黄土区土壤水分对典型植物有效性的研究

黄土高原地区水资源匮乏,气候暖干化背景下土壤干燥化不断加剧,生态和农业可持续发展都面临严峻挑战。研究不同土壤质地、植物及气象条件下土壤水分有效性对黄土高原植被恢复和发展旱地农业具有指导意义。本文选取3种代表性土壤、2种代表性作物和一种常见造林树种进行盆栽及田间小区的控水试验,观测不同水分处理条件下植物的生长、蒸腾和光合等生理参数的变化,系统分析了不同土壤、气象和植物条件下的土壤水分有效性,并借助Hydrus-1D模型从理论上探讨了不同因子对植物水分有效性的影响。取得如下结论: (1)比较了盆栽和田间小区试验作物生长和蒸腾对水分亏缺的响应,发现:盆栽玉米和小麦的绝对生长量和蒸腾量明显低于田间小区,但是盆栽和田间小区作物的相对生长和相对蒸腾随土壤含水量的动态变化没有明显差异。 (2)分析了不同生理指标评价土壤水分有效性的差异,发现:不同指标随土壤含水量的动态变化具有一致的规律,即都存在阈值反应。不同指标的土壤水分阈值不同,瞬时指标的水分阈值低于日指标和生育期指标,与生长有关的指标的水分阈值低于与蒸腾有关的指标,灌浆前日蒸腾的水分阈值高于灌浆后日蒸腾,而灌浆前后生长指标的土壤水分阈值差异不明显。 (3)研究了不同质地、不同植物土壤水分有效性的差异,发现:玉米各项生理指标的土壤水分阈值塿土最高、黑垆土和黄绵土相近,在田间稳定湿度附近,土壤水分有效性黑垆土>黄绵土>塿土;小麦各项植物指标的土壤水分阈值黄绵土最高、塿土居中、黑垆土最低,在田间稳定湿度附近,土壤水分有效性黑垆土>塿土>黄绵土;刺槐各项指标的土壤水分阈值塿土最高、黄绵土居中、黑垆土最低,在田间稳定湿度附近土壤水分有效性,塿土>黑垆土>黄绵土。 (4)分析气象因子对土壤水分有效性的影响,发现:塿土的水分有效性在高温时不受湿度影响,在低温时随湿度升高而降低;黄绵土的植物水分有效性在高温时随湿度升高而升高,在低温时随湿度升高而降低;玉米3种土壤的盆栽试验中土壤水分阈值随大气蒸发力虽有升高但升高不明显;小麦3种土壤试验中土壤水分阈值随大气蒸发力的升高而升高,且ET0 > 3.0 mm d-1时土壤水分阈值有明显升高;刺槐3种土壤试验中黄绵土的土壤水分阈值在ET0 > 3.0 mm d-1时明显升高,塿土和黑垆土的水分阈值随大气蒸发力的升高反而明显降低。 (5)利用Hydrus-1D模型模拟土壤水分有效性动态变化过程及其影响因素,发现:大气蒸发力和叶面积指数对土壤水分有效性动态变化曲线的形状没有明显影响,对土壤水分阈值略有影响;而根系深度和根系分布形状不仅对土壤水分有效性动态变化曲线的形状有影响,而且对土壤水分阈值影响的也很大;3种土壤以绝对含水量表示的水分阈值大小顺序是塿土>黑垆土>黄绵土;根系吸水速率的土壤水分阈值随着大气蒸发力的升高而升高,但还受其叶面积指数、根系深度和根系分布影响;在冠层郁闭前后土壤水分阈值随叶面积指数的变化不同;随着根系深度和深层根系分布的增加土壤水分阈值降低,但是在黄绵土中降低程度小于塿土和黑垆土。 本研究结果表明,利用归一化植物生理指标研究盆栽试验中土壤水分对作物的有效性可以应用到田间,评价土壤水分有效性的结果会因所用指标的时间尺度、生育期及涉及生理过程不同而有差异,土壤水分有效性是土壤质地、气象条件和植物生长状况等因素综合影响下植物对土壤水分变化的响应。