荒漠草原人工檸條林灌草植被的水分來源.pdf

1、目前荒漠草原人工檸條林地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持面臨的一個非常重要的問題就是土壤旱化。厘清檸條林優(yōu)勢灌草植被的水分來源，對于退化檸條林的適應(yīng)性管理創(chuàng)新具有重要的理論與應(yīng)用研究價值。生物土壤結(jié)皮是研究區(qū)老化檸條林（1975年種植）的一個典型生境特征，其對系統(tǒng)的水分循環(huán)往往會產(chǎn)生顯著的影響。為了探究人工檸條林優(yōu)勢灌草植被的水分來源，特別是老化檸條的水分利用情況，以及生物土壤結(jié)皮對灌草水分來源及其相互關(guān)系的影響，我們以鹽池縣1975年、1987年、

2、1996年種植的3個不同林齡階段的檸條林地為研究對象，在系統(tǒng)分析人工林土壤與植被的演變格局基礎(chǔ)上，對比分析了老化檸條與其他林齡檸條水分來源的差異，并側(cè)重分析了生物土壤結(jié)皮在老化檸條林灌草水分來源中的作用。主要研究結(jié)果與結(jié)論如下:
　　(1)人工林土壤與植被的演變格局與驅(qū)動:與天然草地相比，1996年檸條地物種數(shù)發(fā)展到頂峰后，林齡增大時，物種數(shù)反而減少，多年生的禾本科草本植物開始出現(xiàn)，但優(yōu)勢種主要還是一年生的生命周期較短的植物。物種

3、多樣性指數(shù)在初期呈增長態(tài)勢，但后期則明顯下降。檸條在荒漠草原退化草地上的種植，使土壤的養(yǎng)分含量得到了顯著恢復(fù)，在這個林齡序列內(nèi)系統(tǒng)處于逐漸恢復(fù)的正向演變規(guī)律。但是在檸條生長后期-進入老齡階段后，檸條出現(xiàn)了自身的衰敗與一些土壤指標(biāo)的驟增現(xiàn)象。生物土壤結(jié)皮的充分發(fā)育推動了檸條林后期表層土壤質(zhì)量的顯著改善，與此同時也顯著改變了檸條林土壤水文過程與水文環(huán)境特征。對于人工檸條林的內(nèi)在演替驅(qū)動，由早期檸條主導(dǎo)的沙化環(huán)境的穩(wěn)定逐步過渡到后期生物土壤結(jié)

4、皮所驅(qū)動的生態(tài)與水文互饋作用下的演替階段。
　　(2)不同林齡檸條水分來源的比較:不同林齡樣地隨著林齡增加檸條對灌叢內(nèi)表層土壤水分利用率呈逐漸下降趨勢，而對深層土壤水分利用率呈增加的趨勢。1996、1987年檸條樣地檸條對灌叢內(nèi)外相近土層的水分利用率差異不大，1975年檸條樣地檸條對0-5cm灌叢外結(jié)皮層土壤水分利用率高于1996、1987年灌叢外表層0-10cm以及1975年灌叢內(nèi)0-10cm的土壤水分利用率，但10cm以下利用

5、率低于1987年檸條林，隨著林齡增大，檸條對深層土壤水分利用率呈增加的趨勢，水分利用率為1996年(16.0％)＜1987年(30％)＜1975年檸條(33.6％)。整體而言，隨著林齡增大檸條趨向利用灌叢內(nèi)外深層的土壤水分，并且除表層外，總體灌叢內(nèi)水分利用率高于灌叢外。揭示了生物土壤結(jié)皮在老化檸條水分來源中的潛在作用。
　　(3)優(yōu)勢灌草水分來源與競爭關(guān)系隨林齡增長的變化:以豬毛蒿和霧濱藜為代表，在不同林齡樣地一年生草本的水分來源

6、主要集中在表層0-10cm土層;隨林齡增加，豬毛蒿表層水分利用率進一步提升，并且由灌叢內(nèi)＞灌叢外變?yōu)楣鄥餐猓竟鄥矁?nèi)。整體而言，隨林齡的增長，優(yōu)勢灌草間水分來源的垂直土層分異加大，競爭關(guān)系弱化。生物土壤結(jié)皮的出現(xiàn)，改變了局部空間上灌草水分競爭格局變化的趨勢:由于檸條對結(jié)皮層(0-5cm)水分利用的加強（17.1％;甚至高于豬毛蒿的12.7％），灌草間圍繞灌叢外結(jié)皮層水分條件的改善，對表層0-5cm土壤水分的競爭也隨之加強。
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7、)老化檸條林灌草水分來源的年內(nèi)動態(tài)變化:旱季檸條水分來源集中在B層(2-20cm土層;46.65％)，在來源結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出相對集中的格局;豬毛蒿則明顯集中于A層（0-2cm生物土壤結(jié)皮;47％）和B層(26％)。在雨季，土壤水分條件顯著改善后，檸條對A層平均利用率為22.7％，B層依然是檸條水分來源的集中層，對D層（不透水母質(zhì)層，77-240cm土層，出現(xiàn)深度多在140cm以上）的利用更為穩(wěn)定，但是C層(40-100cm土層)的變異程度最

8、大;豬毛蒿水分來源集中程度進一步提高，并向B層和C層延伸，A層的貢獻顯著下降，隨降水歷程的延長，豬毛蒿對D層水分的利用率由3.4％提高到34.1％;B層依然是灌草水分競爭的集中層，兩者水分來源結(jié)構(gòu)及其動態(tài)存在顯著的差異。在生長季末期土壤濕度相對穩(wěn)定階段，檸條水分來源結(jié)構(gòu)與早期旱季相似。對2015-2016年兩年間的實驗結(jié)果匯總統(tǒng)計，相對于豬毛蒿（A層水分利用率均值16％，范圍5-47.2，變異系數(shù)97.79％，大于15％的頻次只有1/6

9、），生物土壤結(jié)皮(水分利用率均值20.67％，范圍7.2％-42.6％，變異系數(shù)52.47％)在檸條整個水分來源構(gòu)成中不可忽略，因此生物土壤結(jié)皮是檸條的一個重要的且相對穩(wěn)定的潛在水分來源。就兩種植物對生物土壤結(jié)皮水的利用而言，老化檸條表現(xiàn)的更像短命草本植物對表層土壤水分的機會性利用行為。
　　(5)老化檸條利用生物土壤結(jié)皮水分的條件與機制:細根分布與水分的可利用性是決定老化檸條是否可以利用以及在多大程度上利用生物土壤結(jié)皮水的兩個關(guān)

10、鍵條件。研究發(fā)現(xiàn)，檸條根系存在明顯的逐級強化的趨表層逆向分布特征，在0-100cm土層，上層(0-40cm)細根比重(0.307)遠高于下層(60-100cm)(0.078);在0-10cm土層，表層0-5cm的細根總根重顯著高于5-10cm。相對無結(jié)皮覆蓋處理，旱季有結(jié)皮的表層0-5cm土壤濕度波動明顯降低，穩(wěn)定濕度大幅提高（谷底值7-8％，平臺期很短），而且在整個旱季結(jié)皮層水分環(huán)境都明顯好于下層土壤;但是進入雨季結(jié)皮的相對持水效應(yīng)弱