荒漠河岸林胡杨水分利用效率研究
胡杨(Populus euphratica Oliv.)是荒漠河岸林的建群种,为我国三级重点保护植物,具有维护分布区内的生态平衡,保障绿洲农牧业生产等作用。近年来,随着全球气候变暖和内陆河流域水资源的日益减少,大片胡杨因没有水源保障而干枯。额济纳胡杨林是世界上仅存的三大天然胡杨林之一,随着黑河流域上中游用水量的增加,下泄水量的减少,地下水位持续下降,使胡杨林面积急剧缩小,胡杨林分状况同绿洲生态环境一样正处于危机关头。因此,在外来水资源十分有限的情况下,要解决荒漠河岸林胡杨生存的“水问题”,首先必须从胡杨自身对水分利用的效率角度了解和掌握胡杨水分利用效率的变化特征。因为提高植物自身的水分利用效率是目前提高水分利用效率的最佳办法。系统研究荒漠河岸林胡杨长期水分利用效率,搞清楚其水分利用来源,可以为荒漠河岸林胡杨的水分分配和管理提供科学依据。
本论文以荒漠河岸林胡杨为研究对象,依托阿拉善荒漠生态水文试验研究站,以稳定同位素技术和气体交换技术为手段,研究了胡杨水分利用来源,水分利用效率时空变异特征及其与各影响因子间的关系。得出了以下主要结论:
1.对不同地下水埋深处土壤剖面水分垂直变化,各层土壤水、地下水和胡杨木质部水的δ18O值变化特征及胡杨对各水源吸收比例的研究表明,随着地下水埋深的加深和土壤干旱程度的加剧,胡杨主要水分来源从单一层次的土壤水或地下水转为2.00m以下的深层土壤水和地下水。
2.胡杨水分利用效率日季变化特征表明:(1)光合速率、蒸腾速率和气孔导度间高的相关性说明胡杨属气孔限制型植物,因此用潜在水分利用效率描述胡杨的水分利用过程较为合适。(2)胡杨潜在水分利用效率同变化总体呈“单峰”型曲线,日变化曲线与气孔限制值曲线形态一致；同变化均值大小表现为5月<月<7月<9月;影响日变化的主要因子是光合有效辐射和相对湿度,在一定范围内,胡杨潜在水分利用效率将随着光合有效辐射的升高而增大,随相对湿度的增大而减小。(3)胡杨各月潜在水分利用效率在84.81±2.23～70.97±2.40umolCO2·mmol-1H2O间变化,平均值为75.69±1.31umolCO2·mmol-1H2O；月变化总趋势是逐渐降低,最高值出现在5月,而后不断降低,7月达到最低值:造成生长季胡杨各月水分利用效率减小的原因是叶片营养物亏缺导致的叶片光合速率的减小和空气温湿度升高及土壤含水量减小导致的气孔导度的变化。(4)水分利用效率日、季变化说明胡杨不仅属于高光合和高蒸腾型植物,而且属于高水分利用型植物。
3.不同林龄和立地条件下胡杨水分利用效率变化特征表明:(1)老、中、幼三种林龄胡杨水分利用效率的差异说明幼龄和老龄胡杨水分利用均较为保守,属节约型,中龄胡杨水分利用策略属于挥霍型。(2)5个典型样地胡杨水分利用效率变化特征说明沙丘样地具有最高的水分利用效率,其次为戈壁样地,最低值出现在河岸低地。不同立地胡杨水分利用效率差异表明,在胡杨遭遇水分短缺时,它通过提高自身的水分利用效率,使水分利用模式变得保守,以利于其在干旱缺水环境中生存。
4.对胡杨水分利用效率影响因素的研究表明:(1)土壤含水量的降低和地下水埋深的加深,胡杨提高了水分利用效率,使其水分利用方式变得更加保守。(2)胡杨叶片N,P和K营养元素的不足导致叶片光合速率降低,从而降低了胡杨的水分利用效率。(3)渗透物质对胡杨水分利用效率的影响说明,胡杨在遭遇水分胁迫时,通过积累糖分和K+而维持细胞膨压,从而提高了胡杨的水分利用效率和干旱抵抗能力；脯氨酸和甜菜碱对胡杨水分利用效率没有明显的影响；Ca2+和Cl-对胡杨水分利用效率有消极影响。(4)对胡杨水分利用效率起主导作用的影响因素是:K+,Cl-,蔗糖和土壤含水量。K+和蔗糖主要是通过提高胡杨光合速率对胡杨水分利用效率起作用；土壤含水量和Cl-则主要是通过调节气孔导度进而对胡杨碳分馏和水分利用效率产生消极影响。
5.根据对胡杨水源利用策略和水分利用模式的分析,确定了适宜胡杨有较高水分利用效率且能维持正常生长的地下水埋深范围为2.5-3.8m。提出依据确定的合理地下水埋深,选择秋末-冬初进行胡杨林水分的灌溉,侧重于老龄和幼龄胡杨分布区水分的灌溉,尽可能地将河水留在胡杨林里面,达到合理配置有限的水资源,提高进入额济纳荒漠绿洲区水资源的利用效率,最大限度地满足荒漠河岸林胡杨的生长需水要求,使胡杨能够正常生长。
- 作者：
- 曹生奎
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 自然地理学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2010年
- 导师姓名：
- 冯起
- 中图分类号：
- S792.119
- 关键词：
- 荒漠河岸林；胡杨；水分利用效率；水分利用对策
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