植物生长与土壤水关系调控起始期

确定植物生长与土壤水关系调控起始期是可持续利用土壤水资源的基础.以柠条为研究对象,采用中子仪对黄土丘陵半干旱区撂荒地,1～5年生柠条林生长和土壤水分进行长期定位观测和分析.结果表明:1a内,随着时间推移,柠条利用土壤水分深度从播种时的表层土壤增加到220cm;随着林龄增加,除丰水年2年生柠条林地土壤储水量增加外,柠条利用土壤水分深度和耗水量增加,林地土壤储水量下降.在2004年生长末期,3年生柠条林地100cm土层的土壤含水量低于萎蔫系数,4年生柠条林地土壤旱化加剧,柠条生长与土壤水关系调控起始期是第5年.此时需要调控柠条生长与土壤水关系,采取措施降低柠条水分耗水量,实现土壤水资源可持续利用.     

黄土丘陵半干旱区土壤水资源利用限度

以柠条为对象,采用中子水分仪对黄土丘陵半干旱区人工植被恢复过程中土壤水分与植物生长进行长期定位观测.结果表明:撂荒地播种后,随着时间推移,植物群落保持水能力增强,根系吸收利用水分的土层深度增加、土壤含水量下降.林地土壤出现干层,且干层土壤的深度和厚度逐年增加.植物对土壤水资源的利用限度为干层土壤深度等于最大补给深度时的土壤储水量.在黄土丘陵半干旱区人工柠条林地土壤水资源利用限度是0～290 cm土层的土壤储水量为249.4 mm.当人工林地土壤水资源接近或等于土壤水资源利用限度时,需要采取措施降低土壤水分消耗,或增加土壤水分补给,维持根系吸收利用水资源的相对稳定.     

土壤水分对温室嫁接和非嫁接黄瓜生长与生理特性的影响

观测了黄瓜生长动态与生理特性对土壤水分状况的反应。结果表明,日光温室嫁接与未嫁接黄瓜分别在土壤相对含水量70％和80％时株高,叶面积和产量增长最快,土壤水分过高与过低均不利于黄瓜的生长;随土壤含水量降低;叶片光合速率,气孔导度,水势与根系活力的下降。     

晋西北丘陵风沙区不同林龄人工柠条生长与繁殖动态特征

晋西北丘陵风沙区生态环境脆弱,是我国风沙活动危害最为严重的地区之一。本文以晋西北典型丘陵风沙区0(撂荒地)、6、12、18、40和50年生人工柠条为研究对象,分析了不同林龄柠条的土壤含水量、地上和地下生物量、个体形态特征、生长繁殖及光合生理特征,研究0～50年长时间序列人工柠条的生长和繁殖动态特征。结果表明: 人工柠条林土壤水分变化与柠条林龄密切相关。6年生柠条的土壤水分较低,6～18年生柠条由于冠幅增加,降低了近地表的风速和太阳辐射,减少了土壤水分的蒸发,土壤水分呈上升趋势,18～50年生柠条的生物量快速积累,植物蒸腾量和根系对水分的吸收量大幅度增加,土壤水分不断降低,到50 年则下降至最低水平(11.1%);6～18年生人工柠条以地下根系生长为主,18～40年生柠条以地上部生长为主,40年生柠条的生物量维持在较高水平,冠幅和株高达到最高,生长状态达到最佳,40～50年生柠条的冠幅和株高显著降低,生长进入衰退期;柠条的光合能力(叶绿素a、b,类胡萝卜素和总叶绿素含量)随着种植年限的增加逐渐下降,尤其在18年后显著下降;柠条种子的数量和质量从6年生到40年生不断上升,40年生达到最大;与 6～12年生柠条相比,30～40年生柠条能产生更多个体质量小的种子。萌发试验表明,在相同年限,柠条的小种子比大种子的萌发速率更高,表明柠条繁殖策略有从前期(6～12年生)K策略向后期(30～40年生)r策略转化的趋势,而从50年生开始,柠条种子数量和质量显著下降,人工柠条的生长和繁殖出现退化。     

