全球植物根系—土壤水耦合作用和根系形态特征
文献类型：学位论文
| 作者 | 朱昊阳 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 罗毅 |
| 关键词 | 植物功能型 根系分布 根系—土壤水耦合 生态水文 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 根系是植物的重要组成部分，是生态学研究的重要对象，也是生态系统和水文系统链接的关键部分。根系发育及其空间格局受植物的生物学特性，以及气候、土壤、水分和养分等环境条件的共同影响，同时也对水分养分循环乃至气候等产生反作用，形成了一系列复杂的相互作用机制，是生态学、水文学、气候变化研究的热点和难点。其中，根系和土壤水分的相互作用研究是重要的切入点。 鉴于根系测量面临的一系列困难，观测获取的根系数据十分有限，对根系形态、功能、空间格局及其与环境要素关系的认知仍然欠缺。根系生态学或者说根际生态学研究日渐成为生态学、生物学、水文学研究的热点，而根系形态是最基础性的问题之一。近二十年，特别是近十年以来，陆续有研究者尝试全球根系形态研究并取得一定进展。个别研究通过文献报道编撰基于观测的根系形态数据库成为研究全球根系形态的最可靠的数据基础，但是数据覆盖的区域、植物类型、根系取样深度、数据一致性方面存在诸多问题，仍然不能满足相关研究的需求；更多的研究基于根系层水量平衡反演根系深度，形成了几个主要的全球最大根系深度的数据产品供相关研究应用。不同数据产品之间表现出较大差异，究其原因主要在于反演方法中所做的一系列关于根系的过于简化的假定，尤其是忽略了在水分限制地区的根系—土壤水耦合作用机制在根系形态建造过程中的重要作用。另外，这些植物根系深度数据产品忽略了植物功能型间的差异，同时也并不提供吸水根系在土壤剖面的分布形态，严重限制了其在生态学、水文学方面的应用。 本文从植物根系—土壤水耦合作用模拟方法切入，开展了如下研究工作：（1）分析现有全球尺度根系深度产品及利用其模拟水文过程存在的不确定性和原因；（2）构建并发展了植物根系—土壤水耦合模拟方法并利用黄土高原人工林地植物—水分关系长期观测数据和不同气候类型区、植物功能型的FLUXNET站点数据对模拟方法进行参数化和验证，作为全球尺度陆地植物根系—土壤水耦合作用研究的工具；分析典型气候类型区、植物功能型的根系—土壤水耦合作用机制，作为全球尺度植物根系气候地带性格局研究的理论基础；（3）模拟全球尺度陆地植物根系—土壤水耦合作用，分析不同植物功能型根系形态特征及其气候地带性规律；取得如下成果。 （1）阐明了现有根系深度数据集的不确定性来源 从水文学的角度评估了RDKleidon_1998、RDKleidon_2004、RDSchenk_2009、RDYang_2016、RDFan_2017、RDLiu_2021和RDStocker_2023共计7个根系深度全球尺度栅格数据集，发现7套栅格数据集之间及其与观测数据集RSIP之间的根系深度存在显著差异，特别是在湿润地区（MC≥0.65）和干旱地区（0.05≤MC<0.2），其中MC为湿润指数。究其原因，根系深度栅格数据集在湿润区存在差异的原因在于数据集采用的水量平衡方法对水量平衡分量的过于粗略的处理；在干旱区的差异主要是因为反演方法中忽略了根系—土壤水耦合作用机制。 （2）实现了根系—土壤水耦合模拟方法的全球参数化 实现了基于管束理论建立的根系—土壤水耦合模拟方法的全球尺度参数化，给出了比根长SRL、根组织密度RTD、单位质量细根所需粗根截面积、单位质量根系含碳量等关键根系生长参数在不同植物功能型的参数值，为该模拟方法的推广应用提供了参考依据。 （3）阐明了代表性气候类型区和植物功能型的根系—土壤水耦合作用机制 阐明了黄土高原刺槐和油松人工林的根系—土壤水耦合特征，生长在深厚黄土的刺槐和基岩上覆浅表土壤上的油松的根系形态发育表现出明显的差异；前者根系深度主要受干物质投入与根系吸水效益权衡机制的约束，而后者主要受基岩限制。 阐明了FLUXNET站点代表的不同气候类型区和植物功能型根系—土壤水耦合作用机制。干物质投入和根系吸水效应权衡是生长发育的主要作用机制；在半干旱、干旱区，根系向纵深发展，能达到很大的深度；而在极端干旱区，由于深层土壤水资源欠缺，根系反而横向发展适应降水入渗条件。在湿润地区，水分不是限制因素，根系主要发挥支撑作用。 （4）解析了全球尺度植物功能型根系分布特征并阐明其气候地带性格局 不同植物功能型的根系深度、50%根系所在深度D50和根系剖面分布形状系数c表现出显著差异，乔木>灌木>草本、热带>温带>寒带。全球范围内，乔最大根系深度均值为183 cm（在不同温度带的均值的波动范围为109—297 cm），D50均值为59 cm（在不同温度带的均值的波动范围为51—72 cm），c均值为-2.13（在不同温度带的均值的波动范围为-2.27—-1.96）；灌最大根系深度为157 cm（94—219 cm），D50为54 cm（43—65 cm），c为-2.32（-2.55—-2.08）；草最大根系深度为102 cm（26—178 cm），D50为42 cm（19—65 cm），c为-3.53（-5.47—-3.25）。根系深度、D50与c值在不同植物功能型之间的变化趋势相同，反映了根系深度与根系垂直剖面分布的协同变化关系。 根系形态特征参数，最大深度、D50和c，的气候地带性规律。用季节水热不同步指数SP、降水量年际变异系数Pinter、多年平均湿润指数MC描述气候特征，研究发现根系形态特征参数—气候指标曲线均呈单峰分布。不同功能型植物最大根系深度和D50峰值对应MC 0.34—0.73，SP 0.17—0.29，Pinter 12.2—20.5%；c的峰值区对应MC 0.58—1.02，SP 0.13—0.20，Pinter 13.1—21.1%，三个气候指标对应区域都指向水分限制地区。不同植物功能型根系形态特征参数峰值位置又不相同，原因在于不同功能型具有不同的水分利用策略和抵御干旱的能力。峰值位置与最大根系深度关联：根系深度越大、D50和c越大、吸水根系越向深层土壤延伸，抗旱能力越强。 （5）形成了一套全球尺度0.25×0.25的植物根系形态和生物量数据产品 本文通过全球陆地植被根系—土壤水耦合作用模拟，构建了0.25×0.25网格单元内，7个气候带和植物类型组合（乔，热带、乔，温带、乔，寒带、灌，温带/热带、灌，寒带、草，温带/热带、草，寒带）的根系形态数据集。数据集包括根系形态特征参数（最大根系深度、50%根系深度、根系剖面分布函数形状系数c），以及根系生物量碳密度等信息，提供了比现行的7套根系深度数据集更加丰富的根系形态学信息，在生态学、水文学领域有更广泛的应用前景。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 195 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217299]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 朱昊阳. 全球植物根系—土壤水耦合作用和根系形态特征[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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