【摘要】：降雨作為半干旱黃土丘陵區(qū)土壤水分的唯一來源,是制約該區(qū)植物生長和分布的關(guān)鍵因子。植被冠層截留是降雨再分配的首要環(huán)節(jié),直接影響著地表生態(tài)水文過程及植物水分可利用程度。量化黃土丘陵區(qū)退耕草地群落及其主要種對降雨的截留和響應(yīng)特征,對理解冠層截留的內(nèi)在影響機(jī)制和植被恢復(fù)建設(shè)的生態(tài)水文效應(yīng)具有重要意義。選取黃土丘陵區(qū)退耕后不同恢復(fù)年限的草地群落及常見物種為研究對象,對草地冠層截留容量和群落特征的季節(jié)變化、主要物種的降雨截留特征和形態(tài)指標(biāo)、以及優(yōu)勢種光合生理和葉水勢對模擬降雨的響應(yīng)進(jìn)行了測定與分析。主要取得如下結(jié)果:(1)葉片潤濕性存在明顯種間差異,是影響葉片和整株植物截留能力的重要因素通過測定68種草地群落常見植物,得出葉片接觸角在27.3～133.4°之間,變異系數(shù)與接觸角呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.56;p0.001)。葉面、科、葉齡和生育期顯著影響葉片潤濕性,而生活型和坡向?qū)ζ錈o影響。共有47種植物葉正面(近軸面)潤濕性高于背面(遠(yuǎn)軸面),其中23種差異性顯著(p0.05)。禾本科和豆科比菊科和薔薇科更疏水。新葉比老葉更疏水,旱季時(shí)(5～6月)葉片比雨季(7～8月)更疏水。葉片截留能力與正、背面接觸角顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.42);植物截留能力與正面接觸角顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.42),與背面接觸角近顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.35;p=0.073)。葉片潤濕性是比較物種間截留性能的重要性狀,精確預(yù)測降雨截留時(shí)需考慮其物種和季節(jié)變化。(2)葉面積和潤濕性指數(shù)是判斷植物截留容量大小的良好指標(biāo)通過測定55種草地群落常見植物,發(fā)現(xiàn)其截留能力在0.12～1.26 g g~(-1)之間,以甘草最高,賴草最低;薔薇科截留能力高于豆科和菊科,禾本科截留能力最低。葉截留比例在40.2～93.2%之間,以甘草最高,藜最低,共有52個(gè)物種葉片截留量高于莖截留。所有形態(tài)指標(biāo)中,植物和葉截留能力僅與葉片正、背面接觸角顯著負(fù)相關(guān)(p0.05);莖截留能力與株高顯著負(fù)相關(guān)(p0.05)。截留容量與形態(tài)指標(biāo)和莖葉生物量關(guān)系密切,其中葉面積與植物、葉截留容量的相關(guān)性最高(r=0.69,0.66);莖鮮重與莖截留容量相關(guān)性最高。通徑分析表明,葉面積和葉正面接觸角是影響植物、葉截留容量的直接獨(dú)立變量。通過兩者的比值而構(gòu)建的潤濕性指數(shù),其與植物截留容量的相關(guān)性(r=0.86)明顯高于其它單一形態(tài)指標(biāo),也高于多個(gè)指標(biāo)間的最優(yōu)回歸模型(r=0.77)。相近蓋度或生物量下,當(dāng)禾本科和豆科植物在草地群落中占比上升時(shí),可減少冠層降雨截留,增加土壤水分輸入;潤濕性指數(shù)能有效地預(yù)測植物截留容量。(3)退耕草地群落冠層截留容量與蓋度和地上生物量密切相關(guān)對退耕2、7、15和30年草地調(diào)查發(fā)現(xiàn),從5～9月,群落蓋度和地上生物量先增大后減小,在8月達(dá)到最高;枯落物、物種豐富度無明顯差異;多樣性指數(shù)在退耕2年時(shí)先增加后穩(wěn)定,7年時(shí)先增加后減小,15、30年均先減小后增大。隨恢復(fù)年限延長,蓋度、生物量和枯落物隨之增加;物種多樣性則先增大后減小,在退耕15年達(dá)到最大。冠層、活體植物、凋落物和立枯物截留容量在0.11～0.56、0.03～0.51、0.027～0.21和0.044～0.17 mm之間。前三者在7、8月(雨季)達(dá)到最大值,后者月份間變化不明顯;四者均隨恢復(fù)年限延長呈增加趨勢。冠層截留容量與分種總蓋度、生物量鮮重、干重、植被蓋度、凋落物和立枯物呈顯著線性正相關(guān)(p0.05),且相關(guān)性依次遞減,而與物種多樣性無相關(guān)性(p0.05)。退耕15、30年時(shí)高的截留量不僅歸因于高的蓋度和生物量,也因?yàn)槠鋬?yōu)勢種(鐵桿蒿、達(dá)烏里胡枝子)截留能力較退耕2、7年(茵陳蒿、狗尾草)更高。冠層截留容量隨恢復(fù)年限延長而增加,在雨季期間達(dá)到最大,蓋度和生物量是解釋其變化的最適參數(shù),且群落優(yōu)勢種類型比物種多樣性對截留量的貢獻(xiàn)更高。因此,評估植被水文功能需綜合考慮植被覆蓋度和優(yōu)勢種類型,進(jìn)而采取合適的植被恢復(fù)策略。(4)草地群落優(yōu)勢種對降雨的生理響應(yīng)取決于降雨量、物種類型和生長季節(jié)6、8月模擬降雨后,白羊草和達(dá)烏里胡枝子凈光合速率P_n、蒸騰速率T_r、氣孔導(dǎo)度G_s、葉水勢及表層土壤水分均明顯增加。P_n、T_r、G_s峰值出現(xiàn)在雨后2～3天;葉水勢和土壤水分峰值出現(xiàn)在雨后1～2天。降雨量越大,優(yōu)勢種生理響應(yīng)等級也越強(qiáng)。白羊草光合參數(shù)和葉水勢的響應(yīng)比達(dá)烏里胡枝子更敏感,主要表現(xiàn)在相同降雨量下的增幅更大;6月優(yōu)勢種光合參數(shù)和葉水勢的增幅要小于8月。降雨格局變化會引起優(yōu)勢種葉片水平的生理生態(tài)響應(yīng),進(jìn)而可能造成群落結(jié)構(gòu)和功能的改變。
【圖文】：

