黄土高原林地深层土壤根系吸水过程及其对水分胁迫和土壤碳输入的影响

论文摘要

退耕还林是应对气候变化,控制水土流失和改善区域生态环境的重要措施,已被联合国写入2030年可持续发展议程。黄土高原曾是全球土壤侵蚀最严重的区域,生态环境极其脆弱。为控制水土流失,改善区域生态环境,国家在黄土高原大面积实施了退耕还林工程。与农田和草地等浅根植物相比,林地具有更高的需水量和更深的根系。前人研究表明:浅层土壤水无法满足成龄林地蒸散需求,并引发了深层土壤干燥化和“小老树”等一系列生态问题。因此,探究林地对于深层土壤水的利用过程及林地水分胁迫对深层土壤水分状态的响应,对于明确林地水分需求、阐明林地耗水策略和制定合理的造林方案均有重要意义。同时,作为水、碳循环的枢纽,根系吸水直接影响深层土壤的碳储量。因此,理清林地深层耗水和土壤碳输入的关系对于准确评估森林生态系统碳储量及其在全球气候变化中的作用具有重要意义。本文以黄土高原退耕还林为研究背景,以林地根系在深层土壤中的吸水过程为研究主线,通过区域尺度配对试验、空间换时间的研究方法、碳同位素技术、数值模型和大数据分析等多种方法、技术手段,分析了退耕还林以后深层土壤根系吸水、根系发育、林地水分胁迫和根系对深层土壤碳输入在长时间序列上的变化过程及各因素之间的交互作用。主要结论如下:（1）在黄土高原地区,农田/草地造林后,被林地根系吸收的深度>1 m的深层土壤水很难得到降雨有效补给,进而导致深层土壤含水量随林龄增加逐渐降低,促使林地不断吸收更深土层的土壤水,并使林地在土壤中的最大耗水深度最终超过25 m。因此,随着林龄增加,林地在深层土壤中的根系吸水只能沿土壤含水量降低的方向进行,本研究将这一根系吸水模式定义为单向的根系吸水模式。单向根系吸水使深层土壤储水量随林龄增加逐渐降低:在6至25年间,深层土壤储水量每年减少84 mm,占造林区年均降水量（518 mm）的16%。21-25年的林地深层土壤水损失量达1622±186 mm,大于造林区多年平均降水量的3倍。上述结果对于未来造林强度及造林区域的选择具有重要指导意义。（2）在种植密度、降雨量、土壤初始含水量等众多因素中,深层土壤储水量损失可以最大程度地解释林地根系深度变化（R2=0.86）。在单向根系吸水模式下,深层土壤储水量不断降低,刺激林地以每年1.00±0.28 m的速率向深层土壤生长根系,从而吸收更深土层的土壤水分。21至25年林地的平均最大根系深度达24.9±0.74 m。林地61%±20%细根（直径<2 mm）位于1 m以下的深层土壤中,且随林龄增加细根在深层土壤中的比例逐渐增加。由于还林后深层土壤储水量一旦降低将很难在林地生存时得到降雨补给,因此,林地在特定深层土壤的吸水量几乎是固定的,它的大小取决于树木耗水前土壤的初始含水量和萎蔫系数的差值。深层土壤各层恒定的吸水量使得林地在各层生长的根系总量相近,并促使林地根系分布从幼龄林地中的指数递减模式逐步过渡到大龄林地中相对均匀的根系分布模式。（3）造林后大部分降水在入渗至深层土壤以前就被蒸散消耗殆尽。因此,根系从深层土壤吸收的水为多年以前降雨入渗形成的老水。长武县林龄22年的苹果树所吸收的深层土壤水中约有76%为1963年以前的老水。林地强烈的耗水限制了降水入渗及肥料随降水向深层土壤的迁移,进而使大量根系位于农业施肥所致的养分区以外,进而出现了林地根区水分、养分分离的现象。在长武塬区,18和22年的果园有超过60%的根系在肥料分布区以外。（4）在王东沟小流域,由于浅层土壤可以被降雨补给,不同林龄苹果园01 m浅层土壤水分无显著差异。1 m以下深层土壤因很难得到降雨有效补给,水分含量则随林龄增加显著降低。林地叶面积指数和日蒸腾量在16年达到峰值,之后随林龄增加逐渐降低。尽管23年苹果树的胸径较大,但其在2017生长季的蒸腾总量仅为16年果园的77%。果树1 m以下根区的土壤水分含量与果树实际蒸腾和潜在蒸腾的比值（Ta/Tp）显著正相关（R2=0.85）,这表明深层土壤水分状况直接影响林地的蒸腾耗水和水分胁迫状况。（5）对黄土高原五个不同地区树木年轮样品分析发现:随着林龄增加,不同树种的年轮δ13C均呈逐步贫化的趋势。这表明:随着林龄增加,深层土壤干燥化虽然越来越严重,但林地的水分胁迫不仅没有增加,反而逐渐减小。