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。     

植物水分传输过程中的调控机制研究进展

农田土壤水分的转化利用与调控是以土壤-植物-大气连续体(SPAC)为基础,以植物为核心,其中水分在植物体内的传输与调控研究一直是国际学术研究的前沿性热点课题。本文概述了植物水分传输的驱动力和传输途径,重点从植物的气孔调节、水容调节、渗透调节、水孔蛋白调节、贮水调节、气穴和栓塞调节等方面综述了植物水分传输过程中的调控机制研究进展。通过对植物存在优化调控水分平衡的潜在能力的研究,不仅可充实SPAC系统水分传输理论,而且有助于明确植物对环境的适应机制和高效用水的潜力及其节水调控的效应,对指导干旱半干旱地区农业生产提供理论依据。     

土壤水分对黄土区苹果园土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水势梯度的影响

开展土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水势变化的联动分析对于揭示植物水分状况对环境变化的响应机制有重要意义。在黄土高原苹果园对果树生长季大气水势(Ψ_air)、木质部水势(Ψ_stem)、土壤水势(Ψ_soil)进行连续监测与分析。结果表明: 苹果树在生长季的日平均Ψ_stem为-0.57 MPa,在-0.24～-2.0 MPa间变化。苹果树SPAC连续体中水势梯度(Ψ_soilΨ_stemΨ_air)平均为1∶9.8∶1155,其中植-土界面的水势梯度(Ψ_stemΨ_soil)与土壤体积含水率(VWC)间呈极显著的线性正相关关系,Ψ_stem与Ψ_soil间呈良好的线性关系,且相关性强于Ψ_stem与Ψ_air间的相关性。当Ψ_soil<-0.08 MPa(VWC=17%,约为田间持水量的0.56倍)时,Ψ_stem对Ψ_soil变化响应的敏感性明显降低,气-植界面的水势梯度(Ψ_airΨ_stem)与Ψ_soil间由无明显关系转变为紧密的线性相关关系(R²=0.93)。Ψ_air对Ψ_stem的驱动存在阈值效应,在Ψ_air降到-69 MPa前,Ψ_stem日变化幅度随Ψ_air增加而增加,之后呈下降趋势。土壤含水率降低引起苹果树水势、SPAC各界面上的水势梯度明显下降,且在土壤含水率降至约17%时存在阈值效应。研究结果为理解树木水分状况对土壤、大气干旱的响应机制提供了重要依据。     

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。     

延安公路山辽东栎林优势植物水分适应性及适应类型分析

以陕西省延安公路山辽东栎林群落为对象,测定林内外不同状态下12种优势植物的水势日进程、自然饱和亏、临界饱和亏等水分利用参数,分析它们在林内和林外孤立木状态下的水分利用多样性和水分平衡策略,以揭示辽东栎群落水分利用多样性在群落持续发育中的作用.结果表明:(1)在林内或林外12种优势植物的水势日变化趋势基本一致,一天内每一时段物种间水势值跨度不同,林内种间水势跨度为0.85～1.93 Mpa,林外种间水势跨度为0.6～1.83Mpa;林内物种间日最低水势(-1.43～-3.05 Mpa)及临界饱和亏(63.12%～92.59%)变幅较大;各优势植物水势日进程与气象因子显著相关.(2)林内外各时段物种间水势跨度不同,14:00和17:00林外物种间水势跨度大于林内;12种植物的水势日变化与林内有显著差异(P<0.05),且在林内和林外环境下水分参数具有相似变化趋势.(3)根据黎明前水势、日最低水势、自然饱和亏、临界饱和亏将辽东栎林内12种优势植物水分利用策略聚类分为 4个水分适应类型,每个适应类型具有特殊的水分适应方式.可见,辽东栎群落内12种优势植物的水分利用参数及其对环境适应表现出多样性特点,为该群落持续发育奠定了基础.     

