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砂糖橘树-土壤系统对干旱胁迫的响应

申报人：龙穗琴 申报日期：2025-04-30

基本情况

2025年批次
砂糖橘树-土壤系统对干旱胁迫的响应 学生申报
创新训练项目
农学
自然保护与环境生态类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
在全球气候变化背景下，我国西南喀斯特地区干旱事件发生的强度和频率均呈上升态势，干旱胁迫对经果林的水量平衡的影响日益严重。本研究以砂糖橘树-土壤系统为研究对象，采用稳定氢氧同位素脉冲技术追踪该系统在干旱胁迫下水分的分配、存储、利用过程，阐明砂糖橘树的土壤水分利用策略，揭示植物-土壤系统对干旱胁迫的响应机制。
2024年大学生创新创业训练计划自治区级项目《黑麦草-土壤系统对干旱胁迫的响应》项目组成员；第十届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛“数广集团杯”广西赛区选拔赛铜奖；第四届华维杯全国大学生农业水利工程及相关专业创新设计大赛三等奖。
主持广西自然科学基金项目1项，参与国家自然科学基金项目3项；参与广西重点研发计划1项、广西自然科学基金2项。
对于项目进行指导，监督，提出合理的方案和建议，并提供配套经费，使得项目更具有丰富性，可靠性和相关性。在实施过程中进行技术上的指导，包括数据分析，可行性分析等，以及对于资料的查找来源进行教学补充。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
龙穗琴 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2023 总体规划与协调
黄奕 环境科学与工程学院 水文与水资源工程（创新班） 2024 室内试验及野外采样
黄鸿忠 环境科学与工程学院 水文与水资源工程 2022 室内试验及野外采样
何雄锦 环境科学与工程学院 水文与水资源工程 2023 实地调查与室内试验
文靖棋 环境科学与工程学院 水文与水资源工程 2022 实地调查与室内试验