不同平茬年限人工柠条林光合特性及土壤水分的响应变化

平茬是荒漠草原老化人工柠条林营林抚育的重要措施,为系统认识柠条平茬后连续的生理与生态响应过程及其变化规律,该研究设置对比观测样地,以未平茬柠条(WPC)为对照,以平茬后连续生长1～5年(PC1～PC5)的柠条为处理,对各样地柠条净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、水分利用效率等光合生理特征及其土壤含水量分布的影响进行测定分析。结果表明:(1)平茬处理对柠条生理特性的影响因平茬年限的增加而异,其中PC1和PC2柠条的净光合速率和蒸腾速率较WPC略有提高,PC1柠条处于补偿生长的活跃期,水分利用效率明显高于其他平茬处理,PC2柠条的水分利用效率开始下降;PC3和PC4的柠条蒸腾速率、净光合速率和气孔导度显著上升,且PC4处理下达到最大值,相应水分利用效率也逐步回升;PC5的柠条几乎不存在补偿性生长,净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率开始回落,逐渐接近WPC;平茬措施对PC1与PC5柠条胞间CO2浓度大小的影响较大。(2)PC1的土壤水分含量在0～100cm土层因受冠层截留大幅减小的影响而低于其他年限平茬处理;PC2的土壤水分略有改善,PC3、PC4的土壤含水量显著提高,PC5的土壤水分状况则逐渐接近于WPC。(3)随平茬年限的增加,柠条光合特性与土壤含水量间存在一定的动态互馈关系,其中PC1的土壤水分略有下降,柠条生长减缓;PC2土壤含水量逐步恢复;PC3土壤含水量增长幅度开始下降,柠条的各项生理指标上升;PC4柠条的光合生理指标、土壤含水量都达到了最高值;PC5柠条的各项指标开始下降。研究发现,PC4处理是柠条光合生理和土壤水分响应变化的拐点,可参考作为平茬柠条优化管理的一个时间节点。     

古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘坡面土壤水分动态随机模拟

为揭示土壤水分动态对干旱沙区坡面尺度水文和生态过程的影响机理,基于Rodriguez-Iturbe土壤水分动态随机模型,通过修正模型输入项参数,获取干旱沙区坡面土壤水分动态随机模型,并利用2015—2016年古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘坡面生长季根系层土壤水分观测数据及2000—2016年日降水资料,分析研究区生长季坡面土壤水分动态与土壤水分概率密度函数特征,探讨该坡面随机模型参数敏感性及应用可行性.结果表明: 研究区生长季降水分布极不规则,以<5 mm降水为主,降水量主要源于>10 mm降水,降水间隔期以<10 d为主,且东坡次降水量略大于西坡;东、西坡面生长季土壤水分年际变化与降雨分布基本一致,西坡根系层土壤含水率略低于东坡,且各坡面生长季根系层土壤水分均服从正态分布;该坡面随机模型模拟得到的不同坡面生长季根系层土壤水分概率密度函数的曲线特征(峰值及其位置、95%置信区间)与观测结果基本一致,一致性指数(CM)均大于0.5,说明该坡面随机模型能对研究区坡面土壤水分概率密度函数进行高效模拟,具有较好的适用性,可为干旱沙区植被生存或恢复研究及实施荒漠化防治生态建设工程提供理论基础和科学方法.     