对王东沟小流域不同林龄苹果园的进一步采样分析表明:深层土壤供水不足时,大龄林地叶面积指数和气孔密度逐渐降低,这可能会导致单个气孔的耗水量变大,进而导致林地在缺水条件下出现光合产物贫化的现象。以上研究结果表明在研究林地水分胁迫程度时应该区分尺度:在单株尺度上林地耗水量小并不能说明林地在微观尺度上（如气孔尺度）受到的水分胁迫程度就大。同时,这一结果也表明,“小老树”虽然耗水量少、生产力低下,但是也有可能通过自身生理调节长期存活下去,这一发现对于探究退耕还林工程的可持续性具有重要意义。（6）农田/草地造林后,林地根系生物量向深层土壤输入的碳随林龄逐渐增加,125间年的均值为0.17±0.04 t ha-1yr-1,且林地在深层土壤中的吸水量和根系生物量对土壤的碳输入显著正相关,这一现象可视为林地深层土壤的水碳交易。林地根系生物量的51%±4%位于1 m以下的深层土壤。然而,林地根系没有显著改变土壤有机碳含量。这主要是由于深厚的黄土本身是一个巨大的有机碳库,例如长武农田123.2 m土壤的有机碳储量达788±10 t ha-1。而22年苹果根系生物量所含的碳仅占农田有机碳储量的1.1%,因此,有限的根系无法显著改变土壤有机碳含量。同时,林地的过度耗水降低了深层土壤水分的有效性,有可能限制了细根的周转和根系分泌物的释放,进而降低林地根系对深层土壤有机碳的改变幅度。（7）通过Hydrus-1D模型对苹果园SPAC系统水分传输模拟发现,与采用实测的相对均匀的根系分布进行模拟相比,传统的指数根系分布模型在模拟前期（林龄在13年之前）会低估林地蒸腾量。这主要是由于指数根系分布下林地根系主要集中在浅层土壤,而浅层土壤会在蒸散影响下出现间歇性水分胁迫,进而降低林地蒸腾量;但是,在相对均匀的根系分布下,林地可以从含水量较高的更深土层吸收水分,所以蒸腾量在前期较高。然而,当深层土壤水分被林地降低至一定程度后,便会对根系吸水产生永久胁迫,而此时指数根系分布下模拟的林地蒸腾量便会出现偏高的现象。不同土壤分层的情景模拟表明,对于垂直方向上土壤水力学性质变异较大的深剖面,降低土壤分层会使模型低估土壤的持水能力,进而高估地下水补给量。因此,在分析、模拟深剖面水文过程时,要重视根系和土壤分层对水文过程的影响。综上所述,深层土壤根系吸水是黄土高原林地水循环的重要组成部分,对于林地蒸腾耗水、土壤水储量、林地水分胁迫和土壤碳输入等生态水文过程均具有重要影响。因此,在今后的森林生态水文研究中应给予高度重视。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 林地深层土壤根系吸水及其对水循环的影响
•     1.2.2 土壤水分胁迫与林地根系发育交互关系
•     1.2.3 水分胁迫对林地地上部的影响
•     1.2.4 植树造林对土壤碳库的影响
•     1.2.5 Hydrus-1D模型在深层土壤水文过程模拟中的应用潜力
•   1.3 存在问题
• 第二章 研究区域概况、研究内容与方法
•   2.1 研究区域概况
•     2.1.1 黄土高原地区
•     2.1.2 长武县王东沟小流域
•   2.2 研究内容及方法概述
•     2.2.1 黄土高原林地多年尺度深层土壤根系吸水过程
•     2.2.2 黄土高原林地深层土壤根系生长及其与根系吸水的交互作用
•     2.2.3 不同林龄苹果树蒸腾变化及其与深层土壤根系吸水的关系
• 13C及叶片气孔密度探究林地水分胁迫对深层土壤干燥化的响应'>    2.2.4 利用年轮δ¹3C及叶片气孔密度探究林地水分胁迫对深层土壤干燥化的响应
•     2.2.5 黄土高原林地深层土壤根系吸水与土壤碳输入的交互关系
•     2.2.6 基于深层土壤的苹果园SPAC系统水分传输模拟及敏感性分析
•   2.3 技术路线
• 第三章 黄土高原林地多年尺度深层土壤根系吸水过程
•   3.1 引言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 研究区概况
•     3.2.2 试验设计与数据采集
•     3.2.3 数据分析方法
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 黄土深剖面土壤容重分布
