喀斯特坡面关键带植物水分利用及适应机制取得新进展
作者：环江站 更新时间：2023-07-26
喀斯特碳酸盐岩在垂直方向上经过强烈的溶蚀作用，使得降水通过岩石的裂隙分散入渗，形成以峰丛为主的岩溶地貌。岩溶作用使得喀斯特坡面土层浅薄，持水能力较差，加之沿坡发生土壤侵蚀，导致自下而上的岩土结构、水分过程存在很大异质性，从而造成了湿润气候条件下特殊的岩溶干旱现象。缺水少土的恶劣生境使得生态恢复工程开展近30年后，自然植被群落仍处于演替初期阶段，沿坡植被群落受土壤水分有效性的影响。团队近期研究发现（Luo et al., 2023），喀斯特植物蒸腾平均水龄极短（<30天），表明植物主要依赖由近期降水补给的水源。但坡面关键带的水分变化如何影响植物的蒸腾作用和水分适应性，需要深入分析群落建群种在坡面的吸水来源与蒸腾过程，明确植物沿坡面的水分利用模式，阐明植物应对坡面缺水环境的适应机制，评估植被恢复的可持续性。
针对以上问题，中国科学院亚热带农业生态研究所陈洪松课题组依托环江喀斯特生态系统观测研究站喀斯特关键带平台，设置上坡和下坡两个样地（海拔高差约70m，水平距离约100米）。选择典型的演替初期群落建群种盐肤木为研究对象，其属于演替先锋树种，沿坡面分布广泛，是长期适应喀斯特环境的乡土树种的代表。前期野外调查发现，盐肤木根系在0-40cm土壤深度内以横向伸展为主，最长横向伸展长度达3.5m，相近树龄的上坡盐肤木树高和胸径显著低于下坡。本研究监测了完整生长季内0-300cm土壤-表层岩溶带水分和气象因子，分析盐肤木水分来源和蒸腾速率，并探究沿坡蒸腾对大气蒸发力和水分供应的响应机制。
研究结果发现，上坡的土壤-表层岩溶带平均含水量为0.178m3·m-3，仅为下坡的60%左右，沿坡水分供应存在显著差异；上下坡盐肤木植物枝条水同位素相近，lc-excess偏负，结合MixSIAR模型分析可知，沿坡面盐肤木的吸水策略相似，均以利用0至60cm土壤水为主，并非表层岩溶带水（地下水）；上坡盐肤木蒸腾速率和蒸腾量降低至下坡的一半左右。下坡土壤水分充足，植物蒸腾随大气蒸发需求的变化而改变，上坡水分供应限制了植物蒸腾及蒸腾对大气蒸发需求的敏感性。本研究表明喀斯特地区自然恢复的次生植物蒸腾多依赖土壤水，且不能通过吸收深层水补偿由坡位效应引起的蒸腾差异。本研究进一步揭示出土壤水分仍是影响西南喀斯特演替初期植被恢复的限制因子，植物在上坡通过降低蒸腾的方式适应干旱环境。
研究结果以Transpiration rates decline under limited moisture supply along hillslopes in a humid karst terrain为题，发表在1区Top期刊Science of the Total Environment上。研究得到国家自然科学基金重点基金（41930866）、青年基金（42107103）、中科院青促会优秀会员[Y2022095]等项目的支持。（刘文娜 撰稿）
坡面植物水分利用模式概念图
不同坡位植物对各水源的利用比例
坡面植物水分利用模式概念图