黄土区退耕生态系统植被根系行为特征与土壤水资源响应

Root system is the core link for material cycling and energy flow between vegetation and soil environment. In this study, by taking root system of vegetation at different succession stages as objective, changes of main parameters of root system and its distribution dynamics is analyzed, and consequently determined effective root parameter and range. By using fractal and ecological niche theory, structures and functions of root system in vegetation succession process was studied. Based on that, root behavior features and competition mechanics was clarified, and further underground dynamic mechanics for ecosystem succession development was revealed. Using Oxy-hydrogen isotope tracing technique, changes of main water absorption layers across soil profile is studied, and the response relations between root system at different succession stages and soil water is analyzed, and consequently the approach and sources of water utilization by vegetation root system can be illustrated. Thus corresponding relation between root system dynamics and soil water environment will be illustrated, and water resources utilization ways and models by vegetation can be stated. These results will provide scientific support for water utilization by vegetation and eco-environment construction in loess region.

植被根系是植被与土壤环境之间物质循环和能量流动的核心环节。本研究针对我国西部生态环境建设中的退耕还林还草工程，以退耕生态系统不同演替阶段植被根系为研究对象，研究植被根系主要参数的变化规律，分析不同演替阶段植被根系分布动态特征，确定有效根系指标和根系有效作用范围；应用分形和生态位等非线性理论和方法，分析植被演替过程中根系结构和功能的变化规律，阐明生态系统群落演替发展的根系行为特征与竞争机制，揭示生态系统演替发展的地下动力机制；应用氢、氧同位素示踪技术，研究植被根系主要吸水层次的动态变化规律，分析不同演替阶段植被根系与土壤水分响应关系，判断不同深度上植物根系获取和利用土壤水分的途径和来源，揭示根系动态特征与水分环境之间的响应关系，阐明植被根系水分资源利用途径及模式，为解决黄土地区植被恢复用水和生态建设需水等关键性问题提供科学依据。

植被根系在植被与土壤环境之间物质循环和能量流动的环节中扮演着重要作用。本研究以退耕生态系统不同演替阶段植被根系为研究对象，采用野外调研和模拟实验两种方法，研究不同演替阶段植被根系行为特征与土壤水资源响应关系表明：.1）三种不同样地群落根系生态位指数和分形维数变化为退耕地＞天然草地＞林地（＜3mm根系），两种非线性特征植被均随退耕年限的增加而增加。.2）黄土区典型林地--油松细根生物量和根长密度主要分布在0—100 cm的土壤中，占0—180 cm土壤的83%和81%，并随土层深度增加呈指数下降趋势，比根长则随土层深度增加而逐渐增大；林地细根在坡面的空间分异性，是由于不同坡位条件下土壤水分的显著差异导致，其影响程度达到极显著水平；根系形态及生物量均随土壤深度的增加而减少，且减少速率与距离坡顶的长度有关。..3）退耕植被群落根系在不同季节的吸水策略不同，旱季茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草、达乌里胡枝子群落和油松的根长密度(16.3、21.7、17.3、17.3、6.0 mm/cm3)分别是雨季(1.7、2.1、3.2、5.9、4.2 mm/cm3)的9.4、10.2、5.3、2.9、1.4倍,茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草根系对土壤水分季节变化的响应较为敏感。茵陈蒿群落仅可利用0-10 cm土壤水,旱季铁杆蒿、白羊草群落主要利用30-40 cm土壤深度的水分,雨季吸水深度上移至0-20 cm。旱季达乌里胡枝子和油松主要利用60 cm以下的土壤水分,雨季则吸收20-40 cm土壤水分。表明退耕植被群落根系在不同季节的吸水策略不同,旱季吸收较深的土壤水而雨季则吸收近地表的土壤水,吸水深度范围的季节变化与土壤水和根系分布变化相一致。4）土壤水分胁迫影响典型退耕演替草种--白羊草根系生长及生物量分配。干旱显著增大白羊草根长和根面积，减小根系的伸长和增粗速率。5）不同生长阶段玉米根系对土壤水分利用的方式不同。在玉米生长期内，根系吸水深度先增大后减小。本研究可为黄土地区退化生态系统的恢复与重建提供理论依据。