多枝柽柳作为干旱荒漠区重要的防风固沙灌木,其长期与风沙作用过程中形成了柽柳灌丛沙堆,在维持区域生态环境稳定及遏制沙漠蔓延方面发挥着重要作用.以古尔班通古特沙漠西南缘地区不同发育阶段沙堆上生长的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)为研究对象,以空间序列代替时间序列的方法模拟沙堆堆积发育过程,揭示多枝柽柳生理特征对沙堆不同堆积发育阶段的响应及适应机制.结果表明:(1)在沙堆堆积发育过程中,多枝柽柳叶片相对含水量(RWC)及自由水/束缚水(Vs/Va)均呈先上升后下降的变化,其中,在增长阶段沙堆上最高,衰退阶段沙堆上最低,水分饱和亏(WSD)则呈相反趋势;组织含水量(TWC)呈逐渐上升的变化,清晨水势(ΨPD)及正午水势(ΨMD)呈逐渐降低的变化.(2)在沙堆堆积发育过程中,多枝柽柳的光合有效辐射(PAR)、叶片温度(TL)、光合电子传递速率(ETR)以及调节性能量耗散[Y(NPQ)]日变化均呈先上升后下降的变化,衰退阶段沙堆上多枝柽柳各参数的日均值最大;各发育阶段沙堆上多枝柽柳的非调节性能量耗散[Y(NO)]日变化均呈先下降后上升的变化,实际光化学效率[Y(Ⅱ)]日变化均呈"N"型,且Y(Ⅱ)日均值大小依次为增长阶段沙堆(0.489)＞稳定阶段沙堆(0.463)＞雏形阶段沙堆(0.455)＞衰退阶段沙堆(0.439).(3)气温(TEMP)和PAR与叶片Y(Ⅱ)均呈显著负相关,与ETR均呈显著正相关;Y(Ⅱ)与ETR、Y(NO)与Y(NPQ)均呈现显著负相关;PAR、TEMP是影响不同堆积阶段沙堆上多枝柽柳生理特性的主要环境因子.综合分析表明,在沙堆堆积发育过程中,多枝柽柳可通过调节光合作用和水分利用之间的协同关系来响应微环境的变化,从而减少其脱水风险以实现最大程度资源利用.

脆弱性分割是树木抗旱生理机制之一,但是关于喀斯特干旱生境植物的脆弱性分割情况及其生理意义尚不明确.该研究以热带、亚热带喀斯特森林共57种典型木本植物为研究材料,测定叶、茎脆弱性曲线以及最低水势,计算叶和茎的脆弱性分割(P50leaf-stem;数值越大代表脆弱性分割越强)以及水力安全边界,比较不同类群P50leaf-stem的差异并分析其与水力安全边界的相关关系.结果表明:(1)该研究木本植物的P50leaf-stem范围为-1.28-4.63 MPa,平均值为1.32 MPa,其中49种植物的P50leaf-stem为正值(正向脆弱性分割);(2)灌木的P50leaf-stem显著大于乔木,喀斯特山脊植物的P50leaf-stem显著大于山谷植物,但是常绿和落叶植物之间的P50leaf-stem差异不显著;(3)在旱季时期,P50leaf-stem越大的植物,其叶水力安全边界越小,茎水力安全边界越大,说明叶片发生栓塞有助于降低茎干木质部的水力风险.该研究证实脆弱性分割是大部分热带亚热带喀斯特木本植物应对干旱胁迫的重要水力机制.

为研究土壤含水量对旱季树体水势、树干呼吸和边材非结构性碳水化合物(NSCs)变化特征的影响,设置重度隔水(HD)、轻度隔水(LD)、旱季灌溉(DI)和对照(CK)4个土壤含水量水平,每隔半月监测各参数的动态变化.旱季土壤含水量和枝条水势呈下降趋势,各处理从11月底开始表现出显著差异.各处理树干呼吸与树干温度均具有良好的指数函数关系(R2≥0.65,P＜0.001),各处理温度敏感系数Q10为DI ＞CK＞LD ＞HD(P＜0.001).旱季树干温度和树干呼吸均呈下降趋势,且在1月达到最低.各处理树干温度只在气温较低的冬季达差异显著,树干呼吸总体表现为旱季灌溉增加树干呼吸,而干旱降低树干呼吸.旱季淀粉含量下降,可溶性糖含量上升,非结构性碳水化合物总量总体保持不变.各处理边材淀粉和可溶性糖差异显著,而NSCs总量差异不显著.相比于DI和CK,干旱(LD和HD)加速了旱季边材淀粉分解为可溶性糖的速率.树干呼吸与淀粉、可溶性糖均具有显著回归关系,树干呼吸分别解释了淀粉72％和可溶性49％的旱季变化;枝条水势解释了49％树干呼吸、75％淀粉和85％可溶性糖的旱季变化.土壤含水量很可能通过改变树体组织含水量,进而影响边材NSCs和树干呼吸.这些变量之间紧密的联系可能为干旱可以促进降香黄檀心材形成的猜想提供一定的理论基础.另外,基于树干呼吸与树体水势和NSCs的显著关系,树干呼吸可能也会对树木心材形成有一定指示作用.

