浅土层水分梯度下毛白杨对深层土壤水的利用特征与机制

A better understanding of deep soil water use characteristics and mechanism under shallow soil water gradients helps to develop green plantation cultivation measures, which can save water resources and avoid the negative effects of water ecological environment. However, related research is scarce, especially for poplar plantation. The scientific issues of this project are “Whether the difference of shallow soil water can cause the variation of deep soil water use of trees?” and “What kind of adjustment will be made by tree roots and aboveground parts for efficient use of deep soil water?”. In this project, a Populus tomentosa plantation under different shallow soil water gradients will be used as research objectives. Based on the continuous or periodic measurement of soil water content, root-stem-leaf multiple traits, root water uptake and environmental factors, the field experiment, numerical simulation and theoretical analysis will be used to investigate the temporal and spatial variation processes and characteristics of deep soil water, the absorption and utilization characteristic of deep soil water and its driving force, the plasticity response of root structure, growth and function to shallow soil water gradients, the balance and coordination of water conduction in “root-stem-leaf” system, and the regulation mechanism of deep soil water absorption. The above investigations can reveal the comprehensive mechanism of the effective utilization of deep soil water of poplar plantation, and enrich the existing theory of plantation water relationship.

了解浅土层水分梯度下林木对深层土壤水的利用特征与机制，有助于制定出既能节约水资源，又能避免水分生态环境负面效应的绿色人工林培育措施，但目前相关研究较少，在杨树人工林上更是几为空白。本项目拟针对“浅土层水分的差异是否会引起林木深土层水分利用的变化？”、“为高效利用深层土壤水，林木根系及地上部分会做出怎样的调整？”等科学问题，以毛白杨人工林为研究对象，在设置浅土层水分梯度处理，并对土壤水分、根茎叶多个性状、根系吸水及环境因子进行连续或定期测定的基础上，运用田间试验研究、数值模拟及理论分析的方法，研究深层土壤水时空变化过程与规律；深层土壤水的吸收利用特征及其驱动力；根系结构、生长和功能对浅土层水分梯度的可塑性响应；“根—茎—叶”系统各器官水分传导的权衡与协调关系；深层土壤水分吸收的调控机制。通过以上研究，将揭示毛白杨高效利用深层土壤水的综合机制，并丰富现有人工林水分关系理论。

了解浅土层水分梯度下林木对深层土壤水的利用特征与机制，有助于制定出既能节约水资源，又能避免水分生态环境负面效应的绿色人工林培育措施，但目前相关研究较少。本项目以毛白杨人工林为研究对象，设置浅土层水分梯度处理，并对土壤水分、多器官性状、根系吸水及环境因子进行连续或定期测定，运用田间试验研究、数值模拟及理论分析的方法，针对深层土壤水时空变化与规律，深层土壤水的吸收利用特征及其驱动力，根系结构、生长和功能对浅土层水分梯度的可塑性响应，“根—茎—叶”各器官水分的权衡与协调关系，以及深层土壤水分吸收的调控机制展开研究。结果表明，0-1 m浅土层是毛白杨根系吸水的主要来源，随着林龄增加、林分蒸腾强度的提升以及浅层土壤水分有效性的降低，1 m以下深层根系吸水显著提高(P < 0.05)，5年生林分深层根系吸水占总吸水量达40%以上；轮伐期内，随着浅层土壤水分的降低, 各土层土壤储水量的逐渐下降，而提高浅层土壤水分条件可以缓解1-3 m土层的水分消耗、避免2-3 m土壤干层的形成。低浅土层水分条件导致0-20 cm表层细根减少了44%并促进更多细根的分布于深土层，同时显著提高了深层高级根的中柱直径(P < 0.05)，但对最大根系分布深度以及其他根系结构与功能性状无显著影响(P > 0.05)。基于根系液流揭示了毛白杨侧根内部存在“蒸发驱动的水力再分配”现象，该现象是毛白杨利用深层水分的一项表现，是毛白杨应对周期性干旱的重要生存机制与抗旱策略。此外，毛白杨呈现出典型的“安全-效率”权衡，低水分有效性下，水分调节策略趋于等水型，茎干输水结构也更侧重安全，以权衡全树对深层水的吸收和利用。基于以上结果，提出了针对华北平原杨树人工林的全轮伐期内的水分动态管理策略, 该策略能使轮伐期内的林分持续保持健康和正常生长的同时, 维持深层珍贵土壤水资源的可持续性。本项目深化对植物深层根系结构与功能的认识，成果将有助于提高我国杨树人工林水分管理水平，丰富现有人工林水分关系理论。