探究不同降水情景下荒漠植物茎干解剖学结构的适应性调节,可以更好地理解未来降水格局变化下荒漠植物水和碳运输间的协调机制.该研究以毛乌素沙地黑沙蒿(Artemisia ordosica)种群为对象,通过野外人工控制降水的方法,模拟半干旱气候区降水变化趋势,设置3个降水量水平(减水30％、自然降水、增水30％)以及2个降水间隔水平(降水间隔5 d、降水间隔15 d)开展双因素完全随机实验,测定了黑沙蒿茎木质部与韧皮部解剖结构在不同降水情境下的轴向与径向变异.结果表明:1)在降水改变的情况下,黑沙蒿并未产生更抗栓塞的轴向木质部结构及传导效率更高的轴向韧皮部结构来适应环境;2)降水变化通过改变40-60 cm土层含水率对黑沙蒿的木质部、韧皮部径向解剖性状产生影响.在低水分生境下,黑沙蒿减小导管直径和增大导管壁厚度以保证水分运输的安全性,并且通过增大韧皮部筛管面积来维持韧皮部导度保证碳的有效运输,以此保证黑沙蒿进行正常的生理活动;3)黑沙蒿木质部导管和韧皮部筛管具有等标度的轴向缩放规律,二者协同关联共同维持水力功能,且这种相关关系不受降水变化的影响.该研究表明,黑沙蒿通过改变径向茎干结构而不是轴向结构来适应降水的改变.

随着植株高度增加,水分运输路径加长,水分运输阻力增大.双子叶植物可以通过向下拓宽的木质部管道来补偿随着高度增加而增加的水分运输阻力.而单子叶植物无次生生长,需终生使用同一套导管系统运输水分,这会对其个体生长过程中维持木质部水力传输效率产生极大的限制.因此,探明单子叶植物水力结构的轴向变化对于探讨该类物种的水分运输效率维持机制及其在自然界中能够广泛分布的原因显得尤为重要.该研究以树状单子叶植物雷竹(Phyllostachys violascens'Prevemalis')和青皮竹(Bambusa textilis)为研究对象,测定了植株茎干不同位置(即距茎尖不同距离)的导管大小、导管数量以及茎干外径等参数,并进一步计算水力加权导管直径(Dh)、平均导管面积、导管密度、导管面积/导管密度等指标,采用标准化主轴估计(SMA)的方法,对各性状沿茎干轴向的变化规律及性状间的协变关系进行分析.研究结果显示,雷竹和青皮竹从茎干顶端到基部,(1)Dh逐渐加宽、平均导管面积增大;(2)导管密度减小,导管面积/导管密度增大;(3)导管密度与导管大小之间呈显著负相关关系.表明竹子从茎干顶部向基部,导管大小逐渐拓宽,单位木质部横截面积内的导管数量逐渐减少,导管的大小与数量的变化是相互权衡的.

随着全球逐渐暖干化,林火不仅驱动着森林生态系统结构和功能的变化,同时也影响树木的生理和生长.林火导致的热损伤引发树木一系列复杂生理响应.揭示火后树木生理的响应机制,对于进一步理解树木碳水关系和火后恢复生长限制,以及提高火后树木死亡预测准确性具有重要指导意义.该文从林火对树木的作用途径和方式着手,基于不同形式林火(树冠火、地表火、地下火)对树木各部分(树冠、树干、根系)造成的损伤,综述了林火对树木生理的直接影响和间接影响,以及火后树木生理与非生物和生物因素的互作关系.热损伤诱导的形成层、韧皮部坏死和木质部水力失衡是火后树木生理的主要响应机制,二者导致的两个生理功能限制——"碳饥饿"和水力失效——严重影响树木的碳水关系,也决定了火后树木是恢复生长还是延迟死亡.火后树木生理机制还与干旱、昆虫攻击和微生物入侵等其他因素密切相关.该文强调了对林火强度的定量分析和对植物组织死亡阈值的准确判断的迫切性,同时提出了探究火后树木生理与功能性状和其他因素的互作关系的必要性.精确评估树木生理机制间关系对于深入理解林火如何影响树木功能完整性极为关键,有助于完善林火风险评估和树木死亡模型预测.在未来气候暖干化驱动的高频、高强度林火发生背景下,对树木生理响应的深刻认识对于更好地研究火后生态系统动态及其与气候因子的相互关系同样具有重要意义.