为探究气候变化背景下降雨减少对森林的影响,2013年在宝天曼锐齿栎天然次生林原位建立了3块降水减少(截雨)样地,研究降雨减少对锐齿栎水碳关系和生长的影响.结果表明:降雨减少后锐齿栎枝条水势显著低于对照,最低水势为(-1.36±0.11)MPa,但锐齿栎木质部栓塞88％的水势值为-3.19MPa,叶片气孔关闭时的水势值为-2.5MPa,故降雨减少在这一地区没有对锐齿栎水力结构造成严重的干扰.降雨减少后,锐齿栎的叶片、韧皮部和木质部的总非结构性碳浓度与对照没有显著差异.木质部导管密度和叶片气孔密度变大,而导管直径和气孔长度变小.在天气较为干旱时,降雨减少处理的锐齿栎气孔导度日变化呈“双峰”曲线,而在湿润天气时呈“单峰”曲线且中午峰值显著大于对照.降雨减少处理的锐齿栎木材密度、Huber值、比叶面积和胸径生长与对照没有显著差异.降雨减少后锐齿栎树木没有遭受水力失衡或碳饥饿的危害,生长也没有受到显著影响,但是水力输导系统发生了适应性调节.

2014年5-10月,在宁夏六盘山香水河小流域选择了一个东南坡向的典型华北落叶松人工林坡面,设立上、中上、中、中下、下5个坡位的样地(P1、P2、P3、P4、P5),利用热扩散探针法监测树干液流,并同步监测气象、土壤水势等环境因子.结果表明:研究期间林分日蒸腾(Tr,mm·d-1)存在显著的坡位差异,不同坡位Tr为:P2(0.975) ＞P4(0.876) ＞P3(0.726) ＞P1(0.653) ＞P5(0.628).Tr与日最高气温(Tmax)、日均太阳辐射强度(SR)、日均饱和水汽压差(VPD)、日潜在蒸散(PET)、日均土壤水势(Ψ)呈显著正相关,与日均大气相对湿度(RH)、日降水量(P)、日最低气温(Tmin)呈显著负相关.基于边界线的斜率绝对值分析表明,从坡上到坡下,Tr对日均气温(T)、RH、VPD、PET和Ψ的响应呈现逐渐减小的趋势,而对SR、土壤体积含水量(VSM)的响应程度则逐渐增大.进一步回归分析和偏相关分析表明,VPD、PET和RH对不同坡位Tr的影响均占主导地位,Ψ和T对上坡样地Tr影响较大,而下坡样地Tr受SR、Tmin和VSM的影响较大.总体来看,Tr的坡位差异是土壤水分和气象条件共同作用的结果,在利用特定观测样地的液流速率尺度外推计算坡面Tr时,需同时考虑土壤水分和气象因子随坡位的变化.

在环境因子空间差异明显的半湿润地区,开展树干液流动态变化对坡位响应的研究,有利于探讨树干液流从样地到坡面的尺度上推方法,以准确估算坡面/流域尺度的森林蒸腾.在六盘山南侧香水河小流域一个东南坡向的华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林坡面,自上而下设立5个不同坡位的样地(P1、P2、P3、P4、P5),利用热扩散探针法监测树干液流,同步监测气象、土壤水势等环境因子.结果表明:研究期间日均液流速率(Js,mL·cm-2·min-1)存在显著的坡位差异,为P2(0.0397)＞P4(0.0368) ＞P3(0.0325)＞P5(0.0311) ＞P1(0.0278);Js与最高气温(Tmax)、太阳辐射强度(SR)、潜在蒸散(PET)、饱和水汽压差(VPD)、土壤水势(Ψ)、土壤水分(VSM)呈显著正相关,与最低气温(Tmin)、空气相对湿度(RH)、降水量(P)呈显著负相关,且相关系数大小存在明显的坡位差异;对边界线的斜率绝对值分析表明,液流速率对环境因子响应程度存在差异,从坡上到坡下,Js对气温、RH、VPD、PET及Ψ的响应逐渐减小,而对SR、VSM的响应程度则逐渐增大;进一步偏相关分析和回归分析表明,对不同坡位Js影响较大的主导环境因子均为PET和VPD,Ψ和Tmax对坡上样地Js发挥着重要作用,而坡下样地Js受SR和VSM的影响较大.综合来看,Js的坡位差异是土壤水分和气象条件共同作用的结果,在进行Js的尺度外推时,土壤水分和气象因子的坡位变化都是要考虑的因素.

