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《西南大学》 2019年
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隧道建设对岩溶槽谷区植物水分利用策略的影响

刘九缠  
【摘要】:随着社会经济的发展,越来越多的隧道被开挖出来,并由此引发了隧道涌水、漏水等一系列问题。在岩溶地区由于土层浅薄、地下岩溶裂隙管道等发育,因此地下水循环系统更加复杂和脆弱。隧道开挖所引起的隧道涌水和漏水,可能对脆弱的岩溶地下水循环系统造成严重影响;进而造成上部地表水干涸,从而影响上覆植被的生长和发育。中梁山位于重庆市主城西部,属典型的岩溶槽谷地貌;自1999年以来,中梁山陆续修建了多条隧道,其中在中梁山北部的龙凤槽谷(隧道影响区),密集修建了3条隧道;而在中梁山南部的龙车槽谷(无隧道影响区),并没有修建隧道。隧道开挖导致的隧道涌水和漏水使得龙凤槽谷内部泉水干涸,水田转为旱地,当地居民生活用水需要从山下抽水,严重影响了当地的生产生活。在中梁山岩溶槽谷区,由于地下水开采和隧道开挖引起的地表水干涸,可能对植物生长造成严重影响。而植物水分利用策略(植物水分来源和植物水分利用效率)是一个地区植物适应环境的重要体现。因此系统研究岩溶槽谷地区植物水分利用策略对岩溶槽谷地区生态环境保护和石漠化治理具有重要的理论和现实意义。本研究以重庆市中梁山岩溶槽谷区四种典型植物白蜡树、橘子树、金佛山荚蒾和多叶勾儿茶为研究对象,分析了隧道影响区和无隧道影响区植物水分利用策略,探究隧道建设对植物水分利用策略的影响。主要研究成果如下:(1)隧道影响区和无隧道影响区不同深度土壤含水率随降水的变化而呈现出明显的季节变化,且土壤含水率的变化趋势与降水量大体保持一致;虽然土壤含水率在隧道影响区和无隧道影响区表现出相似的变化特征,但在同一深度,隧道影响区土壤含水率明显低于无隧道影响区(同一时间,隧道影响区土壤含水率较无隧道影响区土壤含水率低4%);且在同一深度隧道影响区土壤含水率与无隧道影响区土壤含水率呈现显著差异(P0.01)。土壤含水率在隧道影响区和无隧道影响区表现出的这种差异表明,隧道开挖可以使地下水位降低,然后使得隧道上部土壤变干。(2)各植物木质部水的δ~2H和δ~(18)O值差异并不显著,表明各植物具有类似的水分来源。然而,一年中各植物木质部水的δ~2H和δ~(18)O值存在显著的季节差异(P0.01),表明植物水分来源具有明显的季节变化。在同一时间,隧道影响区植物木质部水的δ~2H、δ~(18)O值较无隧道影响区相同植物木质部水的δ~2H、δ~(18)O值更加偏正,植物木质部水的δ~2H、δ~(18)O值在隧道影响区和无隧道影响区的这种差异表明隧道开挖可能改变了隧道影响区植物水分来源。利用IsoSource模型计算了各植物水分来源,结果表明在不同季节植物水分来源存在差异(植物利用的地下水比例由冬春季节的46%-69%,降至夏秋季节的20%-44%)且隧道开挖不仅降低了土壤含水率,而且改变了岩溶地区植物吸收各水分来源的比例:即隧道建设使得隧道影响区植物利用的地下水比例较无隧道影响区更高(冬春季节隧道影响区较无隧道影响区植物利用的地下水占比高9%,夏秋季节隧道影响区较无隧道影响区植物利用的地下水占比高5%);计算结果也表明同一季节乔木较灌木而言利用的地下水占比更高(同一季节乔木较灌木而言利用的地下水占比高5%)。(3)植物叶片δ~(13)C值整体表现出冬春季偏正,夏季最偏负,秋季和冬季植物叶片δ~(13)C值较偏正的特征,这表明植物在春季具有最高的水分利用效率,而在夏季植物水分利用效率较低。同一植物,在同一季节,隧道影响区植物叶片δ~(13)C值均高于无隧道影响区植物叶片δ~(13)C值,这种差异表明隧道影响区植物较无隧道影响区植物而言具有更高的水分利用效率。在同一季节不同生活型植物δ~(13)C值表现出乔木高于灌木;这表明乔木较灌木而言具有更高的水分利用效率。通过对植物水分利用效率(WUE)的计算,证实了上述观点:即同一植物在隧道影响区水分利用效率均高于无隧道影响区植物水分利用效率(同期隧道影响区植物水分利用效率较无隧道影响区植物水分利用效率高0.07mmol/mol;隧道影响区植物水分利用效率由夏季的0.45mmol/mol升高到春季的1.98 mmol/mol,而无隧道影响区植物水分利用效率由夏季的0.41mmol/mol升高到春季的1.89 mmol/mol);在同一季节,乔木较灌木而言具有更高的水分利用效率(乔木水分利用效率较灌木水分利用效率高0.02mmol/mol),说明乔木较灌木而言采用了更加保守的水分利用策略。(4)土壤含水率和植物水分利用效率的相关分析表明,土壤含水率和植物水分利用效率呈负相关关系,而隧道影响区植物水分利用效率与土壤含水率的相关性(R~2=0.73,P0.01)较无隧道区植物水分利用效率与土壤含水率的相关性强(R~2=0.64,P0.01)。表明植物在隧道影响区对于土壤水分的变化更为敏感。对乔木和灌木水分利用效率和土壤含水率的相关分析表明,乔木和灌木的水分利用效率均与土壤含水率呈显著负相关关系,而其中灌木水分利用效率与土壤含水率的相关性更强(乔木R~2=0.64,P0.01;灌木R~2=0.80,P0.01),这可能是由于灌木较乔木而言属于浅根系植物,因此灌木对土壤水分的变化更加敏感。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:Q948;U455

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