梭梭形态结构与功能对降水变化的响应研究

Precipitation is an important water source for arid desert ecosystems, is also a key limiting factor to growth, nutrient cycling, community productivity and update of desert plant. Therefore, the development and succession of desert vegetation is determined by the mutual feedback relationship between individual morphology and physio-ecology function, also the individual growth and precipitation. Based on the theories and methods of plant structural-functional model, Junggar Desert dominant species Haloxylon ammodendron as the study object, this project will research the response characters of the soil water dynamic change and the morphological structure, biomass production and allocation to the precipitation changes by artificial cultivation experiment. Then the individual structural-functional model of H. ammodendron will be constructed and coupled with soil water dynamics model driven by rainfall, and parameterized by experiment data. This project is focus on the feedback relationship between water factor and plant growth by simulating morphology, biomass production and allocation characteristics of H. ammodendron seeding with rainfall changes, and has a further understand the response mechanism of H. ammodendron individual morphology, structure and function to the precipitation changes, which will provide a scientific research basis and means to vegetation succession and restoration of desert ecosystems under climate change.

降水是干旱区荒漠生态系统重要的水分来源，也是荒漠植物生长发育、养分循环、群落生产力和更新的关键限制因素。因此，荒漠植物个体自身形态结构与生理生态功能、个体生长发育与降水之间的互馈关系决定了荒漠植被的发展与演替。本项目以准噶尔荒漠优势种梭梭为研究对象，基于植物功能-结构模型的理论和方法，通过人工栽培试验研究降水变化对土壤水分动态的影响，以及梭梭幼苗形态结构、生物量生产和分配对降水变化的响应特征；构建梭梭个体功能-结构模型，耦合降水驱动下的土壤水动力学模型，利用试验数据量化模型参数；重点模拟研究不同降水情景下梭梭幼苗形态结构、生物量生产和分配特征及其与水分的定量关系，探讨梭梭幼苗生存的水分阈值，以阐明梭梭个体形态结构和功能对降水的响应机制，为气候变化背景下的荒漠生态系统植被演替和恢复研究提供科学依据和手段。

降水是干旱区荒漠生态系统重要的水分来源，也是荒漠植物生长发育、养分循环、群落生产力和更新的关键限制因素。因此，荒漠植物个体自身形态结构与生理生态功能、个体生长发育与降水之间的互馈关系决定了荒漠植被的发展与演替。本项目在野外调查和盆栽试验的基础上，从包括地上和地下部分的个体水平上构建了荒漠植物梭梭(Haloxylon ammodendron)的功能—结构模型，并耦合了三维土壤水动力学模型重点模拟研究了不同降水情景下梭梭幼苗形态结构、生物量生产和分配特征及其与土壤水分相互作用的定量关系，阐明了梭梭个体形态结构和功能对降水的响应机制。主要研究内容及结论如下：. 1) 结合梭梭生物学特性，基于GreenLab模型原理，以有效积温时间间隔作为标准，划分了梭梭地上部和根系生长发育的结构单元—叶元和根元；采用光合生产模型以及全局源-库关系构建了梭梭的生物量生产模型和生物量分配模型，并依据异速生长规则完成了梭梭几何形态模型的构建，将各子模型耦合最终实现了梭梭完整的个体功能-结构模型构建。. 2) 利用野外调查数据和盆栽试验数据对梭梭幼苗生长模型进行了参数化，模拟了梭梭幼苗生长发育过程，通过试验数据对模拟结果的验证表明模型合理可行，能较好的描述梭梭生长过程中地上部和根系结构和生物量累积的动态变化，尤其是对于主根、主茎的生物量模拟比分枝的模拟更加精确。. 3) 基于梭梭幼苗功能-结构模型，引入了光合同化生产模型，以年、日和小时三个时间尺度来描述多年生梭梭生长发育过程，以野外调查数据和文献数据设定参数模拟了五年龄梭梭同化枝和根系长度、生物量的累积以及根系空间分布上随时间的变化，通过验证可知模拟结果比较符合自然条件下梭梭的生长发育规律。. 4) 基于梭梭幼苗功能-结构模型，采用一维和三维土壤水动力学模型的互相设定和联合模拟构建了降水驱动下的梭梭生长与土壤水分运动耦合模型。模拟结果表明：梭梭生长通过动态调整根系生物量分配以及空间分布，将根系可用资源分配到土壤水分丰沛的区域，由于根系吸水而在土壤空间形成了明显的水分亏缺区域，也会进一步影响根系的生长、吸水以及空间分布；根系吸水主要受根长密度分布的影响，随着植物生长发育，同化面积增大，蒸腾量增加，根系吸水又更多的受到降水量、土壤含水量以及根长密度的空间分布影响，使根系在土壤空间的吸水率变化较为复杂。