本月植物奖:这些沙漠植物是如何生存的?

2021年7月21日

植物如何应对沙漠气候

沙漠植物往往看起来与其他地区的原生植物非常不同。它们通常是肿胀的,多刺的,有微小的叶子,很少是明亮的绿色。它们奇特的外表是它们对沙漠气候挑战的非凡适应的结果。干旱是定义沙漠的唯一因素,也是沙漠生物必须适应的主要限制。

粉红仙女掸子

这个粉红色的仙女掸子上的小叶子是减少叶子表面积的例子,使植物更节水。

沙漠植物已经发展出三种主要的适应策略:多汁性、耐旱性和避免干旱。其中每一种都是一套不同但有效的适应措施,以适应在可能杀死其他地区植物的条件下繁衍生息。

多汁

肉质植物在肉质的叶子、茎或根中储存水分。所有仙人掌都是多汁植物,像龙舌兰、芦荟、大象树和许多大戟等非仙人掌沙漠居民也是多汁植物。为了使储水习惯变得有效,其他一些适应措施是必不可少的。

龙舌兰

像这种龙舌兰一样的多汁植物在叶片中储存水分。它们也有蜡质的表皮,是CAM植物(见下文),使它们非常节水。

多肉植物必须能够在短时间内吸收大量的水分。沙漠里的雨水通常很轻很短,在强烈的阳光下土壤很快就干了。为了适应这些条件,几乎所有的肉质植物都有广泛而浅的根系。仙人掌的根部水平延伸到植株的高度,但很少超过4英寸(10厘米)深。吸水根多在上半英寸(1.3厘米)内。

肉质植物必须能够在干燥的环境中保持水分贮藏,并尽可能有效地利用水分。大多数物种的茎和叶都有蜡质表皮,当天气变暖时,它们几乎可以防水气孔我们关门了。通过减少表面积进一步节约用水;大多数肉质植物只有很少的叶子(龙舌兰),没有叶子(大多数仙人掌),或者在干旱季节落叶(象树、象鼻树、仙人掌)。

许多多肉植物以及半多肉植物,如大多数丝兰、附生兰花和旱生凤梨,都具有一种节水的光合作用变体,称为CAM,是景天蓝酸代谢的首字母缩写。CAM植物在夜间打开气孔进行气体交换并储存二氧化碳。白天,当气孔关闭时,光合作用利用储存的二氧化碳进行。由于夜间温度较低,湿度较高,CAM植物每单位碳水化合物的水分损失是标准C3植物的十分之一。

仙人掌开花

这种多刺的梨仙人掌不仅在它多肉的肉垫(茎)中储存水分,它还用它的刺保护自己免受饥饿的捕食者的伤害。刺还可以帮助植物遮荫,捕捉和直接的水分。

CAM植物的另一个有价值的特性是它们在干旱期间的闲置代谢能力。当CAM植物受到水分胁迫时,气孔白天和晚上都保持关闭;气体交换和水分损失几乎停止。然而,这种植物在仍然潮湿的组织中保持较低的代谢水平。正如怠速发动机可以比冷发动机更快地加速到全速一样,怠速凸轮装置可以在雨后24到48小时内完全恢复生长。因此,肉质植物可以迅速利用短暂的表面水分。

在干旱环境中储存的水需要保护以免受到口渴动物的伤害。大多数肉质植物都有刺或有毒,通常两者都有。有些植物只在人迹罕至的地方种植,以保护自己。不过,也有一些人依赖伪装。例如,亚利桑那州夜间开花的蜡状花与它生长的灌木的干茎非常相似。

耐旱性

耐旱性(或干旱休眠)是指植物在不死亡的情况下抵抗干旱的能力。这类植物通常在干旱期落叶,进入深度休眠期。大部分水分损失是通过叶片表面的蒸腾作用造成的,因此掉落的叶片可以保存茎中的水分。一些通常不落叶的植物有树脂涂层,可以阻止水分流失(例如杂酚油灌木)。