•     3.3.2 黄土高原林地深剖面水分利用过程
•     3.3.3 黄土高原退耕还林后深层土壤储水量损失
•   3.4 小结
• 第四章 黄土高原林地深层土壤根系生长及其与根系吸水的交互作用
•   4.1 引言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 样点选择
•     4.2.2 试验设计及测定项目与方法
•     4.2.3 数据处理及分析方法
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 区域尺度根系变化
•     4.3.2 深层土壤水分吸收与根系发育的交互关系
•     4.3.3 深根系导致林地根区水分、养分分离
•   4.4 小结
• 第五章 不同林龄苹果树蒸腾变化及其与深层土壤根系吸水的关系
•   5.1 引言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 研究区域概况
•     5.2.2 试验设计
•     5.2.3 测定项目与方法
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 气象数据与叶面积指数
•     5.3.2 土壤含水量
•     5.3.3 树干液流日变化
•     5.3.4 果园日蒸腾动态
•     5.3.5 不同林龄果园Ta/Tp差异
•   5.4 小结
• 第六章 利用年轮Δ13C及叶片气孔密度探究深层土壤干燥化背景下林地水分胁迫演变过程
•   6.1 引言
•   6.2 材料与方法
•     6.2.1 研究区域概况
•     6.2.2 试验设计
•     6.2.3 测定项目与方法
•     6.2.4 数据分析方法
•   6.3 结果与讨论
•     6.3.1 年轮采样点林地水分及根系剖面分布
•     6.3.2 黄土高原不同树种年轮δ13C演变过程
•     6.3.3 苹果树叶面积及气孔密度随林龄的变化
•   6.4 小结
• 第七章 黄土高原林地深层土壤根系吸水与土壤碳输入的交互关系
•   7.1 引言
•   7.2 材料与方法
•     7.2.1 试验设计
•     7.2.2 测定项目与方法
•     7.2.3 数据分析方法
•   7.3 结果与讨论
•     7.3.1 根系生物量对深层土壤的碳输入
•     7.3.2 深根系对深层土壤基质有机碳含量的影响
•     7.3.3 深层土壤耗水与碳输入的交互关系
•   7.4 小结
• 第八章 基于深层土壤的苹果园SPAC系统水分传输模拟及敏感性分析
•   8.1 引言
•   8.2 材料与方法
•     8.2.1 试验设计与数据监测
•     8.2.2 Hydrus-1D模型简介
•     8.2.3 初始条件与边界条件
•     8.2.4 初始参数确定及校准
•     8.2.5 情景模拟
•     8.2.6 模型评价指标
•   8.3 结果与讨论
•     8.3.1 模型校准及验证结果
•     8.3.2 根系分布对SPAC系统水分传输的影响
•     8.3.3 土壤分层对SPAC系统水分传输的影响
•   8.4 小结
• 第九章 主要结论、创新点及有待进一步研究的问题
•   9.1 主要结论
•   9.2 创新点
•   9.3 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李会杰

导师: 司炳成

关键词: 深层土壤,林地,根系吸水,水分胁迫,土壤碳

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 自然地理学和测绘学,农业基础科学,林业

单位: 西北农林科技大学

基金: 国家自然科学基金重点项目(编号:41630860),国家自然科学基金面上项目(编号:41371233)

分类号: S714

总页数: 131

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