中国塔克拉玛干沙漠胡杨径向生长与内在水分利用效率对环境因子的响应机制研究

本研究针对气候变暖背景下沙漠河岸林水分胁迫加剧的问题，通过树轮宽度和δ13C同位素分析，揭示了不同地下水埋深条件下胡杨(Populus euphratica)内在水分利用效率(iWUE)与径向生长的响应规律。研究发现浅层地下水区iWUE与温度、蒸气压亏缺呈正相关，而深层地下水区iWUE与相对湿度正相关，表明地下水深度显著调控树木生理响应。该研究为干旱区森林生态系统应对气候变化提供了关键理论依据，对制定荒漠植被保护策略具有重要科学价值。

　　

在全球气候变暖和人类活动加剧的背景下，沙漠地区水资源分布格局发生显著改变，水分下渗和蒸发过程加速，水循环平衡被打破，导致河岸林干旱胁迫日益严重。塔克拉玛干沙漠作为世界第二大流动沙漠，其腹地的达里雅布依绿洲依靠克里雅河维系着脆弱的生态系统，而胡杨(Populus euphratica)作为该地区的关键建群种，正面临着水资源重新分配带来的生存挑战。尽管气候变化对森林生态系统的影响已被广泛关注，但不同环境条件下胡杨内在水分利用效率(intrinsic water use efficiency, iWUE)与树木生长的关系仍不明确，这限制了我们准确预测干旱区森林对气候变化的响应能力。

为深入解析这一问题，研究人员在《Agricultural Water Management》发表了最新成果，通过综合运用树轮年代学、稳定同位素生态学和环境因子分析等技术手段，系统研究了不同地下水埋深条件下胡杨径向生长与iWUE的响应特征。

研究采用的关键技术方法包括：在达里雅布依绿洲沿地下水埋深梯度(3.3m、4.7m、6.9m)设置三个样点采集胡杨树轮样本；使用LINTAB?6树木年轮分析系统测量年轮宽度并建立标准化年表；通过元素分析-同位素比值质谱联用技术测定树轮δ¹³C值；基于Farquhar模型计算长期iWUE和胞间-大气CO₂浓度比(C_i/C_a)；整合气象站、水文站和帕尔默干旱指数(PDSI)等多源环境数据；运用Pettitt突变检验和随机森林-XGBoost集成模型分析环境因子贡献率。

3.1 环境因子变化特征

研究发现1980-2022年间研究区年均温显著上升，而相对湿度显著下降，2003年成为环境因子的突变点。大气CO₂浓度(C_a)从337.90ppm持续上升至420.11ppm，而大气δ¹³C值从-7.56‰下降至-8.57‰，表明区域气候呈现暖干化趋势。

3.2 δ¹³C、BAI和iWUE的变化规律

胡杨原始δ¹³C值在所有样点均呈现下降趋势，且浅层地下水样点的值低于中、深层样点。基部面积增量(BAI)在1980-2002年间显著增加，而在2003-2022年间增长停滞甚至下降，其中深层地下水样点(6.9m)下降最为显著。iWUE在浅层地下水样点(3.3m)与温度、蒸气压亏缺(VPD)和径流量(RO)呈显著正相关，而在深层地下水样点(6.9m)与相对湿度(RH)正相关、与VPD负相关，表明地下水深度改变了树木的生理响应策略。

3.3 BAI和iWUE对环境变化的响应

随着地下水埋深增加，胡杨BAI与年均温的关系由显著正相关转为不相关。iWUE与环境因子的关系也呈现规律性变化：在浅层地下水区，iWUE与温度、VPD和RO正相关；在深层地下水区，iWUE与RH正相关、与VPD负相关。月尺度分析表明，生长季前期(3-5月)的水分条件对iWUE变异具有重要调控作用。

3.4 C_i/C_a变化及其与环境因子的关系

C_i/C_a比值在所有样点均呈现上升趋势，但遵循不同的理论 scenario：浅层地下水样点接近Scenario 2(C_i/C_a恒定)，深层地下水样点在1980-2003年间接近Scenario 1(C_i恒定)，2004年后介于Scenario 1和2之间。C_i/C_a与生长季环境因子的相关性随地下水埋深增加而增强，在深层地下水区与温度、VPD和RO呈显著正相关，与RH呈显著负相关。

3.5 环境因子对iWUE和BAI变化的贡献率

随机森林-XGBoost模型显示，温度和径流是iWUE变化的主要解释因子(合计贡献率超70%)，而BAI变化主要由温度、PDSI和径流共同解释(联合贡献率超90%)。CO₂施肥效应对iWUE和BAI变化的直接贡献有限，表明在干旱胁迫背景下，水分有效性而非CO₂浓度成为树木生长的主要限制因子。

研究结论与讨论部分指出，地下水埋深是调控胡杨iWUE与径向生长关系的关键因素。在浅层地下水条件下，胡杨可以通过吸收地下水缓解干旱胁迫，维持较高的生长速率和水分利用效率；而在深层地下水条件下，水分获取困难导致树木生长受到严重限制。值得注意的是，iWUE的提高并不总是伴随着径向生长的增加，在深层地下水区，树木通过关闭气孔减少水分损失的行为虽然提高了iWUE，但同时也限制了光合碳吸收，导致生长衰退。

C_i/C_a比值的动态变化揭示了胡杨在不同水分条件下的生理适应策略：在水分充足时保持C_i/C_a恒定反映气孔行为和光合作用的协调调控；在水分胁迫下维持C_i恒定则表明气孔关闭主导了生理响应。这种策略差异体现了胡杨对干旱环境的适应可塑性。

该研究的重要意义在于首次系统揭示了塔克拉玛干沙漠腹地胡杨iWUE与径向生长对地下水埋深的响应规律，明确了水分有效性而非CO₂施肥效应是该地区树木生长的主要限制因子。研究成果为准确预测干旱区森林对气候变化的响应提供了科学依据，对制定合理的荒漠植被保护和水资源管理策略具有重要实践价值。未来需要进一步加强不同时间尺度下水碳耦合过程的研究，深入解析胡杨对环境变化的生理生态适应机制。