摘 要:气候变化引发的干旱频度和强度严重影响植物生长发育,在全球气候变化背景下,量化植物木质部抗栓塞的能力对评估植物耐旱性尤为重要.为评价杜鹃品种间的耐旱性及筛选强抗旱性品种,该文以锦绣杜鹃'紫鹤'(Rhododendron × pulchrum'zihe')、西洋杜鹃'杨梅红'(Rhododendron × hybridum'yangmeihong')、映山红(R.simsii)3种灌木杜鹃为材料,利用光学技术构建花瓣和叶片栓塞脆弱性曲线,测定花瓣和叶片解剖结构性状,并分析木质部水力功能和解剖结构性状的相关性.结果表明:(1)锦绣杜鹃'紫鹤'、西洋杜鹃'杨梅红'、映山红3种杜鹃花瓣的P12、P50和P88值(分别发生12％、50％和88％栓塞时对应的水势值)大于叶片.(2)3种杜鹃的花瓣和叶片栓塞脆弱性存在一定的变异,花瓣和叶片发生栓塞的快慢不一致,这种变异可能是杂交园艺花卉植物的重要特征.(3)P50值与其形态特征相关性分析显示,叶片P50值与叶片栅栏组织厚度呈负相关,花瓣P50值与花瓣厚度呈正相关.综上认为,3种杜鹃花瓣栓塞脆弱性高于叶片,干旱胁迫下植物优先牺牲花瓣从而保护叶片,栓塞脆弱性可能与叶片栅栏组织厚度和花瓣厚度相关.该研究为干旱地区筛选、培育抗旱性强的杜鹃品种及园林杜鹃植物选择和树种配置提供了科学依据.

为比较干旱荒漠区城市绿化灌木和荒漠乡土灌木在夏季热浪期的受损差异和其对高温和热浪冲击响应机理的不同,在新疆北疆 2022 年夏季热浪期末期,测定了 9 种荒漠乡土灌木和 8 种城市绿化灌木的 4 种水分相关功能性状(水力、叶片、光合和碳经济性状),同时调查植株受损程度.调查结果表明,荒漠乡土灌木接近 74%的个体在夏季热浪中未受损伤,但有 56%的城市绿化灌木个体受损;水力和叶片性状方面,荒漠灌木的枝叶水势、干物质含量和导管直径的平均值低于城市绿化植物,而枝比导率、准稳态导水率、胡伯尔值、比叶面积、导管密度呈相反态势.在碳经济和光合性状方面,荒漠乡土灌木的可溶性碳含量和水分利用效率高于城市绿化灌木(P＜0.05),但气孔导度成相反模式(P＜0.05),而淀粉和结构性碳含量、蒸腾速率无显著差异(P＞0.05);荒漠乡土灌木的性状整合度(G=0.39)高于城市绿化植物(G=0.20),且前者的关键节点个数,以及其与其他性状显著关联的个数均高于后者.结果表明,2022 年夏季热浪引起荒漠乡土灌木的受损程度低于城市绿化灌木;荒漠植物在水力性状和性状整合方面存在优势,其水分吸收、运输和减少蒸腾失水的能力要强于城市绿化灌木,热浪影响下更易存活;相对城市绿化灌木,荒漠灌木可以协调功能性状间的关系,采取更多样化的适应机理将降低夏季热浪的负面影响.本研究可为干旱地区城市绿化灌木筛选以及区域生态保护政策制定提供科学参考.

干旱最显著的影响表现在区域尺度的森林死亡事件中,可以在短时间内杀死数百万棵树木.鉴于未来极端干旱事件的频率和强度可能随温度的升高而增加,迫切需要明确树木对干旱胁迫的响应对策以及衰退死亡机理,揭示木本植物在干旱环境中存活和死亡的生理机制,了解树木在未来气候下的适应机制,提高预测树木对干旱反应的准确性.在常用植物功能性状的基础上,重点纳入与植物水分运输能力及耐旱性相关的水力学性状,系统总结了:1)植物木质部水分运输的物理机制;2)植物应对干旱胁迫的水力响应过程:3)干旱胁迫下木本植物水分利用对策;以及 4)干旱胁迫下木本植物衰退/死亡机理.最后,提出3 个尚待解决的主要问题:1)加强纳入水力性状阐明植物对干旱胁迫的响应和调节机制;2)加强从全株植物的角度考虑植物不同组织性状间的关系;3)深入探究树木干旱致死机理.

