避雨环境下苹果幼树水分状态指标对干旱胁迫的响应

在避雨环境下进行土壤水势渐进式下降处理,研究了苹果树体水分状态指标对土壤干旱胁迫响应的敏感性,分析了不同水分状态指标与树体水分平衡之间的关系.结果表明: 树干直径日较差(MDS)及中午树干水势(Ψ_stem)对干旱胁迫最敏感.MDS对参考蒸散(ET₀)有明显的响应,且对干旱胁迫比较敏感,与ET₀呈显著正相关,相对树干直径日较差(MDS_r)与相对土壤水势(Ψ_{r soil})呈显著负相关,树干直径可实现连续性测量及自动化记录.Ψ_stem对土壤干旱胁迫较敏感,且与ET₀呈显著负相关,相对中午树干水势(Ψ_{r stem})与Ψ_{r soil}呈显著相关,目前叶水势和树干水势难以实现自动化连续性观测.其他树体水分状态指标,如黎明前叶水势(Ψ_pd)、树干直径日生长量(DG)和气孔导度(g_s)等对中度或重度干旱胁迫也有不同程度的响应,但总体上对土壤水势变化的响应不敏感.     

亚热带地区常绿阔叶林SPAC系统水分的氢氧稳定同位素特征

森林的土壤-植物-大气连续体(SPAC)是陆地重要的水循环连续界面过程。本研究通过分析亚热带常绿阔叶林的降水、大气水汽、土壤水、叶片水的同位素组成,探讨森林SPAC系统水分的氢氧同位素组成特征以及植物蒸腾与叶片性状和环境因子的关系。结果表明: 研究区大气降水、土壤水、竹柏枝条水、竹柏叶片水和大气水汽的δD-δ¹⁸O线性回归方程分别为: δD_P=7.97δ¹⁸O_P+12.68(R²=0.97)、δD_S=4.29δ¹⁸O_S-18.62(R²=0.81)、δD_B=3.31δ¹⁸O_B-29.73(R²=0.49)、δD_L=1.49δ¹⁸O_L-10.09(R²=0.81)、δD_V=3.89δ¹⁸O_V-51.29(R²=0.46)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集,而从土壤蒸发和从植物蒸腾的水汽同位素贫化。在降水和蒸发作用的影响下,土壤水同位素随深度增加有贫化的趋势,而且整体上旱季土壤水同位素比雨季富集。观测期间,枝条水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内运输过程中存在受到蒸腾富集作用的可能性。旱季,乔木的枝条水同位素比灌木贫化,说明根系分布更深的乔木植物更倾向于利用深层土壤水。由于在叶片性状、蒸腾速率以及对环境因子的响应程度等方面存在差异,不同植物的叶片水同位素组成随叶龄增长的变化特征有所不同。雨季的环境条件更有利于叶片蒸腾,使雨季的叶片水同位素比旱季富集。叶片水同位素组成与植物叶片含水量呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系,综合反映了植物应对环境变化的水分调控功能。     

典型林区水分氢氧稳定同位素在土壤-植物-大气连续体中的分布特征

土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水循环是水文学和生态学研究的重要内容,氢氧稳定同位素在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程。本研究通过分析成都平原区亚热带常绿阔叶林中降水、土壤水、植物水的同位素组成,探讨SPAC系统中水分的氢氧稳定同位素演化特征,揭示区域水循环不同界面过程。结果表明: 研究区雨季大气降水线方程为: δD=7.13δ¹⁸O+2.35(R²=0.99),土壤蒸发线方程为: δD=6.98δ¹⁸O-0.32(R²=0.92)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集。浅层土壤(0～35 cm)水δ¹⁸O受降水的直接影响,响应关系明显,中深层土壤(35～100 cm)水则相对稳定。观测期间,植物木质部水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内输送过程中可能通过韧皮部或树皮发生轻微蒸发或蒸腾。采用直接相关法初步估计植物对不同土层土壤水的利用情况,樟树主要利用中层土壤水,构树主要利用浅层土壤水,金星蕨因根系分布浅更倾向于利用浅层土壤水和植物截留的降水。与金星蕨相比,樟树和构树的叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强。     

