白杨树冠与根系对土壤水力特性的协同调控机制及其生态水文意义

本研究通过长期野外监测，揭示了白杨（Populus alba）树冠截留、蒸腾与根系吸水对土壤水力特性的协同作用。研究发现叶面积指数（LAI）和叶面接触角动态变化显著影响冠层截留率，根系活动通过改变孔隙度提升饱和导水率，而冠层截留则在高基质吸力（>60 kPa）下降低非饱和导水率。该研究为生态水文模型优化和植被恢复实践提供了理论支撑。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，植被如何通过地上与地下部分的协同作用调控土壤水文过程，成为生态水文学领域的关键科学问题。现有研究多孤立分析树冠或根系的影响，而忽视了二者在自然系统中的交互效应。尤其对于深根性乔木如白杨（Populus alba），其冠层截留能力随叶面接触角动态变化，根系分布又显著改变土壤结构，这种协同作用如何时空动态地影响土壤含水量、基质吸力和导水率，尚缺乏系统性研究。

为解决这一问题，中国的研究团队在山东大汶河冲积带开展为期一年的野外监测，结合气象数据、土壤物理参数和植物生理指标，首次量化了白杨树冠与根系对土壤水力特性的联合调控机制。研究发现，冠层截留率与叶面积指数（LAI）呈正相关，而叶面接触角在生长期从104.3°（正面）和125.8°（背面）分别降至75.1°和83.7°，显著提升截留效率。根系活动通过增加黏粒含量和孔隙度，使饱和导水率提高12.2%，但冠层截留会抑制非饱和导水率（>60 kPa条件下）。这些效应在6-10月高LAI期和150 cm土层内最为显著。该成果发表于《Rhizosphere》，为生态恢复中植被配置提供了精准调控依据。

关键技术方法
研究采用自动气象站（TH-X-QC6）监测气象参数，通过张力计和土壤水分传感器测定基质吸力与含水量，结合激光扫描量化叶面积指数（LAI），并利用接触角测量仪跟踪叶面润湿性变化。根系分布通过剖面取样与图像分析确定，土壤物理性质采用标准筛分法和压力膜仪测定。

研究结果

监测点与气候条件
实验位于山东大汶河冲积带（36°26'30"N, 117°33'49"E），监测期内日均温12.8°C，年降水743 mm，雨季（6-9月）占全年降水的68%。

土壤物理性质差异
根系密集区（T₁、T₂）黏粒含量较无植被区（T₁₅）提升4.9%（50 cm深度），砂粒减少12.2%，孔隙度增加19.3%，证实根系改良土壤结构的作用。

根系对土壤物理性质的影响
根系通过减少侵蚀、促进团聚体形成和分泌有机质，显著优化土壤渗透性。饱和导水率在根区提升1.5倍，且与根密度呈指数关系（R²=0.82）。

结论与意义
研究揭示了冠层-根系协同作用的阶段性规律：降雨初期冠层截留主导水分输入限制，而雨后蒸腾驱动的根系吸水加速土壤水分耗散（与LAI呈对数关系）。这种动态调控在深根乔木生态水文模型中常被简化，本研究通过建立LAI-土壤水力学参数的定量关系，填补了理论空白。实践层面，成果指导了黄河下游生态修复中乔木种植深度与密度的优化设计，尤其在季节性干旱区，可针对性利用高LAI期植被的持水-导水双效调控功能。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加非文献支持内容）