掌握植物的水分利用特征及植物间的水源关系对实现荒漠草原地区可持续的植被恢复至关重要.本研究以荒漠草原灰钙土生境(胡杨、中间锦鸡儿和短花针茅)和风沙土生境(胡杨、北沙柳和赖草)中的5种优势植物为对象,测定植物木质部水、土壤水、地下水和降雨中稳定同位素(δ2H和δ18O),并结合不同深度的土壤含水量和根系数据,使用MixSIAR模型对植物的水分利用特征进行定量分析.结果表明:生长季内5种植物主要利用土壤水,且在不同生长阶段会利用不同层次的土壤水.灰钙土生境中,胡杨的水源在整个生长季变化最大,生长季初期(5-6月)主要利用60～100 cm 土壤水,生长旺盛期(7-8月)水源下移至100～200 cm 土壤水,而在生长季末期(9月)水源又上移至0～20 cm 土壤水;中间锦鸡儿在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;短花针茅在生长季初期和末期主要利用20～60 cm 土壤水,而在生长旺盛期上移至0～20cm 土壤水.在风沙土生境中,胡杨在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;北沙柳在生长季初期和生长旺盛期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长季末期下移至100～200 cm 土壤水;赖草整个生长季都主要利用20～60 cm 土壤水.土壤含水量、降雨的季节变化及植物的根系分布都会影响植物的水分利用特征.在整个生长季中,灰钙土生境中的乔木、灌木和草本3种优势植物间存在水文生态位分离,促进了其对水分的分配和利用;风沙土生境中对应的3种优势植物间存在水文生态位重叠,导致其对水分的激烈竞争(特别是乔木和灌木间).因此,在进行植被恢复时必须同时考虑物种特征和土壤特性,引入具有互补性水分利用特征的物种组合,才能实现荒漠草原地区的物种多样性和植被恢复的可持续性.

因生态位的高度重叠,森林更新早期草本植物同更新幼苗间存在着激烈的光能、养分及水分竞争,由此显著影响到森林更新过程.以山西省庞泉沟自然保护区蒙古栎更新幼苗为研究对象,设置4种草本竞争模式(无竞争、全竞争、地上竞争、地下竞争),2种土壤养分梯度(4 g/m2、32 g/m2),2种土壤养分分布模式(均质、异质),进行草本竞争盆栽试验.结果表明:1)草本竞争、土壤养分状况对幼苗更新均存在显著影响(P＜0.05).其中,幼苗各生长指标在无竞争、地下竞争处理间的差异,显著表明地下竞争效应的存在性,地上竞争效应同理.2)基于线性模型,对幼苗苗高、叶片总面积、叶片总生物量、三个细根亚径级根系表面积而言,草本竞争主效应的贡献率分别为80.66％、67.49％、49.39％、40.26％、59.09％、53.26％,同土壤养分浓度相比,草本竞争的森林更新效应更高;在土壤养分异质条件下,二者交互效应甚至显著大于土壤浓度主效应;草本竞争各组分分析结果表明地下竞争效应的贡献率始终处于主导地位.3)基于结构方程模型,揭示草本竞争森林更新效应及其内在组分的具体作用途径.在无竞争与全竞争处理下,幼苗更新潜力对光能吸收及养分吸收的标准化回归系数分别为0.61、0.46,表明草本竞争主要通过光能吸收影响幼苗的更新过程;草本竞争内在组分的群组分析中,地上竞争与地下竞争相应的标准化系数分别为0.31、0.74,表明后者是主要的作用途径.在定量评价草本竞争及其内在组分森林更新效应的基础上,深入探讨其作用机理,加深了人们对其在森林更新早期生态效应的认识,为森林更新实践提供理论指导.

林冠穿透雨空间异质性(即不同冠层位置穿透雨量的非均一性)及其在一定时间段内的持续性(即时间稳定性)关系着土壤水分补给数量和效率,通过影响资源有效性作用于植物个体竞争和群落演替.本研究基于关键词检索并分析整理了 Web of Science和中国知网数据库2000-2022年发表的554篇相关主题论文数据,量化并对比了全球不同气候带和植物功能型的穿透雨数量、空间异质性及其时间稳定性特征.结果表明:全球范围内旱区穿透雨比例(72.0％±13.6％)小于湿润(75.1％±9.3％)和半湿润区(79.9％±10.4％),热带(80.9％±14.6％)高于暖温带(74.2％±7.5％)和冷温带(74.1％±14.6％),灌木(68.9％±14.9％)小于乔木(76.7％±9.1％),但阔叶植物(75.2％±11.1％)和针叶植物(75.1％±9.9％)、常绿植物(76.7％±10.0％)和落叶植物(74.7％±11.9％)的林冠穿透雨比例接近,其空间变异系数在上述不同干湿区、温度带和植物功能型之间差异均不显著.穿透雨空间分布格局易保持相对稳定,冠层结构是影响其时间稳定性的主导因子,但缺乏不同时间尺度上典型地理单元(即地理环境条件基本一致的空间单元)之间的对比.建议未来研究通过向上延展至基于全球的空间尺度规律汇总,向下延展至基于过程的时间尺度机制分析,刻画穿透雨空间分布动态变化,并统一观测规范来增进不同研究之间的可参比性,以高效推进林冠穿透雨研究,为保护自然、管理人工、恢复受损生态系统提供生态水文依据.