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
汤珊珊 环境科学与工程学院 否

立项依据

石漠化是指由于人类活动导致植被破坏、土壤退化，并转为裸露的岩石景观的过程，被认为是中国西南喀斯特地区最为严重的生态环境问题之一。为控制西南喀斯特地区水土流失、恢复和改善退化的喀斯特生态系统，国家实施了一系列的退耕还林生态工程治理措施。植被恢复期间土壤生态功能和质量可能会得到改善。近70年以来，全球整体呈现一种“暖干化”趋势，干旱化现象在半湿润区表现的最为显著，其次是极端干旱区、湿润区、半干旱区，全球暖干化现象已成为一个不可忽视的世界难题，加剧世界极端天气的出现。在全球气候变化背景下，我国西南喀斯特地区干旱事件发生的强度和频率均呈上升态势，对当地经济发展和生产生活产生了重大影响。气候干旱的问题日趋严峻，极易转换为水文干旱，为经济作物生长代来严峻的挑战，而植物水分利用效率是衡量植物抗旱性的重要指标。因此，如何有效利用有限的水资源是喀斯特地区经营和石漠化治理面临的重要挑战之一。因此，深入研究植物如何在持续干旱条件下高效利用有限的水分资源，对于保障生态平衡和提高农业生产效率具有至关重要的意义。
植物-土壤系统是土壤-植被-大气传输模型中不可或缺的一环，植物-土壤之间的水分运输、分配等能量转换和物质交互反映了陆地生态系统对气候变化的响应。在喀斯特地区，干旱胁迫降低植物光合同化率和初级生产力，导致植物-土壤系统中水分的分配动态及比例也受到影响；植物对水分的吸收和利用模式一定程度上反应了生态系统对环境水分状况发生改变时的响应结果。因此，研究干旱影响植物-土壤系统水的分配过程，是解释植物适应干旱环境生理机制的重要环节。
根系作为植被与土壤进行物质循环和能量流动主要载体,其深度和分布决定植物吸收土壤水分的潜在来源。砂糖橘树的根系在土壤中广泛分布，具有众多的根毛。其根系可以延伸到不同的土壤层，以获取不同深度的水分。一般来说，当雨季土壤水分得到补给时，植物会优先从能量消耗较少的浅层吸收水分，降低在深层的水分吸收比例，在干旱时期为砂糖橘树提供持续的水分供应。通过研究根系在土壤中的分布层次等特征，可以推断砂糖橘树对不同水源的利用情况。随着稳定同位素方法在生态学领域的应用，氢氧同位素作为水的“指纹”能够提供土壤水分来源、运移和混合等信息，为揭示植物-土壤系统之间发生物质能量交换的具体过程提供了新途径。
因此，本研究以岩溶石漠化区砂糖橘树-土壤系统为研究对象，在持续干旱情况下，采用稳定氢氧同位素脉冲标记技术追踪砂糖橘树-土壤系统在干旱胁迫下水分的分配、存储、利用过程，期望从理论上揭示岩溶石漠化区极端干旱导致植物死亡的生理机制和植物适应干旱环境的生理机制，为更准确估算岩溶石漠化区经果林生态系统的平衡提供数据支持，在实践上，从提高砂糖橘树水分利用效率和增强砂糖橘树抗旱性能的角度提出适宜岩溶石漠化区人工经果林培育和经营的策略。
1.干旱胁迫对植被-土壤系统水分分配过程的影响
采用δD和δ18O双示踪方法，分析示踪水分在砂糖橘树根系和枝条的运输效率，量化标记水分分配比例，探究水分运输和利用过程对不同干旱胁迫程度的响应机制。阐明干旱胁迫程度影响植株水分运输动态过程及水分利用的响应机制。
2. 干旱胁迫影响植被-土壤系统水分协调机制
（1）综合分析砂糖橘树生长和生理指标在指示植物抗旱性能的差异，对砂糖橘树的抗旱性指标进行综合评价并筛选出最优指标，能较为简洁准确的反映植物的抗旱性。
（2）结合δD和δ18O示踪结果，分析砂糖橘树-土壤系统标记水在不同干旱胁迫条件下的相关性，阐明砂糖橘树的土壤水分利用策略，揭示植物-土壤系统对干旱胁迫的响应机制。
1. 生态水文过程
生态水文过程的研究尺度涵盖了从某个植物群落的小尺度到流域生态系统、区域生态系统乃至全球生态系统等多个空间尺度；其研究内容主要包括碳氮水耦合机制、林冠截流、植物水分利用策略、气候或土地利用变化的生态水文响应等多个方面；西南喀斯特地区地表地下二元结构明显，地表水渗漏、地下水深埋，即使降水充沛，但依然存在严重季节性干旱，土层浅薄、分布不连续，储水能力低，因此，水分亏缺是西南喀斯特地区植被迅速恢复与生态重建的主要障碍。喀斯特地区特殊的地质背景和复杂的地形地貌，水分运移过程有别于其他地区，且不同类型喀斯特地貌类型土壤水分运移规律差异也很大。国内外很多研究学者在喀斯特地区土壤水分的时间稳定性、空间的异质性以及生态系统的水分适应性等方面进行了大量的研究。喀斯特地区的水文功能受其独特的地质环境限制，同时，还受土体、地上植物和大气降雨等因素的影响。
2. 植被与土壤水的响应
在传统的生态水文系统研究中，由于研究手段的限制，传统方法很难确定植物吸收土壤水分的途径和来源，土壤中的环境条件在多大程度上能够被根系所利用依然不十分清楚。近年来，随着研究方法和观测手段的不断改进和日趋完善，特别是由于稳定同位素技术的快速发展和应用，为深入开展水分限制生态系统中植物对水分资源的利用、混生群落中物种间对水资源的竞争和共生关系以及根系对土壤水分的调节机理的研究提供了一种新的有效途径。氢氧同位素在水循环过程中存在分馏现象而产生不同的氢氧同位素值，可以作为水分迁移的天然示踪剂，用于确定植物吸收土壤水分的来源，在我国喀斯特地区环境特殊，生态水文过程对改善生态环境起着不可忽视作用，喀斯特地区土层浅薄，适用于其它区域的植物与水分之间关系的研究方法，在这一区域并不适用，而稳定同位素技术解决了这一难题；生长在这一区域的植物根系发达，它们对水分利用具有季节性变化，雨季时会利用浅表层土壤水，但旱季时利用表层岩溶带水或深层土壤水。随着生态建设的加强，人工种植植被与水资源之间需要维持一个可持续发展的关系，氢氧稳定同位素技术可为植被恢复的物种选择提供可靠的方法，使其合理利用水资源，真正改善区域的生态水文环境。
