西南喀斯特關(guān)鍵帶具有基巖廣泛出露、土層淺薄且不連續的特點(diǎn)，與土層較厚的非喀斯特關(guān)鍵帶相比，同等深度范圍內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，嚴重制約該區植被的生長(cháng)和可持續恢復。在此背景下，探明植物的水分利用來(lái)源是理解喀斯特關(guān)鍵帶植物對“石多土少水缺”環(huán)境適應機制的關(guān)鍵。
水分來(lái)源是植物水分適應機制的核心，涉及吸水深度來(lái)源（空間來(lái)源）和時(shí)間來(lái)源兩方面。但目前關(guān)于植物水分來(lái)源的研究大多集中在空間來(lái)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(shí)間來(lái)源是表征植物利用何時(shí)的降水補給水源，能綜合反映植物對降水變化的適應機制。然而，在喀斯特地區，因地下復雜巖土結構和取樣困難的挑戰，植物水分利用的空間來(lái)源難以精確量化。團隊前期研究表明水分來(lái)源深度直接影響喀斯特石生植物的水勢調節及干旱脆弱性（Ding et al. 2021）。此外，從植物水分利用的時(shí)間來(lái)源角度，前期研究提出了量化植物根區水分滯留時(shí)間模型（Luo et al. 2021），并對比分析了喀斯特與非喀斯特關(guān)鍵帶典型植物根區水分補給動(dòng)態(tài)的異同，發(fā)現在不同關(guān)鍵帶和氣候環(huán)境下，降水在植物根區的分流（Bypass）現象廣泛存在（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再分配過(guò)程奠定了基礎。但在全球氣候變化背景下，降水格局的變化如何耦合關(guān)鍵帶結構影響植物的水分利用模式及其適應機制尚不清楚，喀斯特關(guān)鍵帶植物水分適應策略有何獨特之處并不明確。
針對以上問(wèn)題，中國科學(xué)院亞熱帶農業(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，并綜合文獻數據，利用穩定同位素示蹤技術(shù)，估算了植物根區水分被降水（新水）補給的比例，基于根區新舊水比例，采用分段線(xiàn)性混合式水齡（滯留時(shí)間）模型計算了植物蒸騰水齡的季節變化（反映植物水分利用的時(shí)間來(lái)源）。對比分析了不同氣候類(lèi)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動(dòng)態(tài)及其影響機制。
研究結果發(fā)現，不同氣候區植物蒸騰水齡季節變化明顯，變化范圍約為1~229天。在相對濕潤氣候區，植物蒸騰主要依賴(lài)當月降水補給的水源（約占全年水源的60%）；而在相對干旱的氣候區，植物蒸騰很大程度上依賴(lài)來(lái)自前幾個(gè)月/季節的降水補給的水源。這表明氣候類(lèi)型是影響植物蒸騰平均水齡的主要因素，但同時(shí)受根系深度的調控。研究揭示了不同的關(guān)鍵帶結構通過(guò)影響植物根系深度分布和根區儲水能力來(lái)調控降水的入滲、補給和滯留時(shí)間，進(jìn)而影響植物的蒸騰水齡及水分適應機制。此外，研究考慮了蒸發(fā)對根區水源穩定同位素的影響，解決了穩定同位素示蹤植物水分來(lái)源研究中蒸發(fā)效應的校正問(wèn)題。
更為重要的是，與其他非喀斯特地區植物相比，喀斯特石生環(huán)境植物蒸騰平均水齡最短（<30天），主要是由該區植物根區儲水能力低以及頻繁地被降水補給所致，表明在降雨充沛的喀斯特地區降水頻率對多石少土生境植物生長(cháng)更為重要。揭示了喀斯特關(guān)鍵帶植物對復雜巖土結構主控的快速水文過(guò)程的獨特水分適應機制。但這種適應策略的植物在較長(cháng)時(shí)間無(wú)降水補給條件下可能面臨嚴重干旱脅迫。
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(zhù)名期刊Water Resources Research上。研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)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
不同氣候區植物蒸騰水齡的季節變化
不同氣候區植物蒸騰水齡的累積分布
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