西南岩溶区根-岩界面水分再分配机理及水量效应

Effects of root hydraulic redistribution on ecological and hydrological processes in epikarst zone are focused in modem ecological hydrology. Roots can lift underground water to promote species symbiosis, and descent rainwater to recharge groundwater. Hydraulic redistribution is central in maintaining the sustainable development of ecosystem and water resources. However, the dominant factors in regulating water movement direction and rate in roots and rock interface in karst area are not clear. Our projects choose the roots and rock interface in bare karst area, and take the deep root and shallow root plants for example. Firstly, we will use heat rate method and the stable isotopes techniques to monitor the dynamic change and its sources of sap flow in roots and stems. The water quantity and important factor which effects hydraulic lift, hydraulic descent and lateral redistribute will be distinguished. Secondly, effects of the important factors to hydraulic redistribution will be verified and quantized by using simulation experiment. Thirdly, basing on the result of field monitoring and simulation experiment, the model of typical karst hydraulic redistribution will be built to estimate its influence and contribution to promoting species symbiosis and underground water in epikarst zone. Our results would provide new ideas for assessing the impact of vegetation on subsurface runoff, and for a deep understanding of the coupling relationship between groundwater and surface ecological processes, at the same time, to promote the ecohydrology to deep development.

根系水分再分配对表层岩溶带生态和水文过程的影响研究是近代生态水文学的前沿课题之一。根系可将地下水提升以促进物种共生，也可将雨水下传对地下水有补给作用，其对维持生态系统和水资源的可持续发展起到关键的枢纽作用。然而，在西南岩溶区根-岩界面，调控根系水分运移方向和速率的主控因素依然未知。本项目选择裸露型岩溶区根-岩界面，以深根系和浅根系植物为例，利用热比率法和同位素示踪法高精度监测根系液流的时空动态变化及来源，探讨岩溶区根-岩界面水分提升、水分下传和水分侧传的水量及其主控因素；通过模拟实验，精细刻画该主控因素对水分再分配的影响和触发机理；构建岩溶区典型植物根系水分再分配模型，综合评估植物水分提升/下传/侧传的水量对促进物种共生及对地下水的贡献和影响。该成果可为评估植被对地下径流的影响提供新思路，为深刻了解地下水和地表生态过程的耦合关系提供新方向，推动生态学和岩溶水文地质学交叉深入发展。

项目选择岩溶区土-岩-地下水剖面、岩石剖面、岩-水剖面、土-岩剖面为四个样点，采用土壤含水量/水势法、氘标记法和热比率三种技术方法,证实了不同岩溶环境根系水分再分配的发生模式及控制因素，同时通过长期实测数据和Ryle模型模拟相结合研究根系水分再分配的水量，评估根系水分再分配的水量对表层岩溶带生态和水文过程的影响。结果如下：1) 三种监测方法综合结果表明土-岩-地下水剖面样点的枇杷、桂花植物、岩剖面、岩-水剖面及土-岩剖面的香椿植物均出现了植物根系水分再分配作用，证明岩溶区补丁且不连续的土壤为水分再分配的发生提供了便利的条件。2)通过热比率法监测植物根系水分再分配水量产生的水量大小在0.001～0.67kg /d，最大值和最小值均出现在土-岩-地下水剖面。利用Ryle模型模拟不同植物根系—土壤水分再分配的水量在-0.768～1.2mm/d，两种方法监测的水量大小变异较大。在影响根系水分再分配水量大小的因素中，大气温度和湿度是影响HR水量的主要气象因子，且植物根系水分再分配水量大小还受土壤温度、土壤水分以及土壤水势的影响。3)喂食植物氢同位素δD值在实验前后变化不大而邻近植物δD值有略微升高表明根系水分再分配的水量并没有自己利用，而是通过浅层根系向土壤输送，存在水分共享机制。同时实验期间地下水氘值的增加则表明植物水分再分配产生的水量会向地下水运输，补充地下水量。目前项目发表SCI论文5篇，获批实用新型专利5项。项目首次在野外证实了西南岩溶区根系水分再分配的存在，并首次利用实测数据和模型模拟水量进行对比验证，模型模拟水量远远小于实测数据，因此利用模型评估植物根系水分再分配水量对全球水循环的影响时需要考虑和借鉴这一结果。研究结果以期对评估根系水分再分配的水量意义、维持岩溶地区生态系统平衡、退化植被的恢复与重建提供参考依据。