荒漠草原人工柠条林灌草植被的水分来源

发布时间：2018-03-18 18:02

本文选题：荒漠草原　切入点：人工柠条林　出处：《宁夏大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：目前荒漠草原人工柠条林地生态系统稳定性维持面临的一个非常重要的问题就是土壤旱化。厘清柠条林优势灌草植被的水分来源,对于退化柠条林的适应性管理创新具有重要的理论与应用研究价值。生物土壤结皮是研究区老化柠条林(1975年种植)的一个典型生境特征,其对系统的水分循环往往会产生显著的影响。为了探究人工柠条林优势灌草植被的水分来源,特别是老化柠条的水分利用情况,以及生物土壤结皮对灌草水分来源及其相互关系的影响,我们以盐池县1975年、1987年、1996年种植的3个不同林龄阶段的柠条林地为研究对象,在系统分析人工林土壤与植被的演变格局基础上,对比分析了老化柠条与其他林龄柠条水分来源的差异,并侧重分析了生物土壤结皮在老化柠条林灌草水分来源中的作用。主要研究结果与结论如下:(1)人工林土壤与植被的演变格局与驱动:与天然草地相比,1996年柠条地物种数发展到顶峰后,林龄增大时,物种数反而减少,多年生的禾本科草本植物开始出现,但优势种主要还是一年生的生命周期较短的植物。物种多样性指数在初期呈增长态势,但后期则明显下降。柠条在荒漠草原退化草地上的种植,使土壤的养分含量得到了显著恢复,在这个林龄序列内系统处于逐渐恢复的正向演变规律。但是在柠条生长后期-进入老龄阶段后,柠条出现了自身的衰败与一些土壤指标的骤增现象。生物土壤结皮的充分发育推动了柠条林后期表层土壤质量的显著改善,与此同时也显著改变了柠条林土壤水文过程与水文环境特征。对于人工柠条林的内在演替驱动,由早期柠条主导的沙化环境的稳定逐步过渡到后期生物土壤结皮所驱动的生态与水文互馈作用下的演替阶段。(2)不同林龄柠条水分来源的比较:不同林龄样地随着林龄增加柠条对灌丛内表层土壤水分利用率呈逐渐下降趋势,而对深层土壤水分利用率呈增加的趋势。1996、1987年柠条样地柠条对灌丛内外相近土层的水分利用率差异不大,1975年柠条样地柠条对0-5cm灌丛外结皮层土壤水分利用率高于1996、1987年灌丛外表层0-10cm以及1975年灌丛内0-10cm的土壤水分利用率,但10cm以下利用率低于1987年柠条林,随着林龄增大,柠条对深层土壤水分利用率呈增加的趋势,水分利用率为1996年(16.0%)1987年(30%)1975年柠条(33.6%)。整体而言,随着林龄增大柠条趋向利用灌丛内外深层的土壤水分,并且除表层外,总体灌丛内水分利用率高于灌丛外。揭示了生物土壤结皮在老化柠条水分来源中的潜在作用。(3)优势灌草水分来源与竞争关系随林龄增长的变化:以猪毛蒿和雾滨藜为代表,在不同林龄样地一年生草本的水分来源主要集中在表层0-10cm 土层;随林龄增加,猪毛蒿表层水分利用率进一步提升,并且由灌丛内灌丛外变为灌丛外灌丛内。整体而言,随林龄的增长,优势灌草间水分来源的垂直土层分异加大,竞争关系弱化。生物土壤结皮的出现,改变了局部空间上灌草水分竞争格局变化的趋势:由于柠条对结皮层(0-5cm)水分利用的加强(17.1%;甚至高于猪毛蒿的12.7%),灌草间围绕灌丛外结皮层水分条件的改善,对表层0-5cm 土壤水分的竞争也随之加强。(4)老化柠条林灌草水分来源的年内动态变化:旱季柠条水分来源集中在B层(2-20cm 土层;46.65%),在来源结构上表现出相对集中的格局;猪毛蒿则明显集中于A层(0-2cm生物土壤结皮;47%)和B层(26%)。在雨季,土壤水分条件显著改善后,柠条对A层平均利用率为22.7%,B层依然是柠条水分来源的集中层,对D层(不透水母质层,77-240cm 土层,出现深度多在140cm以上)的利用更为稳定,但是C层(40-100cm 土层)的变异程度最大;猪毛蒿水分来源集中程度进一步提高,并向B层和C层延伸,A层的贡献显著下降,随降水历程的延长,猪毛蒿对D层水分的利用率由3.4%提高到34.1%;B层依然是灌草水分竞争的集中层,两者水分来源结构及其动态存在显著的差异。在生长季末期土壤湿度相对稳定阶段,柠条水分来源结构与早期旱季相似。对2015-2016年两年间的实验结果汇总统计,相对于猪毛蒿(A层水分利用率均值16%,范围5-47.2,变异系数97.79%,大于15%的频次只有1/6),生物土壤结皮(水分利用率均值20.67%,范围7.2%-42.6%,变异系数52.47%)在柠条整个水分来源构成中不可忽略,因此生物土壤结皮是柠条的一个重要的且相对稳定的潜在水分来源。就两种植物对生物土壤结皮水的利用而言,老化柠条表现的更像短命草本植物对表层土壤水分的机会性利用行为。(5)老化柠条利用生物土壤结皮水分的条件与机制:细根分布与水分的可利用性是决定老化柠条是否可以利用以及在多大程度上利用生物土壤结皮水的两个关键条件。研究发现,柠条根系存在明显的逐级强化的趋表层逆向分布特征,在0-100cm 土层,上层(0-40cm)细根比重(0.307)远高于下层(60-100cm)(0.078);在0-10cm 土层,表层0-5cm的细根总根重显著高于5-10cm。相对无结皮覆盖处理,旱季有结皮的表层0-5cm 土壤湿度波动明显降低,稳定湿度大幅提高(谷底值7-8%,平台期很短),而且在整个旱季结皮层水分环境都明显好于下层土壤;但是进入雨季结皮的相对持水效应弱化甚至丧失;旱季生物土壤结皮层相对高而稳定的水分条件,可能诱发了柠条细根的趋表层逆向生长,也解释了雨季土壤水分环境改善后柠条对结皮层水分的持续利用。遮荫实验也进一步验证了上述论断。作为一种深根性豆科灌木植被类型,老化柠条表现出的水分利用策略是一种表层和深层土壤水分同时利用的格局。生物土壤结皮与老化柠条水分利用间的这种正关系机制,为深入认识干旱地区深根性灌木人工林稳定性维持的生态-水文互馈机制提供了新的研究思路。
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【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S718.5

【参考文献】