中国北方半干旱沙质草地一年生草本植物形态特征对降水和干旱模式变化的响应

作者:奈曼站  更新时间:2022-06-30

全球气候变化可能会在全球和区域尺度增加极端气候事件(如极端干旱和极端降水)发生的强度和频率。植物形态特征可以反映植物对环境变化(如降水或干旱模式的改变)的响应,是植物与环境相互作用的直接结果,对植物群落结构和生态系统功能具有重要影响。在半干旱沙质草地,草本植物竞相抵抗干旱和沙漠化等恶劣的环境条件,且沙质草地植物群落中一年生草本植物比多年生草本植物和禾草的生长速度更快,使得沙质草地中一年生草本植物生长繁茂、优势种居多,更容易受到降水变化的影响。因此,在具有广泛代表性、并对全球气候变化高度敏感的半干旱沙漠化地区,研究不同降水处理对一年生草本植物形态特征的影响,有助于理解气候变化下半干旱沙质草地一年生草本植物的进化生长策略,并对沙质草地的合理利用和可持续管理具有重大意义。

基于此,中国科学院奈曼沙漠化研究站的研究团队,通过增减雨装置开展了模拟控制降水量变化的野外试验,调查了半干旱沙质草地一年生草本植物的根、茎、叶和生殖分生组织的形态特征对降水和干旱格局变化的响应,探讨了不同降水处理下一年生草本植物的根冠比、(根、茎、叶、花)干重与地上、地下形态特征的关系。本研究包括对照处理(自然降水)和以下6个降水处理: (1) P(+): 降水增加30%,(2) P(++): 降水增加60%,(3) P(-): 降水减少30%,(4) P(--): 降水减少60%,(5)干旱1 (D1): 5月1日- 6月15日干旱46天,(6) 干旱2 (D2): 7月1日- 8月15日干旱46天。研究结果表明,P(++)处理显著增加了根长和花的长宽比;在植物生长季,P(+)和P(++)处理显著增加了植株的茎长和花个数,而P(-)和P(--)处理均降低了植株的茎长和花个数。为了更好地抵御P(--)处理下的严重干旱胁迫,一年生草本植物增加了二级茎分枝数和茎的直径。P(+)和P(++)提高了根、茎、叶和花的干重,其中花的干重占比高于植物地上其他部位。与P(-)、P(--)和D1相比,D2处理下植物通过增加根冠比更有效地利用有限的水资源,这表明了生物量更多的向地下分配。线性混合效应模型和冗余分析的结果表明,植物形态特征和降水量级的改变显著影响植物各组分的根冠比和干重。我们的结果表明,草本植物已经进化出了能够适应气候变化的形态特征。一年生草本植物形态特征的差异可能最终影响其生长模式,增强了在气候变化过程中半干旱沙质草地一年生草本植物的抗旱能力。

相关研究成果以“Annual herbaceous plants exhibit altered morphological traits in response to altered precipitation and drought patterns in semiarid sandy grassland, northern China”为题在线发表于Frontiers in Plant Science期刊(IF = 5.754)。中国科学院西北生态环境资源研究院博士研究生孙姗姗为论文第一作者,刘新平研究员为论文通讯作者。该研究获得中国科学院科技扶贫项目(KFJ-FP-202104)、内蒙古自治区科技计划项目(2022YFHH0063)、中国科学院(A类)战略性先导科技专项(XDA26020104-01)的共同支持。

文章链接:https://doi.org/10.3389/fpls.2022.756950

图1 不同降水和干旱处理下半干旱沙质草地一年生草本植物的根长(a)、一级根分枝数(b)、二级根分枝数(c)、根表面积(d)、特定根长(e)、茎直径(f)、茎长(g)、一级茎分枝数(h)、二级茎分枝数(i)的差异

图2 不同降水和干旱处理下半干旱沙质草地一年生草本植物的叶长宽比(a)、叶直径(b)、叶个数(c)、花长宽比(d)、花直径(e)、花个数(f)、果实\种子长宽比(g)、果实\种子直径(h)、果实\种子个数(i)的差异

图3 根冠比与一级根分支数(a)、特定根长(b)、茎长(c)、一级茎分枝数(d)、二级茎分枝数(e)、叶个数(f)、叶直径(g)、花直径(h)、花个数(i)的相关关系

图4 根冠比、根干重、茎干重、叶干重、花干重、植物形态特征和降水量的冗余分析结果。 FN:花个数; FD:花直径; SL:茎长; SD:茎直径; SRL:特定根长; RSA:根表面积; RL:根长; SRB:二级根分支数; LN:叶个数; FLWR:花的长宽比; LD:叶直径; SSB:二级茎分支数; RLD:根长密度; RBI:根分支强度; RD:根直径; FRB:一级根分支数; R/S:根冠比; RDW:根干重; SDW:茎干重; LDW:叶干重; FDW:花干重


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