基于根系自优化机制的干旱区地下水湿生植物用水策略研究

Phreatophytes in arid regions are able to adjust their root distributions to ensure direct root water uptake from the groundwater and deep soil water. Understanding the plant root optimality of phreatophytes and the response of water use strategy on the varying hydrological conditions is the key issue of the eco-hydrology in arid regions. Considering the similarity in climate conditions and differences in soil and hydrological conditions, the current project aims to select the typical Populus euphratica and Tamarix ramosissima sites at the lower Heihe and Tarim rives. It is planning to analyze the plant transpiration and associated dynamics in plant root systems, the groundwater level and soil moisture under the different soil, depth to water table and changes in water table. The response of root dynamics to soil properties and changes in water table will be further quantified. The dynamic root model that considers the changes in root distribution with soil moisture and water table dynamics will be developed with the principle of self-optimality. It will reveal the diurnal, seasonal and annual water use strategy of phreatophytes and also its self-regulation with the changeable hydrological conditions. The results will help us to deep understand the response and feedback between groundwater-dependent ecosystem with changes in groundwater table, and also will provide an important insight of water regulations that aim to protect the ecological environment in arid regions.

干旱区地下水湿生植物能够根据水分条件的变化来优化调整自身的根系分布，从而保证其充分利用稳定的地下水及深层土壤水。揭示地下水湿生植物根系的自优化机制及植物用水策略对水文条件变化的响应，是干旱区生态水文学研究的核心。本项目在综合考虑区域气候条件相似性及水文土壤条件差异性的基础上，选取黑河下游和塔河下游典型地下水湿生植物（胡杨、柽柳）林地为对象，对比分析不同土壤质地、地下水位埋深及水位变化速率下的植被蒸散过程及相应的植被根系、地下水与土壤水动态，分析植被根系对不同土壤质地和地下水位变化的响应，发展基于“自优化调节机制”的植物根系随土壤水与地下水变化的动态模型，从年、季和日尺度上揭示干旱区地下水湿生植物的用水策略及其对水文条件变化的自调节行为。研究成果有助于深化干旱区地下水依赖型生态系统对地下水位变化响应与反馈机制的认识，为我国西北干旱区生态水资源的科学配置提供科学理论依据。

本项目以干旱区地下水湿生植物根系的自优化机制及植物用水策略对水文条件变化的响应为核心，按计划开展了我国西北干旱区两大内陆河（塔里木河、黑河）下游胡杨和柽柳林地土壤水、地下水、根系形态与林地蒸散发之间的响应关系分析。通过野外调查、数据挖掘和模型分析，获取了我国西北干旱区胡杨和柽柳根系分布特征，辨识了干旱区典型地下水湿生植物根系与环境要素之间的关系，并揭示了胡杨和柽柳各自的用水策略及两者间的差异。在黑河下游，胡杨的生长以河水为主要水源（~68%），而柽柳则更加依赖于地下水（~65%）。同时，以塔里木河下游柽柳林地“地下水-土壤水-根系形态-蒸散发”原位观测试验数据为基础，发展了基于根系自优化机制的干旱区植物蒸散发模型Noah-MP/VOM-ROOT，并通过构建饱水根系层，实现了植物利用地下水的蒸散过程模拟。研究结果表明，塔河下游柽柳林地年均蒸腾量为472mm，占总蒸散发量的92.3%，其中地下水对植物蒸腾的贡献高达84%。围绕“地下水-土壤水-植物”系统水分运移过程，我们不仅构建了基于毛细带根系提取土壤水过程的植被蒸散计算模型，还进一步改进并发展了估算干旱区植物蒸散发的地下水位波动法（即White [1932] 法），降低了基于地下水位波动的干旱区植物蒸散发估算结果的不确定性。.通过开展上述研究，不仅丰富并发展了干旱区地下水湿生植物蒸散发的定量计算与模拟分析方法，而且进一步深化了对干旱区地下水依赖型生态系统对地下水位变化响应与反馈机制的认识。在本项目的资助下，共发表了SCI论文9篇、中文期刊论文3篇，先后参加国内外学术会议6次，培养了博士研究生和硕士研究生各1名。同时，依托该项目申请获得了2018-2019年度中俄 (NSFC-RFBR) 合作与交流项目1项。综上，本项目已按计划完成，取得了预期成果。