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鄱阳湖湿地典型中生植物水分利用来源的同位素示踪

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湖泊科学 2020年第6期32卷 1749-1760页

作者：许秀丽李云良谭志强郭强太原理工大学水利科学与工程学院太原030024 中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室南京210008

水分是维持植物生长、决定种群分布的关键因子,研究植物水分利用来源是揭示水文过程与植被演替作用机制的基础,作为中国最大的淡水湖泊系统,鄱阳湖水文情势的显著改变已直接影响到湿地生态系统的水分补给来源.本文通过测定降水、土壤水... 详细信息

水分是维持植物生长、决定种群分布的关键因子,研究植物水分利用来源是揭示水文过程与植被演替作用机制的基础,作为中国最大的淡水湖泊系统,鄱阳湖水文情势的显著改变已直接影响到湿地生态系统的水分补给来源.本文通过测定降水、土壤水、地下水、湖水和植物茎水中δ18 O、δD同位素组成,识别鄱阳湖湿地典型中生植被——茵陈蒿(Artemisia capillaris)群落的土壤水分补给来源,并应用直接对比法和IsoSource多源混合模型估算优势种茵陈蒿的主要吸水区间及水源利用比例.结果发现:(1)与降水同位素相比,湖水和湿地土壤水同位素较为富集,地下水同位素较少发生分馏;(2)湿地地下水主要受历史长期降水和湖水共同补给,土壤水在雨季46月和秋季910月主要受降水补给,夏季78月深层土壤水受湖水侧向入渗和地下水的共同补给,并在蒸发作用下水分向浅层土壤传输;(3)茵陈蒿主要利用0~80 cm深度的土壤水,且能够在不同土层水源间灵活转换.当土壤含水量较高时(45月),主要利用0~40 cm浅层土壤水,利用率约49%~68%;当浅层土壤含水量较低时(68月),主要利用40~80 cm深层土壤水,利用率高达74%~95%;当植物进入生长后期(910月),主要利用0~15 cm表层土壤水,利用率介于41%~70%.总体发现,湖水是鄱阳湖湿地中生植物群落土壤水分的重要补给来源,优势种茵陈蒿能够响应土壤含水量的变化改变吸水深度,具有较强的干旱适应能力.研究结果可为鄱阳湖湿地植被生态系统演变和科学保护提供理论参考.

关键词：稳定同位素土壤水地下水湖水水分利用来源茵陈蒿鄱阳湖

晋西黄土区不同土壤水分条件下刺槐和侧柏人工林的水分利用来源

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应用生态学报 2023年第3期34卷 588-596页

作者：吴应明韩璐刘柯言胡旭付照琦陈立欣北京林业大学水土保持学院北京100083 山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站山西临汾042200

水分是黄土地区限制植物生长的关键因子,研究不同造林树种在不同水分条件下的水分利用来源对理解干旱半干旱区植物的抗旱机制至关重要。本研究以黄土区主要造林树种刺槐和侧柏为对象,利用稳定同位素(δ^(18)O、δ^(2)H)分析两树种在干... 详细信息

水分是黄土地区限制植物生长的关键因子,研究不同造林树种在不同水分条件下的水分利用来源对理解干旱半干旱区植物的抗旱机制至关重要。本研究以黄土区主要造林树种刺槐和侧柏为对象,利用稳定同位素(δ^(18)O、δ^(2)H)分析两树种在干旱处理(100%无穿透雨,DT)和自然降雨(CK)下的水分利用深度,探究两树种的干旱适应性。结果表明:在CK中,刺槐在雨月(6、9月)主要利用0~40 cm土壤水,利用率达68.0%±2.4%,旱月(7、8月)均匀利用4层(0~10、10~40、40~60、60~120 cm)土壤水分。而侧柏在雨月和旱月均主要利用0~40 cm土壤水,利用率分别为77.0%±2.4%和57.4%±3.0%。在DT中,随着土壤含水量降低,刺槐和侧柏的水分利用深度下移,其中,刺槐的水分利用深度从0~40 cm转为60~120 cm,侧柏从0~40 cm转为均匀利用4层土壤水。综上,刺槐和侧柏均能在不同水分条件下适应性调整水分利用深度,具有较强的干旱适应性,这对评估当地人工林干旱抗逆性和稳定性具有重要意义。

