从根系垂向分布认识地下水依赖型植物的干旱适应性

摘要：根系垂向分布是植物与环境相互作用的综合结果。由于对植物细根垂向分布状况及其与环境因素复杂相互作用关系仍缺乏足够认识，导致对气候变化影响下植被动态预测存在很大的不确定性。本研究以柽柳(Tamarix ramosissima)和胡杨(Populus euphratica)两种干旱区河岸带地下水依赖型植物为对象，通过对根系剖面和根系分布数据文献收集整理，并结合根系与环境要素关系等方面，探讨和解析了干旱区植物对干旱环境的适应能力。研究结果表明，柽柳和胡杨两种植物根系具有强向水性(依赖地下水)和灵活的水分利用策略，使得它们可以在干旱环境中生存。根系分布特征的差异决定了两种植物发育环境的不同，即柽柳相比胡杨拥有更高的根系可塑性，使其具有更高效的水分利用，从而保证了其在更加复杂多样的气候、土壤等环境条件下生存。地下水依赖型植物根系剖面形态差异大，反映了其具有较强的根系适应能力，从而具有较宽的生态位和较强的生态韧性。因此，在地球系统模式中，亟需发展基于物理过程的根系动态方案，以克服当前模型普遍存在对植物根系塑性刻画不足的问题，从而提升未来气候变化情景下植被响应预测能力。

文献主要监测方案:

作者收集了国内胡杨和柽柳根剖面的相关文献数据。其中取根深度至少50cm，同时，植物的年龄，高度，胸围直径和树冠，位置，海拔，年平均降水量，研究地点的潜在蒸散量(PET)和地下水位深度(WTD)也被提取出来。重点分析了细根（直径<2mm）分布特征和环境要素的关系。采用渐近非线性模型和logistic剂量-响应曲线模型来描述和表征根系的垂直分布。

主要研究结果：

结果表明，影响植物根系形态特征最重要的水文因子是地下水位深度、降水和土壤导水性。胡杨和柽柳依赖地下水的特性，得益于其深根的生长能力，帮助它们在极度干旱的气候中生存。柽柳根系具有更高的可塑性，从浅集中到二形态根系和深集中根系体系都有变化，能够适应环境，具有更广阔的生态水文生态位。

以下是主要的结果图形曲线：

 Figure 2:  Root profiles and global fitting curves from the GG and SJ models for ( a) T. ramosissima and (b) P. euphratica.

      Figure 4: Relationships between the root parameters of β and z95 and (a) mean annual precipitation (MAP), (b) aridity index (AI), (c) water table depth (WTD) and (d) soil saturated hydraulic conductivity (Ks) for T. ramosissima and P. euphratica.

   Figure 5:  Principal component analysis (PCA) of root profile parameters (β and z95) with environmental factors (i.e. mean annual precipitation (MAP), aridity index (AI), water table depth (WTD) and soil saturated hydraulic conductivity (Ks)) for (a, b) T. ramosissima and (c, d) P. euphratica.

如图2中根系的垂向分布特征研究是根系构型研究基本要素，通常采用根钻取根的研究方式，此方法费时费力，且对根系有破坏性，而微根窗原位监测方法可以实现根系生长的空间动态分布研究，能长时期对根系进行追踪。由澳作公司自主研发的RhizoScope原位根系3D观测系统采用原状土蒸渗柱体对于研究植物根系生长动力学、根系生长空间分布、根系分泌有机物、根周转率、根系与土壤微生物关系以及根死亡和生长提供良好的平台，是研究植物根域和根际重要工具。

Rhizoscope原位根系3D观测系统采用2.5m(深)◊0.8m(直径)原状土柱，在蒸渗柱体各深度0.2、0.4、0.65、1.45、2.0m预先留有孔用于微根管、水分测量仪埋设和土壤溶液取样。可以观测植物根系的垂向空间分布形态。

                               Rhizoscope原位根系3D观测系统示意图

该系统采用集扫描和摄像技术于一体的根系观测设备进行根系图像采集，扫描模式下，一次扫描可以观察20cm深土层内根系生物量，1200dpi的分辨率可以满足观察大部分根系的需求。其摄像模式分辨率高达4800dpi，可对小至10um的根毛、菌丝做到清晰观察。这样就可以把直径小于2mm的细根也纳入测量范围内。

两种模式相结合大大提高了对根系生物量监测的准确性。该系统可以测量根长度、根直径、根面积、根总长、根总面积、根平均直径、根数量，统计根系生物量、细根寿命、细根周转率等。

 同时，64 倍图像放大功能，用于观察植物根菌、真菌和土壤动物活动等。还配有紫外光源，用于区分活根和死根。

                                                            AZR-300拍摄植物幼根和白蚁