Characteristics of evapotranspiration in planted shrub communities in desert steppe zone based on sap flow and lysimeter methods

中国西北地区通过大量种植中间锦鸡儿(Caragana liouana)进行生态治理, 在荒漠草原带上形成人工灌丛景观, 改变了生态系统的结构和功能, 影响到地-气水汽循环过程, 研究该人工灌丛群落的蒸散特征, 对揭示其生态水文效应和指导地方生态治理实践具有重要意义。该文以宁夏盐池荒漠草原带上的人工灌丛群落为例, 利用茎流-蒸渗仪法测定了2018年5-8月的灌木蒸腾和丛下蒸散, 并分析了环境因子对人工灌丛群落蒸散的影响。结果表明: (1)茎流-蒸渗仪法所测的群落蒸散与水量平衡法、涡度相关法得到的群落蒸散有较好的一致性, 茎流-蒸渗仪法能适用于荒漠草原带人工灌丛群落蒸散及其组分结构的测定; (2)观测期内晴天的灌木蒸腾速率和丛下蒸散速率日变化趋势相近, 均为单峰曲线, 群落蒸散主要发生在日间, 但灌丛最大蒸腾速率的出现时间比丛下蒸散最大速率的出现时间晚1 h; (3) 5-8月间灌木累积蒸腾为83.6 mm, 日平均蒸腾量为0.7 mm·d^-1, 季节变化呈抛物线状; 同期丛下累积蒸散为182.5 mm, 日平均蒸散量为1.5 mm·d^-1; 丛下蒸散明显大于灌木蒸腾; (4)观测期间人工灌丛群落累积蒸散266.1 mm, 而同期的降水量为222.6 mm, 陆面水分收支处于亏缺状态; (5)净辐射是影响蒸散最主要、最直接的驱动因素, 且能够影响其他因子进而对人工灌丛群落蒸散产生作用。综上, 人工灌丛引发荒漠草原地带陆面水分收支亏缺的现象, 在生态恢复与重建中须引起注意。     

荒漠草原人工灌丛化对蒸散发及其组分的影响——以盐池县为例

我国西北防沙治沙工程中大量的种植中间锦鸡儿(Caragana intermedia)会导致荒漠草原发生灌丛化现象,研究人工灌丛化对荒漠草原蒸散发的影响,不仅能够揭示半干旱区人为活动对生态系统水循环的影响机理,还可以指导区域生态治理实践。以宁夏盐池县荒漠草原为例,基于植被的生理生态参数和荒漠草原水热条件,采用生物地球化学模型(Biome Bio-Geochemical Cycles,Biome-BGC)和地球呼吸系统模拟模型(Breathing Earth System Simulator,BESS)结合的方法,模拟荒漠草原生态系统人工灌丛引入前后蒸散发及其组分的变化,定量研究荒漠草原人工灌丛化对区域生态水文循环中蒸散发的影响。结果表明,人工灌丛的引入使植被结构及特征发生了变化,叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)年最大值由0.20增加为0.67,改变了植被年内与年际变化特征。荒漠草原人工灌丛化后,生态系统年均蒸散发由251.74 mm增加到了281.42 mm;人工灌丛化对生长季的蒸散发增强明显,8月蒸散发峰值时,日均蒸散发由1.27 mm/d增加到1.56 mm/d。灌丛化过程使生态系统蒸腾量平均增加了1.35倍,蒸发量增加了1.06倍,改变了生态系统蒸散发的组分结构,导致蒸发比例降低、蒸腾比例增高。由此可知,荒漠草原在防沙治沙和生态治理中大量种植灌木的现象,加大了区域生态系统的蒸散发,并改变了水分耗散结构,从而对生态系统地气水汽交换有较大影响,研究结论对荒漠草原生态治理及未来的植被重建有一定的借鉴意义。     