关键词：水分利用来源氢氧稳定同位素干旱处理黄土高原

基于稳定同位素技术的塔里木河下游不同林龄胡杨的水分利用来源

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生物多样性 2018年第6期26卷 564-571页

作者：张江李桂芳贺亚玲穆雨迪庄丽刘红玲石河子大学生命科学学院新疆植物药资源利用教育部重点实验室新疆石河子832003 石河子大学医学院新疆石河子832003 华东师范大学生命科学学院上海200241 成都师范学院化学与生命科学学院成都610101

水分是制约很多陆地生态系统植物生长和繁殖的重要因素,在干旱地区尤为明显。利用稳定同位素技术探究塔里木河下游不同林龄胡杨(Populus euphratica)的水分来源情况,了解生态输水背景下荒漠河岸林的水分利用循环与利用策略,可为生态输... 详细信息

水分是制约很多陆地生态系统植物生长和繁殖的重要因素,在干旱地区尤为明显。利用稳定同位素技术探究塔里木河下游不同林龄胡杨(Populus euphratica)的水分来源情况,了解生态输水背景下荒漠河岸林的水分利用循环与利用策略,可为生态输水提供科学依据,同时也可对同类地区的生态恢复提供借鉴。本研究通过测定塔里木河下游胡杨茎干水和各潜在水源(土壤水、地下水)的稳定氢氧同位素值(δD、δ^(18)O),应用多源线性混合模型(Iso Source)分析了各潜在水源对不同林龄胡杨的贡献比例,并结合3种林龄胡杨不同土壤深度含水量的变化,分析了胡杨的主要吸水层位。结果表明:(1)不同林龄胡杨样地的不同深度区间上的土壤水δ^(18)O值存在显著差异(P0.05)。可据此来推断胡杨的主要吸水层位。(2)总体上,三种林龄胡杨土壤水δ^(18)O值随土壤深度增加而减小,并趋于接近地下水的δ^(18)O值。其中,0–60 cm土壤水受蒸发影响比较大,其同位素组成经历了强烈的蒸发分馏过程,土壤含水量极少,土壤水δ^(18)O值偏正。(3)不同林龄胡杨所利用的水分来源不同:胡杨幼龄木对于地表80 cm以下的土壤水以及地下水均有一定程度的利用,对80–140 cm、140–220 cm和220–340 cm的土壤水平均利用比率依次为16.2%、21.4%和24.6%,对地下水平均利用比率为24.5%;成熟木主要利用220–340 cm的土壤水及地下水,平均利用比率分别为36.9%和42.3%;过熟木主要利用140–340 cm的土壤水及地下水,平均利用比率分别为32.8%和49.3%。

关键词：氢氧稳定同位素水分利用来源土壤水林龄胡杨地下水

科尔沁沙地丘间低地樟子松人工林水分利用来源的稳定同位素解析

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生态学杂志 2011年第9期30卷 1894-1900页

作者：方杰魏雅芬刘帅赵学勇李胜功中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院研究生院北京100049 农业部草原监理中心北京100125 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所兰州730000

20世纪50年代以来,樟子松(Pinus sylvestris ***)在中国北方干旱半干旱地区沙地广泛引种。近年来一些早期引种的樟子松人工林出现了早衰现象。分析生境水分条件变化、判断樟子松采取何种水分利用策略对于认识其早衰现象很有裨益。因此,... 详细信息

20世纪50年代以来,樟子松(Pinus sylvestris ***)在中国北方干旱半干旱地区沙地广泛引种。近年来一些早期引种的樟子松人工林出现了早衰现象。分析生境水分条件变化、判断樟子松采取何种水分利用策略对于认识其早衰现象很有裨益。因此,本研究利用稳定同位素示踪技术,研究了科尔沁沙地东南缘固定沙丘丘间低地30年生樟子松人工林的水分来源及其利用的季节动态,分析了降水和土壤水分变化对樟子松水分利用的影响,阐明了樟子松与伴生植物(黄柳Salix gordeieril)在水分来源方面的异同。结果表明,樟子松及其主要伴生植物黄柳枝条水的稳定18O同位素组成(δ18O)存在明显的季节变化;樟子松的水分来源主要来自20～40cm或更深土层;樟子松和主要伴生植物黄柳之间存在明显的水分竞争,后者比樟子松先行利用最近较强降水(如降水量>10mm),从而影响樟子松水源的补给。本研究对于揭示沙地樟子松衰退与水分利用策略的关系具有重要意义。