为揭示高寒半干旱区不同降雨强度对植被差异下沙化土地土壤含水量变化过程的影响.以青海共和盆地东缘黄沙头乔木、灌木和裸地为研究对象,基于2020、2021和2022年5月-9月植物生长季土壤含水量、降雨量和细根分布监测数据,分析2020年、2021年、2022年各生境0-200 cm深度土壤水分对小雨、中雨、大雨的响应.连续动态监测结果表明,大雨、中雨条件下,随土层深度的增加土壤水分对降雨的响应时间延长.乔木林和灌木林土壤水分对中雨、大雨最大响应深度为70 cm、100 cm,裸地对中雨、大雨最大响应深度为50 cm、100 cm.随土层深度的增加,小雨对乔木、灌木、裸地土壤水分的补充作用逐渐降低;中雨对灌木林土壤水分的补充作用逐渐降低,乔木林与之相反;大雨时乔木林、灌木林变异系数呈现S型变化,因此大雨对其土壤水分的补充存在明显的分层利用现象.不同植被类型土壤水分空间变化差异以及对降雨的响应受植被冠层截留对降水再分配的影响,土壤含水量与环境因子间的主成分分析表明,郁闭度、叶面积指数、150-200 cm 土壤容重、细根生物量密度、根表面积密度、根长密度、比根长是反映研究区土壤水分的显著因子(P＜0.05).研究表明不同降雨强度植被土壤含水量存在明显差异,高寒半干旱区沙化土地乔、灌植被的建植可提升深层土壤储水能力;结果可为沙化土地恢复和水土流失防控提供科学依据.

为了探究海拔对我国西南高寒地区植物稳定碳同位素组成特征及水分利用效率的影响,本研究以梅里雪山东坡不同海拔(2200、2500、2700、3000、3200和4200 m)上不同功能型植物为对象,分析了不同光合途径(C3和Crassulacean acid metabolism,CAM)植物和C3植物中不同生活型(灌木、阔叶乔木和针叶乔木)植物叶片稳定碳同位素组成特征(δ13Cp)及内在水分利用效率(intrinsic water use efficiency,iWUE)随海拔梯度的变化.结果表明:(1)梅里雪山东坡C3植物叶片的δ13Cp值分布范围在-26.72‰～-31.67‰,均值为-29.12‰,而 CAM 植物的 δ13Cp 值分布范围在-13.24‰～-14.59‰,均值为-13.77‰;(2)CAM 植物 δ13Cp 值和iWUE显著高于C3植物,其中,C3植物中不同生活型植物δ13Cp和 iWUE值呈现灌木＞阔叶乔木＞针叶乔木的变化规律;(3)海拔3200 m以下乔木和灌木植物δ13Cp和iWUE值随海拔升高而降低,主要受土壤水分的影响,3200 m以上灌木植物δ13Cp和 iWUE值随海拔升高有增大的趋势,可能受温度的调控.梅里雪山东坡不同功能型植物水分利用效率对海拔梯度的响应反映了不同植物对高寒山地气候不同的适应性.

西部露天煤矿区气候干旱,提高矿区植物利用深层土壤水是矿区生态环境恢复的重要步骤,明晰微生物生态修复技术下植物根系及土壤水分分布特征对于矿区生态重建具有重要意义.为了探讨接种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)对玉米根系形态及土壤水分分布的影响,本研究以饱和粉质黏土作为隔水层,砂土作为土壤层来进行室内土柱试验,共设置了不种玉米不接种AMF(CK)、种植玉米不接种AMF(YM)、种植玉米接种AMF(YF)3个试验处理,并在试验过程中对土壤水分分布和植物生长相关指标进行监测.结果表明:试验前期接菌处理下土壤平均含水率比不接菌处理低 14.5%,而试验后期接菌处理比不接菌处理高 20.1%,同时还发现 97.4%的玉米根系主要分布在0-40 cm的土层中.与不接种AMF处理相比,接种AMF的玉米细根的根长度、根体积和根表面积占比分别增加 4.4%、1.2%和 2.6%.通过直接对比法和贝叶斯混合模型分析表明,接菌处理下玉米对中层土壤(10-50 cm)水分吸收为 47.1%,而不接菌处理对该层土壤水分吸收则为 35%.这些结果表明接种 AMF 能提高植物对土壤中层水的利用比例.研究结果可作为西部露天煤矿区土地复垦与生态恢复提供科学依据和技术支撑.

