摘要：根系垂向分布是植物與環(huán)境相互作用的綜合結(jié)果。由于對植物細(xì)根垂向分布狀況及其與環(huán)境因素復(fù)雜相互作用關(guān)系仍缺乏足夠認(rèn)識，導(dǎo)致對氣候變化影響下植被動態(tài)預(yù)測存在很大的不確定性。本研究以檉柳(Tamarix ramosissima)和胡楊(Populus euphratica)兩種干旱區(qū)河岸帶地下水依賴型植物為對象，通過對根系剖面和根系分布數(shù)據(jù)文獻(xiàn)收集整理，并結(jié)合根系與環(huán)境要素關(guān)系等方面，探討和解析了干旱區(qū)植物對干旱環(huán)境的適應(yīng)能力。研究結(jié)果表明，檉柳和胡楊兩種植物根系具有強(qiáng)向水性(依賴地下水)和靈活的水分利用策略，使得它們可以在干旱環(huán)境中生存。根系分布特征的差異決定了兩種植物發(fā)育環(huán)境的不同，即檉柳相比胡楊擁有更高的根系可塑性，使其具有更高效的水分利用，從而保證了其在更加復(fù)雜多樣的氣候、土壤等環(huán)境條件下生存。地下水依賴型植物根系剖面形態(tài)差異大，反映了其具有較強(qiáng)的根系適應(yīng)能力，從而具有較寬的生態(tài)位和較強(qiáng)的生態(tài)韌性。因此，在地球系統(tǒng)模式中，亟需發(fā)展基于物理過程的根系動態(tài)方案，以克服當(dāng)前模型普遍存在對植物根系塑性刻畫不足的問題，從而提升未來氣候變化情景下植被響應(yīng)預(yù)測能力。

文獻(xiàn)主要監(jiān)測方案:

作者收集了國內(nèi)胡楊和檉柳根剖面的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。其中取根深度至少50cm，同時(shí)，植物的年齡，高度，胸圍直徑和樹冠，位置，海拔，年平均降水量，研究地點(diǎn)的潛在蒸散量(PET)和地下水位深度(WTD)也被提取出來。重點(diǎn)分析了細(xì)根（直徑<2mm）分布特征和環(huán)境要素的關(guān)系。采用漸近非線性模型和logistic劑量-響應(yīng)曲線模型來描述和表征根系的垂直分布。

主要研究結(jié)果：

結(jié)果表明，影響植物根系形態(tài)特征最重要的水文因子是地下水位深度、降水和土壤導(dǎo)水性。胡楊和檉柳依賴地下水的特性，得益于其深根的生長能力，幫助它們在極度干旱的氣候中生存。檉柳根系具有更高的可塑性，從淺集中到二形態(tài)根系和深集中根系體系都有變化，能夠適應(yīng)環(huán)境，具有更廣闊的生態(tài)水文生態(tài)位。

以下是主要的結(jié)果圖形曲線：

 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.

如圖2中根系的垂向分布特征研究是根系構(gòu)型研究基本要素，通常采用根鉆取根的研究方式，此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且對根系有破壞性，而微根窗原位監(jiān)測方法可以實(shí)現(xiàn)根系生長的空間動態(tài)分布研究，能長時(shí)期對根系進(jìn)行追蹤。由澳作公司自主研發(fā)的RhizoScope原位根系3D觀測系統(tǒng)采用原狀土蒸滲柱體對于研究植物根系生長動力學(xué)、根系生長空間分布、根系分泌有機(jī)物、根周轉(zhuǎn)率、根系與土壤微生物關(guān)系以及根死亡和生長提供良好的平臺，是研究植物根域和根際重要工具。

Rhizoscope原位根系3D觀測系統(tǒng)采用2.5m(深)?0.8m(直徑)原狀土柱，在蒸滲柱體各深度0.2、0.4、0.65、1.45、2.0m預(yù)先留有孔用于微根管、水分測量儀埋設(shè)和土壤溶液取樣?？梢杂^測植物根系的垂向空間分布形態(tài)。

                               Rhizoscope原位根系3D觀測系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)采用集掃描和攝像技術(shù)于一體的根系觀測設(shè)備進(jìn)行根系圖像采集，掃描模式下，一次掃描可以觀察20cm深土層內(nèi)根系生物量，1200dpi的分辨率可以滿足觀察大部分根系的需求。其攝像模式分辨率高達(dá)4800dpi，可對小至10um的根毛、菌絲做到清晰觀察。這樣就可以把直徑小于2mm的細(xì)根也納入測量范圍內(nèi)。

兩種模式相結(jié)合大大提高了對根系生物量監(jiān)測的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)可以測量根長度、根直徑、根面積、根總長、根總面積、根平均直徑、根數(shù)量，統(tǒng)計(jì)根系生物量、細(xì)根壽命、細(xì)根周轉(zhuǎn)率等。

 同時(shí)，64 倍圖像放大功能，用于觀察植物根菌、真菌和土壤動物活動等。還配有紫外光源，用于區(qū)分活根和死根。

                                                            AZR-300拍攝植物幼根和白蟻