圖 1-1 降雨再分配過程示意圖（修改自 Sun et al. 2018）Figure 1-1 Diagram of rainfall redistribution processes (revised from Sun et al. 2018)加粗箭頭線代表降雨的輸入，普通箭頭線代表降雨的輸出。: Bold arrow line represents rainfall input, and common arrow line represents rainfall output.2 冠層截留的生態(tài)水文意義冠層截留是土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）的一個(gè)重要組成部分，，也是水文可忽視的環(huán)節(jié)（DunkerlyandBooth1999；Gerrits2010；衛(wèi)三平 2008）。研究表些濕潤地區(qū)森林冠層截留量可占年降雨量的 10~30%；而一些干旱地區(qū)的截留 40~50%（樊才睿等 2015；Lietal.2016）。若忽略植被冠層截留，則會引發(fā)隨程計(jì)算中的一系列錯(cuò)誤，如土壤儲水量的估計(jì)等（Savenije.2004）。截留損失發(fā)的組分之一，它是植被對生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)調(diào)節(jié)的起點(diǎn)，直接關(guān)系到降C 系統(tǒng)中的分配和植物對水分的利用（梁曦 2009；Keim and Skauget 2004）。影響地表徑流的產(chǎn)生和土壤水分的收支平衡，進(jìn)而影響無雨期間的植物生長態(tài)（Huxman et al. 2004；薦圣淇等 2013）。植被對降雨的截留可以減弱雨滴

技術(shù)路線圖
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S812

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本文編號：2602755