基于组合电法的旱区植物根系水分再分配过程研究——以梭梭为例

In the arid regions with vulnerable ecological structure, hydraulic redistribution（HR）of plant root systems plays an important role in regulating eco-hydrologic conditions and has gradually been one key topic of eco-hydrology. From a new perspective, the presented project is to extend the proposer’s dissertation on electrical methods mainly in laboratory to the arid regions where HR occurs commonly. Multiple improved electrical methods are to be integrated in this project to preform the laboratory and field experiments in relation to HR of Haloxylon ammodendron, which is one typical and economic plant in the arid region. The goals of this project is to determine the response of electrical parameters to HR of root systems in the arid the region, and to achieve the visualization of HR process and the quantification of HR magnitude. This project includes four main research contents: (1) research on HR using single-frequency electrical method, (2) research on HR using electrical impedance spectroscopy, (3) research on HR using electrical capacitance and resistivity integrated tomography, (4) test the results from the investigation of electrical methods to HR using isotope technique. Research findings of this project will provide constructive advices for the protection and development of Haloxylon ammodendron, and the exploitation and utilization of groundwater in arid regions. Therefore, our research is of scientific significance not only to promote the development of ecological water conservancy, but also to accelerate the inter-development between eco-hydrology and “electro-hydrology”.

在生态结构脆弱的干旱区，植物根系水分再分配（Hydraulic Redistribution，HR）过程起到重要的生态水文调节作用，逐渐成为生态水文学的核心研究问题之一。本项目从新的视角，将申请人博士学位论文中以实验室为主的电法研究延伸到HR最常发生的干旱区，组合多种改进的电法，在室内和野外开展干旱区典型经济植物梭梭的根系HR研究。研究目标是通过组合电法揭示电参数对干旱区植物根系HR的响应规律，并实现HR过程的可视化和HR水量的定量化，以提高HR的认知水平。研究内容包括四方面：①基于单频电法的HR研究；②基于阻抗谱技术的HR研究；③基于电容和电阻率联合层析成像技术的HR研究；④基于同位素技术的HR电测结果验证。研究成果可为梭梭的保护、开发方式以及干旱区地下水的开采利用提供建议性的意见，这不仅对干旱区生态水利发展起到积极促进作用，还将推动生态水文学和电性水文学的交叉发展，具有重要的科学意义。

在生态结构脆弱的旱区，植物根系水分再分配过程（HR）起到重要的生态水文调节作用。本项目的研究目的是尝试建立起集成多种电容法的监测体系，结合同位素示踪技术研究沙漠地区一种典型植物梭梭的HR。本项目从单频电容法（SFC）、阻抗谱技术（EIS）和电容层析成像技术（ECT）的和同位素示踪技术等四个方面分别开展实验研究。主要成果包括：.利用单频电容法开展电容与梭梭根、茎参数之间的关系实验，得到电容与梭梭根参数存在双线性相关性。分根SFC测量实验，证实梭梭根系存在水力再分配作用。.利用阻抗谱技术在梭梭根-土系统中开展水位动态、干旱和水涝过程的监测实验。实验结果表明：EIS技术可结合单频电容法，作为监测梭梭根-土系统的水分动态的一种有效手段。.引入电容层析成像技术，以本实验室研发的LCRWin系统作为ECT系统的测量单元，编制了ECT正、反演程序用于模拟计算电容值和重建感应区的图像。本文开展了探测水中异常体的模拟实验和物理实验，结果表明所构建的ECT系统可成功对水中的异常体进行了二维和三维成像，验证了该ECT系统的可行性。.分析梭梭邻近土壤水分剖面与其枝-根-土中水同位素组成，得到：梭梭根内水同位素组成总体趋势是从深层向浅层富集，说明梭梭根利用了不同深度土壤水；梭梭树枝内水的同位素组成介于深层土壤水和地下水之间，说明梭梭树枝内水来自于深层土壤水和地下水的混合，但主要来自深层土壤水；深层土壤水通过根系可输送到浅层根内，同时可能向浅层土壤中输入，即发生水分再分配作用。.研究成果可为梭梭的保护、开发方式以及干旱区地下水的开采利用提供建议性的意见，这不仅对干旱区生态水利发展起到积极促进作用，还将推动生态水文学和电性水文学的交叉发展，具有重要的科学意义。