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中间锦鸡儿水分吸收、蒸腾耗水特征与生态水文效应研究

臧春鑫  
【摘要】: 在干旱半干旱地区,水分成为制约植物生长的主要限制因子。因此准确探明植物的吸收、耗水机制以及由此产生的生态水文效应对于植被的合理建植、科学管理,有着重要的指导意义。本研究,选择广泛分布于蒙古高原荒漠化草原区和黄土高原北部典型草原区的防风固沙植物中间锦鸡儿作为研究对象。在总结前人的工作基础上,采用了Granier热扩散探针法和稳定性同位素示踪法,分别以风沙土基质和黄绵土-黄土基质上生长的中间锦鸡儿为例对中间锦鸡儿的水分吸收方式、树干液流特征、蒸腾耗水量、群落特征及其水分利用状况进行了详细的调查分析,在阐明中间锦鸡儿耐旱适应机理的同时,分析了浑河流域中间锦鸡儿灌丛的水分收支状况。本研究在全面调查的基础上,将研究区选择在了毛乌素沙地腹地(行政区划位于乌审旗)和黄土丘陵沟壑区的浑河流域。结果如下: 1中间锦鸡儿水分吸收特点 1)中间锦鸡儿的根系形态可塑性强,可以适应不同基质的土壤含水量变化。风沙土基质中间锦鸡儿根系形态构型特点是:主根扎根较浅,侧根和吸收根(根径1mm)主要分布在10-30cm土层中,数量占根系总量的72.2%,侧根主要以水平生长为主;黄绵土-黄土基质中间锦鸡儿根系形态构型特点是:主根扎根很深,主根直径随着土壤深度的增加逐渐减小;侧根和吸收根(根径1mm)的数量也随土壤深度的增加呈下降趋势。侧根和吸收根(根径1mm)主要分布于0-70cm的土层中,其中O-50cm土层中的侧根和吸收根的数量占到根系总数的91.7%。 2)水力提升现象:中间锦鸡儿全天具有水力提升现象,但是在18:00到次日凌晨2:00这段时间的水力提升现象对植物的影响最大;中间锦鸡儿的水力提升现象,除了可以满足自身水分需要外还可以为邻近植物提供水分,提高了自身及邻近非水力提升植物的竞争力;根据实验,计算得出中间锦鸡儿幼苗提升水量为1.33gH2O·d-1·株-1。 3)两种基质上生长的中间锦鸡儿有着不同的水分吸收方式。黄绵土-黄土基质上生长的中间锦鸡儿即可以通过主根利用深层土壤水,也可以利用表层发达的吸收根获取降水时所补充的浅层土壤水。风沙土基质上生长的中间锦鸡儿,其水分主要来源于大气降水所补充的浅层土壤水,并依靠侧根的水平生长来增加水分的吸收面积。 2中间锦鸡儿树干液流特征 1)中间锦鸡儿树干液流速率日变化呈明显的“几”字型宽峰曲线,没有出现“午休”现象。全天树干液流速率变化可以划分为:液流迅速上升、液流相对稳定、液流迅速下降和夜间液流四个阶段。影响中间锦鸡儿树干液流速率日变化的环境因子有太阳辐射、空气温度、水汽压亏缺、大气相对湿度、土壤温度和风速,除了大气相对湿度与树干液流速率呈显著的负相关关系以外,其余环境因子均与树干液流速率呈显著的正相关关系。 2)中间锦鸡儿树干液流速率日变化同太阳辐射、水汽压亏缺的变化并不完全同步,存在时滞现象。风沙土基质上生长的中间锦鸡儿,其树干液流速率的变化要滞后于太阳辐射60min,提前于水汽压亏缺90min。黄绵土-黄土基质5月份、7月份中间锦鸡儿树干液流变化要滞后于太阳辐射30min,9月份没有出现滞后;5月份、9月份的水汽压亏缺滞后于中间锦鸡儿树干液流变化的时间均为150min,7月份滞后时间为120min。 3)不同月份中间锦鸡儿的树干液流速率和液流量存在差异。