关键词：樟子松水分利用来源稳定^18O同位素植物水分关系

稳定氢氧同位素在定量区分植物水分利用来源中的应用

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生态环境 2007年第2期16卷 655-660页

作者：段德玉欧阳华中国科学院地理科学与资源研究所

全球气候变化下陆地生态系统的适应性是当前科学研究关注的主题之一,了解生态系统如何响应及影响全球气候变化有利于人类对未来生存环境的预测和适应。生态系统中不同来源水分对植物生长相对贡献决的大小一定程度上决定了生态系统对气... 详细信息

全球气候变化下陆地生态系统的适应性是当前科学研究关注的主题之一,了解生态系统如何响应及影响全球气候变化有利于人类对未来生存环境的预测和适应。生态系统中不同来源水分对植物生长相对贡献决的大小一定程度上决定了生态系统对气候变化的响应方式、程度和响应结果,因此跟踪和分析植物利用水分的来源是制定全球气候变化对策的一个重要研究内容。本文介绍了稳定氢氧同位素技术研究历史及其在定量区分植物利用水分的来源研究中的应用原理与具体方法。由于土壤水分在被植物根系吸收及随后沿导管向上传输的过程中,与外界环境不发生水分交换,因此不存在同位素的分馏过程,所以植物茎木质部水分同位素组成能反映出植物利用的来源水分同位素信息。通过比较植物茎木质部水分与植物利用的不同来源水分同位素值,利用二项或三项分隔线性混合模型(two-orthree-compartment linear mixing model),可以估算出植物对不同来源水分的相对使用量。而由于植物叶片水分同位素组成受到周围环境的温度、湿度、降雨和土壤水分的异质性等许多因素的影响,通过比较分析植物茎木质部水分和叶片水分同位素组成的差异可以得到植物周围环境的气候信息。植物利用水分的来源存在显著的季节性差异,并且,不同生活型植物在利用水分来源上存在明显不同。植物根系的分布及根深是决定植物利用水分来源的一个重要的因素,表层和深层根系的相对分布及其活性影响着植物吸收水分的范围。当然,利用线型分隔混合模型定量区分植物利用水分的不同来源,还有许多值得改进的地方,而且,尽管稳定同位素技术在植物科学中的应用正迅速发展起来,但利用稳定氢氧同位素来分析环境因素对植物影响的研究还只是刚刚展开,还有许多方面值得去进一步探索。

关键词： δ2H δ18O 环境信息植物水分利用来源

雷州半岛尾巨桉人工林水分利用来源的旱雨季差异

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浙江农林大学学报 2023年第3期40卷 550-559页

作者：王志超许宇星竹万宽杜阿朋中国林业科学研究院速生树木研究所广东湛江桉树林生态系统国家定位观测研究站广东湛江524022

【目的】探讨桉树人工林适应季节性干旱的水分利用来源策略,为桉树产业的可持续经营管理和水资源高效利用提供数据支持。【方法】以雷州半岛分布面积最大的尾巨桉Eucalyptus urophylla×***为研究对象,通过测定旱雨季典型月份尾巨桉木... 详细信息