六盘山辽东栎、少脉椴天然次生林夏季蒸散研究

2004年8～9月份,利用热扩散技术,结合微型蒸渗仪和水文学方法,研究了辽东栎、少脉椴次生林蒸散组成及其与林分结构的关系.结果表明,辽东栎和少脉椴树干的液流密度在"相对静止期"内比较稳定和微弱,其值在0.05μl·cm^-2·min^-1以下;在"活跃期"内树干液流密度上升较快,并呈单峰、双峰或多峰曲线,其值在0.25μl·cm^-2·min^-1以下;两树种单株蒸腾量有明显的种间差异,前者晴天和阴雨天单株蒸腾量分别为5.31和2.48 L·d^-1,为后者的2.3倍和3.75倍.林下灰_栒子和黄刺玫蒸腾速率日均值接近,分别为0.331和0.321 g·g^-1·h^-1.次生林日均蒸散量1.4 mm·d^-1,其中蒸腾量0.72 mm·d^-1、土壤蒸发量0.19 mm·d^-1、林冠截留量0.4 mm·d^-1,各占总量的49.6%、13.3%和37.1%.乔、灌木树种组成对次生林蒸腾量影响的表现不同,前者表现为个体蒸腾量的种间差异,而后者取决于单位林地面积上各树种的叶量.乔木层、灌木层和草本层(含土壤层)日均蒸散量分别为0.96、0.30和0.19 mm·d^-1,各占总量的65.8%、20.9%和13.3%,说明乔木层对林分日蒸散量大小起主要作用,灌木层次之,草本和土壤蒸发量的贡献最小.     

荒漠草原不同植物群落蒸散组分特征及其环境因子影响分析

蒸散发是生态水文过程的关键环节,掌握蒸散组分的变化特征及其影响因子,对干旱半干旱地区的可持续发展至关重要。以荒漠草原多年生植物针茅群落和一年生植物猪毛蒿群落为研究对象,利用小型蒸渗仪开展了连续3年监测,分析了蒸散组分的日、月和年变化规律,探讨了影响蒸散组分的主要环境因子。结果表明：晴天时,多年生和一年生植物群落蒸散组分呈先增加后减小的抛物线型,夜间蒸散活动较弱,累积蒸散量较低,不足全天总累积蒸散量的20%;阴天时各蒸散组分无明显峰值,且日累积量均较小,一年生和多年生植物群落的蒸散量、蒸发量和蒸腾量无显著差异;10.64 mm/d及以上降雨对蒸散和蒸发的日变化具有明显影响,随着降雨量的增多,蒸散量和蒸发量也呈增大趋势,但蒸腾量则相对较小。从月动态来看,7—9月占全年蒸散量和蒸发量的一半左右,冬春季蒸散量和蒸发量维持在全年最低水平。年蒸散量与年降雨量接近,而蒸腾量占蒸散量的比例低于10%。总体来看,多年生植物群落蒸散量较一年生植物群落多。采用Mantel检验方法分析不同时间尺度影响蒸散组分的主要气候因素,在小时尺度上太阳辐射与蒸发量和蒸腾量显著性水平较高(P<0.01),但相关性较低...     

沙漠人工植被区的蒸发蒸腾

研究于2003年6月至8月在沙坡头沙漠试验研究站的水分平衡观测场进行。利用微型蒸渗仪结合大型称重式土壤蒸渗仪测定了流沙、油蒿(A rtem isia ord osica)和柠条(C arag ana korsh insk ii)3类样地的土壤蒸发;油蒿和柠条的蒸腾利用表面覆盖油毡的大型非称重式蒸渗池和气孔计测定;同时对降水量、流沙渗漏量、0~200cm土层的土壤含水量进行了观测。结果表明:在沙漠人工植被区由于植被比较稀疏,土壤蒸发不受植株遮阴的影响,但不同样地的蒸发量是有差异的,样地和位置间的互作效应差异不显著;在沙漠区有很大比例的蒸发发生在稀少的降水事件之后。气孔计测定的蒸腾速率经单位换算统一,用多项式拟合得到日变化曲线均达到显著水平(p<0.05);将蒸渗池和气孔计2种方法测定结果方差分析表明油蒿的蒸腾均高于柠条的(p<0.05),测定方法间(蒸渗池和气孔计)差异不显著;从而说明本研究以叶面积指数和植物冠层盖度为基础进行叶片与种群间的尺度转换是可行的。2003年6月至8月期间,该区的降水量为159.1mm,渗漏量为48.5mm,裸沙蒸发量为63.0mm;油蒿样地的蒸发量、蒸腾量和蒸散量分别为54.1mm、59.0mm和119.4mm;柠条样地的蒸发量、蒸腾量和蒸散量分别为59.5mm、56.4mm和127.6mm。     

