掌握植物的水分利用特征及植物间的水源关系对实现荒漠草原地区可持续的植被恢复至关重要.本研究以荒漠草原灰钙土生境(胡杨、中间锦鸡儿和短花针茅)和风沙土生境(胡杨、北沙柳和赖草)中的5种优势植物为对象,测定植物木质部水、土壤水、地下水和降雨中稳定同位素(δ2H和δ18O),并结合不同深度的土壤含水量和根系数据,使用MixSIAR模型对植物的水分利用特征进行定量分析.结果表明:生长季内5种植物主要利用土壤水,且在不同生长阶段会利用不同层次的土壤水.灰钙土生境中,胡杨的水源在整个生长季变化最大,生长季初期(5-6月)主要利用60～100 cm 土壤水,生长旺盛期(7-8月)水源下移至100～200 cm 土壤水,而在生长季末期(9月)水源又上移至0～20 cm 土壤水;中间锦鸡儿在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;短花针茅在生长季初期和末期主要利用20～60 cm 土壤水,而在生长旺盛期上移至0～20cm 土壤水.在风沙土生境中,胡杨在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;北沙柳在生长季初期和生长旺盛期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长季末期下移至100～200 cm 土壤水;赖草整个生长季都主要利用20～60 cm 土壤水.土壤含水量、降雨的季节变化及植物的根系分布都会影响植物的水分利用特征.在整个生长季中,灰钙土生境中的乔木、灌木和草本3种优势植物间存在水文生态位分离,促进了其对水分的分配和利用;风沙土生境中对应的3种优势植物间存在水文生态位重叠,导致其对水分的激烈竞争(特别是乔木和灌木间).因此,在进行植被恢复时必须同时考虑物种特征和土壤特性,引入具有互补性水分利用特征的物种组合,才能实现荒漠草原地区的物种多样性和植被恢复的可持续性.

胡杨作为我国西北干旱区重要的树种资源,对气候环境变化较为敏感,然而西北干旱区近期出现"暖湿化"现象,将对胡杨生长及发展态势带来何种影响尚未明确.本研究以塔里木盆地南缘策勒绿洲外围沙漠绿洲过渡带胡杨林为对象,利用树木年轮技术手段,采集年轮材料,分析了该地区胡杨在1984-2021年间的径向生长对主要气候要素及其变化的响应.结果表明:胡杨年轮宽度指数与当年2月、5月和上一年9月温度呈显著负相关,而与当年3月、5月和上一年9月降水量呈显著正相关,与当年2月、5月标准化降水蒸散指数(SPEI)具有显著正相关关系.年轮宽度指数与组合月份气候要素的关系更为明显.滑动相关分析表明,年轮宽度指数与生长季温度的相关性整体趋于增强,而与降水量、SPEI之间的相关性整体趋于下降或保持平稳.与单月气候要素相比,组合月份气候要素与年轮宽度指数之间相关性的动态变化趋势更为明显.当前区域暖湿化特征有利于策勒绿洲外围沙漠绿洲过渡带胡杨林的生长发展及其生态防护功能的提升.

为讨论叶表皮毛状体特征的分类学价值和系统学意义,借助体视显微镜和扫描电镜对中国杨属(Pop-ulus)33个物种的叶表皮毛状体进行了观察和分析.结果表明:杨属物种叶片毛状体整体上是非腺状的、简单的、基底固定的;除胡杨(P.euphratica)叶表皮没有毛状体外,其余物种叶表皮均被有毛状体,但毛状体的分布、形态、长度等在物种间存在不同程度差异.毛状体外形(圆柱状至条带状)、弯曲程度(直立至曲卷)、相对于叶表皮表面的方向(伏贴或不伏贴)及毛状体长度具有一定的分类学意义.结合分子系统发育研究提供的进化框架,本研究认为杨属叶表皮毛状体特征在亚属水平难以区分,但胡杨亚属(subg.Turanga)和白杨亚属(subg.Populus)在种间水平可区分很多物种,尤其是白杨亚属内的物种毛状体差异大;脂杨亚属(subg.Tacamahaca)内叶片毛状体相似且稳定,但不同分支上的叶片毛状体在长度上有差异.毛状体特征整合后可划分为以下类型:无毛、毡毛、绢毛、短柔毛和长柔毛.

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.

