黃土區(qū)植物生長與土壤水分協(xié)同關(guān)系及土壤水分有效性評價(jià).pdf

1、土壤水分有效性是當(dāng)今生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)和植物學(xué)科關(guān)注的熱點(diǎn)，亦是制約旱區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要限制因子之一，全球氣候變化對區(qū)域生態(tài)建設(shè)和植被功能提升帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。黃土高原年均降雨量小，且有效的天然降水在年際間變幅大，年內(nèi)分布不均，常常導(dǎo)致植物生育期內(nèi)的降雨無法滿足植物的正常生長。因此，開展黃土區(qū)植物生長與土壤水分協(xié)同關(guān)系研究對本地區(qū)植被恢復(fù)可持續(xù)發(fā)展具有重要理論意義。
　　本研究選取黃土高原地區(qū)四種典型植物，分別為喬木—刺槐(Ro

2、binia pseudoacaciaL.)，灌木—紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)，草本—苜蓿(Medicago sativa L.)及作物—玉米（Zea mays L.），進(jìn)行了持續(xù)的干旱試驗(yàn)（其中刺槐和紫穗槐進(jìn)行了交替干旱控制試驗(yàn)），監(jiān)測了土壤水分下降時(shí)植物葉水關(guān)系、氣體交換、熒光參數(shù)和土壤呼吸等生理參數(shù)的變化，系統(tǒng)的分析了不同類型植物的土壤水分有效性閾值及交替干旱下植物生長策略的響應(yīng);同時(shí)，通過對黃土高原及秦嶺八

3、個(gè)地區(qū)132個(gè)植物樣本葉片碳同位素和養(yǎng)分的測定，探討了區(qū)域尺度上植物水分利用效率(WUE)的影響因素，揭示了WUE與植物養(yǎng)分計(jì)量比的關(guān)系。研究結(jié)果為明確區(qū)域土壤水分有效性地帶性規(guī)律提供了重要信息，為該區(qū)生態(tài)恢復(fù)可持續(xù)發(fā)展提供了理論依據(jù)。本研究主要取得以下結(jié)論:
　　(1)持續(xù)的干旱控制試驗(yàn)研究表明，四種植物葉水關(guān)系、氣體交換及熒光參數(shù)均隨著土壤水分下降，可分為三個(gè)階段:先保持穩(wěn)定，然后隨土壤水分的下降快速下降，隨后又緩慢下降;氣體

4、交換參數(shù)對土壤水分的敏感性高于葉片相對含水量及熒光參數(shù)，在較低的土壤水分下木本植物表現(xiàn)出較高的氣體交換速率;四種植物土壤含水量與植物葉片各生理參數(shù)均表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，土壤水分降低是本研究中導(dǎo)致植物生理參數(shù)下降的主要原因;土壤呼吸對土壤水分下降十分敏感，除紫穗槐外，其它三種植物土壤呼吸隨土壤水分下降均表現(xiàn)出先快速下降后緩慢下降的趨勢。
　　(2)交替干旱對刺槐和紫穗槐生長策略影響的研究表明，干旱脅迫對兩種植物生理參數(shù)產(chǎn)生了顯著影響

5、，且兩種植物對干旱脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)出一定的差異。干旱脅迫早期，刺槐的氣孔關(guān)閉行為可能主要受到脫落酸(ABA)調(diào)控，后期轉(zhuǎn)變?yōu)樗畡菡{(diào)控，而紫穗槐可能主要受到水勢調(diào)控;干旱脅迫引起植物莖粗的收縮，會導(dǎo)致韌皮部功能受損，影響植物光合產(chǎn)物的運(yùn)輸及分配。其次，植物生理參數(shù)顯著變化時(shí)的土壤水分閾值在兩次干旱脅迫中表現(xiàn)出一些差異，除地上部呼吸以外，第二次干旱時(shí)植物生理參數(shù)顯著變化時(shí)的土壤水分閾值均高于第一次干旱時(shí)，熒光參數(shù)顯著變化時(shí)的土壤水分閾值最低，

6、這些變化表明重復(fù)干旱可能會加快植物的死亡;由于干旱脅迫導(dǎo)致的葉片脫落，盡管土壤呼吸在復(fù)水后迅速恢復(fù)，但是植物地上部光合及呼吸在復(fù)水后并不能完全恢復(fù);此外，兩種植物黎明前葉水勢與氣體交換參數(shù)之間均表現(xiàn)出極強(qiáng)的相關(guān)性，且兩次干旱中表現(xiàn)出一定的差異;復(fù)水后，兩種植物葉水勢恢復(fù)速度快于氣體交換參數(shù)，蒸騰作用的恢復(fù)模式表明兩種植物氣體交換參數(shù)的恢復(fù)主要受到水力因素的限制，在刺槐中還可能涉及到非水力因素調(diào)控。
　　(3)四種植物的土壤水分有效

7、性研究表明，當(dāng)土壤含水量大于某一閾值時(shí)，土壤水分對植物各生理參數(shù)等同有效，而當(dāng)土壤水分繼續(xù)下降后，各生理參數(shù)土壤水分有效性快速下降;不同的生理參數(shù)表現(xiàn)出不同的土壤水分有效性閾值，氣體交換參數(shù)土壤水分有效性閾值最高，熒光參數(shù)土壤水分有效性閾值最低，綜合考慮，光合參數(shù)適宜于四種植物土壤水分有效性評價(jià)，葉片相對含水量對于苜蓿和玉米土壤水分有效性的評價(jià)也同樣適用;不同植物土壤水分有效性閾值也表現(xiàn)出一定的差異，木本植物土壤水分有效性閾值低于草本植

8、物;此外，交替干旱也顯著影響了植物的土壤水分有效性閾值，植物經(jīng)歷干旱后土壤水分有效性閾值提高。
　　(4)區(qū)域尺度上植物WUE與年降水顯著負(fù)相關(guān)，不同生活型植物WUE也不相同，草本植物最低;此外，N限制會導(dǎo)致WUE降低。同時(shí)研究還表明植物WUE與養(yǎng)分計(jì)量比存在相關(guān)性，在灌木和喬木植物中，葉片N∶P和WUE顯著正相關(guān)，而在草本植物中，WUE與P和K含量顯著負(fù)相關(guān);此外，植物WUE與養(yǎng)分計(jì)量比的關(guān)系還受到養(yǎng)分限制的影響，當(dāng)植物處于非P