半干旱区垄沟集雨系统点尺度土壤水分动态随机模拟

为揭示土壤水分动态对半干旱区垄沟集雨系统水文和生态过程的影响机理,基于Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型),利用中国气象局定西干旱气象与生态环境试验基地2012—2013年垄沟集雨燕麦生长季根系层土壤水分观测数据及2000—2015年日降水资料,分析不同覆盖材料(生物可降解膜、普通塑料膜和土壤结皮)和不同沟垄比(30∶60,45∶60和60∶60cm)对生长季燕麦根系层土壤水分动态的影响,研究点尺度土壤水分概率密度函数特征,并对模型涉及参数进行敏感性分析。结果表明:研究区年降水的季节分配极不均匀,主要集中在5—10月份,占总降雨次数的66.6%;年降雨量的85.32%来源于10 mm的降雨,以暴雨为主;近16年研究区降水量呈缓慢增长趋势。生物可降解膜垄(BMR)、普通地膜垄(CMR)和土垄(SR)临界产流降雨量分别为1.35、0.95 mm和5.31 mm,平均集水效率分别为87.892%、94.203%和27.488%;在燕麦生长季,BMR和CMR的土壤含水量显著大于SR,SR的土壤含水量显著大于传统平作,各处理土壤含水量均服从正态分布;通过Laio模型模拟得到的各处理土壤水分概率密度函数的曲线特征(峰值及其位置、90%置信区间)及数字特征(期望、方差)与观测结果基本一致,CM指数均大于0.5,且可将集雨垄径流量作为单次降水的随机事件处理,说明该模型可应用于垄沟集雨系统土壤水分概率密度函数的模拟,为半干旱区农田水分高效利用管理提供理论依据。     

平茬柠条的土壤水分动态及生理特征

平茬作为荒漠草原区柠条林优化管理的重要手段之一,深入探究平茬复壮阶段的土壤水分的恢复状况及其对生理特征的影响具有十分重要的意义。通过设置对比试验,研究了不同平茬年限柠条的土壤水分的时空分布及其周期性变化规律,并分析了其对净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率等光合作用生理特征的影响,结果表明:(1)生长季年内变化,PC1a—PC5a柠条在对土壤水分的保持能力均高于WPC柠条;对比不同平茬年限柠条土壤水分,PC3a增长迅速,PC4a水分条件最优,PC5a土壤水分消退逐渐向WPC柠条的土壤水分接近;土壤垂直剖面上,PC1a—PC4a柠条根系活跃区的土壤水分随着平茬年份的增加,深层的土壤水分得到有效改善,到PC5a时开始回落。(2)不同平茬年限土壤含水量变化剧烈程度分别为PC4aPC5aWPCPC2aPC3aPC1a,且平茬措施对非根系活跃区的深层土壤水分影响不大,平茬后,对0—180cm土层深度的影响显著,且以平茬PC4a和PC5a的土壤水分周期性变化最长,振动强度变化最明显。(3)平茬早期(PC1a—PC2a)的土壤水分并未迅速提高,此阶段柠条的光合作用受自身性状的影响大于对土壤水分的影响;平茬中期(PC3a—PC4a)的土壤水分对光合作用的影响大于柠条的补偿生长作用;平茬后期(PC5a),平茬柠条光合作用减弱及性状几乎不发生变化,土壤水分状况也开始接近WPC柠条。因此,对于荒漠草原平茬复壮阶段的柠条林的科学有效管理,PC5a柠条可作为饲草资源进行利用的最佳时段。     

黄土丘陵半干旱区柠条林密度对土壤水分和柠条生长的影响

研究密度对土壤水分和植物生长的影响对森林植被恢复和生态建设具有重要的意义。以黄土丘陵半干旱区人工柠条为研究对象,对相同立地条件下不同密度柠条林生长与林地土壤水分进行了长期定位观测和分析。研究表明,1—5年生柠条不同密度林地土壤水资源量差异显著,从第3年开始,土壤水资源量随着密度增加而增加;10—12年生柠条密度越低土壤水资源量越高(Treatment4除外,T4),不同密度之间水资源量差异不显著。1—3年生柠条密度越高会促进其株高生长;从第四年开始,柠条密度过高会抑制其株高生长;1—5年生柠条密度越高基径生长越快,不同密度生长差异不显著;10—12年生密度过高(Treatment1,T1)或过低(T4)均会抑制柠条株高与基径生长。在柠条播种后第5年,高密度试验小区(T1和Treatment2,T2)柠条林地最大入渗深度土壤水资源量降到水资源利用限度,此时需要依据土壤水分植被承载力通过平茬来降低林分密度,以达到减少土壤水分消耗和可持续利用土壤水资源之目的。     