桂西南喀斯特地区生物多样性丰富、特有种多,同时也是石漠化问题较为严重的区域.由于该喀斯特地区土层浅薄、岩石裸露、表层储水能力差,植物在干旱季节经常会受到水分胁迫.植物水力学特征不仅是探讨喀斯特地区植物的生理生态适应性的关键,还能够为石漠化地区的植被恢复提供重要参考.该研究测定了桂西南喀斯特季雨林17种代表性木本植物(包括不同生活型、叶片习性和生境)的木质部脆弱性曲线、最低水势、叶片膨压丧失点和边材密度等水力性状,结果发现:(1)喀斯特植物木质部导水率丧失50％时的水势值(P50)的种间差异较大(-0.51--2.51 MPa),其中常绿种的抗栓塞能力比落叶种强;(2)喀斯特植物的木质部水力安全边界值(最低水势与P50之间的差值)的均值为0.36 MPa,说明喀斯特森林植物在自然最低水势状况下木质部发生栓塞的程度较高;但是不同植物种间存在显著差异,这可能与喀斯特峰丛洼地生境的复杂性以及物种不同的抗旱策略有关;(3)由于喀斯特植物水分适应机制的多样化,导致木质部水力安全边界与叶片膨压丧失点、边材密度的相关性并不显著.在区域气候干热化的背景下,结合喀斯特植物的栓塞脆弱性和长期水势监测(尤其极端干旱事件)分析它们的水力安全,对预测未来喀斯特森林物种分布和群落动态具有重要的指示作用.

渗透引发常用于提高种子活力,增强抗性.为了量化渗透引发对种子抗旱性的作用,本研究以紫花苜蓿(公农一号)为对象,聚乙二醇(PEG 6000)为引发剂,设置4个恒定温度(10、15、20和25 ℃)、6个干旱水平(O、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8和-1.0 bar),开展常规发芽试验.采用聚乙二醇(PEG 6000)对紫花苜蓿种子进行引发并回干处理,利用水势模型计算相关参数.结果 显示:渗透引发加快了紫花苜蓿种子的发芽速度.引发后的种子在较低水势条件下也具有较快的发芽速度.从水势模型参数来看,与未引发的紫花苜蓿相比,引发后的紫花苜蓿种子发芽的积势常数更低,引发后紫花苜蓿种子发芽的最低水势降低.这表明渗透引发降低了种子发芽所需的水势需求,可以使引发种子在更低的水势环境下发芽,提高抗旱性.

通过对巴丹吉林沙漠高大沙山不同部位以及距湖泊不同距离的土壤水势、植物水势、植物根、茎及叶的导水率进行测定,分析不同立地条件下4种典型植物霸王(Zygophyl-lum xanthoxylon)、油蒿(Artemisia ordosica)、沙茴香(Ferula bungeana)及白刺(Nitraria tangu-torum)的水势日变化、导水率日变化差异,进而研究水分在沙漠典型植物体内的运移传输机理.结果表明:(1)所有植物水势值均表现为根＞茎＞叶,就植物种类而言,灌木白刺各器官平均水势最低,多年生草本沙茴香最高;就空间位置而言,同种植物在沙山上部各器官水势最低,在沙山下部最高;距湖泊100 m的白刺各器官水势最低,距湖泊20 m的白刺各器官水势最高;就日变化而言,所有植物均表现为黎明前水势最高.(2)各样地土壤水势随深度增加均呈现波动升高的趋势.(3)就植物种类而言,霸王导水率最高,沙茴香导水率最低;就空间位置而言,所有植物导水率均表现为沙山上部＞沙山中部＞沙山下部,白刺表现为距湖距离20 m＜距湖距离50 m＜距湖100 m;就日变化而言,所有植物均表现为正午导水率最小.植物水势与导水率之间存在一定的正相关关系,植物体能够在特殊生境中为保持自身水分动态平衡、维持自身生命活动形成一种适应性水分运输策略.