黄土-沙漠过渡带典型灌木降水再分配时空格局及其对土壤水分运移过程的影响

Being one of the most important water supplies in the Desert-Loess transition zone, precipitation has been intercepted by canopies and partitioned into stemflow, throughfall and interception loss. It rebalances raindrop energy, and fosters a new tempo-spatial pattern of water distribution under canopy and affects the affects the infiltration and diffusion process of soil moisture. This process is of significance on the survival of individua plant, the community structure and the ecosystem function. Therefore, it is necessary to quantify the connection between the spatial-temporal characteristics of rainfall partitioning and the soil moisture dynamic response. We plan to research on the dominant species of Caragana korshinskii and Salix psammophila at Liudaogou catchment in this project. The objectives are (1) to compute the temporal dynamics of stemflow, the spatial distribution of throughfall and their quantitative characteristics in terms of volume production, intensity and efficiency, (2) to quantify the dynamic response of soil moisture from the aspects of vertical infiltration and lateral diffusion, (3) to apply the Threshold-Delay Model to calculate the time-lags, precipitation threshold, response amplitude and its time variation of rainfall portioning and soil moisture dynamics. The achievement of these objectives would advance our understanding of the maintenance mechanism for shrub-grass patch pattern in arid regions, and better serve the ecological restoration for fragile ecosystems.

作为黄土高原-毛乌素沙漠过渡带重要的水分补给源，降水被植被冠层拦截后再分配为穿透雨、树干茎流与截留损失，改变了冠层下水量输入的空间格局与时间动态，作用于土壤水分运移过程，影响植株生存、群落结构与生态系统功能。因此，亟需阐明典型植被的降水再分配时空特征与土壤水分动态响应之间关系。本项目以六道沟小流域典型灌丛——柠条与沙柳为研究对象，基于产量、强度与效率系统解释降水再分配的数量特征，建立刻画树干茎流时间动态的指标体系，从不同冠层方位与冠层部位揭示穿透雨的空间格局及其时间稳定性，量化冠层下土壤水分垂直入渗与水平扩散过程的动态响应，运用Threshold-Delay Model分析降水再分配与土壤水分动态对降水过程的滞后效应、激发阈值、响应幅度及其随时间动态变化，有助于深入理解干旱半干旱区灌草斑块格局的维持机制，以期更好的服务于脆弱生态系统管理与恢复。

降水是干旱生态系统重要的水分补给源，经植被冠层拦截后被再分配为穿透雨、树干茎流和截留损失。降水再分配改变了雨滴动能，以及降水运移的时间动态和空间格局，显著作用于土壤侵蚀、养分循环、根系分布及其植物群落结构等。在此过程中，冠层表面累积的干沉降、植物分泌物、真菌、细菌、病原体等均可随穿透雨和树干茎流汇至冠层下土壤。作为连接叶际和根际环境之间水养分循环的关键中间环节，降水再分配受植被特征的强烈影响，且该影响随物种和尺度的不同而存在差异。因此，亟需揭示区域典型植被物种的降水再分配特征及其与土壤水分响应的动态关系，并在不同尺度上探讨以上生态水文过程对植物群落结构与物种生存策略的影响。本项目以黄土高原代表性灌木物种为研究对象，量化了荆条、柠条和沙柳的穿透雨空间分布格局，并分别在枝干、植株和样地尺度上分析了树干茎流产量和效率，实现了基于降水过程尺度对树干茎流强度和时滞的准确刻画。在此基础上，结合土壤水分含量和对降水的响应时间，进一步解析了呈不同自组织结构的荆条各自的降水再分配模式及其土壤水分响应特征，探讨了旱区灌木基于形态结构的耐旱机制。此外，作为影响降水再分配和反映植物生长策略的重要植被因子，本项目针对多枝灌丛的独特形态，对生物量估算及其分配特征进行了模型优化和验证。综上，本项目（1）系统构建了完整的树干茎流时间动态指标体系，（2）验证了逻辑斯蒂模型是较之异速生长模型估算植被生物量的更优模型，（3）在叶片、枝干、植株和样地尺度上分析了影响旱区多枝灌木降水再分配模式的主要因子，并（4）进一步揭示了其丛态和株态结构在截获降水以增加水分供给方面所凸显的效率和数量优势，进而为深入理解植被的干旱适应机制提供了新视角，同时也为脆弱生态系统恢复（尤其是先锋物种选择）提供了理论依据。