半干旱黄土区成熟柠条林地土壤水分利用及平衡特征

选择半干旱黄土区流域尺度不同地形条件下成熟柠条林作为研究对象,并以荒坡草地作为对照,在2009—2011年生长季节对0—210cm土壤含水量进行连续观测,开展了剖面土壤水分变异、动态平衡及影响因素研究。结果显示:土壤水分平均值:30—130cm对照>北坡>东坡>南坡,150—210cm南坡(上、中坡位)>对照>北坡>东坡,南坡和北坡样地上坡位>中坡位>下坡位。土壤水分的季节变化表现为9月﹥8月﹥7月,5、6、10月份最低;不同地形条件下,柠条林地土壤水分极差值和变异系数并没呈现出规律性变化,在垂直尺度上,柠条林地土壤水分极差值和变异系数曲线在0—50cm表现比较活跃,70—210cm则相对稳定;在连续干旱年份土壤储水量并没有连续的降低和亏缺,在第1个欠水年亏缺比较严重,第2个欠水年盈亏量基本平衡,而第3个欠水年则略有盈余。研究认为:小流域尺度下的地形条件差异造成了土壤水分规律性变化,但在特定植被生长发育状态和剖面尺度下,植被因子将会成为土壤水分动态变化的主控因子。柠条林发育至成熟阶段,土壤水分补偿与消减将会保持平衡状态。土壤水分与植被生长的相互关系一方面表现出一定的时间差,另一方面植被对土壤水分也具有一定的适应性。这是因为土壤含水率高促进植物生长,植物生长势增强会进一步加大对土壤水分的消耗,土壤水分含量不足则会抑制植物生长,植物生长势减弱会进一步降低对土壤水分的消耗。     

幼龄柠条细根现存量与环境因子的关系

以晋西北黄土高原区柠条(Caragana korshinskii)幼龄人工林为研究对象, 应用微根管技术(Minirhizotron technique)对林地100 cm土层范围的柠条细根生长动态进行了观测。以2007年生长季(5~9月)的根长密度(RLD, mm·cm^-3)数据为基础, 对柠条细根现存量(RLDst, mm·cm^-3)及其与环境因子(≥10 ℃积温、同期土壤积温、积降雨量和土壤水分等)的关系作了研究。结果表明, 40~90 cm土层是柠条细根的主要分布区和生长活跃区, 其细根占细根总量的59.7%。柠条细根现存量的季节变化特征为: 5月至9月上旬RLDst持续增加, 9月下旬RLDst略有降低。柠条细根现存量季节变化与≥10 ℃积温、同期土壤积温和积降雨量均存在极显著正相关关系。     

腾格里沙漠人工植被区固沙灌木影响深层土壤水分的动态模拟研究

灌木是我国沙漠地区主要的优势植物类型,固沙灌木的存在有益于沙丘的固定进而有利于退化沙漠生态系统的生态恢复。基于腾格里沙漠沙坡头地区50多年的人工植被区长期观测研究,建立生态-水文模型模拟了该地区固沙灌木盖度和深层土壤水分的动态变化过程,结果表明,固沙灌木的建立改变了沙区原有的生态-水文过程,在固沙灌木建立40多年后,固沙灌木的盖度和深层土壤水分达到了新的平衡状态。灌木盖度逐渐稳定在(10±0.9)%左右,而深层土壤水分稳定在(2.58±0.2)%左右。因此,在年均降雨量为186mm的腾格里沙漠沙坡头地区,土壤水分的最大植被承载力为:灌木和生物土壤结皮的盖度分别维持在10%和60%,深层土壤水分维持在3%左右。     

A color composite technique for detecting root dynamics of barley (Hordeum vulgare L.) from minirhizotron images