为探讨胡杨适应盐渍环境的离子分布规律,揭示胡杨的耐盐生理机制,以高盐和低盐两种不同生境中的胡杨(Populus euphratica)为对象,测定其根、树干、老枝、幼枝、叶片等不同器官中Na+、K+、Ca2+、Cl-的含量,并分析各离子吸收、运输和分配特征的差异及其与土壤因子的关系.结果表明:(1)胡杨叶片中Na+、Cl-含量在高盐生境下显著低于低盐生境,K+含量在高盐生境下显著高于低盐生境,其他器官的各离子含量变化均不显著;胡杨老枝、幼枝、叶片的K+/Na+在高盐生境下均显著高于低盐环境、Ca2+/Na+增幅不明显;在高盐生境下,根系选择吸收K+能力显著低于低盐环境,但吸收Ca2+能力较强,且各器官对Ca2+、K+选择向上运输的能力更强.(2)在低盐环境中Na+、K+、Cl-主要分布在叶片中,Ca2+主要分布在根中,树干向幼枝、老枝选择运输K+、Ca2+能力较强;高盐生境中Na+、Ca2+主要分布于根中,K+、Cl-主要分布在根和叶片中,树根向老枝、幼枝选择运输K+、Ca2+能力较强.(3)胡杨根系Na+含量、地上器官K+含量与大部分土壤因子均呈显著正相关;根系K+含量与地上器官Na+含量和大部分土壤因子均呈显著负相关;树干中Ca2+含量与土壤总盐、电导率及Na+呈显著负相关;幼枝、树干中Cl-含量均与土壤HCO3-、SO42-有显著相关性;土壤含水量与根系中Na+含量呈显著正相关,与根系中K+含量呈显著负相关.综合分析推测,胡杨为适应不同盐渍环境,主要通过调节盐分离子在各器官的区域化分布、根系与叶片区隔和限制作用及枝干对离子的调节作用,保证树体各器官的离子平衡和正常生理代谢.

为明确胡杨的离子分布、吸收和运输规律,探讨胡杨适应盐渍环境的生理机制,以不同展叶物候期(萌芽期、展叶期、叶片快速发育期、叶片成熟期)的胡杨(Populus euphratica)为研究对象,测定各器官中的可溶性盐离子并分析离子吸收、运输和分配特征,结合林下土壤盐分,探讨胡杨离子分布与土壤盐分关系.结果表明,随着展叶物候的变化,胡杨通过对离子吸收、运输和分布规律的差异满足生长发育的需要及对环境的适应.(1)根系选择性吸收K+、Ca2+和Mg2+的能力随展叶物候变化呈先升后降趋势,以叶片快速发育期为最高,与土壤中总盐及Na+、Cl-含量变化趋势相反;(2)离子从根系-主干及幼枝-叶片的运输能力随展叶物候的变化表现为先降后升的相反趋势,且以叶片快速发育期为最低;(3)各器官中Na+和K+含量在展叶过程中变化不大,在叶片成熟期有显著升高,且Na+以根中含量最高,K+以叶片中含量最高,叶片和根系中Ca2+、Mg2+含量随展叶物候变化整体呈升高趋势;(4)展叶物候期胡杨器官离子与土壤离子相关性表现为:萌芽期,各器官离子含量受土壤盐分影响较小,指标间相关性多不显著;展叶期,根中Na+与土壤离子呈正相关,幼枝和主干K+与土壤多呈负相关;叶片快速发育期,幼枝Mg2+、根中Na+均与土壤离子呈正相关;叶片成熟期,各器官离子含量受土壤离子影响较小.

枝干光合作用广泛存在于荒漠生态系统的木本植物中,增加了荒漠植物固碳能力.本研究以同一生境下胡杨、新疆杨、灰杨、梭梭、红果沙拐枣、头状沙拐枣、沙冬青7种荒漠木本植物为对象,采用Li-6400XT便携式光合仪结合特制光合叶室(P-Chamber),监测不同植物的枝干、叶片光合特征,分析枝干光合速率及其与叶片光合的关系,并对枝干功能性状指标[含水量、干物质含量、叶绿素含量、水势、非结构碳水化合物(NSC)等]进行测定,确定影响枝干光合的主要因素.结果表明:7种植物的枝干光合速率为0.72～1.71μmol·m-2·s-1,其中最大的为灰杨,最小的为梭梭,可抵消枝干呼吸释放CO2的57％～83％;7种植物的叶片光合速率为12.80～22.54 μmol·mr-2·s-1,其中梭梭和沙冬青叶片光合速率显著低于其他5种荒漠植物;枝干光合速率与叶片光合速率存在显著正相关关系;枝干水分利用效率是叶片水分利用效率的2.2～7.7倍;枝干叶绿素含量、NSC含量、枝干呼吸速率及叶片光合速率是影响枝干光合的主要因素.