近年，利用氢氧稳定同位素示踪技术进行植物与周围环境水分来源的研究较多，氢氧稳定同位素在生态环境研究领域的应用主要是植物对环境胁迫的响应，如对不同土壤剖面进行分层，分别提取层土壤的δ18O值，结合地下水δ18O值，分析黑河下游河岸地下水及土壤剖面中的土壤水对黑河河岸防护林水分来源的贡献比率。但这些研究多停留在利用稳定同位素技术研究植物水分来源方面，且多为论述性报道，对于植物体内部的水分利用的研究主要集中在树体内部的水分流动，边材的水分运输和储存动态变化、植物蒸腾等方面，但水分在植物体内的运输和分配机理目前仍不明确，原因之一为植物体内水分的运输和分配机理缺少相关的量化研究。水分被植物根系吸收后一般沿着木质部以液流的方式运输到各个器官，在到达叶片和幼嫩枝条前，不发生同位素分馏，因此采用氢氧同位素示踪方法可以量化水分在植物体内的运输速率、滞留时间和分配机理。因此采用氢氧同位素脉冲标记示踪技术，是解决这一环节关键问题的有效途径。
本项目以典型岩溶石漠化区的砂糖橘树-土壤系统为研究对象，在持续干旱条件下，采用稳定氢氧同位素脉冲标记技术追踪砂糖橘树-土壤系统在干旱胁迫下水分的分配、存储、利用过程，期望从理论上揭示岩溶石漠化区干旱导致植物死亡生理机制和植物适应干旱环境生理机制，为更准确估算岩溶石漠化区经果林的水量平衡提供理论支持，在实践上，从提高砂糖橘树水分利用效率，增强砂糖橘树抗旱性能的角度提出适宜岩溶石漠化区经果林培育和经营的策略。
（1）本试验分为以下三个层次。技术路线如图1所示。
（2）第一层为试验设计，阐明试验在持续干旱条件下，研究对象是植物-土壤系统，包括3个水分处理（40%FC，60%FC，80%FC），试验测定的指标有：δD和δ18O标记试验数据，根系形态特征，根周转和生产量，植物及土壤养分。
（3）第二层是对全部试验结果的初步分析和提炼过程：对比描述植物抗旱性能的21个抗旱指标，综合评价各指标在三个土壤水分梯度条件下对抗旱性能的表达程度，优化植物抗旱性能表达的指标体系，提出表达抗旱性能的最优指标。
（4）第三层是结合同位素示踪方法下植物-土壤系统水分配、储存、利用的过程，揭示不同干旱胁迫程度影响植物-土壤系统水分分配策略和运输策略；分析水资源利用效率及水协调机制，最终揭示砂糖橘树-土壤系统响应干旱胁迫的机制。
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5.2 拟解决的问题
本研究以砂糖橘树-土壤系统为研究对象，研究的问题在于以下两个方面：
1.砂糖橘树生理生态特征对干旱胁迫的响应
在持续干旱情况下，对比描述植物抗旱性能的21个抗旱指标，综合评价各指标在3种水分条件下（40%FC，60%FC，80%FC）对抗旱性能的表达程度，优化植物抗旱性能表达的指标体系，提出表达抗旱性能的最优指标。
2.量化砂糖橘树-土壤系统水分的分配、运输、利用过程对干旱胁迫的响应
在持续干旱情况下，采用稳定氧同位素脉冲标记技术追踪砂糖橘树-土壤系统在干旱胁迫下水分的分配、存储、利用过程，以及水利用特征对干旱环境的响应，评价砂糖橘树-土壤系统对水资源的综合利用效率，阐明砂糖橘树-土壤系统水分分配策略对干旱环境响应的生理机制。
5.3 预期成果
1. 采用模糊隶属函数法对砂糖橘树的抗旱指标进行综合评价，筛选出适合喀斯特地区植物的抗旱指标；
2. 分析示踪水分在砂糖橘树根系和枝条的运输效率，量化标记水分分配比例，探究不同干旱胁迫程度对砂糖橘树树水分运输和利用过程的影响机制；
3. 撰写相关小论文1-2篇。
根据项目内容，拟定的年度研究计划如下：
1. 2024年12月至 2025年 2月
（1）收集气象资料、土壤资料、降雨资料和植被资料；
（2）根据研究内容制定试验方案；
（3）实地考察并选择适合的样地。
2. 2025年3月至 2026年2月
（1）采集不同水分条件下的砂糖橘树的根系及枝条进行同位素测定；
（2）采集砂糖橘树样地不同土层的土壤进行稳定氢氧同位素组成的测定；
（3）整理和分析试验数据，撰写小论文：①不同水分胁迫下砂糖橘树氢氧稳定同位素分布特征；②砂糖橘树生理生态特征对干旱胁迫的响应。
3. 2026年 3月至 2026年4月
（1）撰写结题报告；
（2）撰写小论文：干旱胁迫对砂糖橘树-土壤系统水分分配过程的影响。
项目组成员自入学以来参与了指导老师关于喀斯特地区“灌-草”格局与土壤水分响应关系研究，在此过程中，项目组成员已通过文献资料的查阅了解了喀斯特地区生态水文过程，氢氧同位素示踪技术、植物-土壤水动态分布相关研究进展；
项目组成员积极参与样方调查和野外采样，同时配合研究生进行土壤含水量测定、土壤颗粒粒径分析和土壤水抽提等氢氧同位素前期测定准备工作等，并掌握数据处理方法。
项目组成员查阅了大量相关文献，为本研究提供科学合理的理论依据。

