基于氧稳定同位素的典型荒漠植物水分来源研究

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新疆准东地区露天煤矿开采区属于干旱荒漠型气候,水分是限制植物生长发育的关键因素,了解干旱荒漠区典型植物的水分来源,有利于为矿区修复中植物水分的管理以及植物物种的合理选择提供参考。本研究通过对准东露天煤矿开采区周边的优势种进行调查,根据地理位置和生长环境,选取四种典型小半灌木:新疆绢蒿(Seriphidium kaschgaricum)、琵琶柴(Reaumuria soongonica)、刺旋花(Convolvulus tragacanthoides)和盐生假木贼(Anabasis salsa);两种灌木:梭梭(Haloxylon ammodendron)和白梭梭(Haloxylon persicum),运用稳定氧同位素技术结合图形法、植物平均吸水深度模型、Mix SIAR模型及相似性比例指数,分别从:1)典型小半灌木水分来源;2)沙质土下不同径级野生梭梭和白梭梭的水分来源;3)砂砾坚土下不同径级野生梭梭水分来源;4)不同林龄人工梭梭水分来源四个方面进行研究,探究其主要吸水层位、平均吸水深度及对潜在水源的利用比例之间的差异性。主要结论如下:(1)四种小半灌木的主要稳定水源都是土壤水。新疆绢蒿主要利用中层土壤水(80~140 cm),利用比例为(43.5±4.3)%,主要吸水层位于100~120 cm处,平均吸水深度为(117.09±13.55)cm;琵琶柴主要利用浅层土壤水(0~80cm),利用比例为(51.2±10.63)%,主要吸水层位于60~80 cm,平均吸水深度为(77.94±18.96)cm;刺旋花主要利用浅层土壤水(0~60 cm),利用比例为(46.3±11.26)%,主要吸水层位于40~60 cm,平均吸水深度为(60.53±2.42)cm;盐生假木贼主要利用浅层土壤水(60-100 cm),利用比例为(56.8±14.89)%,主要吸水层位于20~40 cm,平均吸水深度为(34.26±6.23)cm。四种小半灌木对土壤水有水源竞争现象,新疆绢蒿主要利用中层土壤水,因此与刺旋花、盐生假木贼、琵琶柴水源竞争现象不大,琵琶柴、刺旋花及盐生假木贼主要利用浅层土壤水,它们相互两两之间存在水源竞争的现象,相似性比例指数达到0.9左右,但为了避免强烈的水分竞争关系,它们会选择利用不同的吸水层位,以适应干旱的生态环境。(2)在沙质土中,四种径级梭梭主要水源是土壤水,不同径级的梭梭会随着径级的增加选择利用不同层次的土壤水。径级Ⅰ(d≤1 cm)的梭梭,主要利用浅层土壤水(0~60 cm),利用比例为(45.4±10.9)%,主要吸水层位于40~60 cm,平均吸水深度是(59.72±4.36)cm;径级Ⅱ(1 cm<d≤5 cm)和径级Ⅲ(5 cm<d≤10cm)的梭梭水分利用方式相似,都主要利用深层土壤水(140~200 cm),利用比例分别为(40.7±11.5)%和(41.7±11.8)%,主要吸水层都位于140~160 cm,平均吸水深度分别为(144.94±37.23)cm和(156.97±46.37)cm;径级Ⅳ(10 cm<d≤13 cm)的梭梭主要利用中层土壤水(60~140 cm),利用比例为(42.0±9.2)%,主要吸水层位于100~120 cm,平均吸水深度为(132.84±46.65)cm。不同径级的梭梭随着径级的增大,有利用稍浅层土壤水的趋势,合理的利用干旱区有限的水源。(3)在沙质土中,四种径级的白梭梭主要水源是土壤水,随着径级的增大,白梭梭对土壤水的利用深度加深。径级Ⅰ(d≤1 cm)的白梭梭,主要利用浅层土壤水(0~60 cm),利用比例为(40.5±10.0)%,主要吸水层位于40~60 cm,平均吸水深度为(64.11±6.92)cm;径级Ⅱ(1 cm<d≤5 cm)的白梭梭主要利用中层土壤水(60~140 cm),利用比例为(40.2±9.08)%,主要吸水层位于100~120cm,平均吸水深度为(105.28±12.88)cm;径级Ⅲ(5 cm<d≤10 cm)的白梭梭主要利用深层土壤水(140~200 cm),利用比例为(40.0±12.2)%,主要吸水层位于160~180 cm,平均吸水深度为(172.36±23.67)cm;径级Ⅳ(10 cm<d≤13cm)的白梭梭主要利用深层土壤水,利用比例为(52.4±15.0)%,主要吸水层位于180~200 cm,平均吸水深度为(194.45±0.89)cm。(4)生长在砂砾坚土的野生梭梭主要潜在水源是土壤水。径级为Ⅰ的野生梭梭主要利用浅层土壤水(0~60cm),利用比例为(50.8±15.87)%,主要吸水层位于(20~40)cm,平均吸水深度为(32.64±3.08)cm;径级为Ⅱ和Ⅲ的野生梭梭主要利用深层土壤水(120~180cm),利用比例分别为(39.2±11.35)%和(57.2±16.05)%,主要吸水层都位于(160~180)cm,平均吸水深度分别为(163.22±4.35)cm和(157.62±8.45)cm。在砂砾坚土中生长的径级Ⅰ的梭梭较生长在沙土中径级Ⅰ的梭梭吸水层位较浅,但生长在砂砾坚土中其它径级的野生梭梭较生长在沙土中其它径级的野生梭梭吸水层位较深。(5)对矿区各年龄人工梭梭的水分来源进行研究,发现生长在砂砾坚土的人工梭梭随着年龄的增加对土壤水的利用比例也随之增加,但幼苗梭梭对矿区灌溉水的依赖较大。矿区一年生的人工梭梭主要利用浅层土壤水(0~60cm)和灌溉水,利用比例分别为(32.0±8.84)%和(28.7±11.50)%;两年生的人工梭梭主要利用深层土壤水(120~180cm),利用比例为(39.3±3.13)%,对矿区灌溉水利用相对较少为(14.50±7.90)%;三年生的人工梭梭主要利用深层土壤水(120~180cm),利用比例为(30.6±8.44)%,对矿区灌溉水利用较少为(17.1±10.8)%。野生梭梭较矿区人工梭梭适应干旱的能力较强,矿区人工梭梭对矿区灌溉水有一定的依赖,对于一年生人工梭梭,应注重平时对于水分的灌溉,使其正常生长,等梭梭根系发育庞大时,应降低灌溉水的频率,使其适应干旱的生态环境。矿区人工梭梭较野生梭梭长势较好,但幼龄梭梭对干旱的耐受性较差。本研究表明,在准东干旱荒漠区各植物的吸水层位和对潜在水源的利用比例不同,在地下水埋深较深的情况下,土壤水是它们的稳定水源。小半灌木的吸水层位小于灌木,径级小的灌木吸水层位小于径级大的灌木的吸水层位。吸水层位相近的植物对水源有一定的竞争现象,人工梭梭较野生梭梭更依赖灌溉水,对于幼龄人工梭梭,应注重日常水分的灌溉,使其正常生长,等梭梭根系发育庞大时,可降低灌溉水的频率,使其适应干旱的生态环境。本研究为矿区生态修复中植被的合理选择以及水分的合理灌溉提供了参考依据。
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