【摘 要】
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亚热带森林作为我国典型的地带性植被,是全球陆地碳汇最重要的贡献区域之一。然而随着全球气候变化的持续加剧,原本降水充沛的亚热带地区频繁地发生极端干旱事件,严重影响森林生态系统的碳水循环和碳汇功能。生态系统碳汇功能对干旱的响应依赖于植物个体碳水生理过程的响应程度,其外在表现即树木生长速率的快慢。然而,由于树木生长和碳水生理过程对极端干旱的响应具有阶段性和复杂性,其具体机理尚不明确,尤其是水分和养分利用
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亚热带森林作为我国典型的地带性植被,是全球陆地碳汇最重要的贡献区域之一。然而随着全球气候变化的持续加剧,原本降水充沛的亚热带地区频繁地发生极端干旱事件,严重影响森林生态系统的碳水循环和碳汇功能。生态系统碳汇功能对干旱的响应依赖于植物个体碳水生理过程的响应程度,其外在表现即树木生长速率的快慢。然而,由于树木生长和碳水生理过程对极端干旱的响应具有阶段性和复杂性,其具体机理尚不明确,尤其是水分和养分利用策略对于不同树种响应干旱的调节作用,仍待进一步探究。因此,本研究依托天童国家站所建立的大型野外截留降雨模拟干旱实验(排除70%的穿透雨),对亚热带森林四种优势树种(苦槠、米槠、木荷、石栎)的生长和碳水过程进行监测,阐明干旱条件下调控树木生长的关键功能性状;在此基础上借助稳定氢氧同位素技术,重点探究植物水分吸收利用和养分利用策略在等水树种(木荷、石栎)和非等水树种(苦槠、米槠)间的差异,从而揭示气孔响应策略在亚热带森林树种响应极端干旱事件中的重要作用。主要研究结论如下:(1)基于野外截留降雨模拟干旱实验2015-2020年间的样地调查数据,分析了极端干旱对亚热带优势树种生长和碳水过程的影响。结果表明,极端干旱使亚热带树种的生长速率平均降低了28%,但不同树种间存在差异,其中木荷和石栎的生长显著下降,而苦槠和米槠生长变化不显著。极端干旱抑制了木荷(22%)与米槠(8%)的光合作用,但仅增加了石栎的叶片碳磷含量。相比之下,极端干旱显著降低了所有树种的木质部抗栓塞能力(P50显著增加了7%,P<0.05),此外,正常条件下受碳过程限制的植物生长在干旱条件下会转而受到水力性状的调控。这些结果表明,在植物个体水平上,相对于碳过程,极端干旱对水过程的影响更为明显。(2)为了进一步探讨不同树种生长速率对极端干旱响应差异的原因,本研究将四个优势树种根据气孔响应策略划分为等水树种(木荷、石栎)和非等水树种(苦槠、米槠),结果表明:干旱期间等水树种的生长显著下降,而非等水树种的生长无显著变化,这一差异主要由水分和养分利用策略的不同所导致。其中,等水树种在干旱期间增加了比叶质量(32%),降低了气孔导度(31%)和养分利用效率(磷利用效率和氮利用效率分别下降28%和18%);而干旱虽然导致非等水树种的叶片水势降低(26%)和木质部栓塞比例增加(25%),但增加了深层土壤水的吸收比例,提高了整体的水分利用效率并维持了整体的养分利用效率。这些结果表明等水树种在干旱条件下将更多的碳分配给叶片,使得用于生长的碳分配减少,导致树木生长显著下降;而非等水树种在受到干旱时则主要通过根系吸收更深层土壤水分,并提高水分利用效率,使自身生长免受干旱的影响。综上所述,受长期极端干旱的影响,亚热带森林树木生长发生了显著改变,与碳过程相比,干旱对水过程的影响更强烈。树木生长也由对照条件下受碳过程相关性状调控转变为干旱条件下受水力性状调控,证明了干旱胁迫下水力性状对于树木生长的重要性。此外,不同的水分和养分利用策略导致了等水和非等水树种生长对极端干旱响应的差异。其中,碳分配和水分吸收过程的不同可能是导致种间差异产生的重要因素。本研究强化了我们对树木生长响应极端干旱以及种间差异形成机制的理解,为准确预测未来极端干旱背景下亚热带森林植被的动态变化和陆地碳循环提供理论依据。
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