随着全球变暖和人类活动加剧,全球干旱区进一步扩张.干旱区植被生态系统的脆弱性和敏感性增强.因此,探究干旱区植被长势对气候变化的响应机制及滞后效应成为了当前研究的热点.该研究基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)提供的归一化植被指数(NDVI)资料、英国东英格利亚大学气候研究所提供的逐月网格化CRU TS4.05气候资料和干旱指数资料、ERA5(ECMWF全球气候的第五代大气再分析资料)提供的太阳辐射资料和欧洲航天局全球基本气候变化监测项目提供的土壤水分资料,借助于窗口交叉相关法和线性回归法,探究了2001-2020年亚洲旱区草地NDVI对气候变化的响应及滞后效应.研究发现:1)草地NDVI对当月平均气温和降水总量的响应最为强烈,对太阳辐射和土壤水分则存在显著的滞后响应.具体表现为草地NDVI对太阳辐射和土壤水分的响应存在1个月的滞后;2)草地NDVI与各气候要素响应的滞后时间在空间分布上较不均匀,在亚洲旱区的东部和西部存在明显差异;3)草地NDVI与自矫正帕默尔干旱指数间不存在显著的滞后效应;4)海拔在一定程度上影响了亚洲旱区草地NDVI与各要素的响应关系.

环境变化改变了草地植物群落空间格局的形成和演替,对青藏高原生物多样性和生态系统功能产生了深远影响.植物群落随环境变化在空间上呈现规律性变化,但植物群落特征在空间上主要受何种环境因素的驱动还存在较大争论.本研究在青藏高原东部自西向东调查了不同土壤因素在空间上对植物群落特征的重要性以及植物群落对这些因素的敏感性,并评估了影响生态系统多功能性的关键土壤因子.结果表明:土壤因子对植物群落的重要性及其敏感性存在差异,相比其他土壤因子,土壤水分对不同植物群落指标均具有显著的重要性(P＜0.05),并且植物群落特征对土壤水分也有很强的敏感性(P＜0.05);土壤水分与生态系统多功能性呈显著的非线性递增关系(P＜0.05).该研究表明,土壤水分对青藏高原东部植物群落具有重要的调控作用,并且这种作用最终可能影响草地生态系统功能.

植物水分利用在生态系统水文循环及其生产力中起着重要作用.气候变化下寒温带森林水分胁迫逐渐加剧,对其典型树种水分利用特征的研究有助于理解寒温带森林生态系统的稳定性及可持续性.以大兴安岭北部典型树种兴安落叶松(Larix gmelinii)(L)和白桦(Betula platyphylla)(B)为研究对象,利用稳定同位素技术测定降雨、木质部水和土壤水中氢氧稳定同位素值(δD和818O),揭示不同水源δD和δ18O值的分布特征,并利用多源线性混合模型及树干边材液流通量,分析不同水源对2树种的利用率和利用量,揭示生长季兴安落叶松和白桦生长季水分利用特征变化.结果表明:(1)研究区的大气降雨和土壤水同位素均受蒸发的影响发生了一定程度的分馏,且土壤水同位素分馏程度存在树种间的差异,兴安落叶松分馏程度大于白桦.(2)降雨和蒸发对2个林分土壤含水率和土壤水稳定同位素值在上层土壤(0-10cm)影响强烈,而对中下层影响较小,且各层土壤水稳定同位素值表现出显著差异(P＜0.05).(3)在5月和9月兴安落叶松和白桦主要利用上层土壤水分,对上层土壤水分的利用率分别为 64.7％、61.3％(L);61.5％、66.0％(B),日均利用量分别为 2.00kg/d、1.10kg/d(L);6.74kg/d、2.75kg/d(B).在6-8月兴安落叶松和白桦主要利用下层(20-40cm)土壤水分,对下层土壤水分的利用率分别为44.5％、48.1％、70.3％(L);49.3％、63.6％、74.7％(B),日均利用量分别为 2.58kg/d、2.76kg/d、3.89kg/d(L);12.69kg/d、14.77kg/d、14.19kg/d(B)生长季两树种表现出相似的水分来源,但对各土层土壤水的利用率存在差异,这种差异主要表现在6-8月白桦对下层土壤水的利用率显著大于兴安落叶松.这些发现说明在未来水分胁迫加剧的情况下,兴安落叶松比白桦具有更高的环境适应性.

以山西吉县蔡家川小流域人工油松林、刺槐林及油松×刺槐混交林为对象,分析不同林型下油松和刺槐根生物量密度、根长密度、根表面积密度的垂直分布特征及其与土壤理化性质的关系.结果表明:与纯林相比,混交林中油松、刺槐的总根生物量密度提高75％以上;油松根系主要分布于浅层(0～40cm),刺槐根系集中在较深层次(40～80 cm).在不同径级的根系中以细根为主,细根的根长密度及根表面积密度表现为混交林中刺槐＞混交林中油松＞刺槐纯林＞油松纯林,细根的根生物量密度表现为混交林中油松＞混交林中刺槐＞油松纯林＞刺槐纯林;在垂直剖面上,油松纯林、刺槐纯林及混交林中油松、混交林中刺槐的总根生物量、细根生物量、根长密度和根表面积密度均随土层深度增加而减少.不同林型下油松、刺槐的细根根长密度、根生物量密度和总根长密度与土壤全氮、有机碳及含水量呈显著正相关,总根表面积密度与土壤有机碳、含水量及全氮呈显著正相关.油松和刺槐纯林及混交林的根系分布呈现出不同的规律,与纯林相比,混交林的根系生物量及其土壤养分、水分含量更高.