【目的】探讨桉树人工林适应季节性干旱的水分利用来源策略,为桉树产业的可持续经营管理和水资源高效利用提供数据支持。【方法】以雷州半岛分布面积最大的尾巨桉Eucalyptus urophylla×***为研究对象,通过测定旱雨季典型月份尾巨桉木质部水、各土层土壤水和地下水的氢稳定同位素值(δD)和氧稳定同位素值(δ^(18)O),并利用贝叶斯混合模型(MixSIAR)量化尾巨桉旱雨季对各土层土壤水或地下水的利用比例,深入探讨了尾巨桉旱雨季水分利用来源的差异。【结果】当地大气降水存在明显的蒸发富集现象,且其δ^(18)O呈明显的雨季偏负,旱季偏正的季节变化规律;各月土壤含水量均随深度的加深而增加最后趋于稳定,旱季土壤含水量显著(P利用0~40和40~100 cm土层的土壤水,利用比例分别为28.0%和24.3%,而旱季主要利用150~200 cm土层的土壤水和地下水,利用比例分别为29.9%和22.6%。旱季大量降水后,土壤水分尤其是浅层土壤水得到大量补充,尾巨桉对0~40和40~100 cm土层土壤水的利用比例分别提高了111.4%和10.3%,对100~150、150~200 cm土层土壤水和地下水的利用比例分别降低了3.1%、40.1%和15.9%。【结论】尾巨桉面对环境可利用水资源的变化,具有灵活多变的水分利用来源策略,这表明尾巨桉对季节性干旱具有较强的适应能力。图5表1参44。

关键词：稳定同位素水分利用来源 MixSIAR模型旱雨季尾巨桉

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准噶尔盆地南缘梭梭水分来源与传输规律分析

干旱区资源与环境 2020年第5期34卷 201-208页

作者：闫珂杨广何新林李发东刘赛华任富天石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室石河子832000 中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院大学北京100049

基于稳定同位素及热平衡茎流测定技术对干旱区荒漠植物梭梭水分利用来源及传输规律进行了研究。结果表明:(1)雨前梭梭水分利用来源主要为地下水(贡献率34.14%)和120-180cm土层土壤水(贡献率29.87%);雨后梭梭水分利用来源主要为60-120cm... 详细信息

基于稳定同位素及热平衡茎流测定技术对干旱区荒漠植物梭梭水分利用来源及传输规律进行了研究。结果表明:(1)雨前梭梭水分利用来源主要为地下水(贡献率34.14%)和120-180cm土层土壤水(贡献率29.87%);雨后梭梭水分利用来源主要为60-120cm土层土壤水(贡献率33.19%)和地下水(贡献率30.67%);(2)梭梭茎流呈现明显的昼夜变化规律,正午出现短暂的"午休"现象;(3)梭梭茎流速率受气候因素影响,茎流变化滞后于气象因子变化约1h;各气象因子对梭梭茎流速率影响程度为:太阳辐射(0.826)>大气温度(0.598)>湿度(-0.573)。

关键词：梭梭水分利用来源茎流速率气象因子准噶尔盆地南缘

半干旱黄土小流域植被格局与土壤水分利用的时空耦合关系研究

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半干旱黄土小流域植被格局与土壤水分利用的时空耦合关系研究

作者：王世军云南大学

学位级别：硕士

土壤水分是干旱、半干旱地区植被生长的关键限制因子。在黄土高原大规模人工植被恢复影响下,这一地区植被覆盖度显著增加,土壤侵蚀得到有效控制,土壤养分积累、固碳等生态系统服务提升。然而植被覆盖的增加会导致植被耗水增加,区域土壤... 详细信息