油松人工林SPAC水势梯度时空变化规律及其对边材液流传输的影响

 利用热扩散式边材液流茎流探针（TDP）和微型自动气象站组成的测定系统于2001年4月在北京林业大学妙峰山教学实验林场（39°54′N,116°28′E）对低山油松（Pinus tabulaeformis）人工林土壤-植物-大气体（SPAC）界面水势梯度及油松木质部边材液流传输速率的时空变化规律及其相关因子进行了连续测定。土壤水势随深度下降逐渐升高,日周期波动幅度减小,灌水后上层土壤水势迅速提高,但随着水分扩散和林地持续蒸散,土壤湿度迅速下降并逐渐与对照趋同;叶片水势连日逐渐降低,灌水后水势较对照有一定程度提高;林冠不同层次叶片水势在日周期内不同时间差异显著,但同一层次之间差异不明显;油松人工林土壤、叶片、大气水势梯度比约为1∶5∶30,灌水后SPAC相临界面水势差增大,水势梯度提高至1∶15∶90。大气水分饱和亏缺与土壤水势和叶片水势、以及土壤水势与叶片水势之间均有极显著相关性。干旱春季灌溉对油松木质部边材液流时空波动产生很大影响,灌水后连日树干上位边材液流峰值出现时间推迟1 h,连日平均液流速率提高48.59%,连日平均最大液流速率提高25.12%。木质部边材液流速率日变化和连日变化与SPAC水势和气象因子如空气相对湿度、空气温度、太阳辐射强度密切相关。与对照相比,灌水后边材液流速率与SPAC各介质水势和界面水势差的相关性下降。     

玉米生育期土壤-植物-大气连续体水流阻力与水势的分布

根据玉米生育期的田间试验资料分析了土壤-植物-大气连续体中水势和水流阻力的分布,结果表明土壤与植物叶片之间的水势差在玉米抽雄期前达0.8—1.0MPa,到抽雄期以后达1.0—1.5MPa,叶片与大气之间的水势差则在抽雄期前后分别达80—120MPa和60—80MPa;连续体内的水流阻力主要在叶片与大气之间.建立了连续体中玉米叶片水势的动态模拟公式,模拟叶水势具有较高的精度.最后,揭示了叶片蒸腾速率与叶-气系统水势差和水流阻力的关系,当叶片与大气之间的水势差达90—100MPa之后,蒸腾速率随叶-气间水势差增加而减小.     

土壤水势对水曲柳幼苗水分生态的影响

采用根区渗灌控水技术,将土壤水势长期控制在0～-20kPa(W₁)、-20～-40kPa(W₂)、-40～-60kPa(W₃)、-60～-80kPa(W₄)、-80～-160kPa(W₅)范围内,系统地研究了不同土壤水势条件下水曲柳幼苗的蒸腾过程、吸水过程、根叶水势日动态过程及SPAC体系的水流阻力.结果表明,在亚饱和土壤水分状态下(W₁),细根水势最高,水分由土壤进入细根的阻力最小,根系吸水速率最高,从而支持了日间强烈的蒸腾作用.在田间持水量土壤水分状态下(W₂),细根吸水阻力成倍增加,吸水速率和蒸腾速率显著下降,但尚未改变蒸腾作用日动态过程的单峰模式.当土壤水分在田间持水量状态以下(W₃～W₅)时,随着土壤水势递降,细根吸水阻力急剧增加至几倍乃至几十倍,根系吸水速率过低,吸水与蒸腾矛盾加剧,叶水势降至很低,气孔关闭,蒸腾作用受到严重抑制,呈现明显的午休低谷.在实验范围内(0～-160kPa),土壤水分对水曲柳幼苗是非等效的,当土壤水分在田间持水量状态以下(<-40kPa)时,水曲柳全光苗发生显著的水分胁迫.     