研究不同功能群植物性状差异及其与土壤环境关系对于充分掌握植物的环境适应策略至关重要.以艾比湖流域为研究区,利用荒漠植物的植物高度、叶片碳、氮、磷、硫、钾、钙、钠、镁含量等9个性状,将高、低土壤水盐环境下的植物划分为5个功能群,分析不同功能群的植物组成、性状差异及其与土壤环境的关系.结果表明:(1)不同土壤水盐环境下,其植物功能群组成不同;其中白刺、胡杨和罗布麻在两个土壤水盐环境下的功能群中均存在.(2)植物的功能性状在不同土壤水盐环境下也发生了适应性的变化.高土壤水盐环境下3个功能群的植物高度、叶片碳、氮、磷和钙含量显著高于低土壤水盐环境功能群(P＜0.05);低土壤水盐环境下2个功能群的植物叶片硫、钠和镁含量高于高土壤水盐环境功能群.(3)土壤含水量(SVWC)、电导率(EC)、pH以及土壤磷含量对荒漠植物功能性状影响较大.在高土壤水盐环境下,EC、pH与植物高度,叶片钾、钙含量正相关,与叶片硫含量负相关;在低土壤水盐环境下,SVWC、EC与植物高度呈显著正相关(P＜0.05).研究有助于理解荒漠植物对极端环境的适应对策,为保护荒漠地区生物多样性提供理论依据.

为查明塔里木河下游不同水分梯度下胡杨种内竞争以及空间分布格局的变化规律,在塔里木河下游阿拉干断面选取3条样带,每条样带内依照水分梯度布设3个样方,采用Hegyi单木竞争模型与点格局等分析方法,探究了水分梯度下胡杨林种内竞争及空间格局变化特征.结果表明:1)塔里木河下游胡杨的最适竞争范围为10m;2)胡杨竞争指数与胸径服从幂函数关系(P＜0.001),胡杨竞争指数随对象木胸径的增加而逐渐减小,当对象木胸径达到20cm以上时,其竞争指数逐渐稳定,且维持在较低水平;3)随水分梯度的降低,胡杨林分竞争指数呈下降趋势;4)在塔里木河下游,胡杨空间格局主要为聚集分布,随空间尺度的增加,胡杨逐渐趋向于随机分布;5)随水分梯度的降低,胡杨空间格局由聚集分布逐渐转变为随机分布.水分是决定极端干旱区荒漠植被空间分布与结构的主要因子;在胡杨林分管理中,应充分考虑胡杨的种内竞争、空间格局及其与水分梯度之间关系,为塔里木河下游胡杨林的保护与更新提供科学依据.

为了解胡杨林生长过程对主要营养元素在土壤全库、有效库及植被库之间运移规律的影响,以新疆轮台县轮南镇5个不同林龄(幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林)典型天然胡杨林为研究对象,采用时空替代方法,分析林下土壤和植被中C、N、P、K的空间分配特征.结果表明:(1)总体而言,土壤营养元素全库中全钾含量较富积,有机质、全氮、全磷相对缺乏.土壤有机质及全量养分受林龄影响较显著.土壤全氮量随着林龄的增长显著升高,至近熟林时达到最大值,然后下降.幼龄林土壤有机质、全钾含量较低,中龄林和近熟林含量较高.幼龄林、成熟林和过熟林土壤全磷含量相对较高.土壤垂直层中,土壤有机质、全钾含量深层土壤＞浅层土壤,而全氮含量随着土壤深度的增加呈现下降趋势.全磷含量受土壤垂直层影响较小.(2)土壤有效养分库中碱解氮、速效磷含量较低,速效钾含量较高.土壤速效养分受林龄影响较大,碱解氮含量随着林龄的发育,呈现先显著升高到近熟林达到最大值,然后下降的趋势.速效钾、速效磷含量均呈现幼龄林和中龄林显著低于其它龄林.不同土壤垂直层显示,碱解氮、速效钾、速效磷含量均呈现浅层＞深层土壤.速效钾、速效磷有明显的表层聚集现象.(3)从土壤养分有效性占全量比率分析,氮＞钾＞磷.氮素在不同龄级中有效率均较高.钾和磷有效率受林龄影响,呈现出成熟林＞过熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林.土壤垂直层中0-10cm、40-60 cm氮素有效率较高.钾和磷有效率随着土层深度的增加呈现递减的变化趋势,其中0-10cm钾和磷有效率显著高于其他土层.(4)植被库中主要矿质养分积累量由大到小依次为N＞K＞P.除叶外,N、K、P积累量在胡杨各器官中均呈现随着林龄的增长而增加,到成熟林达到最大值,在过熟林降低.对树木不同器官,N、P累积量依次为干＞根＞枝,但K累积量依次为根＞干＞枝.