黄土丘陵区草地群落冠层降雨截留特征及优势种对降雨的响应

发布时间：2020-03-27 09:12

【摘要】：降雨作为半干旱黄土丘陵区土壤水分的唯一来源,是制约该区植物生长和分布的关键因子。植被冠层截留是降雨再分配的首要环节,直接影响着地表生态水文过程及植物水分可利用程度。量化黄土丘陵区退耕草地群落及其主要种对降雨的截留和响应特征,对理解冠层截留的内在影响机制和植被恢复建设的生态水文效应具有重要意义。选取黄土丘陵区退耕后不同恢复年限的草地群落及常见物种为研究对象,对草地冠层截留容量和群落特征的季节变化、主要物种的降雨截留特征和形态指标、以及优势种光合生理和叶水势对模拟降雨的响应进行了测定与分析。主要取得如下结果:(1)叶片润湿性存在明显种间差异,是影响叶片和整株植物截留能力的重要因素通过测定68种草地群落常见植物,得出叶片接触角在27.3～133.4°之间,变异系数与接触角呈显著的负相关关系(r=-0.56;p0.001)。叶面、科、叶龄和生育期显著影响叶片润湿性,而生活型和坡向对其无影响。共有47种植物叶正面(近轴面)润湿性高于背面(远轴面),其中23种差异性显著(p0.05)。禾本科和豆科比菊科和蔷薇科更疏水。新叶比老叶更疏水,旱季时(5～6月)叶片比雨季(7～8月)更疏水。叶片截留能力与正、背面接触角显著负相关(r=-0.42);植物截留能力与正面接触角显著负相关(r=-0.42),与背面接触角近显著负相关(r=-0.35;p=0.073)。叶片润湿性是比较物种间截留性能的重要性状,精确预测降雨截留时需考虑其物种和季节变化。(2)叶面积和润湿性指数是判断植物截留容量大小的良好指标通过测定55种草地群落常见植物,发现其截留能力在0.12～1.26 g g~(-1)之间,以甘草最高,赖草最低;蔷薇科截留能力高于豆科和菊科,禾本科截留能力最低。叶截留比例在40.2～93.2%之间,以甘草最高,藜最低,共有52个物种叶片截留量高于茎截留。所有形态指标中,植物和叶截留能力仅与叶片正、背面接触角显著负相关(p0.05);茎截留能力与株高显著负相关(p0.05)。截留容量与形态指标和茎叶生物量关系密切,其中叶面积与植物、叶截留容量的相关性最高(r=0.69,0.66);茎鲜重与茎截留容量相关性最高。通径分析表明,叶面积和叶正面接触角是影响植物、叶截留容量的直接独立变量。通过两者的比值而构建的润湿性指数,其与植物截留容量的相关性(r=0.86)明显高于其它单一形态指标,也高于多个指标间的最优回归模型(r=0.77)。相近盖度或生物量下,当禾本科和豆科植物在草地群落中占比上升时,可减少冠层降雨截留,增加土壤水分输入;润湿性指数能有效地预测植物截留容量。(3)退耕草地群落冠层截留容量与盖度和地上生物量密切相关对退耕2、7、15和30年草地调查发现,从5～9月,群落盖度和地上生物量先增大后减小,在8月达到最高;枯落物、物种丰富度无明显差异;多样性指数在退耕2年时先增加后稳定,7年时先增加后减小,15、30年均先减小后增大。随恢复年限延长,盖度、生物量和枯落物随之增加;物种多样性则先增大后减小,在退耕15年达到最大。冠层、活体植物、凋落物和立枯物截留容量在0.11～0.56、0.03～0.51、0.027～0.21和0.044～0.17 mm之间。前三者在7、8月(雨季)达到最大值,后者月份间变化不明显;四者均随恢复年限延长呈增加趋势。冠层截留容量与分种总盖度、生物量鲜重、干重、植被盖度、凋落物和立枯物呈显著线性正相关(p0.05),且相关性依次递减,而与物种多样性无相关性(p0.05)。退耕15、30年时高的截留量不仅归因于高的盖度和生物量,也因为其优势种(铁杆蒿、达乌里胡枝子)截留能力较退耕2、7年(茵陈蒿、狗尾草)更高。冠层截留容量随恢复年限延长而增加,在雨季期间达到最大,盖度和生物量是解释其变化的最适参数,且群落优势种类型比物种多样性对截留量的贡献更高。因此,评估植被水文功能需综合考虑植被覆盖度和优势种类型,进而采取合适的植被恢复策略。(4)草地群落优势种对降雨的生理响应取决于降雨量、物种类型和生长季节6、8月模拟降雨后,白羊草和达乌里胡枝子净光合速率P_n、蒸腾速率T_r、气孔导度G_s、叶水势及表层土壤水分均明显增加。P_n、T_r、G_s峰值出现在雨后2～3天;叶水势和土壤水分峰值出现在雨后1～2天。降雨量越大,优势种生理响应等级也越强。白羊草光合参数和叶水势的响应比达乌里胡枝子更敏感,主要表现在相同降雨量下的增幅更大;6月优势种光合参数和叶水势的增幅要小于8月。降雨格局变化会引起优势种叶片水平的生理生态响应,进而可能造成群落结构和功能的改变。
【图文】：

示意图,再分配,过程,示意图

图 1-1 降雨再分配过程示意图（修改自 Sun et al. 2018）Figure 1-1 Diagram of rainfall redistribution processes (revised from Sun et al. 2018)加粗箭头线代表降雨的输入，普通箭头线代表降雨的输出。: Bold arrow line represents rainfall input, and common arrow line represents rainfall output.2 冠层截留的生态水文意义冠层截留是土壤-植物-大气连续体（SPAC）的一个重要组成部分，，也是水文可忽视的环节（DunkerlyandBooth1999；Gerrits2010；卫三平 2008）。研究表些湿润地区森林冠层截留量可占年降雨量的 10~30%；而一些干旱地区的截留 40~50%（樊才睿等 2015；Lietal.2016）。若忽略植被冠层截留，则会引发随程计算中的一系列错误，如土壤储水量的估计等（Savenije.2004）。截留损失发的组分之一，它是植被对生态系统水分循环调节的起点，直接关系到降C 系统中的分配和植物对水分的利用（梁曦 2009；Keim and Skauget 2004）。影响地表径流的产生和土壤水分的收支平衡，进而影响无雨期间的植物生长态（Huxman et al. 2004；荐圣淇等 2013）。植被对降雨的截留可以减弱雨滴

技术路线图

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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S812

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