美国海滨桤木和薄叶桤木水分生理特性的比较

采取盆栽、人工控水的方式, 研究并比较了美国本土海滨桤木(Alnus maritima)和薄叶桤木(A. incana)的气孔导度(G_s)、叶片水势(ψ_leaf)以及渗透调节能力对土壤水分条件的响应, 以探讨引起两种桤木生态分布差异巨大的生理生态原因。结果表明: 1)正常水分条件下, 海滨桤木的G_s低于薄叶桤木, 其与大气温度、相对湿度和水蒸气亏缺等气象因子的相关性低于薄叶桤木; 干旱胁迫下, 海滨桤木的G_s对其自身ψ_leaf下降信号的敏感度低于薄叶桤木; 复水后, 其G_s恢复更为缓慢。2)正常水分条件下, 海滨桤木的ψ_leaf高于薄叶桤木, 且引起气孔关闭的ψ_leaf临界值较高; 干旱胁迫下, 海滨桤木的ψ_leaf下降幅度高于薄叶桤木。3)正常水分条件下, 海滨桤木和薄叶桤木的渗透调节能力无显著差异; 干旱胁迫下, 尽管两种桤木均表现出饱和状态渗透势(ψ_s^sat)下降、膨压与水势关系的最大变化率降低、初始失膨点渗透势(ψ_s^tlp)增加、细胞渗透调节能力范围(ψ_s^sat-ψ_s^tlp, Dψ_s)减小的趋势, 但与薄叶桤木相比, 海滨桤木的ψ_s^tlp较高, Dψ_s较小。从以上生理生态指标可以看出, 较高的叶片水势、较低的气孔调节能力、干旱下较低的渗透调节能力是造成海滨桤木分布范围狭小的重要原因。     

不同肥力水平农田生态系统SPAC水分状态及能量特征

通过对农田生态系统土壤 -植物 -大气连续体系 (SPAC)水分、温度等昼夜观测 ,确定温度是影响 SPAC水分能量的重要因素 ,土壤水势呈现温度正效应 ,植物、大气水势呈现温度负效应。温度与土壤 -植物间水势差 (ψS- P)和植物 -大气间水势差 (ψP- A)呈正相关。农田生态系统 SPAC水分热力学函数研究得出 ,不论高、低肥区 ,冬小麦在不同生长发育时期 ,水分的相对偏摩尔自由能 (ΔG)均为土壤 >植物 >大气 ;水分相对偏摩尔熵 (ΔS)、焓 (ΔH)均为大气 >植物 >土壤 ;冬小麦在拔节期和扬花期 ,土壤水 ΔG皆为高肥区 <低肥区 ;植物水分 ΔG拔节期为高肥区 >低肥区 ,扬花期相反为高肥区 <低肥区 ;两个生育期大气水分 ΔG均为高肥区 >低肥区。在拔节期土壤 -植物间水分的 ΔG差值 (ΔGS- P=ΔGS-ΔGP)、植物 -大气间水分ΔG差值 (ΔGP- A=ΔGP-ΔGA)均为高肥区 <低肥区 ,扬花期ΔGS- P为高肥区 >低肥区 ,而ΔGP- A为高肥区 <低肥区。     