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.

水分是干旱沙区植被重建和恢复的主要限制性因子,土壤有效水分含量直接影响植物木质部水分运输能力.但是不同水分条件下不同物种、不同年龄木质部水力特性和叶片气体交换的差异以及土壤水分含量对其影响的相关研究目前尚不明确.因此,该研究以10年和30年树龄人工固沙区的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)和中间锦鸡儿(C.liouana)为实验材料,研究它们在旱季和雨季下水力特性和光合特性的差异及其关系.研究结果表明,树龄对柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿木质部导水率、导水率损失百分比、叶片水势和相对含水量等无显著的影响,而土壤水分含量对其功能性状的影响较显著.树龄和土壤水分含量均对灌木叶片光合作用有显著影响,但在土壤水分条件良好的情况下树龄对其影响不显著.此外,土壤含水量与叶片水分含量和木质部茎比导水率之间呈显著的正相关关系;木质部导水率与叶片水分状态和气孔导度也存在显著的正相关关系,而光合速率与木质部导水率和叶片水分含量存在显著正相关关系,这表明土壤水分含量通过影响木质部导水率和栓塞程度而直接影响了叶片水分状况和光合碳同化能力.总而言之,柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿的木质部导水能力和叶片光合碳同化能力显著地响应了土壤水分含量的变化.

干旱半干旱区植物的导水解剖结构对环境条件的适应性具有重要生态学意义.本研究采用石蜡切片法获取了中国干旱半干旱区4种黄耆属草本植物——斜茎黄耆(Astragalts adsurgens)、黄耆(Astragalus membranaceus)、乳白黄耆(Astragalus galactites)和草木樨状黄耆(Astragalus melilotoides)根部导管解剖结构的特征,分析了导管解剖性状对环境因子(温度和降水)的响应特征.结果发现,黄耆属草本物种的导管解剖性状(导管数量、导管分数、平均导管面积、平均水力传导率和水力直径)具有较大的变异特征.随着降水和温度的增加,导管数量显著下降,而导水效率相关的性状(水力直径、平均导管面积和平均水力传导率)则具有上升趋势.这表明在降水量和温度较低地区,较多的导管数量和较小的导管面积导致黄耆属草本采取导水安全优先策略;在降水量和温度较高的地区,较少的导管数量和较大的导管面积导致黄耆属草本采取导水效率优先策略.黄耆属草本根的解剖性状与温度的相关性均高于其与降水的相关性,表明温度可能是影响其导管解剖结构的主要气候因子.

高大树木木质部水分运输阻力和叶片蒸腾速率随树高的增加导致高度梯度水分供需矛盾.量化分析相关功能性状随高度的变异与性状协同关系,有助于深入理解植物的水分供需机制.该研究选取了生长在湿生同质园中的落羽杉(Taxodium distichum)及其变种池杉(T.distichum var.imbricatum),采用回归分析、单因素方差分析、通径分析等方法探究其水力(枝比导率(Ks)、叶比导率(K1)、导水率损失50％时的水势(P50)、最大蒸腾速率(Tr)、正午叶水势(ΨMD)、胡伯尔值(Hv)等)、光合(最大净光合速率(Pn))和碳经济性状(比叶质量(LMA)、木质部密度(WD))随高度的变异规律、协同关系以及种间性状差异.结果发现:(1)落羽杉和池杉K1、Hv、Pn和LMA随高度增加,其中Pn的增加可能与中冠层的Tr和最大气孔导度(Gs)下降有关.(2)种内性状间协同关系:落羽杉和池杉Ks与Hv显著负相关,落羽杉WD与Ks显著正相关,池杉WD与Hv极显著负相关.(3)落羽杉和池杉高冠层存在水分限制,由达西定律和Tr计算的理论水分供需比(r)量化了水分供需能力的下降,且它们r=0时的理论最大高度(落羽杉:32 m(95％置信区间上限:57 m);池杉:21 m(95％置信区间上限:27 m))在历史记载的最大高度范围内.(4)池杉各个冠层高度K1、Hv和LMA显著高于落羽杉,而Pn、Tr和Gs显著更低;池杉中、高冠层水力安全边界(HSM)显著更高,P50显著更低:池杉保守的水力策略与低资源获取能力导致其最大理论高度较低,而落羽杉激进的水力策略与高资源获取能力导致其最大理论高度较高.