阿拉善干旱荒漠区土壤水－植被互馈关系及其空间异质性机理

Soil moisture is the environmental variable synthesizing the effect of climate, soil, and vegetation on the dynamics of arid desert ecosystems. In the vast arid lands of China, the scarcity of water resources and restricted vegetation carrying capacity of arid soil due to the limited soil moisture. In light of this, we choose the typical arid desert area of the Alax, Inner Mongolia as research area to study the time stability of soil moisture, characteristics of patchy vegetation component and its pattern, relationship between vegetation patches and soil moisture time stability. To clarify the spatial distribution of soil misture under the influences of the vegetation type and morphology, to quantify the multi-linkage and interaction between hydrologic and ecological processes, and to explore the scale effects of the soil water variation on vegetation patterns. Moreover, we are aiming at constructing such a model that can, under the influence of vegetation pattern, reflect the influence of ecosystem variations on the biological processes of water cycle in vegetation processes including the proportions of dominant floristic compositions forming the vegetation patches. A better understanding on the hydrologic effects of vegetation patches, developing fundamental theories for reasonably regulating the relation between patchy vegetation and water in arid regions, and, theoretically, solving the key scientific issue regarding interactions between soil water and vegetation pattern in the revegetation processes of arid regions are expected to provide a reference for the ecosystem management in arid desert areas.

土壤水是干旱荒漠区能够表征气候、土壤和植被对生态系统动态综合影响的环境要素，土壤水与植被的互馈关系是维持干旱荒漠生态系统稳定的关键因素。本项目以阿拉善干旱荒漠区为研究对象，基于定位观测试验与空间相关分析方法，研究土壤水时间稳定性、植被格局演变与空间分布特征，分析植被格局与土壤水时间稳定性的关系。在斑块、坡面和流域尺度上，辨析阿拉善干旱荒漠区在不同地形部位，受地貌特征和植被类型差异影响的土壤特性以及土壤水文特征空间变异，阐明土壤水分布的空间格局在时间上的持续性规律，以及水文与生态过程的联系和相互作用机制，认知植被格局演变对土壤水变异的响应，量化土壤水驱动植被格局演变的尺度效应，探明植被对土壤水文功能的影响以及对水循环的调控作用，建立土壤水－植被多尺度互馈关系，揭示植被格局与土壤水耦合的空间异质性机理，促进生态水文学理论在干旱荒漠生态系统的应用，为干旱荒漠区生态系统持续发展与科学管理提供依据。

干旱荒漠区植被景观具有高度的空间异质性，水循环对荒漠植被分布、结构、功能和动态的潜在影响以及生态过程的反馈对水循环的直接影响，将生态过程与水文过程紧密联系起来。针对阿拉善干旱荒漠生态系统水文循环过程中各水文要素转化关系，以及灌木植被-土壤水分的多尺度联系的观测试验与模拟研究比较缺乏。本项目建立了阿拉善高原荒漠生态系统3种典型荒漠植物群落的土壤-植被-水分关系实验观测系统，开展了系统的研究工作：1.叶片、植株和灌丛水平上荒漠植物群落蒸散发的尺度整合研究，2.干旱荒漠区植物群落演变特征和荒漠生态系统的跃变动态研究，3.荒漠植物根系构型及生态适应性研究，4.荒漠植物生物量分配和异速生长规律研究，5.优势荒漠灌木细根周转与土壤碳和养分关系研究，6.荒漠灌丛的生态水文效应研究，取得突破进展。辨析了红砂和珍珠猪毛菜植物群落蒸散发过程对环境因子变化的响应特征，实现了从叶片-植株-种群/群落的蒸散发尺度转换；构建了红砂和珍珠猪毛菜生物量分配和异速生长关系模型，刻画了红砂和珍珠猪毛菜根系构型特征，揭示了不同根系构型植物的生态适应性规律以及退化荒漠生态系统土壤恢复的生物学机制。数值模拟研究表明，以输沙势（风积过程）为系统跃变的外部驱动力，在沙质土壤等土壤入渗速率较高的阿拉善高原荒漠生态系统，风积过程与水文过程具有同等重要的生态作用，从而阐明了干旱区荒漠生态系统状态跃变的水文及风力驱动机制，为研究干旱区荒漠生态系统的系统跃变提出了一个新的思路与方法，可以为预测和预防荒漠化以及治理和恢复已退化的荒漠生态系统提供理论支持和重要启示。表征了干旱荒漠生态系统土壤-水分-植被相互作用的关键过程，构建了基于植被和土壤水分耦合动态的随机生态水文模型，引领了生态水文学理论发展的重大范式转变。揭示了干旱荒漠生态系统中驱动植被动态的水文因素的随机性，预测了全球变化情景下干旱区荒漠生态系统演变趋势。