梨枣在果实生长期对土壤水势的响应

以4年生梨枣为试验材料,在果实生长期设置了4个土壤水势水平,研究不同处理梨枣茎秆直径生长、光合速率、蒸腾速率、叶片相对含水量以及果实数量对土壤水势的响应,探讨了梨枣果实生长期适宜的土壤水势范围。结果表明:1)在果实缓慢生长期,茎秆直径生长缓慢;土壤水势高于-84 kPa时能显著地降低落果率。2)果实快速生长期,茎秆直径日最大值和叶片相对含水量能反映梨枣的水分状况;适当的控制土壤水势能显著的提高叶片的水分利用效率;土壤水势高于-84 kPa时果实快速生长期出现坐果现象。3)果实生长期前期的土壤水势低至-461 kPa会影响果实生长期叶片的功能和后期的坐果。因此,梨枣果实生长期的适宜的土壤水势范围为-41—-84 kPa,提高了叶片水分利用效率,提高了单果重,不影响产量。     

提取方式对土壤和植物水分提取率的影响及其氢氧同位素分析

氢氧同位素示踪技术是研究土壤-作物-大气连续体(SPAC)水分循环的重要手段,而土壤水和作物水的提取方法是氢氧同位素研究最关键的一步。本文采用真空蒸馏和共沸蒸馏2种提取方法对不同含水量(35%、25%和15%)下的土壤(红粘土、红砂土和水稻土)和植物(橘树和水稻)茎叶的水分分别进行了提取,并对提取出的水分进行了氢氧稳定同位素的对比分析,旨在提出合适的提取方法。结果表明:真空蒸馏对土壤和植物水分提取率显著高于共沸蒸馏(P<0.001);土壤含水量和土壤类型对水分提取率影响不显著;而水稻水分提取率显著高于橘树(P<0.001),且叶的水分提取率显著高于茎(P<0.001)。真空蒸馏提取出土壤水分的δD和δ18O值与标准样的差异不显著,而共沸蒸馏下提取出土壤水分的δD与标准样差异显著(P<0.001),水稻叶和橘树叶的δD和δ18O值高于茎。研究表明,真空蒸馏比共沸蒸馏更适合土壤和植物水分的提取且其提取出的水分更能真实反映样品中氢氧同位素组成。     

土壤水分与温度共同作用对植物根系水分传导的效应

 本文根据不同大气环境温度和土壤温度及不同土壤含水率处理条件下的玉米、向日葵、台湾相思(Acacia confusa)、银合欢(Leucaena glauca)的试验资料，分析了土壤水分和温度以及土壤水分与温度共同作用对植物根系水分传导的效应。台湾相思和银合欢的试验结果表明，在一定的土壤水分范围内，高温(白天/夜晚的温度为40／30℃)环境中的根系水分传导大于低温(30/25℃)环境中的，但当根系水分胁迫十分严重(台湾相思根系水势小于-1.5MPa，银合欢根系水势小于-2.0MPa)时，30/25℃环境的根系水分传导反而大于40／30℃环境的；玉米、向日葵的试验结果表明，在一定土壤温度范围内，根系水分传导随土壤温度增加而增加，其增加的幅度与生育阶段有关；在向日葵生育期土壤温度高于35℃、玉米生育期高于30℃时，其根系水分传导随温度增加而降低。通过植物根区土壤逐渐干旱和干旱复水后的试验，其结果表明复水后根系水分传导上升较快，银合欢复水1.5d、向日葵复水3d后测得的根系水分传导即可达到受旱前的水平，其后的水分传导还略高于一直充分供水处理的，表明根系经受一定程度的干旱锻炼后，对其水分传导具有明显的补偿效应。在干旱和复水过程中根系水分传导与根水势的变化规律相一致。     

极端干旱条件下多年生植物水分关系参数变化特性

通过对生长在塔克拉玛干沙漠南缘极端干旱区野外生境条件下的4种多年生植物胡杨、柽柳、沙拐枣和骆驼刺的主要水分关系参数(P100为膨压最大时的渗透势;P0为膨压为零时的渗透势;emax为最大细胞弹性模量;RWCa为细胞在质壁分离点时的相对含水量)在植物生长周期内的变化特征进行了分析,结合对植物清晨水势和土壤含水率变化的系统进行测定。结果表明:4种植物在低水势下保持膨压能力大小的排序为柽柳>胡杨>骆驼刺>沙拐枣。4种植物应对水分胁迫的共同反应是在细胞出现质壁分离时,保持高的体内含水量;在耐旱机理上,沙拐枣和骆驼刺属于高水势延迟脱水类型,胡杨和柽柳属于低水势忍耐脱水类型;在植物生长期内,4种植物清晨水势的变化特征是,骆驼刺的清晨水势值最高,沙拐枣和胡杨的清晨水势值的季节变化较为稳定,柽柳的清晨水势值最低;植物清晨水势的变化趋势同其水分关系参数的变化特性基本一致;4种植物没有受到严重的水分胁迫,灌溉对植物水分关系参数变化的影响不显著;植物处并利用地下水来满足其生存和生长需求,维持地下水位的基本稳定,是保证多年生植物恢复重建的重要前提。     

