不同根系深度植物对薄层紫色土坡地的水分适应机理

The shallow soil layer of purple soil restricts the water storage and the penetration of roots in the hilly region of purple soil. The polarization phenomenon of hydrological processes is serious due to the seasonal droughts and floods. These lead to the decrease of food production, ecosystem degradation and severe soil erosion in this region. The efficient hillslope agriculture and vegetation construction must follow the adaption mechanism of plants to water on the shallow soil. Based on the in situ observation, this project takes the Soil-Plant-Rock-Atmosphere Continum as the study object. The water supply capacity of purple soil and mother rock will be determined by the measurement of soil physical properties. The main water source and the contribution of various water sources to deep root (cypress and vitex) and shallow root (thatch, maize and wheat) plants are trying to be clarified by stable isotopes of various potential water source and IsoSource model. After that, the adaption mechanism of different plants to water on this shallow purple soil will be discussed combined with water supply capacity of soil and mother rock, water sources, hydrological processes and the physiological indictors of plants. The results will provide scientific basis and data for the vegetation construction and efficient rained farming in the hilly region of purple soil.

紫色土丘陵区浅薄土层限制了水分蓄存和植物根系生长，加之季节性干旱和洪涝频发，导致作物产量不稳、生态系统退化和水土流失严重。区域内高效坡地农业的实现和植被建设都应遵循植物对薄层紫色土坡地的水分适应机理。本项目拟以土壤-植物-岩石-大气系统为研究对象，在田间原位观测基础上，运用稳定性氢氧同位素技术结合土壤物理性质、常规水文、植物水分生理指标测定和模型计算，研究紫色土丘陵区林地和坡耕地土壤、母岩水分特征及供水能力，阐明典型深根系（柏树、黄荆）和浅根系（黄茅草、玉米、小麦）植物吸收的主要水源、比例及时间变化规律，再结合植物水分生理因子响应、水文气象数据和土壤、母岩供水能力，揭示不同根系深度植物对薄层紫色土坡地的水分适应机理，研究结果将为紫色土丘陵区的植被建设和雨养型高效生态农业提供科学依据和数据支持。

为了揭示长江上游地区部分乔木林向灌木转化以及减少季节性干旱对该地区农作物影响等科学问题，以长江上游广泛分布的薄层紫色土和典型植物乔灌草、作物为研究对象，主要开展了3方面内容的研究工作：研究测定紫色土丘陵区林地、耕地不同深度土壤容重、颗粒组成和水分特征曲线，研究林地母岩的水分特征曲线、含水量等指标，计算土壤和紫色母岩的比水容量，得出土壤和母岩的供水能力差异；采集测定了截流堰小流域雨水、土壤水、地下水、径流和紫色母岩水的同位素特征，分析不同根系深度代表性植物的茎干水同位素丰度，包括柏树、黄荆、茅草、玉米和小麦，结合根系分析和土壤含水量，采用基于蒙特卡洛算法的SIAR模型，量化了不同植物不同时期植物的水分来源，并与坡地径流的水源进行了对比；结合对植物光合作用、蒸腾速率等指标的测定，结合水分含量，揭示不同根系植物对薄层紫色土的水分适应机理。研究发现：当地大气降水线的斜率(7.27)低于全球大气降水线(8.0)，截距(12.63)高于全球大气降水线(10)；降水氧同位素与降雨呈负相关，但不显著；径流不同于植物水源，主要是因为植物根系深度不一致，利用的水源以及各水源的比例也不一致，造成了径流和植物水源的同位素差异；生物炭添加增加了土壤有效水的孔隙(0.68-30 μm)，提高了小麦利用表层0-20cm土壤水分的比例(0.7-4.3%)，这有助于抗旱；岩石水源是深根系植物在干旱或需水量大时吸收的一种水源，是深根系植物可以利用的水源，例如乔木利用的比例为0.3-34.9%，但可供的量较为有限。整个项目收集了2015-2018年降水、土壤水、柏树、黄荆、玉米和小麦、径流水源的同位素丰度数据集，为当地同位素水文学研究和同位素水文模型的建立和使用提供了数据支撑。该项研究对于应对农业干旱、深入理解紫色土生态水文过程、保护长江上游水资源具有重要理论意义和科学价值。