黄土高原草地根系残体调蓄土壤水分作用机理研究

Water scarcity and water erosion were the main factors limiting vegetation restoration on the Chinese Loess Plateau. After root decomposition, plant root channels are formed in soil profile, which can increase soil organic matter content and hence help to improve soil structure and enhance soil water storage. In this study, in order to examine the effects of grass root decomposition to soil water storage, two types of plants, grass (Bothriochloa ischaemum (L.) Keng.) and forage legume (Lespedeza bicolor Turcz.), will be investigated. This project plants to employ CT scanning technique to visualize root morphology and root channels. Root samples will also be incubated to quantitatively evaluate the relationship between root channels, root morphology and root decomposition rate. By using synchrotron radiation-based fourier-transform infrared spectromicroscopy to examine the changes of soil humus, polysaccharide, soil aggregates during root decomposition will also be compared. Furthermore, soil water storage and infiltration rates will also be monitored to capture the development of root channels after decomposition and its potential effects to facilitate soil water infiltration and improve soil aggregate structure. With these findings, this project aims to improve our current understanding of soil hydro-process after grassland restoration or re-vegetation, and the potential effects of root decomposition to preserve soil water reservoir on the Loess Plateau.

当前黄土高原植被恢复与重建的主要障碍是水资源匮乏和水土流失。植物根系死亡分解后形成根系通道并增加土壤有机质含量，对改善土壤结构、恢复“土壤水库”的调节功能具有重要意义。为探明黄土高原根系残体调蓄土壤水分的作用机理，本研究以禾本科（白羊草）和豆科（胡枝子）牧草为研究对象，采用CT扫描技术对根系形态结构和根系通道进行原位观测，结合室内模拟根系残体分解实验，定量评价根系通道与根系形态结构及分解速率之间的关系；应用同步辐射红外显微成像技术，测定根系残体分解过程中土壤腐殖质和多糖含量，研究土壤团聚体粒径的变化规律，探讨根系残体分解对土壤团粒结构形成的影响；通过对土壤水分入渗速率和土壤含水量的研究，揭示根系残体形成根系通道增加土壤水分入渗和改善土壤团粒结构提高土壤蓄水能力的作用机制，以期为明确根系残体介导下的土壤水文过程、促进黄土高原土壤水库功能的正常发挥及草地植被恢复与重建提供理论依据。

黄土高原植被恢复与重建的主要障碍是水资源匮乏和水土流失。植物根系死亡分解后形成根系通道并增加土壤有机质含量，对改善土壤结构、恢复“土壤水库”的调节功能具有重要意义。为探明黄土高原根系残体调蓄土壤水分的作用机理，本研究以禾本科牧草（白羊草）和豆科牧草（达乌里胡枝子）为研究对象，在0‒10 cm、10‒20cm、20‒30cm、30‒40cm和40‒60cm土层中，采用CT扫描技术对草地根系通道进行原位观测，结合室内模拟根系残体分解实验，分析草地根系形态特征、化学组成与分解速率之间的关系；研究草地根系分解下土壤理化性质动态变化，探讨草地根系残体分解对土壤理化性质的影响；通过对土壤饱和导水率和水分入渗速率的研究，揭示草地根系残体形成根系通道增加土壤水分入渗和改善土壤结构提高土壤蓄水能力的作用机制，取得的研究结果如下：（1）明确了草地根系分解过程中根系形态变化特征，达乌里胡枝子各土层根系分解速率均高于白羊草。（2）证明草地根系分解过程中，0‒10cm土层草地根系全碳、全氮遵循释放模式，草地根系全碳、全氮、碳氮比是影响草地根系分解速率的主要因素。（3）明晰了草地根系分解过程中根系化学组成及土壤养分动态变化特征，发现在0‒10cm表土层达乌里胡枝子提高土壤养分能力优于白羊草。（4）揭示了草地根系分解过程中土壤物理性质差异及其对土壤渗透性影响机制，明确了达乌里胡枝子改善土壤结构和土壤水分渗透性的能力优于白羊草。这些研究结果为明确草地根系残体介导下的土壤水文过程、促进黄土高原土壤水库功能的正常发挥及草地植被恢复提供理论依据。. 发表论文与人才培养：共发表基金署名论文4篇，其中SCI收录3篇（中科院分类一区2篇，二区1篇，累计影响因子15.1），中文核心论文1篇，协助培养研究生1名（已毕业，硕士论文获校优秀硕士生论文奖），独立培养研究生2名。