Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 敦煌地区典型荒漠植物水分来源与水分利用效率研究 | |
| 其他题名 | Water Sources and Water-Use Efficiency of Desert Plants in Dunhuang Area, Gansu China |
| 崔永琴 | |
| 出版年 | 2014 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 段争虎 |
| 学位授予单位 | 中国科学院大学 |
| 中文摘要 | 水资源短缺已成为制约干旱和半干旱地区社会和经济发展的瓶颈问题，同时水分是干旱和半干旱地区决定荒漠生态系统结构与功能的重要环境因子。敦煌地处我国西北干旱地区，水资源就更显短缺。随着社会经济发展，敦煌水资源的有限性和用水需求不断增长之间的矛盾日益突出，并且土壤沙漠化和盐渍化加剧。研究敦煌地区典型荒漠植物的水分利用效率和水分利用模式对保持荒漠生态系统的稳定性尤为重要。本文选择干旱区甘肃敦煌荒漠生态系统为研究对象，针对不同土壤质地类型（盐碱地、沙地与戈壁）和不同土壤盐碱类型（静宁村南1样地、静宁村南2样地与坷坝岔样地），选择具有代表性的荒漠植物骆驼刺（Alhagi sparsifolia）、泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）、柽柳（Tamarix chinensis）、苦豆子（Sophora alopecuroides）、沙枣（Elaeagnus angustifolia）、盐爪爪（Kalidium foliatum）、盐穗木（Halostachys caspica）、白刺（Nitraria tangutorum）、沙拐枣（Calligonum mongolicum），利用稳定同位素13C、D和18O，结合各荒漠植物的生理生态学特征的测定和土壤特征的测定，对敦煌地区典型荒漠植物的水分利用效率（Water-Use Efficiency, WUE）和水分利用来源进行研究。主要得到如下结论： 1. 敦煌地区不同土壤质地类型下典型荒漠植物的水分利用模式 （1）同一土壤质地类型下不同荒漠植物的水分利用效率 相同土壤质地类型下不同荒漠植物水分利用效率存在显著差异。在盐碱地，骆驼刺的水分利用效率显著低于其他三种荒漠植物；戈壁的3种不同C3荒漠植物的水分利用效率高低表现为骆驼刺<柽柳<泡泡刺。这主要是由植物种自身的生理特性及生物学遗传特性对环境的不同适应导致的。而沙地的4种荒漠植物的水分利用效率差异不明显。 （2）相同荒漠植物在不同土壤质地类型下的水分利用效率 骆驼刺在三种土壤质地类型的水分利用效率差异明显，表现为盐碱地<沙地<戈壁，并且其叶片δ13C值随土壤含水量、土壤含盐量、pH减小而增大，其中与土壤含水量相关性最大。柽柳在三种土壤质地类型内的水分利用效率差异并不显著。 （3）三种土壤质地类型下典型荒漠植物的水分来源 在同一土壤质地类型下，不同种荒漠植物吸收的水分来源是否存在差异与植物自身因素（如根系分布等）以及所处环境条件有关。在盐碱地，盐爪爪的水源有83.8% 来源于0-20 cm土壤水，骆驼刺、沙枣、柽柳主要吸收地下水和深层土壤水（>160 cm），其中骆驼刺71.5% 的水源依赖地下水。在戈壁，4种荒漠植物均依赖地下水或者深层土壤水（>200 cm），柽柳和沙枣的水分来源较骆驼刺和泡泡刺的要深。在沙地，4种荒漠植物的水分来源均依赖于160-200 cm的深层土壤水和地下水。 生长在三种不同土壤质地类型下的相同植物种（柽柳、骆驼刺）在三种土壤质地类型下均主要吸收深层土壤水（>160 cm）和地下水。 （4）三种土壤质地类型下典型荒漠植物的水分利用策略 三种土壤质地类型的荒漠植物均持有较高的水分利用效率，并且除盐爪爪主要利用0-20 cm的土壤水外，其余荒漠植物均依赖深层土壤水（>160 cm）和地下水。在盐碱地，利用深层稳定水源的植物和吸收浅层土壤水的植物共存，这对该样地的土壤水起到了合理的配置；在沙地和戈壁，荒漠植物对地下水的竞争比较激烈。 2. 敦煌地区不同土壤盐碱类型典型荒漠植物的水分利用模式 （1）同一土壤盐碱类型下荒漠植物的水分利用效率 相同土壤盐碱类型下，不同种荒漠植物的水分利用效率因植物种自身的生理特性及其生物学遗传特性不同而存在差异。在静宁村南1样地，骆驼刺的水分利用效率显著低于其他三种荒漠植物，其余三种荒漠植物的水分利用效率差异不显著；在静宁村南2样地，骆驼刺的水分利用效率显著低于柽柳；在坷坝岔样地，柽柳的水分利用效率最高，白刺的最低，骆驼刺和盐穗木的水分利用效率介于之间并且二者无显著差异。 （2）相同荒漠植物在不同土壤盐碱类型下的水分利用效率 柽柳、骆驼刺的水分利用效率在不同土壤盐碱类型下差异不明显，但是不论在哪个盐碱地类型下，骆驼刺叶片δ13C值指示的水分利用效率始终低于柽柳的。三个盐碱地样地的土壤含水量、含盐量和pH对柽柳和骆驼刺的水分利用效率没有影响。 （3）不同土壤盐碱类型下典型荒漠植物的水分来源 在同一土壤盐碱类型下，不同种荒漠植物吸收的水分来源是否存在差异主要与植物自身因素（如根系分布等）有关。在静宁村南1样地，骆驼刺、沙枣、柽柳主要吸收地下水和深层土壤水（>160 cm），其中骆驼刺71.5% 的水源依赖地下水，盐爪爪的水源有83.8% 来源与0-20 cm土壤水。在静宁村南2样地，柽柳有65.4% 的水源来源于地下水；骆驼刺有55.3% 的水分来源于160-200 cm的深层土壤水，30.7% 来源于地下水。在坷坝岔样地，骆驼刺对120-160 cm土壤水、160-200 cm土壤水和地下水的吸收比例大致相同，均约24%；柽柳几乎完全依赖160-200 cm的土壤水；盐穗木有95.2%的水分来自0-20 cm的浅层土壤水。 生长在不同土壤盐碱类型下的相同植物（骆驼刺与柽柳）对地下水的吸收比例按静宁村南1样地、静宁村南2样地、坷坝岔样地的顺序依次减小，相反对土壤水的吸收比例依次增大。这种变化与3个盐碱地样地的土壤含水量、电导率和pH没有相关性。 （4）不同土壤盐碱类型下典型荒漠植物的水分利用策略 在静宁村南1样地，沙枣、柽柳长期水分利用效率高，又可以汲取深层土壤水（>200 cm）或者地下水等稳定水源；盐爪爪既持有较高的水分利用效率，又可以及时吸收浅层土壤水（0-20 cm）的，以保证生长需要；骆驼刺的长期水分利用效率相对最低，71.5% 的水源依赖地下水。在静宁村南2样地，相对骆驼刺，柽柳的长期利用效率更高，也相对更加依赖地下水；在坷坝岔样地，白刺和盐穗木的长期水分利用效率相对较低，吸收较浅层次的土壤水，柽柳、骆驼刺具有较高水分利用效率，吸收深层土壤水和地下水。 |
| 英文摘要 | Water is an important environmental factor affecting the ecosystem, and water shortage has limited the social and economic development in arid and semi-arid regions. Dunhuang is located in arid regions of China and the contradiction between water shortage and growing water demand increasingly stand out with the economic development, resulting in exacerbating its soil desertification and salinization. Therefore, to understand the water use patterns of desert plant in arid regions, we proposed a systematic investigation in water use efficiency and water sources of desert plants, such as Alhagi sparsifolia, Nitraria sphaerocarpa, Tamarix chinensis, Sophora alopecuroides, Elaeagnus angustifolia, Kalidium foliatum, Halostachys caspica, Nitraria tangutorum, Calligonum mongolicum, using stable isotope（13C、D and18O）techniques in the desert ecosystem including three land types（saline land, sandy land and Gobi）and three saline lands of Dunhuang. The physiological adaptive mechanism of different plant species responded to environment conditions will be elucidated based on ecological and physiological principles. The main results of this study are summarized as follows. 