水分胁迫对土壤—刺槐系统水力特性的影响

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黄土高原由于降水少且年度分配不均、蒸发量大等原因,导致该地区的植物常遭受水分胁迫。刺槐(Robinia Pseudoacacia L.)作为黄土高原人工造林的先锋树种,其在水分胁迫下生理生态适应性有利于调节土壤-刺槐-大气(SPAC)系统的水分传输过程,保证刺槐体内的水分维持在较高水平,减少植株死亡。开展不同土壤水分含量(SWC)下土壤-刺槐系统水力特性变化的研究,对于评估刺槐对水分胁迫的适应性及探究刺槐合理的生长环境具有重要意义。本研究通过室内盆栽试验,设置8个水分处理(田间持水量 FC 的 30±2.5%、40±2.5%、50±2.5%、60±2.5%、70±2.5%、80±2.5%、90±2.5%及100±2.5%),研究生长季内(7~10月)不同SWC下刺槐叶片及整株尺度的生理生态特性、水势、水流阻力及脆弱性曲线等的变化,探究水分胁迫下土壤-刺槐-大气系统的水分传输过程及刺槐的水力调节机制。主要的研究结论如下:(1)刺槐各生理生态指标随SWC的变化存在一个水分阈值(θc),当SWC小于θc时,各生理生态指标随SWC的增加而增大;当SWC大于θc后,各指标保持相对稳定。归一化刺槐单叶面积(LA)的θc为85~90%FC,整株叶面积(PLA)的θc为90~100%FC;株高增长量(△H)同地径增长量(△D)分别在60~80%和50~70%FC范围的水分有效性最大;根系指标的θc为60~80%FC;气孔导度(Gs)和净光合速率(Pn)的θc分别位于75~80%和65~80%FC范围;叶片蒸腾速率(Trl)及整株蒸腾速率(Trp)的θc分别位于75~85%和70~85%FC范围,且Trl相对更大;各水分处理下刺槐的生理生态指标在生长季内于7~8或9月增大,10月减小是刺槐适应环境的结果;(2)根水势(ψr)和叶水势(ψl)随SWC的增加先增大,后保持稳定;土壤-刺槐系统各部分水流阻力及总阻力均随SWC的增加先减小,后趋于稳定。ψr和ψl在30~50%FC范围随SWC的增加而迅速增大,此后变化较小,二者7~10月呈降低趋势,降低的水势增大了水势差,有助于植物根系吸水和植物体传输水;水流阻力(R)随SWC的增加而减小。土壤阻力(Rs)、根系总阻力(Rr)和植物传导阻力(Rp)均在30~50%FC范围随SWC的增加而迅速减小,在50%FC以上的变化较小;叶-气阻力(Rla)在30~50%FC范围减小的最快,在50~70%范围减小速率变缓,此后变化较少。总阻力(Rt)的变化趋势与Rla相近,是因为Rla占Rt的96.0%以上,主导了Rt的变化。R于7~9月减小,10月增大;(3)刺槐黎明叶水势(ψpd)和正午叶水势(ψmd)随SWC的增加先增大后趋于稳定;刺槐的比导率(Ks)随SWC的增加先增大后减小;刺槐的木质部脆弱性曲线(VCs)随SWC的增加,曲线上的点P50(导水率损失50%时的枝条水势)对应的水势也增大。ψpd和ψmd在30~50%FC范围随SWC的增加而迅速增大,在50~100%FC范围变化较少,且刺槐的ψpd远大于ψmd;Ks在60~90%FC下最大,在其他水分处理下相对较小;刺槐的VCs分布呈现一定的规律:即SWC越高,VCs对应的P50越高;水势越高,抗栓塞能力越弱,植株的抗旱性越弱。本研究的各水分处理下(除30%FC处理)刺槐P50 的大小为:100%>90%>80%>70%>60%>40%>50%;(4)刺槐在30~40%FC受到严重抑制,在50%FC以上可保持可持续生长。30~40%FC范围的刺槐在生长季严重落叶、Gs减小,光合生理受到抑制,生长受限。根据水分胁迫过程刺槐Trl、ψl和R等的分布及变化趋势,我们推测生长在大于50%FC范围的刺槐可以保证相对高的Trl、低的R,以适应黄土高原干旱缺水的土壤环境,促进刺槐林可持续生长。
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