黄土丘陵退耕区植物群落根系动态特征及其土壤水分利用来源解析

摘要

黄土丘陵区属于季节性干旱的区域，天然降雨补给的土壤水是退耕还林（草）工程植被恢复的限制性因子。植物从土壤-根系-茎的通路吸收水分是生态水文过程的主要组成部分，而生态水文过程决定了土壤-植被系统的演化方向和生态功能。根系作为植被与土壤进行物质循环和能量流动的主要载体，其深度和分布决定着植物水分的来源。因此，研究退耕生态系统植被根系分布及其水分利用特征对植被恢复具有重要意义。本研究以黄土丘陵区退耕植物群落为研究对象，通过调查取样，分析了植物根系、土壤水分以及氢氧稳定同位素特征，揭示了三者在不同季节的分布规律及潜在关系，量化了不同深度土壤水分对根系吸水量的贡献率。主要结论如下：
　　（1）分析了退耕植物群落根系动态分布特征。根长密度均在5～6月份达到最大值，退耕演替发展的0～30 a中，平均根长密度逐渐减小，主要根区范围由0～37.5 c m逐渐增大至0～120 cm，由根系消弱系数得出，根系在深层土壤分配的比例逐渐增加；退耕演替发展的0～22 a中，根长分维数随土壤变深而逐渐增大，退耕演替发展至30 a，根长分维数随土壤变深而减小；土壤水分空间分异是导致退耕植物根系空间分布差异的主要原因。
　　（2）阐明了退耕植物群落土壤水动态分布特征。不同演替阶段植物群落土壤水分含量均存在季节性差异，旱季小而雨季大，土壤含水率整体随着演替的进行逐渐增大。退耕演替发展的0～22 a中，土壤水亏缺度逐渐由轻度亏缺变为不亏缺，且受根系影响微弱；退耕演替发展至30 a，土壤水分表现为严重亏缺，且受根系耗水作用的影响较强。
　　（3）揭示了不同水源的同位素特征及其补给规律。雨水、雪水、土壤水和植物水的δ18O变化范围分别是-13.15～-1.81‰、-19.24～-10.48‰、-13.84～2.88‰和-12.12～0.04‰；δD分别是-97.30～-11.54‰、-117.55～-71.51‰、-119.72～-14.03‰和-116.06～-21.42‰。旱季4月份充足的土壤水是由冬季积雪融化补给所致，5～11月份土壤水分均由降雨补给，且在入渗补给后均受到二次蒸发作用。退耕演替发展的0～22a中，非稳定土壤水范围由0～90 c m逐渐缩小至0～50 cm土层。处于演替早期的植物群落对土壤水分变化响应敏感，可迅速吸收由降雨补给的土壤水分，随着演替进行植物根系感知土壤水分变化的滞时逐渐增加。
　　（4）解析了植物水分来源贡献率及其影响因素。处于演替早期阶段的植物群落仅可利用0～20 cm土壤水，退耕演替发展至30 a，水分利用范围增大至0～200 cm；植物水分利用来源存在明显的季节变化，旱季4～6月水分来源较深，可达160 cm以下，雨季7～9月则主要利用表层0～20 c m的土壤水。植物水分利用与其根系分布特征具有显著相关性，根长百分比与根系吸水比例呈极显著正相关（P＜0.01）。从旱季到雨季，0～20 c m平均土壤含水率由6.28％增加至15.08%，该土层平均根系吸水比率由16.67%增加至57.90%。