土壤水分是干旱、半干旱地区植被生长的关键限制因子。在黄土高原大规模人工植被恢复影响下,这一地区植被覆盖度显著增加,土壤侵蚀得到有效控制,土壤养分积累、固碳等生态系统服务提升。然而植被覆盖的增加会导致植被耗水增加,区域土壤水资源因植被蒸散的增加带来土壤干燥化问题,土壤干燥化又在一定程度上影响了植被恢复的可持续性。解析植被恢复的土壤水分利用来源及其时空分异特征,明晰流域尺度土壤水文响应过程,对阐明植被恢复影响下土壤水分利用机制、维持黄土高原植被恢复的可持续性具有重要科学意义。本研究基于典型黄土小流域土壤水分、植被覆盖度的定位监测,并基于土壤水和植物茎秆水氢氧稳定同位素开展溯源分析,采用多元分析方法,解析小流域土壤水分和植被覆盖的时空分异规律,明确土壤水分动态对植被恢复的响应特征,解析流域植被对土壤水利用的空间格局,以期为半干旱黄土高原植被恢复的可持续维持提供科学基础。本文主要取得以下结果:(1)不同植被下的土壤水分存在显著差异,且这一差异几乎不受降水变化影响,从而形成流域土壤水分空间分布格局的稳定性。湿润年份土壤含水量均值为农田(0.1662 cm/cm)>撂荒地(0.1459 cm/cm)>天然草地(0.1144 cm/cm)>苜蓿(0.1139 cm/cm)>疏林(0.1045 cm/cm)>灌丛(0.0837 cm/cm),干旱年份为农田(0.1579 cm/cm)>撂荒地(0.1490 cm/cm)>天然草地(0.0973cm/cm)>苜蓿(0.0970 cm/cm)>疏林(0.0948 cm/cm)>灌丛(0.0799 cm/cm)。流域土壤水分的空间格局相对稳定,在湿润和干旱年份,完全植被恢复的剪子岔小流域平均土壤含水量比相邻的李家湾小流域分别低14.14-20.43%和8.92-20.19%。土壤含水量的空间差异主要受植被类型及其空间格局的影响,流域配置农田和撂荒地能形成局部的湿润区,从而改善流域平均土壤水分状况。由于植被蒸腾水分需求量较大,地上生物量大、根系深的人工植被(苜蓿、疏林和灌丛)会显著降低流域0-200cm土壤含水量,其中160cm以下的土壤含水量已接近凋萎湿度,而在干旱年份生长季中期人工植被100cm以下的土壤含水量已接近凋萎湿度。(2)不同植被的覆盖度差异明显,并受到降水年际变化的显著影响。不同植被的覆盖度在湿润年份为农田56.41%、撂荒地78.25%、天然草地67.60%、苜蓿81.92%、疏林75%和灌丛81.66%,干旱年份为农田40.54%、撂荒地62.67%、天然草地40.10%、苜蓿53.25%、疏林(59.07%)和灌丛47.22%。在湿润年份,完全进行人工植被恢复的剪子岔小流域平均植被覆盖度比相邻的李家湾小流域高2.14-7.01%。在干旱年份生长季前期6-8月,剪子岔小流域的平均植被覆盖度较李家湾高4.95-14.27%,而在9月初则略低于李家湾3.57%。在湿润年份,植被覆盖度的时空动态与植被类型及其物候密切相关,地形是剪子岔小流域植被覆盖变化的重要因素,在上坡位置的植被物候偏早,在生长季后期植被覆盖度比其他空间位置下降更快。此外,湿润年份的流域土壤含水量与植被覆盖度呈显著负相关(P水分利用来源以浅层0-40cm为主(48-98%),并在干旱时期增加40cm以下土壤水的比重,人工乔灌植被主要依赖40cm以下的土壤水分(50-99%),并在浅层土壤获得明显补给时增加对浅层土壤水的利用(增加16-73%)。流域0-200cm土壤水分的时间变化受降水输入和植物消耗的综合影响。完全人工植被恢复的剪子岔小流域,植被在旱季对100cm以下的深层土壤水分利用强度较大(48.53%)。由于研究区降水补给深度利用呈现不可持续的特征。剪子岔小流域由于较高的植被覆盖且以0-100cm的土壤水分供给为基础,在干旱年份降水难以补充0-100cm的土壤水分使得植被覆盖度显著降低,其平均植被覆盖度在生长季后期(44.96%)甚至低于李家湾小流域(46.62%)。

关键词：黄土高原植被恢复水分利用来源土壤水分植被覆盖度时空格局

准噶尔盆地南缘荒漠植被斑块状格局土壤水盐运移机理研究

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准噶尔盆地南缘荒漠植被斑块状格局土壤水盐运移机理研究

作者：闫珂石河子大学

学位级别：硕士

近年来,我国西北部干旱半干旱地区水资源短缺等问题越来越突出,水资源的紧缺使得该地区生态环境容易遭到破坏,导致斑块状格局不稳定,植被不断退化。本文以准噶尔盆地南缘绿洲-荒漠交错带典型斑块状格局梭梭植被为研究对象,揭示土壤水文... 详细信息