芝麻与花生间作对芝麻功能叶光合荧光特性的影响

为了明确芝麻与花生间作提高芝麻产量的光合机理,于2017—2018年设芝麻与花生3∶6间作(IC 3∶6)、2∶4间作(IC 2∶4)、芝麻单作(SS)、花生单作(SP) 4个处理,研究了间作对芝麻功能叶气体交换参数、光合-光强和光合-CO₂响应曲线、快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的影响.结果表明:间作芝麻产量的偏土地当量比大于1/3;与单作芝麻相比,芝麻与花生间作提高了芝麻功能叶的光饱和点(I_sat)、光饱和时的净光合速率(P_{n max})、最大电子传递速率(J_max)、磷酸丙糖利用率(TPU)、Rubisco最大羧化速率(V_{c max});提高了单位面积吸收(ABS/CS_o)、捕获(TR_o/CS_o)和电子传递(ET_o/CS_o)的能量、反应中心的数目(RC/CS_m)和传递到PSⅠ末端的量子产额(RE_o/CS_o);降低了可变荧光F_k占F_j-F_o振幅的比例(W_k)和可变荧光F_j占F_p-F_o振幅的比例(V_j),提高了PSⅡ反应中心捕获光能转化为电能的效率(Ψ_o)、PSⅡ将电子传递到PSⅠ受体侧末端的效率(Ψ_Ro)、电子传递链的电子传递效率(δ_R)、PSⅠ光化学活性(ΔI/I_o)和光系统间协调性(Φ_PSⅠ/PSⅡ).IC 3∶6下芝麻功能叶的净光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)、蒸腾速率(T_r)、P_{n max}、J_max、V_{c max}、TPU、Ψ_o、Ψ_Ro和δ_R均高于IC 2∶4,其中P_n、g_s和T_r差异显著.这说明间作芝麻具有明显产量间作优势关键在于间作能促进其功能叶对光能的吸收、传递与转化,提高电子传递链性能,增强PSⅠ、PSⅡ性能和两者间协调性及CO₂羧化固定能力,从而提高净光合速率,其中IC 3∶6优于IC 2∶4.     

荒漠植物蒙古扁桃水分生理特征

蒙古扁桃(Prunus mongolica)是荒漠区和荒漠草原的水土保持植物和景观植物,是蒙古高原古老残遗植物,对其深入研究对于了解蒙古高原植被演替以及对当地生态环境的稳定和恢复有着重要意义。该实验采用PV技术和自然脱水法探讨了蒙古扁桃的水分生理特性。结果表明:在自然状态下,蒙古扁桃幼苗叶片的相对含水量为69%,饱和含水量为117%,临界饱和亏为48%,水势为-0.85 MPa。经 5% PEG-Hoagland (-0.46 MPa)干旱胁迫处理3 d后,其相对含水量、临界含水量和水势分别下降到48%、39%和 -1.97 MPa,而饱和含水量和束缚水与自由水比值分别增加到187%和11.94。对失水率分析的结果表明:在正常水分状态下,蒙古扁桃幼苗经102 h自然脱水后失水达到平衡,而经过干旱胁迫处理3 d后,其失水率曲线斜率变小,失水过程明显减缓,失水最终达到平衡的时间延长到152 h,其保水能力显著提高。将旱生植物蒙古扁桃的失水率曲线与中旱生植物长柄扁桃(P. pedunculata)的失水率曲线相比较发现,蒙古扁桃的耐脱水能力明显强于中旱生植物长柄扁桃。PV曲线(Pressure-volume curve)分析结果表明: 蒙古扁桃饱和含水量渗透势(Ψπ¹⁰⁰)和零膨压渗透势 (Ψπ⁰)很低,分别为-2.49 MPa和-3.11 MPa,而Ψπ¹⁰⁰和Ψπ⁰差值较大(0.62 MPa),表明其维持膨压的能力很强。其细胞壁弹性模量值低(4.18 MPa)进一步表明,蒙古扁桃具有很强的膨压调节能力。蒙古扁桃幼苗失去膨压时的渗透含水量(ROWC^tlp)为80%,这是其细胞壁特性所决定的渗透调节能力的基础。蒙古扁桃质外体含水量(AWC, %)较高(79%),因而具有较高的束缚水与自由水比值(7.76),这是其耐脱水性的生理基础。总之,蒙古扁桃叶水势、渗透势低有利于其根部对深层土壤水分的吸收,而较高的束缚水与自由水比值及较低的细胞壁弹性模量是其耐脱水的生理基础。     

