黃土區(qū)植物生長與土壤水分協同關系及土壤水分有效性評價.pdf

1、土壤水分有效性是當今生態(tài)學、土壤學和植物學科關注的熱點，亦是制約旱區(qū)陸地生態(tài)系統生產力的主要限制因子之一，全球氣候變化對區(qū)域生態(tài)建設和植被功能提升帶來了嚴峻挑戰(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，年內分布不均，常常導致植物生育期內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同關系研究對本地區(qū)植被恢復可持續(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.），進行了持續(xù)的干旱試驗（其中刺槐和紫穗槐進行了交替干旱控制試驗），監(jiān)測了土壤水分下降時植物葉水關系、氣體交換、熒光參數和土壤呼吸等生理參數的變化，系統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;同時，通過對黃土高原及秦嶺八

3、個地區(qū)132個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)分計量比的關系。研究結果為明確區(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)恢復可持續(xù)發(fā)展提供了理論依據。本研究主要取得以下結論:
　　(1)持續(xù)的干旱控制試驗研究表明，四種植物葉水關系、氣體交換及熒光參數均隨著土壤水分下降，可分為三個階段: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、交換參數對土壤水分的敏感性高于葉片相對含水量及熒光參數，在較低的土壤水分下木本植物表現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均表現出顯著的相關性，土壤水分降低是本研究中導致植物生理參數下降的主要原因;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產生了顯著影響

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

6、這些變化表明重復干旱可能會加快植物的死亡;由于干旱脅迫導致的葉片脫落，盡管土壤呼吸在復水后迅速恢復，但是植物地上部光合及呼吸在復水后并不能完全恢復;此外，兩種植物黎明前葉水勢與氣體交換參數之間均表現出極強的相關性，且兩次干旱中表現出一定的差異;復水后，兩種植物葉水勢恢復速度快于氣體交換參數，蒸騰作用的恢復模式表明兩種植物氣體交換參數的恢復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控。
　　(3)四種植物的土壤水分有效

7、性研究表明，當土壤含水量大于某一閾值時，土壤水分對植物各生理參數等同有效，而當土壤水分繼續(xù)下降后，各生理參數土壤水分有效性快速下降;不同的生理參數表現出不同的土壤水分有效性閾值，氣體交換參數土壤水分有效性閾值最高，熒光參數土壤水分有效性閾值最低，綜合考慮，光合參數適宜于四種植物土壤水分有效性評價，葉片相對含水量對于苜蓿和玉米土壤水分有效性的評價也同樣適用;不同植物土壤水分有效性閾值也表現出一定的差異，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與年降水顯著負相關，不同生活型植物WUE也不相同，草本植物最低;此外，N限制會導致WUE降低。同時研究還表明植物WUE與養(yǎng)分計量比存在相關性，在灌木和喬木植物中，葉片N∶P和WUE顯著正相關，而在草本植物中，WUE與P和K含量顯著負相關;此外，植物WUE與養(yǎng)分計量比的關系還受到養(yǎng)分限制的影響，當植物處于非P