西南喀斯特關(guān)鍵帶具有基巖廣泛出露、土層淺薄且不連續(xù)的特點，與土層較厚的非喀斯特關(guān)鍵帶相比，同等深度范圍內(nèi)的儲水能力明顯偏低，加之水分滲透性強，巖溶干旱風(fēng)險高，嚴(yán)重制約該區(qū)植被的生長和可持續(xù)恢復(fù)。在此背景下，探明植物的水分利用來源是理解喀斯特關(guān)鍵帶植物對“石多土少水缺”環(huán)境適應(yīng)機制的關(guān)鍵。
水分來源是植物水分適應(yīng)機制的核心，涉及吸水深度來源（空間來源）和時間來源兩方面。但目前關(guān)于植物水分來源的研究大多集中在空間來源方面，包括不同深度的土壤水源、地下水源、甚至是基巖裂隙水源。而植物水分的時間來源是表征植物利用何時的降水補給水源，能綜合反映植物對降水變化的適應(yīng)機制。然而，在喀斯特地區(qū)，因地下復(fù)雜巖土結(jié)構(gòu)和取樣困難的挑戰(zhàn)，植物水分利用的空間來源難以精確量化。團隊前期研究表明水分來源深度直接影響喀斯特石生植物的水勢調(diào)節(jié)及干旱脆弱性（Ding et al. 2021）。此外，從植物水分利用的時間來源角度，前期研究提出了量化植物根區(qū)水分滯留時間模型（Luo et al. 2021），并對比分析了喀斯特與非喀斯特關(guān)鍵帶典型植物根區(qū)水分補給動態(tài)的異同，發(fā)現(xiàn)在不同關(guān)鍵帶和氣候環(huán)境下，降水在植物根區(qū)的分流（Bypass）現(xiàn)象廣泛存在（Luo et al. 2022）。這為理解降水變化如何影響植物水源及其在植物根區(qū)再分配過程奠定了基礎(chǔ)。但在全球氣候變化背景下，降水格局的變化如何耦合關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)影響植物的水分利用模式及其適應(yīng)機制尚不清楚，喀斯特關(guān)鍵帶植物水分適應(yīng)策略有何獨特之處并不明確。
針對以上問題，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所陳洪松課題組依托環(huán)江喀斯特站植物-水分關(guān)系研究平臺，并綜合文獻數(shù)據(jù)，利用穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，估算了植物根區(qū)水分被降水（新水）補給的比例，基于根區(qū)新舊水比例，采用分段線性混合式水齡（滯留時間）模型計算了植物蒸騰水齡的季節(jié)變化（反映植物水分利用的時間來源）。對比分析了不同氣候類型（溫帶大陸性氣候、溫帶海洋性氣候、溫帶季風(fēng)氣候、地中海氣候和亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候）下典型植物蒸騰水齡的季節(jié)動態(tài)及其影響機制。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同氣候區(qū)植物蒸騰水齡季節(jié)變化明顯，變化范圍約為1~229天。在相對濕潤氣候區(qū)，植物蒸騰主要依賴當(dāng)月降水補給的水源（約占全年水源的60%）；而在相對干旱的氣候區(qū)，植物蒸騰很大程度上依賴來自前幾個月/季節(jié)的降水補給的水源。這表明氣候類型是影響植物蒸騰平均水齡的主要因素，但同時受根系深度的調(diào)控。研究揭示了不同的關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)通過影響植物根系深度分布和根區(qū)儲水能力來調(diào)控降水的入滲、補給和滯留時間，進而影響植物的蒸騰水齡及水分適應(yīng)機制。此外，研究考慮了蒸發(fā)對根區(qū)水源穩(wěn)定同位素的影響，解決了穩(wěn)定同位素示蹤植物水分來源研究中蒸發(fā)效應(yīng)的校正問題。
更為重要的是，與其他非喀斯特地區(qū)植物相比，喀斯特石生環(huán)境植物蒸騰平均水齡最短（<30天），主要是由該區(qū)植物根區(qū)儲水能力低以及頻繁地被降水補給所致，表明在降雨充沛的西南喀斯特地區(qū)，降水頻率對多石少土生境植物生長更為重要。研究預(yù)示喀斯特關(guān)鍵帶植物對復(fù)雜巖土結(jié)構(gòu)主控的快速水文過程具有獨特的水分適應(yīng)機制。但這種適應(yīng)策略的植物在較長時間無降水補給條件下，可能面臨嚴(yán)重的干旱脅迫而枯亡。
該研究成果近期以Water age dynamics in plant transpiration: the effects of climate patterns and rooting depth為題，發(fā)表在水文領(lǐng)域著名期刊Water Resources Research上。研究得到國家自然科學(xué)基金重點基金（41930866）、青年基金（42107103）等項目的支持。
植物蒸騰水齡估算模型概念圖
不同氣候區(qū)植物蒸騰水齡的季節(jié)變化
不同氣候區(qū)植物蒸騰水齡的累積分布