(1)已具备的条件
申请人所在学校拥有中央与地方共建重点实验室、广西区级重点实验室和广西高校重点实验室，拥有光合作用测定系统（Li-6400，Li-Cor，USA)、马尔文土壤颗粒分析仪、土壤养分测定系统、烘箱等实验设备；第二指导教师所在的广西植物研究所生态与环境研究中心拥有土壤分析实验室、生理生态学实验室、LI-6400 便携式光合测定系统、LAI-2000 植物冠层分析仪、LI-3000A 便携式叶面积仪、便携式叶绿素荧光仪、植物导水率高压测量仪、根系分析系统、土壤水分监测系统、同位素分析仪等相关中大型实验仪器。上述实验室及实验仪器设备均在正常运转，可以满足本研究所需的实验条件，能够完成预期研究内容和目标。
申请人和项目组成员自入学以来一直参与大学生创新创业训练计划自治区级项目，参与多次采样与试验，为本项目的研究奠定一定的基础。且申请人和项目组成员自入学以来一直参与指导教师的广西自然科学基金项目，并参与样方调查和野外采样，同时配合研究生进行土壤含水量测定、土壤颗粒粒径分析和土壤水抽提等氢氧同位素前期测定准备工作等，并主动学习Origin、Spss等软件。同时，积极在水科学讲堂上多次听取与本研究有关的学术报告，并查阅相关文献进行学习。
(2)尚缺少的实验条件和拟解决的途径
无

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 8000.00 项目开支 2100.00 5900.00
1. 业务费 7000.00 开展各项业务 1500.00 5500.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 2500.00 野外采样、租车 1500.00 1000.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 4500.00 论文版面费 0.00 4500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 1000.00 购买塑封袋、封口膜、取样品等 600.00 400.00
结束

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