六盘山南侧华北落叶松人工林冠层蒸腾及其影响因子的坡位差异

2014年5—10月,在宁夏六盘山香水河小流域选择了一个东南坡向的典型华北落叶松人工林坡面,设立上、中上、中、中下、下5个坡位的样地(P_1、P_2、P_3、P_4、P_5),利用热扩散探针法监测树干液流,并同步监测气象、土壤水势等环境因子.结果表明:研究期间林分日蒸腾(T_r,mm·d^-1)存在显著的坡位差异,不同坡位T_r为:P_2(0.975)>P_4(0.876)>P_3(0.726)>P_1(0.653)>P_5(0.628).T_r与日最高气温(T_max)、日均太阳辐射强度(SR)、日均饱和水汽压差(VPD)、日潜在蒸散(PET)、日均土壤水势(Ψ)呈显著正相关,与日均大气相对湿度(RH)、日降水量(P)、日最低气温(T_min)呈显著负相关.基于边界线的斜率绝对值分析表明,从坡上到坡下,T_r对日均气温(T)、RH、VPD、PET和Ψ的响应呈现逐渐减小的趋势,而对SR、土壤体积含水量(VSM)的响应程度则逐渐增大.进一步回归分析和偏相关分析表明,VPD、PET和RH对不同坡位T_r的影响均占主导地位,Ψ和T对上坡样地T_r影响较大,而下坡样地T_r受SR、T_min和VSM的影响较大.总体来看,T_r的坡位差异是土壤水分和气象条件共同作用的结果,在利用特定观测样地的液流速率尺度外推计算坡面T_r时,需同时考虑土壤水分和气象因子随坡位的变化.     

北京土石山区水分在土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的稳定同位素特征

氢氧稳定同位素是广泛存在于自然界水体中的环境同位素,其在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程及植物用水机制.本研究在北京山区选取了两种主要的绿化树种——常绿针叶林侧柏和落叶阔叶林栓皮栎为研究对象,通过对降水、土壤水、泉水、植物茎干水和叶片水同位素的变化特征进行分析,讨论了水分在大气-土壤-植物连续体中的运动过程.结果表明: 研究区大气降水线方程为δD=7.17δ¹⁸O+1.45(R²=0.93), 土壤蒸发线方程为δD=3.85δ¹⁸O-38.02(R²=0.76), 降水入渗补给土壤水的过程中存在一定程度的蒸发分馏.在不同季节,降水、土壤水和泉水δD和δ¹⁸O值变化规律不同;雨季,δD和δ¹⁸O平均值大小为降水>地下水>土壤水,降水和土壤水共同补充地下水;旱季,δD和δ¹⁸O值大小排序为降水> 土壤水>地下水,降水和地下水都对土壤水有贡献.侧柏和栓皮栎年内茎干水分δD和δ¹⁸O的拟合线性方程分别为δD=5.03δ¹⁸O-30.78 和δD=3.0δ¹⁸O-48.92,栓皮栎利用的土壤水分相对于侧柏更加富集,其水分来源深度更浅.栓皮栎叶片水分同位素变化特征相对于侧柏对大气微环境的反应更加敏感,且其叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强,但是它们对环境条件的变化反应一致.     

植物水分来源稳定氢氧同位素偏移研究进展

稳定氢氧同位素技术能有效计算植物根系水分吸收量,确定植物水分来源贡献,评估植物水分利用策略,是生态水文学探究大气-植被-土壤系统水分传输过程机制的有效工具。然而土壤与木质部水稳定氢氧同位素比值(δ²H和δ¹⁸O)偏移造成植物水分来源贡献率计算偏差,引起氢氧同位素结果差异的原因尚不明晰。该文首先简要介绍氢氧稳定同位素比值偏移现象,其次沿水分在土壤-植物-大气连续体中的传输路径构建梳理框架,系统阐述了3个界面(植物-大气界面、土壤-大气界面和根系-土壤界面)与2个空间(植物体和土壤层)中引起δ²H与δ¹⁸O偏移的自然效应,同时概述了土壤与木质部样品提取与测定技术中引起δ²H与δ¹⁸O偏差的人为效应。最后,根据现有研究进展提出主要问题,从获取同位素时空数据,微尺度同位素偏移原因,提取与测定技术的优化三方面指出未来的发展方向。     