Quantification of root dynamics by destructive methods is confounded by high coefficients of variation and loss of fine roots. The minirhizotron technique is non-destructive and allows for sequential root observations to be made at the same depth in situ. Observations can be stored on video tape which facilitates data handling and computer-aided image processing. A color composite technique using digital image analyses was adapted in this study to detect barley root dynamics from sequential minirhizotron images. Plants were grown in the greenhouse in boxes (80 × 80 × 75 cm) containing soil from a surface horizon of a Typic Cryoboroll. A minirhizotron was installed at a 45°C angle in each box. Roots intersecting the minirhizotron were observed and video-recorded at tillering, stem extension, heading, dough and ripening growth stages. The images from a particular depth were digitized from the analog video then registered to each other. Discrimination of roots from the soil matrix gave quantitative estimates of root appearance and disappearance. Changes in root appearance and disappearance were detected by assigning a separate primary color (red, green, blue) to selected growth stages, then overlaying the images to create red-green and red-green-blue color composites. The resulting composites allowed for a visual interpretation and quantification of barley root dynamics in situ.     

干旱半干旱地区人工固沙灌木林生态系统演变特征

应用实验生态学方法分析了沙坡头地区栽植于1956、1964、1981、1987年的无灌溉人工植被固沙群落浅层土壤分形特征、植被盖度、物种特征、生物量、土壤水分、土壤微生物,以及群落土壤物理和土壤养分特征,并与流动沙丘进行比较。结果表明,在干旱半干旱的草原化荒漠地区,首先利用半隐蔽式草方格沙障对流动沙丘进行固定,然后栽植灌木柠条、花棒等和半灌木油蒿,经过40多年的稳定演变,该区域逐渐形成由矮灌木与草本植物覆盖,以及隐花植物与微生物土壤结皮复合的固定沙丘景观。在人工植被固沙防护体系稳定演变过程中,浅表层土壤的细粒化和养分富集化特征,微生物土壤结皮与亚表层土壤厚度,以及浅表层土壤体积含水率均随固沙年限的延长趋于显著增加。而土壤微生物数量、植被盖度、植物种数等生物群落学属性在固沙年限达40a左右时,已趋于最大,尔后呈缓慢下降趋势。随着固沙年限的增加,灌木树种不断衰退减少,当固沙年限逾17a之后,群落生物量增至峰值后略有下降。土壤分形维数与土壤粘粒含量呈显著正相关关系,流动沙丘被人工植被固定年代越久远,浅表层(0~3cm)土壤粘粒含量(4.50%)越高,其分形维数越大(D=2.4083),表明人工植被固沙防护体系浅表层土壤结构变得越紧实,流动沙丘(D=2.0484)在人工植被的固定作用下,发生逆转的趋势越显著,沙丘日趋固定。     

腾格里沙漠东南缘人工植被区降水入渗与再分配规律研究

试验于2001年8月17日至9月30日在中国科学院沙坡头沙漠试验研究站进行,主要利用时域反射仪(TDR)连续测量土壤剖面水分含量的方法,观测受植物根系吸水,蒸散作用影响下的人工植被荒漠灌木柠条(Caragana korshinskii)群落区固定沙丘降水入渗与再分配过程。土壤体积含水率由水平埋设在植物根系剖面内12个深度层次(5～200cm)的时域反射仪探头每小时自动测定1次。天然降水条件下的土壤入渗速率由入渗深度与相应的入渗时间之比值计算得到。结果表明：在7次不连续降水过程中,土壤入渗速率与降水强度呈简单线性相关关系,土壤入渗速率约为降水强度的10倍强。然而当次降水过程中降水强度小于0．46mm／h时,土壤入渗速率约为0cm／h,此时的降水对人工植被固定沙丘区的土壤基本上没有水分补给作用。受荒漠灌木柠条根系吸水作用的影响,其根系密集剖面深度40～140cm内降水水分入渗积累不明显。降水入渗速率及入渗深度受土壤剖面初始含水率多寡而变化,干燥土壤剖面有助于提高入渗速率及入渗深度。降水以后随着时间的推移,区域环境内空气温度、湿度等气象条件适宜,柠条生长进入相对旺盛阶段,其根系密集层140cm深度处土壤含水率在总体上下降的过程中,表现出昼消夜长的趋势,翌日8：00土壤含水率值略高于前一日20：00水分值0．1％～0．3vol．％。     

A comparison between minirhizotron and monolith sampling methods for measuring root growth of maize (Zea mays L.)