杂酚油灌木

杂酚油叶子有一层树脂涂层,可以阻止水分流失。这些叶子已经适应了保存水分和在高温下生存。

与湿润气候下的植物相比,耐旱灌木和树木的根系更为广泛,覆盖面积可达树冠直径的两倍。它们在比肉质植物根部更深的地方挖掘土壤;有时,它们延伸至极端深度(如梅斯基特)。然而,豆科植物的大部分根部离地表只有三英尺(0.9米)的距离。

生根深度控制生长周期的机会。与多肉植物的浅根策略相反,需要大量的雨水来湿润灌木和树木的深层根区。一场大雨过后,像脆灌木和杂酚油这样的灌木需要几周的时间才能从深度休眠中完全恢复生长。这种策略和多肉植物的权衡是,一旦深层土壤被几次降雨润湿,它保持湿润的时间比表层长得多,支持了数周的生长。

肉质植物只有在土壤接近饱和时才能吸收水分。相比之下,耐旱植物可以从更干燥的土壤中吸收水分。类似地,这些植物可以在叶片含水量较低的情况下进行光合作用,这对大多数植物来说都是致命的。

brittlebush盛开

布列特布什有灰色的叶子来反射阳光,保持凉爽。它们在干旱期也很容易落叶,雨后会很快落叶。

避旱

一年生植物因不存在而避开不利条件。它们在一个季节内成熟,然后在将全部生命能量引导到生产种子上而不是保留一些种子以供继续生存后死亡。

大多数索诺兰沙漠的一年生植物只会在秋季的一个很窄的时间段内发芽,那时夏天的热量已经消退,冬天的寒冷到来之前。在这个机会之窗,大多数物种必须有至少一英寸的淋雨。这种结合的需求是生存的保障:在温和的秋天,一英寸的雨水将提供足够的土壤水分,即使在那个季节几乎没有更多的雨水,发芽的种子也可能成熟并结出种子。还有更进一步的保证:即使在最好的条件下,也不是所有的种子都能发芽;一些潜伏。尽管机理尚不清楚,但每年有一定比例的沙漠羽扇豆种子要到十岁才会发芽。

野花、罂粟和羽扇豆。

像亚利桑那州的罂粟和羽扇豆等野花等待合适的条件。春花在秋冬雨季发芽。它们会在春天开花,然后在炎热干燥的天气到来之前播种死亡。

在温和的秋天天气里,幼苗迅速地形成叶子的莲座丛,在冬天生长得更慢时,幼苗在地面上保持平坦,在春天开花。由于植物在春天来临之前都不显眼,许多人错误地认为春雨带来了我们的野花展览。

一年生植物仅在有旱季的群落中常见,在旱季,多年生植物的间距取决于获得足够水分以在最干旱年份生存所需的生根空间。在偶尔多雨的年份,开放空间和水分都可供快速生长的一年生植物种群利用。栖息地越干旱,一年生物种的比例越大。索诺兰沙漠一半的植物区系由一年生物种组成。在最干燥的栖息地,高达90%的植物是一年生植物。

沙漠环境可能看起来很恶劣,但这纯粹是局外人的观点。适应不仅使当地的动植物能够在这里生存,而且大部分时间都能茁壮成长。

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你知道吗,多达70%的水是在户外使用的?这就是为什么我们喜欢沙漠植物,每个月都以它们为特色。访问我们的网页低水分植物的选择与种植有关植物选择和如何正确种植的提示。另外,一定要通读我们所有的特色文章本月最佳植物博客!


这篇文章已获准转载。你可以阅读原文在这里时不时地,《水-明智使用》邀请一些博客撰写与水和节水相关的主题。这篇博文的作者,马克·A·丁米特,曾任香港大学自然历史系主任索诺兰沙漠博物馆.亚利桑那-索诺兰沙漠博物馆成立于1952年,其使命是通过培养对索诺兰沙漠的爱、欣赏和理解,激励人们与自然世界和谐相处。博物馆是一个融合体验:动物园,植物园,艺术,画廊,自然历史博物馆和水族馆。

唐娜·迪弗朗西斯科照片