近年来,我国西北部干旱半干旱地区水资源短缺等问题越来越突出,水资源的紧缺使得该地区生态环境容易遭到破坏,导致斑块状格局不稳定,植被不断退化。本文以准噶尔盆地南缘绿洲-荒漠交错带典型斑块状格局梭梭植被为研究对象,揭示土壤水文物理特性以及天然植被水分运移规律,回答了荒漠植被水分利用来源及水分运移规律以及植被斑块状格局生态水文过程的科学问题,主要结论如下:(1)梭梭根系吸收水分供植物生长,使植被斑块土壤含水率明显大于裸地斑块,以梭梭植株为湿度最高点,逐渐向外围降低,形成了以梭梭植株为中心的“湿岛效应”;植被覆盖会削弱太阳辐射和光照等,使得植被斑块受环境因子作用变小导致植被斑块成为低温中心,裸地斑块成为高温中心,沿植被斑块向裸地斑块逐渐增温的分布特征,形成以植被斑块为中心的“冷岛效应”。梭梭作为荒漠植被,具有析盐作用,使得梭梭所在土壤含盐量低于周边裸地,以梭梭植株为最低点逐渐往周围递增,形成了以梭梭为中心的“低盐效应”。上述水文岛现象充分说明了梭梭对荒漠环境具有极强的环境适应性。(2)分析梭梭对土壤水分的吸收情况,在干旱环境的不断影响下,梭梭能够自我调节。雨前,土壤浅层含水量不高,没办法满足植物生长需求,梭梭通过自身发达的主根系吸收地下水和深层的土壤水来供自身生长;但有降雨补给后,荒漠植物的侧向根系将被激活,改变其水分利用策略,优先使用土壤中的水分。在200ml的降雨下,土壤浅层水对梭梭生长贡献率增加12%左右。(3)梭梭对环境极强的适应性不仅仅表现在其对土壤水分的吸收,也表现在其对水分的消耗,即梭梭的液流速率,具体表现为:梭梭液流速率在午间太阳辐射最高时出现短暂休眠状态,称为“午休”现象,这是由于午间太阳辐射过强,植被为了减少蒸发而将气孔关闭;梭梭茎干液流密度随着土壤含水率的减小总体呈减小的趋势,且梭梭液流密度日间与夜间的差值随着土壤含盐量的减小逐渐增大;梭梭液流密度与太阳辐射呈显著正相关,拟合结果R=0.9167,P=0.0052。与大气温度呈显著正相关,拟合结果R=0.8416,P=0.0069。但与相对湿度呈显著负相关,拟合结果为R=0.87846,P=0.0065。(4)准噶尔盆地南缘绿洲-荒漠交错带梭梭斑块状格局的稳定,是梭梭植被与干旱区环境相互作用的结果。裸地斑块的一般水化学类型为:表层土壤以SO-Ca为主,其中SO的毫克当量为80-100%,Ca的毫克当量为60-90%;随着土壤深度的增加,逐渐变为SO-Na·Ca,其中Na的毫克当量为60-90%;最后,在深层土壤中,它们大多以SO·ClNa的形式存在。氯的毫克当量为80%-90%。随着土壤深度的增加,植被斑块的一般水化学类型由SO-Ca逐渐转变为SO-Ca·Na,其中SO的毫克当量为80%-100%,Ca的毫克当量为60%-90%,Na的毫克当量为30%-60%。在深层土壤中,SO-Na·Ca含量最高,Na的毫克当量为60%-90%,梭梭可以在一定程度上影响土壤环境,可降低土壤的次生盐渍化。(5)土壤含水率的昼夜变化表明梭梭根系存在逆向水力提升作用;降水后梭梭对土壤表层和深层地下水利用率增加而对中间层土壤水分利用减少,且叶片的“光合午休”均强烈的说明梭梭根系具有水力下传作用。梭梭根系水分再分配可以维持土壤水分平衡分布,延长土壤储水量降低时间,降低干旱气候条件对梭梭植被的胁迫,使梭梭植被能够更好的生存于干旱环境,这也是绿洲-荒漠交错带梭梭植被斑块状格局形成和稳定的根本原因。

关键词：斑块状格局土壤水盐运移水分利用来源水化学类型生态水文过程