Transparent plastic minirhizotron tubes have been used to evaluate spatial and temporal growth activities of plant root systems. Root number was estimated from video recordings of roots intersecting minirhizotron tubes and of washed roots extracted from monoliths of the same soil profiles at the physiological maturity stage of a maize (Zea mays L.) crop. Root length was measured by the line intercept (LI) and computer image processing (CIP) methods from the monolith samples.There was a slight significant correlation (r=0.28, p<0.005) between the number of roots measured by minirhizotron and root lengths measured by the LI method, however, no correlation was found with the CIP method. Using a single regression line, root number was underestimated by the minirhizotron method at depths between 0–7.6 cm. A correlation was found between root length estimated by LI and CIP. The slope of estimated RLD was significant with depth for these two methods. Root length density (RLD) measured by CIP showed a more erratic decline with distance from the plant row and soil surface than the LI method.     

Root dynamics in a salt marsh over three consecutive years

The minirhizotron technique has been used to study root development in a salt marsh in the western part of the Nationalpark Niedersächsisches Wattenmeer during a three-year period. The objective of our study was to evaluate root depth distribution and seasonal changes in growth activities of natural plant root systems. Root number was counted at monthly intervals in the top soil layer (0–0.2 m) for every 2 cm soil depth. The number of roots was regarded as an easily detectable parameter reflecting root growth and decay.In general, highest rooting intensity was found in the soil's subsurface layer (0–0.08 m). The number of roots significantly decreased in deeper horizons of the soil. There was also a significant increase and decrease in the number of roots in the course of a year. The highest rooting intensity was found in late winter to early spring, which substantially decreased towards mid summer when the plants were in their reproductive phase. The data indicate that there is a clear seasonal pattern of root growth of salt marsh species.     

根区交替控制灌溉条件下玉米根系吸水规律

为了阐明根区交替控制灌溉(CRDAI)条件下玉米根系吸水规律,通过田间试验,在沟灌垄植模式下采用根区交替控制灌溉研究玉米根区不同点位(沟位、坡位和垄位)的根长密度(RLD)及根系吸水动态。研究表明,根区土壤水分的干湿交替引起玉米RLD的空间动态变化,在垄位两侧不对称分布,并存在层间差异;土壤水分和RLD是根区交替控制灌溉下根系吸水速率的主要限制因素。在同一土层,根系吸水贡献率以垄位最大,沟位最低;玉米营养生长阶段,10—30 cm土层的根系吸水速率最大;玉米生殖生长阶段,20—70 cm为根系吸水速率最大的土层,根系吸水贡献率为43.21%—55.48%。研究阐明了交替控制灌溉下根系吸水与土壤水分、RLD间相互作用的动态规律,对控制灌溉下水分调控机理研究具有理论意义。     

柠条细根的空间分布特征及其季节动态

以晋西北黄土区30年生柠条(Caragana korshinskii Kom.)人工林为研究对象,2007年应用Minirhizotron技术,分别在距茎干水平距离0、50、100 cm处设点,对林地0-100 cm土层深度范围内的柠条细根空间分布及其生长季的动态进行了研究。结果表明:(1)生长季柠条细根根长密度(RLD)总平均值为1.3423 mm/cm²。在水平方向上,距茎干水平距离50 cm处分布最多(1.5369 mm/cm²),其次为0 cm处(1.3855 mm/cm²), 100cm处分布最少(1.1044 mm/cm²)。在垂直深度上,各土层RLD平均值大小顺序为40-60 cm>60-80 cm>20-40 cm>0-20 cm>80-100 cm;(2)在0-100 cm土层范围内,月平均RLD在生长季的波动范围为0.4405 2.1040 mm/cm²,其中9月份最多,4月份最少;RLD在5个土层深度3个水平距离处随季节变化均表现先增加后减少的趋势,且不同空间位置RLD峰值变化均在秋季(8 10月份)波动。细根的这种时空分布差异,可能主要受林下土壤资源空间异质性及其季节性变化的影响,但也不排除其它因素的影响(如真菌,植食性昆虫)。