基于SPAC系统干旱区水分循环和水分来源研究方法综述

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是研究植物水分利用与循环的核心,研究其水分传输过程对于旱区植被恢复具有重要指导意义.本文从土壤水分和植物蒸腾两个方面进行阐述,对土壤水分的研究主要涉及热惯量法、中子仪法和时域反射仪法,植物蒸腾则从枝叶尺度、单木尺度、林分尺度和区域尺度4个层面分类总结;并重点介绍了稳定同位素方法在研究植物不同水分来源中的应用.     

基于生态经济分区的土壤质量及其变化与农户行为分析

通过1980年土壤普查数据和1999～2000年土壤质量调查和地下水调查数据进行对比和空间计算,看出土壤质量变化在空间上存在较大的空间变异性;在综合自然、社会经济信息,对曲周县进行的生态经济综合分区基础上进行农户调查,对各分区土壤质量状况及其变化以及不同分区之间农户行为差异的分析表明：农户主要通过种植行为选择和经营投人和资源利用等行为对土壤质量和环境产生影响。不同类型农户在种植行为选择和经营投入上有较大差别．     

黑河地区绿洲生态条件下麦田生物气象若干特征

观测分析了ＨＥＩＦＥ地区绿洲中麦田的微气候特征,结果表明ＳＰＡＣ中水５势随高度呈显著梯度分布,在土壤－植物以及植物－大气界面,水势值存在两个大的跳跃;水势廓线存在明显的日变化;ＳＰＡＣ各部分水势变化的起伏顺序是大气〉植物〉土壤,说明水势变化受植物水分代谢进程直到气象因子的强烈影响和控制。冠层上方近地面风温湿的时间剖而显示出白天与夜晚相比,大气混合得较好。日出前则大气较为稳定。在典型晴天条件下,麦田     

Using stable hydrogen and oxygen isotopes to study water movement in soil-plant-atmosphere continuum at Poyang Lake wetland,China

Water movement in the soil-plant-atmosphere continuum (SPAC) has a significant effect on the biogeochemical process in wetlands. This study investigated the water movement in the SPAC in Poyang Lake wetland, which is a protected area with an important ecological function within the Yangtze River basin, under different water-level conditions by analyzing the responses of river, groundwater, soil and plants to precipitation using stable hydrogen and oxygen isotopes. The results show that the stable hydrogen and oxygen isotopic compositions (δ¹⁸O and δD) of soil water decrease with increasing depth due to the near surface evaporation. During the dry season the water-level in Poyang Lake is low, when it rains the influencing depth of precipitation and evaporation on soil water isotopic signatures was 20 cm below the ground surface. The rain water infiltrates into the soil, recharges groundwater and flows to the river. When the water-level in Poyang Lake is low, the Xiu River is recharged by the groundwater, which recharges the soil water by capillary rise. During the flood season, the water-level is high and the water in Poyang Lake reaches or covers the meadows, recharges the groundwater and soil water. In the meantime, the water in Poyang Lake can be recharged by rain water when it rains. During the dry season when it doesn’t rain, plants mainly use groundwater, but soil water is preferred and plants don’t use rainwater directly when it rains. When the lake water-level is extremely low, the plants in Poyang Lake wetland may suffer from water stress, which is harmful for plant growth.     

土壤-植物-大气连续体水流阻力分布规律的研究

本文依据田间实测资料,分析了土壤-植物-大气连续体水流阻力的相对重要性,结果表明在连续体中的水流阻力主要分布于从叶气孔腔到大气的扩散过程和根系的吸水过程。叶-气之间的水流阻力比土-根之间要大50倍。最后,讨论了控制连续体水流运动的气孔阻力的变化规律及其与环境因素之间的关系。     

