干旱沙区固沙植物生长与水分利用关系研究

Plant water relations has always been the core content of eco-hydrology. In the arid desert area,theoretical studies on the relationship between plant dynamics and water use have received increasing interests in recent years because of the sensitivity of the sand-fixation plantations on soil water. Many researches have explored the plant water use and its response to drought stress from the perspective of ecophysiology, but less work has been done based on the morphological adjustment threshold of individual desert shrubs towards variation in certain range of soil moisture. The present study takes the typical sand fixing plants community of Caragana korshinskii and Artemisia ordosica as our research object in the Shapotou area. Through experimental and simulative study, we aimed to (1) study the soil water dynamics and the mechanism of morphological adjustment relating the response of aboveground part and roots of plant to soil moisture variations,(2) construct the stochastic eco-hydrological model to simulate the responses of plant growth and its seasonal dynamics to hydrological processes, and further to determine the soil moisture threshold of plant morphological adjustment, and (3) explore the mechanisms of plant water interaction under random rainfall events. The results of this project would be expected to not only improve our understanding on the plant - water relationships, but also provide scientific and technological support for the evaluation of vegetation stability and its succession trends after revegetation in the western arid desert regions.

植物与水分关系一直是生态水文学研究的核心内容。在干旱沙区，固沙植物对水分的敏感性使得植物动态与水分利用之间关系的研究成为人们关注的重点。目前国内外相关研究主要从生理生化的角度探讨了植物的水分利用特征及其对干旱胁迫的响应机理，而从植物个体形态调整对土壤水分的适应阈值方面研究较少。本研究以沙坡头地区不同配置的固沙植物柠条和油蒿为研究对象，通过试验和模拟的方法，量化不同固沙植物的生长动态及其与土壤水分相互作用的各个环节；建立随机生态-水文模型，模拟分析植物的生长发育及其季节性变化对水文过程的响应与适应，确定固沙植物形态调整的土壤水分阈值范围；揭示沙区随机降雨模式下的植物-水分相互作用机制。项目的研究成果不仅可以进一步丰富我们对植物与水分关系的认识，还可以为沙区人工植被恢复与重建后的植被稳定性及其变化趋势评价提供理论依据。

植物与水分关系一直是生态水文学研究的核心内容。在干旱沙区，固沙植物对水分的敏感性使得植物动态与水分利用之间关系的研究成为人们关注的重点。本研究以沙坡头地区不同配置的固沙植物柠条和油蒿为研究对象，通过试验和模拟的方法，首先研究了干旱沙区土壤水分动态、植被根系吸水和蒸腾耗水，分析不同植被类型的水分利用特征及植被对水分的反馈机制；建立植被-土壤水分关系的随机微分方程模型，模拟分析植物的生长发育及其季节性变化对水文过程的响应与适应，预测干旱沙区人工植被群落格局的演替特征。结果表明：不同植被分布显著影响土壤水分的时空分布规律。柠条群落的土壤水分含量呈现典型的S形分布特征；油蒿群落具有明显分层利用的特点，呈现出双S形的分布特征，土壤水分的主要变化范围在0-100cm；在叶片-植株-群落尺度上，利用不同方法测算了柠条和油蒿的蒸腾速率，整个生长季内，柠条和油蒿的蒸腾量可以达到 71.79 和55.62 mm，分别占到了同期降雨量的48.4% 和 37.5%，并且叶面积指数可以作为干旱沙区人工植被蒸腾尺度转换的有效变量。0-5天的降雨间隔和0-5mm的小降雨事件对于油蒿的叶面积指数（LAI）、新枝长和蒸腾耗水的影响较大，说明在干旱人工植被区，间歇性的小降雨事件更有利于油蒿的生长发育。在年际尺度上，柠条和油蒿的LAI、新枝长和蒸腾量均与降雨量呈显著的正相关关系。在干旱年份，油蒿一般通过植株的部分或全部死亡来面临干旱；而柠条则采取落叶或休眠的对策。建立植被-土壤水分关系的微分方程模型，发现当降水在一定范围内变动时，植被将呈现出不同的格局分布特征。证实了在沙坡头地区的降水条件下，植被类型主要以斑块状为主；预测在以后的植被演替过程中，土壤水分和植被盖度均呈现出增加的趋势，其中土壤水分保持在2.5%的左右，而植被的盖度将保持在40%左右，表现出波动形的变化趋势，并且增加的趋势明显的大于土壤水分。利用层次分析法(AHP)确定了影响干旱人工植被区稳定性的主要因子：降水（R）、表层土壤水（S）和植被盖度（C）。定义稳定性指数SI=VAR(R)×VAR(C)/VAR(S)，实测数据表明在腾格里沙区，植被稳定性随着固沙年限的增加而增加。在长时间尺度上人工植被生态系统的稳定性随着植被的演替呈现波动性的变化趋势，但是在大部分的时间内是稳定的，并伴随着半稳定和不稳定的状态，理论上验证了沙坡头固沙范式的适用性。