5月份中间锦鸡儿在的树干液流速率(0.05kg·h-1)和液流量(36.75kgH2O·株-1)最低,7月份树干液流速率(0.08kg·h-1)和液流量(62.52kgH2O·株-1)均达到了整个生长季的最大值,8月、9月树干液流速率和液流量开始下降但整体保持在一个较高的水平。中间锦鸡儿树干液流速率季节变化与水汽压亏缺、太阳辐射、空气温度和风速呈正相关关系,与大气相对湿度呈负相关关系。 4)中间锦鸡儿具有夜间水分补偿现象;中间锦鸡儿夜间仍然存在着树干液流变化,与白天树干液流相比,变化比较平缓,波动较少,液流量明显低于白天的液流量,中间锦鸡儿的夜间液流现象,是在补充白天因强烈蒸腾而导致的自身水分亏缺,而且不同月份的中间锦鸡儿夜间树干液流速率存在差异。 5)不同天气条件下中间锦鸡儿树干液流变化存在差异,而且影响树干液流的环境因子也不同。但是,太阳辐射始终是影响中间锦鸡儿树干液流的主要环境因子。 3中间锦鸡儿整株丛蒸腾耗水特征 在利用树干液流计算中间锦鸡儿整株丛蒸腾耗水量时,要剔除夜间树干液流的数据。中间锦鸡儿整株丛蒸腾速率日变化规律呈明显的“几”字型宽峰曲线,没有出现“午休”现象;中间锦鸡儿的整株丛蒸腾速率季节变化规律呈现“抛物线”状,7月份中间锦鸡儿的蒸腾耗水量最高,5月份最低,9月份虽然进入中间锦鸡儿生长的后期,但是仍然具有较高的蒸腾耗水量。不同天气情况下中间锦鸡儿的蒸腾耗水量存在差异,晴天的蒸腾耗水量要明显高于阴天的蒸腾耗水量。 4中间锦鸡儿灌丛蒸腾耗水量与生态水文效应 1)中间锦鸡儿灌丛7月份的蒸腾耗水量最高。黄绵土-黄土基质中间锦鸡儿灌丛整个生长季的蒸腾耗水量5月份最低(19.53mm),7月份最高(45.65mm),9月份中间锦鸡儿虽然进入生长后期,但是群落的蒸腾耗水量仍然保持较高水平(27.6mm),整个生长季变化规律呈“抛物线”状。 2)中间锦鸡儿灌丛水分收支平衡,在理想的状态下,除生长中期的7月份灌丛水分出现盈余以外,生长初期的5月份和生长后期的9月份灌丛水分均不同程度的出现亏缺。说明,仅依靠当期大气降水补充到土壤中的水分无法满足中间锦鸡儿灌丛水分需求,植物仍需要从土壤中获取大量的水分,进而加剧了土壤水分亏缺现象的出现。 3)中间锦鸡儿灌丛生态水文效应:①中间锦鸡儿灌丛各月份均有土壤干层现象的出现,多数情况下土壤含水量处于凋萎湿度以下,土壤水分极度匮乏。②中间锦鸡儿灌丛内外的土壤含水量存在明显差异,灌丛外没有明显的土壤干化现象而灌丛内的土壤干化现象则较为明显。③从中间锦鸡儿灌丛与毗邻其它群落土壤水分的比较中,可以看出,中间锦鸡儿灌丛各层土壤含水量均低于其他群落,整体呈下降趋势,存在明显的土壤干层。80cm以下土层的土壤含水量低于凋萎湿度,土壤水分极度匮乏,说明中间锦鸡儿更容易造成土壤干层现象的出现。④中间锦鸡儿灌丛与其他群落相比,土壤水库的调节能力较差,灌丛土壤水库88.53%的调节能力持久性地丧失。中间锦鸡儿灌丛土壤水分的交换深度在80-100cm之间,100cm以下的土壤水分无法进行有效的水分交换,土壤干层现象无法得到缓解。 4)浑河流域中间锦鸡儿灌丛生长期水分收支平衡状况,在仅依靠大气降水的情况下,除7月份中间锦鸡儿灌丛存在26.9mm的水分盈余以外。5、9月份均有不同程度的水分亏缺现象,5月份水分亏缺8.58mm、9月份亏缺2.8mm。


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