黄土高原半干旱区灌丛降水再分配特征及耗水来源的试验研究

Soil moisture is the key restricting factor of ecological restoration in arid and semi-arid regions. How to efficiently use the limited rainwater resources and to carry out reasonable vegetation construction is a realistic problem urgently to be solved in the Loess Plateau. The key to solve this problem lies in the deep understanding of the eco-hydrological processes of vegetation-soil system and the characteristics of vegetation water consumption. Based on this, this project selected two typical shrub species, Caragana korshinskii and Salix psammophila, in the northern Loess Plateau, as the research object. Field observation, double dye tracer trial and isotope technique are used to ascertain the characteristics of rainfall redistribution by shrubs, its influencing factors and variations. The characteristics of soil moisture replenishment by throughfall and stemflow and the dynamic response of profile soil moisture were studied. The contribution ratios of different water sources, i.e. soil water from different soil layers and rainwater from throughfall and stemflow, to shrub water consumption by transpiration were also quantified. At last, the eco-hydrological significance of throughfall and stemflow on shrub growth was discussed. The research results could be theoretically helpful to reveal the mechanism that plant have developed to adapt to drought environment, and also highly useful to provide data support for vegetation construction in the area.

土壤水分是制约干旱-半干旱地区生态恢复的关键因子。如何高效利用有限的降水资源、开展合理的植被建设是黄土高原地区亟待解决的重大现实问题。而解决这一问题的关键在于深刻理解植被-土壤系统的生态水文过程以及植被的耗水特征。基于此，本项目选取黄土高原北部半干旱区典型灌丛柠条和沙柳为研究对象，采用野外定点观测、双染料示踪和氢氧同位素测定分析相结合的方法，研究不同灌丛降水再分配特征、影响因素及其差异，明确冠层降水再分配组分中穿透雨和茎干流对土壤水分的补给特征及土壤水分的动态响应，定量不同水分来源（不同层次土壤水和以穿透雨和茎干流形式输入的降水）对灌丛蒸腾耗水的贡献比例，并在此基础上探讨穿透雨和茎干流对灌丛生长的生态水文意义。相关研究成果在理论上将有助于揭示旱区植被适应干旱缺水环境的机理和途径，在实践上可为该地区雨水资源高效利用和开展合理的植被建设提供数据支撑。

降水资源是制约黄土高原半干旱地区植被建设与生态恢复的关键因子。植物冠层对降水的再分配现象可以显著改变植被群落地表降水的空间分布格局，从而影响入渗、径流、蒸散发等一系列水文过程。研究旱区人工植被冠层降水再分配模式及其蒸腾耗水规律，在理论上有助于揭示旱区植被对干旱胁迫环境的适应机制，在实践中对于指导该地区开展合理的植被建设具有重要的现实意义。基于此，本项目选取黄土高原北部半干旱区典型人工植被柠条、沙柳、油松、杏树为研究对象，采用野外定点观测、双染料示踪和氢氧同位素测定分析相结合的方法，揭示了不同人工植被降水再分配特征、影响因素及其种间差异，明确了冠层降水再分配组分中穿透雨和茎干流对灌丛基部土壤水分的补给特征，定量了不同土层土壤水分对灌丛蒸腾耗水的贡献比例及其季节变异。结果显示，研究区灌木树种（柠条和沙柳）的树干茎流（茎干表面降水流）及其占降雨量的比例显著大于乔木树种（油松和杏树），而穿透雨比例与冠层截留比例则在不同植物间未表现出显著差异。灌木树种通过树干茎流形式对有限降水的强大汇聚能力是其提高降水资源利用效率的重要前提。染料示踪试验表明，树干茎流在柠条和沙柳灌丛基部土壤的入渗深度要显著大于穿透雨在灌丛下土壤的入渗深度，同时树干茎流对灌丛基部土壤水分具有明显的补给效应。这可能是旱区灌丛适应干旱缺水环境的重要生态水文机制。通过植物茎流计测定与树干液流尺度转换因子建立了树干液流（木质部蒸腾流）由枝条尺度向单株尺度的转换模型，由此实现了多分枝灌木蒸腾耗水量的快速估算。稳定性氢氧同位素技术表明，随着旱季向雨季的转变，沙柳对深层土壤水分的吸收比例逐渐增加，而柠条的水分利用土层不随季节的变化而变化，中深层土壤水分是柠条吸水的主要来源。以上研究结论在理论上将有助于揭示旱区人工植被适应干旱缺水环境的机理和途径，在实践上可为该地区雨水资源高效利用和开展合理的植被建设提供数据支撑。