喀斯特石漠化治理生态系统植物稳定同位素对土壤水的响应与水源涵养功能提升
作者单位：贵州师范大学
学位级别：硕士
导师姓名：刘子琦;朱大运
授予年度：2024年
学科分类：07[理学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学]
摘 要：中国南方喀斯特是世界三大喀斯特集中连片区之一,其地貌发育典型,具有极强的喀斯特代表性,水土资源随着高度发育的裂隙流失地下,地上-地下水资源分布严重失衡。有研究表明极端干旱天气发生的范围、程度、频率在持续加强,极端降雨事件和持续干旱并行,改变区域大气降水格局,在具有独特二元结构的喀斯特特区,水资源分布失衡更为严重,影响植被的生长发育和自然演替过程,从而引发自然生态系统功能消退甚至逆向演替,使得脆弱生态系统的植被恢复工程难上加难。研究中国南方喀斯特地区不同石漠化等级下植被水分利用应对干旱的适应性特征,了解植被在水资源有限生境下的竞争情况,分析植被的水文生态位,以期为喀斯特石漠化生态治理修复物种选择提供参考,同时为生态系统水源涵养功能提升奠定理论基础。本研究在代表中国南方喀斯特石漠化生态环境类型总体结构的贵州高原山区,经实地考察后选择关岭-贞丰花江、毕节撒拉溪、施秉黑冲为研究区,在2023年1月-2023年12月进行野外定点连续监测,选取同一小流域内的优势物种,采集其潜在水源、土壤、叶片等样品,带回实验室进行室内实验测验。运用植物生态学、水文生态学及环境生态学等相关学科理论,对野外采集的水样、土样及植物叶片进行稳定碳氢氧同位素分析,并通过对相关实验数据进行统计分析和对比分析,结合Mix SIAR模型对三种石漠化等级的植物水分利用策略展开定性和定量研究,并分析藤本、灌木和乔木三种功能型植被的水分利用差异和季节变化。本研究主要确定植物碳氢氧稳定同位素组成对于土壤有效水分的响应过程,识别植物水分来源、水源贡献比例及水分利用效率的季节变化,明晰植被的水分竞争和水文生态位分离现象,并阐明喀斯特石漠化地区植被的水分适应机制,以期为生态系统水源涵养功能优化带来科学指导。 (1)阐明了喀斯特地区不同功能型植被碳氢氧稳定同位素对于土壤水分的动态响应规律,植物潜在水源和木质部同位素组成具有显著的深度、季节变化规律,旱雨季对比明显。基于野外实地监测数据和室内实验数据,分析发现植物的木质部和各潜在水源(0-30cm土壤水、30-60cm土壤水、裂隙水、地下水)的氢氧同位素组成都位于当地大气降水线(LMWL)的右侧,说明植物所有的潜在水源都来自降水,且经历了一定的蒸发贫化。土壤含水量也具有明显的垂直梯度规律和季节变化规律。碳氢氧同位素在季节上具有明显变化,雨季偏负,旱季偏正,说明各水源在雨季得到了降雨补给,在旱季各水体都经历了蒸发贫化。0-30cm深度的土壤水同位素组成变化范围普遍大于30-60cm的同位素组成变化。地下水由于环境稳定,其同位素组成在季节上没有明显差异。植物叶片的碳稳定同位素在季节上也呈现显著的规律性,旱雨季对比明显,雨季偏负,植物水分利用效率偏低;旱季偏正,植物水分利用效率偏高。 (2)发现了喀斯特地区不同功能型植被水分利用的适应性机理,深根系乔木普遍吸收利用深层土壤和裂隙水,浅根系小乔木和灌木具有二型系根,能在浅层水和深层水之间灵活转换水源,藤本植物主要利用浅层水源。基于实验数据进行统计分析,明晰了喀斯特地区各植物的水分利用来源、贡献比例及其季节变化规律,乔木和灌木之间因为生理生态特征的不同而吸收不同深度的土壤水,具有不同的水分利用策略。某些植物具有二型系根,能够灵活转换水源,在喀斯特生境中更具有水分竞争力和生态可塑性。深根系植物始终保持着较为稳定的水分来源,无季节变化特征,始终以30-60cm的深层土壤水为主要吸收水源。这主要归因于高大乔木的根系发育,倾向于吸收利用更为稳定的水源,因此,高大乔木面临的水分胁迫小,氢氧同位素和叶片碳同位素没有明显的季节变化规律,旱雨季对比不明显。三个研究区的高大乔木都具有相似的水分利用模式,在旱雨季的水分利用差异较小,在雨季增加的浅层土壤水利用比例较小,倾向于利用更为稳定的深层水源,以此避免与低矮灌木产生水分竞争,体现出较强的水分适应性和蓄水功能。 (3)揭示了喀斯特地区石漠化治理生态系统的水源涵养功能提升策略,植物的生长发育和生态系统水源涵养二者相辅相成,具有正向反馈,而如何促进这种正向关系亟需对植物的水分利用展开研究。生态水文分离在石漠化地区的生态系统修复和水源涵养功能提升中具有重要的应用价值。通过引入具有不同水分利用策略的造林物种,可以增加生态系统的物种多样性,提高生态系统的稳定性和韧性。其次,优化植物的水分利用策略,可以有效减少植物间的水分竞争,提高水分利用效率,从而增加生态系统的水源涵养能力。不同功能型植物具备不同的生理生态特征,使得其在应对极端干旱气候时具有不同的响应策略,植物根系的发育状况具有极为关键的影响,是植物利用水分的基点。花江小流域的枇杷和花椒具有相同的水分利用策略,处于同一生态位上,但花椒和枇杷都属于“二形态根,能够在深层和浅层土壤中灵活切换水源,从而避免了激烈的水分竞争。
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