Comparative Studies on Water Source and Water Use Efficiency of Planted and Native Species in the Arid and Semiarid Desert Areas of Northwestern China

近年来，为了改善由于人类活动和气候变化引起的植被退化，我国在西北地区进行了大规模的人工植被重建工程。但是这些造林活动可能会导致地下水位的下降，进而影响干旱－半干旱地区植物的生长和存活。目前，还没有见到关于干旱－半干旱区原生植物和人工种植植物利用的水源以及水分利用效率和生理适应方面的研究报道。为了比较干旱－半干旱荒漠地区引种和本地种植物水分来源和水分利用效率的异同，本研究在三个降雨量不同地区（内蒙古的杭锦旗和磴口、甘肃的民勤）选取了主要的引种、人工种植本地种和原生种，从植物-水分关系角度为切入点，利用氢、氧和碳稳定同位素技术，研究在不同水分状况的地区，不同类型的植物对不同水源的选择性利用情况和水分利用效率及其对不同程度干旱胁迫的响应。本研究的主要结论如下： 1.油蒿(Artemisia ordosica)、白刺(Nitraria tangutorum)和柠条(Caragana Korshinskii)是三个降雨量不同的地区共同分布的植物种。这些植物能通过改变水分利用策略和其它生理特性来适应自然降雨量的变化，但不同植物种采用的适应策略是不同的。在年降雨量最高的杭锦旗(258 mm)，植物对浅层土壤水(0-50cm)的利用比例最高；在年降雨量相对较低的磴口(145 mm)和民勤(113 mm)，三种植物主要利用的水源为深层土壤水(>100 cm)和地下水。随着年均降雨量的增加，油蒿和白刺的水分利用效率逐渐降低。白刺和柠条的脯氨酸浓度虽然大于油蒿，但它们的脯氨酸浓度与水分利用效率无关，而油蒿的脯氨酸浓度与水分利用效率成正比(r2=0.82, P<0.05)，说明这些荒漠植物能采用不同的水分利用策略和改变其它生理特性适应自然降雨量的变化。 2. 根据植物的来源将植物划分为三种类型：引种、人工种植本地种和原生种。在较干旱的7月，引种在民勤和磴口利用地下水的比例占水源的64.26%和32.18%；而在较湿润的9月，引种在民勤利用地下水的比例下降到18.10%，在磴口利用地下水的比例则上升至59.7%，这说明随着干旱胁迫的增强，人工种植本地种逐渐增加对雨水的利用，在最干旱的民勤地区，人工种植本地种几乎完全依赖雨水补充。在三类植物中，原生种对地下水的利用比例最低；在干旱的7月，原生种有50%以上的水源来自雨水补充的浅层土壤水，在湿润的9月，原生种则增加了对雨水的利用程度。在每个研究点，不同的原生植物对水源的利用比例各不相同，这有助于它们避免对同一水源的竞争利用，从而维持了物种的多样性。 3.在降雨量最低、地下水位最低的民勤，引种和人工种植本地种植物从5月到7月期间的水分利用效率显著高于降雨量较高的其它两个站点的同类植物，说明在较干旱的地区，植物的水分利用效率更高。沿着降雨量从低到高的梯度，原生种植物的平均的水分利用效率逐渐降低；但黄灌区磴口（年均降雨量居中）的人工种植本地种的水分利用效率最低，这是因为有黄河渠水的补充，水源较充足。在水分状况不同的三个研究点，原生种在整个生长季的水分利用效率相近，说明在不同干旱条件下，荒漠区的原生种的平均水分利用效率差别较小。在三个研究点，原生种植物的脯氨酸含量大于其它两类植物，但只有人工种植本地种的叶片δ13C和植物的脯氨酸含量成正比（7月：r2=0.8, P<0.05；9月：r2=0.31, P<0.05）。在水分状况较好的半干旱地区，进行大规模的人工植被恢复工程，即使采用本地种植物，也会损耗大量当地的地下水资源。 荒漠植物能通过改变水分利用策略和其它生理特性适应自然降雨量的变化，但不同植物物种的策略可能有所不同。不同干旱胁迫状态下，不同类型的荒漠植物采用的水分利用策略也各不相同。原生植物在不同水分状况下的水分来源和长期水分利用效率都相近，而人工种植的其它两类植物的水分利用情况受干旱程度影响显著。在干旱-半干旱地区引种或人工种植本地种植物应该考虑它们对地下水的依赖程度以及水分利用效率等特征