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LI-2100 | 基于稳定同位素分析毛乌素沙地东北部不同林龄人工沙柳的水分利用来源

日期: 2023-07-17
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近年来,全球环境问题日益突出,资源的合理利用和环境的保护已成为全人类共同面临的挑战。水分是生命的基础,对于植物的生长发育和生态系统的稳定运行起着至关重要的作用。然而,人类的过度开采和污染已导致严重的水资源短缺、土壤荒漠化等问题。

沙柳作为一种生长在贫瘠土壤和干旱地区的植物,具有很强的水分利用能力和环境适应性。沙柳生长迅速,枝叶茂密,根系繁大,固沙保土力强,是中国沙荒地区造林面积最大的树种之一。同时,它长而发达的根系,能够迅速吸收土壤中的水分,高效利用水资源。其表面一层厚厚的叶蜡,也能够减少水分的蒸发和流失,有效避免土壤干燥和水分的浪费。

因此,通过对沙棘的深入研究和广泛应用,我们可以有效地解决环境保护的问题。接下来这篇相关论文,我们来了解一下沙柳的水分利用来源。

基于稳定同位素分析毛乌素沙地东北部不同林龄人工沙柳的水分利用来源

LI-2100 | 基于稳定同位素分析毛乌素沙地东北部不同林龄人工沙柳的水分利用来源

沙柳具有很好的应对非生物胁迫(如干旱、寒冷、低肥力)的能力,已广泛引入毛乌素沙地东北部以防风固沙及改善生态系统功能和服务。然而,早期引入的沙柳出现了退化和枯死现象。预计由于气候持续变暖和人为干预增加,沙柳人工灌丛将出现更严重的干旱胁迫。鉴于人类世日益严重的水资源短缺和土壤荒漠化的持续扩大。了解植物与土壤水分关系并实施合理的水分管理策略,必须确定人工植被在沙漠生态系统中的水分利用模式。然而,对于不同发育阶段沙柳的特性、调控和水源差异等研究还知之甚少。

LI-2100 | 基于稳定同位素分析毛乌素沙地东北部不同林龄人工沙柳的水分利用来源

基于此,为确定毛乌素沙地圪丑沟小流域(38°11′–38°53′ N,109°21′–110°03′ E)不同林龄(6年、12年和18年)人工沙柳水分利用模式的季节变化和控制因素,揭示老化沙柳枯死的潜在机制,理解土壤水-植物的关系和人工植被的生态适应性。来自中国科学院地理科学与资源研究所的研究者们于2019-2021年5-10月(5、6、10月为旱季;7、8、9月为雨季)植物生长季进行了相关研究。试验开始前,作者采集了土壤样品,确定其土壤颗粒组成,总N含量(TN)及总P含量(TP)。采集了根系样品,确定植物根系分布。试验期,采集了0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-90 cm、90-120 cm、120-150 cm、150-200 cm、200-250 cm及250-300 cm土壤样品,将其分为两部分,一部分用来测定同位素,一部分用来测定土壤含水量(SWC)。同时采集了植物木质部样品。并于降水事件后收集降雨,采集降水量和气温数据。通过计算土壤干燥化指数(SDI)描述土壤水分亏缺状态。利用LI-2000植物土壤水分抽提系统(北京理加联合科技有限公司)提取木质部和土壤中的水分。利用Picarro L2130-i水同位素分析仪确定土壤水及降水的δ18O和δ2H。同时确定木质部水的δ18O和δ2H。最后通过MixSIAR模型区分并量化植物水源。

【结果】

LI-2100 | 基于稳定同位素分析毛乌素沙地东北部不同林龄人工沙柳的水分利用来源

试验期降水δ2H和δ18O(c)及降水量与δ2H/δ18O之间的关系(d)。

LI-2100 | 基于稳定同位素分析毛乌素沙地东北部不同林龄人工沙柳的水分利用来源

生长季土壤水δ2H和δ18O的深度和时间分布。

LI-2100 | 基于稳定同位素分析毛乌素沙地东北部不同林龄人工沙柳的水分利用来源

潜在水源对沙柳水分吸收贡献率的季节性变化。

【结论】

在整个生长季,6年沙柳>60%的水源来自于0–120 cm土壤层。相比之下,12年和18年沙柳具有更大程度的生态可塑性,分别从旱季120-300 cm(71.93%)和40-200 cm(68.91%)水源转变到雨季的0-120 cm(65.09%和56.14%)水源。根系和土壤含水量垂直分布的变化是影响不同林龄沙柳水分利用模式季节性变化的主要因素。18年林分中,严重的土壤干涸和死根削弱了老化沙柳的生态可塑性,降低了其吸收深层水(200-300 cm)的能力,从而导致沙柳退化。因此,野外管理措施,例如(i)通过沙柳退化枝条覆盖地面以减少土壤水蒸发;(ii)使成熟沙柳稀疏以减少水分消耗;(iii)通过对最佳植物密度或生物量进行建模来确定植被阈值,以指导所研究地区的未来植被恢复。在这项研究中,针对沙柳拟议的管理实践可以为世界其他沙漠地区相似林龄人工恢复植物的水分利用策略提供参考。

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