模型与其他模型中的应用.这为评估当前生态系统中植物生存风险以及未来生态系统的健康水平提供依据.

为揭示混交林中阳性树种华北落叶松和阴性树种白杄径向生长对气候因子的响应及对干旱的生态弹性差异,构建河北塞罕坝头道沟和山西宁武县、岢岚县3个混交林中华北落叶松和白杄的标准年表,分析气候因子与各年表之间的相关性,研究华北落叶松和白杄应对干旱胁迫的抵抗力(Rc)、恢复力(Rt)、恢复弹力(Rs)差异.结果表明:在3个混交林中,华北落叶松和白杄径向生长与当年5-7月的平均气温、最高气温呈显著负相关,并且均与5-9月的帕默尔干旱指数(PDSI)呈显著正相关.干旱胁迫导致的树木径向生长下降在不同树种间具有明显差异,这种差异在树种间不同的生理生态调节策略中有所体现.在3个研究地点,白杄的抵抗力均显著高于华北落叶松,而华北落叶松的恢复力、恢复弹力显著高于白杄.因此,白杄比华北落叶松表现出更好的抗旱能力.在全球变暖背景下,相较于白杄,该地区华北落叶松可能面临更大的生长波动风险.

水分胁迫是干旱半干旱区限制植物生长的主要因素.以干旱半干旱区的3种锦鸡儿属植物为研究对象,从生态适应策略角度来分析3种锦鸡儿植物产生生态分离的原因.对三种锦鸡儿属植物茎干叶片的显微结构、生理功能(导水率、光合速率以及水分利用效率)进行测定,并统计了3种锦鸡儿植株的形态特征,如一、二级枝的直径、长度、末端叶面积.结果表明:三种锦鸡儿属植物都能形成较小的导管直径来适应旱生环境,但是在导水结构上又表现出一定的差异性.中间锦鸡儿的导管直径最小,次脉密度和最大净光合速率最大;柠条锦鸡儿的导管直径、叶片厚度和比叶重(LMA)最大.小叶锦鸡儿在导水率下降50％时的水势(P50)最大,水分胁迫时极易发生栓塞,但正是由于导管的栓塞降低了水分运输效率,使其在旱生环境中能够通过减少水分的供应来降低水分的丧失,从而保证自身生长的水分需求;而中间锦鸡儿则主要通过减小导管直径来适应旱生环境;柠条锦鸡儿的水分利用效率最高,抗栓塞能力最强,抗旱性最好,同时柠条锦鸡儿可以通过减少蒸腾面积来减少水分的丧失.植物的导管直径大小、叶片厚度、LMA、叶脉密度对植物导水速率、光合速率等生理功能都有一定的影响.

通过比较不同时期不同强度干旱胁迫下杉木1年生盆栽苗地上部分生长、根系构型以及根系中非结构性碳水化合物含量(TNC)的变化,并分析各指标之间的相关性,探究杉木根系在干旱胁迫下的适应性策略以及抗旱生理机制,以期为杉木造林生产和水分管理提供科学依据和技术指导.结果表明:随着干旱程度的加强,杉木幼苗地上部分干重(SDW)、根干重(RDW)、根长(RL)、根表面积(SA)、根体积(RV)、根尖数(RT)、根系分支角度(Angle)、分形维数(FD)逐渐减小,根冠比(R/T)逐渐增大,根系拓扑指数(TI)、根系平均直径(RD)先增大后减小,比根长(SRL)先减小后增大.而根系连接长度(LL)、TNC、糖淀比在不同时期表现出不同的趋势.连接长度随着干旱胁迫的加强在30 d和60 d时表现出逐渐增加趋势而在90 d时则表现出先减小后增大的趋势.TNC在30 d和60 d时先增大后减小,但90 d时,呈逐渐下降的趋势.糖淀比随着干旱胁迫的加强在30 d和60 d时表现出先增加后减小趋势,90 d时,表现为先减小后增大.干旱胁迫显著影响根系在不同径级的分布长度,且随着胁迫时间的延长不断变化.杉木地上部分生长与根系生长指标(RL、SA、RV、RT、RDW)以及根系构型指标(Angle、FD)之间存在显著的正相关(P＜0.01),根系平均直径与TNC存在显著的正相关(P＜0.05).总之,杉木通过增加根系光合产物的积累、提高根系建成成本,增加有限成本下根系的复杂程度和延伸范围,降低根系分支角度,使根系“更陡更深”来适应不同强度的干旱胁迫.

从国际马铃薯中心(International Potato Center,CIP)引进的资源中选取了两个生育期相同,耐旱性存在差异的马铃薯耐旱品种(C16 :CIP397077.16和 C119 :CIP398098.119)为材料,采用不限制根系生长的管栽模式,系统分析了不同水分胁迫下,这两个品种从外部形态特征,抗逆生化指标到根尖显微和超微结构的变化.结果表明:干旱胁迫会导致两个品种的根长、根活力、过氧化氢酶活力、可溶性糖和脯氨酸含量的显著升高,株高、叶片与茎杆夹角、根系相对含水量的显著降低,根尖中柱结构和细胞壁完整性发生显著改变,说明管栽模式对马铃薯根系响应干旱胁迫的研究较为理想.与C16相比,C119的绝大部分上述指标在正常浇水和不同水分处理下均表现出显著的优势,对干旱胁迫表现出了更好的适应性.此外,在干旱胁迫下,两个马铃薯品种的木质部导管直径变小、数量减少,且抗旱性更强的C119的木质部导管数量明显少于C16,这说明马铃薯也可能通过改变水分运输组织结构的策略来抵御干旱胁迫.

引进草种在亚热带边坡草坪上常遭遇遮阴和干旱,造成草坪退化甚至死亡.以具有边坡草坪开发价值的本土植物野生荩草为材料,设置5种遮阴度和4种干旱度交互形成20种协同处理,研究遮阴和干旱对荩草生理代谢及抗性系统影响的协同作用.结果表明,荩草具有极强的耐阴和抗旱潜力,可通过光合策略、代谢策略、抗性策略使植株逐步适应或应对生境胁迫,在重度遮阴或干旱下仍可存活.遮阴或干旱对荩草光合作用、物质代谢、抗氧化酶系统和细胞膜完整性有极显著影响.遮阴和干旱对荩草光合指标、代谢指标、抗性指标和受伤害指标有显著协同作用.Pn主要受遮阴影响,Gs主要受干旱影响,适度遮阴和干旱协同处理可提高荩草光合能力.干旱对荩草物质代谢的影响大于遮阴,氮代谢比糖代谢和呼吸作用受干旱或遮阴的影响更大,适度遮阴和干旱协同作用可改变荩草代谢水平.遮阴、干旱对抗氧化酶活性的影响不同,遮阴和干旱对POD有显著协同作用,对SOD和CAT有极显著协同影响,适度遮阴和干旱协同作用可提高荩草抗氧化酶活性.遮阴、干旱对细胞膜伤害性物质的含量影响不同,遮阴和干旱对SP含量无协同作用,对Pro、H2O2和MDA含量有显著协同作用,协同作用增加了荩草细胞膜受伤害的风险.遮阴和干旱对生理代谢及抗性系统影响的协同作用,提高了荩草的抗逆潜力和生态适应能力.