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喀斯特地区植物-水分关系研究取得系列进展

  占全球陆地面积约15%的喀斯特地区,因有着不同于绝大多数非喀斯特地区的水文地质环境,使得植物-水分关系研究一旦涉及到地下,便困难重重。这一方面限制了对退化喀斯特坡地植被分布现状成因的分析,另一方面亦不利于植被恢复与生态系统服务提升工作的开展。

  为加深对喀斯特地区植物-水分关系的认识,中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特站科研人员在研究员陈洪松的指导下,通过对比无连续土层分布的出露基岩与临近土石混合生境植物群落特征发现,前者木本植物多样性尤其是演替后期种的比例远高于后者,这首先与该类生境能为植物提供多样化的小生境并在一定程度上避免干扰的影响有关(文献1)。另一方面,连续2年针对土石混合生境剖面土壤水分的动态监测表明,受控于多石的土壤环境,剖面土壤含水率大多数时间处于凋萎系数附近,降水仅能在短时间内改善土壤水分环境,水分限制是土石混合生境群落长期由草本和先锋灌木占主导的首要原因(文献2)。

  以出露基岩为代表的石生生境因裂隙较为发育,植物根系能沿着相互连通的裂隙扎入深层,然而因缺乏有效研究方法,目前对植物水分来源的具体深度或类型仍无清晰认识。为此,通过与美国德州州立大学喀斯特生态水文研究组合作,构建了适宜于多石环境的植物水分来源定量分析方法,并初步应用于水文过程相对简单的孤立出露基岩生境,有效区分了不同生活型植物对动态库和稳态库水分的利用比例差异。该方法从水分补给与消耗特性的角度对可能水源进行粗化,克服了传统稳定同位素方法难以直接用于喀斯特地区的难题;另一方面,其获得的时间整合而非时间点上的植物水分来源判定结果,有其特有的优势,亦为该领域的相关研究提供了新的思路(文献3)。基于这一研究思路,科研人员进一步区分了群落尺度植物水分来源差异特征,发现石生环境不同演替阶段群落对动态库水分与稳态库水分的依赖程度存在明显差异:与演替初期群落不同,演替后期群落主要利用稳态库水分,对短期无雨干旱的缓冲能力强于演替初期群落。这一结果为促进喀斯特植被正向演替以提升系统生态调蓄功能奠定理论基础(文献4)。

  以上研究成果分别发表在Journal of Forestry Research、Catena、Journal of Hydrology和Journal of Vegetation science上。研究得到国家重点基础研究发展计划(“973”计划)、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、“西部青年学者”和“国际人才计划”等的支持。

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  图1 典型喀斯特坡地植物水分环境缩略图

  图2 土石混合生境剖面土壤含水率2年平均值

  图3 出露基岩生境动态库水与植物茎水同位素值波动特征(灰线,动态库水同位素模拟值;黑线,植物茎水同位素模拟值;点,植物茎水同位素实测值;百分数,植物对稳态库水分利用比例)

  图4 石生环境不同演替阶段群落优势植物茎水同位素值收敛及波动特征

参考文献

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