丛枝真菌对互花米草和芦苇氮磷吸收的影响

互花米草(Spartina alterniflora Loisel.)是我国海滨盐沼的入侵植物,与土著种芦苇(Phragmites australis)形成了广泛的竞争;已知丛枝菌根(AMF)对不同植物的生长存在差异性影响;但其对互花米草与芦苇之间的种间关系,是否对互花米草入侵芦苇群体产生作用值得探讨.研究对两物种进行了丛枝菌根接种处理,种植模式处理和盐度处理的三因素实验.结果表明:盐度增加使得单种时芦苇、混种时互花米草的AMF侵染率显著下降(p<0.05),而混种时芦苇和单种时的互花米草AMF侵染率受盐度影响不显著(p>0.05).混种时,两种植物的丛枝菌根形成均受对方影响,并且盐度升高使两种植物之间对AMF侵染率的影响发生变化,在淡水生境下混种时,芦苇的AMF侵染率比单种时降低40.5%,互花米草的AMF侵染率比单种时提高了86.9%,均差异显著(p<0.05);在低盐度下混种时芦苇的AMF侵染率比单种时降低24.7%,差异显著(p<0.05),而对互花米草的影响不显著;在高盐度下混种对芦苇的AMF侵染率影响不显著,而使互花米草的AMF侵染率显著降低,降低率比例达78.7%.在淡水生境下,丛枝菌根对芦苇和互花米草的N、P吸收均有显著的促进作用;但是在咸水生境下生长时芦苇的N、P含量主要受盐度的显著影响(p<0.05),随盐度增加而增加;虽然在咸水生境下丛枝菌根仍旧促进芦苇的N、P吸收,但其影响远小于盐度的影响,并且促进效果受到盐度的抑制;但互花米草的N、P含量不受盐度影响.由此可见,接种AMF对这两种植物的氮磷吸收有着不同程度的促进,其作用大小与侵染程度有关,且受到盐度和种植模式的影响.     

基于稳定同位素的SPAC水碳拆分及耦合研究进展

土壤-植被-大气连续体(SPAC)是陆地水文学、生态学和全球变化领域的重要研究对象,其水碳循环过程及耦合机制是前沿性问题.稳定同位素技术示踪、整合和指示的特征有助于评估分析生态系统固碳和耗水情况.本文在简述稳定同位素应用原理和技术的基础上,重点阐释了基于稳定同位素光学技术的SPAC系统水碳交换研究进展,包括:在净碳通量中拆分光合与呼吸量,在蒸散通量中拆分蒸腾与蒸发量,以及在系统尺度上的水碳耦合研究.新兴的技术和方法实现了生态系统尺度上长期高频的同位素观测,但在测量精准度、生态系统呼吸拆分、非稳态模型适应性、尺度转换和水碳耦合机制等方面存在挑战.本文探讨了现有主要研究成果、局限性以及未来研究展望,以期对稳定同位素生态学领域的新研究和技术发展有所帮助.     

元阳梯田水源区旱冬瓜水分来源

旱冬瓜(Alnus nepalensis)是元阳梯田水源区的优势树种之一,其作为一种速生树种被发展为当地居民重要的薪炭林和经济林,树种的生长发育和地理分布受到水分制约,其吸收水分和水分利用的变化将会直接影响森林生态系统的水循环。该研究于2014年5－11月间进行,研究时段内累计降雨1262 mm,地下水δD 值在－71‰~－53‰范围,δ18 O 在－10.6‰~－7.0‰范围,受环境因子的影响很小,基本上保持常年稳定。土壤水是可供树种直接吸收利用的水源,基于氢氧稳定同位素技术,对比元阳梯田水源区旱冬瓜树种茎干水δD 和其林地不同深度土壤水δD 的同位素组成情况,结合不同深度土壤含水量,定性分析判断旱冬瓜对土壤水的利用,结果表明旱冬瓜旱季利用的土壤水主要分布在40 cm 土层附近,而雨季利用的土壤水范围较广,分布在0~60 cm 的土层。利用多元线性混合模型 IsoSource 软件定量分析旱冬瓜对土壤水和地下水的利用,结果表明：旱冬瓜水分来源分布较广,各土层土壤水和地下水均有贡献,雨季旱冬瓜主要利用0~60 cm 深土壤水,其中雨后旱冬瓜绝大部分水分来源于0~10 cm 的土壤水分,利用比例为66％~73％;其它时间主要利用40~60 cm 的土壤水,贡献率高达73％;旱季旱冬瓜的绝大部分水分来源于地下水,对地下水的利用比例为18％~68％,同时,40~60 cm 的土壤水也是其重要的水源。从不同时间尺度考察旱冬瓜对土壤水和浅层地下水的需求,更加准确地认识元阳梯田水源区不同森林类型优势树种的水分来源,为梯田森林生态系统经营与维护以及梯田的可持续发展提供了理论依据。