浅层地下水对华北地区河岸杨树林树干液流的影响

华北地区河岸杨树林生长季的用水特征对杨树人工林经营管理具有重要意义.本文以北京市潮白河畔的杨树人工林为研究对象,采用热扩散式探针(TDP)测定树干液流、管式TDR土壤含水量法测定土壤体积含水量、开路涡度相关系统测定环境因子数据,对2014年6—7月的杨树树干液流及其影响因素进行系统研究,以探究浅层地下水对树干液流的可能影响.结果表明: 杨树树干液流日变化随太阳辐射呈现单峰或双峰变化,在土壤水分相对亏缺时,杨树树干液流密度明显减小,达到峰值的时间从14:00提前到12:30,但树干液流对太阳辐射的时滞效应没有明显变化.在表层土壤水分相对充足时,太阳辐射和空气饱和水汽压差是杨树树干液流变化的主导因子,但在表层土壤水分亏缺时,土壤水会成为杨树树干液流的限制因子;当表层土壤水分相对亏缺时,杨树单株耗水与100 cm土层土壤体积含水量呈显著负相关,与其余各土层体积含水量呈显著正相关.浅层地下水(相对稳定的150 cm及更深处)在土壤表层土壤水分含量相对亏缺时,可在毛管力作用下对上层土壤水进行补充,供给杨树生长需要.     

宁夏盐池不同坡位旱地紫苜蓿水分来源

紫苜蓿(Medicago sativa)是一种经济和生态价值较高的优良牧草, 但其耗水量大, 在西北半干旱地区仅靠天然降水难以满足紫苜蓿的正常生长发育。宁夏盐池北部地处毛乌素沙地南缘, 地下水埋深较浅, 地下水有可能成为紫苜蓿的潜在水源, 弥补天然降水的不足。本试验在地势平坦的缓坡丘陵梁地和丘间低地, 选择8年生旱地紫苜蓿试验地作为研究对象, 采用稳定同位素技术, 研究了不同海拔的4个坡位(海拔自低到高分别为: 坡1、坡2、坡3和坡4)紫苜蓿的水分来源及其生长生理表现。结果表明: 坡位对0-300 cm土壤剖面含水量有显著影响, 海拔最低的坡1土壤含水量最高。土壤水和植物茎秆水δ ¹⁸O-δD坐标点大部分位于中国西北地区地方大气降水线(LMWL)的右侧, 说明植物利用的水源氢氧同位素组成受到蒸发的影响而发生了富集作用。0-450 cm土壤剖面水δ ¹⁸O值随着海拔高度的增加而增大。同一坡位土壤水δ ¹⁸O值随着土壤深度的增加逐渐下降。深层土壤水δ ¹⁸O值与地下水δ ¹⁸O相近, 说明地下水通过土壤毛细管上升而补充其上层土壤水分。0-40 cm土壤水δ ¹⁸O值随季节波动较大, 270 cm以下土壤水δ ¹⁸O值较为稳定。4、7、8月份坡1紫苜蓿茎秆水δ ¹⁸O值显著低于其他3个坡位(p < 0.001)。在4、6、7三个月, 坡位1紫苜蓿对深层土壤水(270 cm以下)的利用率最高。而在8月份, 坡1、坡3、坡4紫苜蓿主要利用150-270 cm、270-450 cm土层土壤水以及地下水, 坡2对表层(0-20 cm)土壤水利用率最高。坡1紫苜蓿的产量、整株Δ ¹³C值及气孔导度显著高于其他3个坡位。本研究表明: 在平均年降水量只有280 mm的西北半干旱地区种植旱地紫苜蓿要尽量选择地势较低的滩地, 使其能够利用到埋深较浅地下水, 以满足植物生长发育的需要并取得较好的生态和经济效益。