1. Water use patterns of desert plants under three land types （1）Water use efficiency of desert plant species under the same land type Under the same land type, there is significant difference of water use efficiency among different desert plant species. In saline land site, Alhagi sparsifolia’s water use efficiency is lower than those of others. In Gobi site, three C3 plant species including Alhagi sparsifolia, Nitraria sphaerocarpa and Tamarix chinensis exist. Nitraria sphaerocarpa’s water use efficiency is the highest and Tamarix chinensis has the lowest. That may be driven by different physiological properties and hereditary control. However, the water use efficiency of 4 desert plant species in sandy land site is not significantly different. （2）Water use efficiency of the same desert plant species under three different land types Water use efficiency of Alhagi sparsifolia show obvious difference under three land types and its leaf δ13C values decrease with the increase of soil salinity, pH or especially soil water. On the contrary, water use efficiency of Tamarix chinensis shows no significance under three land types. （3）Water sources of desert plant species under three land types Under the same land type, the differences of water sources among different species depend on plant life forms（such as root distributions, etc.）and environmental factors. In saline land, 83.8% of Kalidium foliatum’s water comes from surface soil water（0-20 cm）, while Alhagi sparsifolia, Elaeagnus angustifolia and Tamarix chinensis use groundwater and deep soil water（>160 cm）. In Gobi, 4 species use groundwater and deep soil water（>200 cm）. In sandy land, 4 species use groundwater and deep soil water（160-200 cm）. Under three different land types, both of Alhagi sparsifolia and Tamarix chinensis use groundwater and deep soil water（>160 cm）. And both of them absorb deeper soil water in Gobi than that in saline land or sandy land. （3）Water use strategy of desert plant species under three land types Water use efficiency of all desert plant species is high under three land types and all of them except Kalidium foliatum using surface soil water（0-20 cm）rely on groundwater and deep soil water（>160 cm）. In saline land, plants using surface soil water and plants using deeper soil water and groundwater coexist. However, plants use deeper soil water and groundwater in sandy land and Gobi. 2. Water use patterns of desert plant species in three saline land sites （1）Water use efficiency of different desert plant species in the same saline land site In the same saline land site, the water use efficiency of different species is different. In Jingning South 1 site, water use efficiency of Alhagi sparsifolia is lower than that of other three species having similar water use efficiency. |
| 中文关键词 | 荒漠生态系统 ; 稳定同位素 ; 水分来源 ; IsoSource模型 ; 水分利用效率 |
| 英文关键词 | Desert ecosystem Stable isotope Water sources IsoSource model Water use efficiency |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 生态学 |
| 来源机构 | 中国科学院西北生态环境资源研究院 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/287376 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 崔永琴. 敦煌地区典型荒漠植物水分来源与水分利用效率研究[D]. 中国科学院大学,2014. |
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