羊草群落水分状况的初步研究

本文采用笔者自行设计和组装的人工气候箱装置,对天然羊草(Aneurolepidium chinense)群落的水分状况进行了研究,结果表明,在生长季各时期的晴天条件下,羊草群落蒸腾、蒸散速率的日进程曲线均为双峰型。群落的蒸腾、蒸散速率与太阳总辐射强度和气温呈正相关,与空气相对湿度呈负相关。群落的无效水分散失比率与蒸腾速率呈负相关。群落中植物的蒸腾强度,以开花期最高,为1.156g／cm2(叶面积)／d;整个群落的蒸腾速率在种子蜡熟期达到最高值,为4861.07g／m2(地面)／d。群落的蒸散速率在6月份最高,达6454.36 g／m2／d。群落月蒸散、蒸腾耗水量的最大值分别出现在6月份和8月份,各为125.9mm和83.9mm。在生长季中,群落的总耗水量与总降水量基本相等,但二者的季节消长不同步。在植物生长发育早期的6月份,水分亏缺严重,使群落对后期充沛的降水不能有效利用,群落生产力低下。     

小叶锦鸡儿灌丛下土壤水分对降雨的响应

以科尔沁沙地主要固沙灌木小叶锦鸡儿为研究对象,在其生长季次降雨21.5 mm后180 h内,利用TDR和微渗仪测量小叶锦鸡儿灌丛下不同部位的土壤含水量和土壤蒸发,并计算该灌丛下不同部位储水量和水量平衡.结果表明:降雨结束后初期,灌丛枝干的茎流作用使其根部的土壤含水量明显高于其他部位;灌丛根部水分的入渗速率大于灌丛中部和灌丛外缘.因冠幅的庇荫作用,灌丛下蒸发量小于灌丛外裸露沙地.水量平衡表明:小叶锦鸡儿灌丛下降雨后前期蒸散量明显高于灌丛外裸露沙地,与灌丛下根系的分布有直接关系.     

黑河流域高寒草甸生态系统水分收支及蒸散发拆分研究

水分收支是对水循环要素降水、蒸发蒸腾、径流以及土壤贮储水量变化等的定量刻画,对水资源的可持续开发及利用至关重要。基于黑河流域阿柔观测站2014和2015年水文气象观测数据,运用水量平衡理论,定量的评估了高寒草甸生态系统的水分收支动态,并结合双源模型对高寒草甸生态系统蒸散发(植被蒸腾和土壤蒸发)进行拆分及评价。研究结果表明(1)在生长季(5—9月)植被蒸腾是高寒草甸生态系统主要的耗水形式,2014和2015年生长季平均蒸散比(T/ET)分别为0.74和0.79;(2)土壤水分的剧烈变化主要发生在0—40 cm处,且受冻融过程影响显著;(3)在降水较多的年份(2014)高寒草甸生态系统水分收支基本平衡,且不受冻融影响的月份(6—9)有地表径流产生约42 mm;在正常年份(2015),生态系统呈现水分亏缺,亏缺量约为134 mm,6—9月约亏缺26 mm;(4)模型估算蒸散发(ET)与实测蒸散发具有很好的一致性,相关系数可达0.90,敏感性分析表明模型输入变量对蒸散发(ET)及蒸散比(T/ET)产生的误差较小,双源模型可以很好地实现对高寒草甸生态系统蒸散发(ET)的拆分。     

蒸渗仪法和涡度相关法测定蒸散的比较

为准确揭示三江源区退化高寒草甸生态系统的水分收支状况,本文利用涡度相关系统(EC)和蒸渗仪对退化高寒草甸的蒸散进行了连续观测,结果表明:两种方法测定的蒸散量年变化趋势一致,涡度相关法测定的年蒸散量为481 mm(约占降水量的86%),低于蒸渗仪法的558 mm。涡度相关法的湍流能量与有效能的闭合度(EBR)年均值约为0.78,生长季的EBR要高于非生长季;当摩擦风速(u*)0.25 m·s~(-1)时,EBR随u*的增大而增加,当u*0.25 m·s~(-1)时,EBR随u*的增大无明显变化。此外,土壤热通量相对于太阳净辐射的滞后可能也是导致能量不闭合的原因之一。随着净辐射、温度和风速的升高,涡度相关法测定的蒸散逐渐接近于蒸渗仪法的测定值,而土壤含水量对两种方法观测蒸散的影响不明显。本研究结果说明,涡度相关和蒸渗仪法测定的蒸散具有较好的相关性,但涡度相关法可能会低估该生态系统的蒸散量。     

小叶锦鸡儿灌丛群落蒸腾耗水量估算方法

为了确定沙地小叶锦鸡儿 (Caragana microphylla) 人工林的蒸腾速率, 于2006年6月运用热平衡茎流测量技术, 对科尔沁沙地一处15a生人工小叶锦鸡儿群落的分枝液流动态进行了监测。根据生物统计结果选取被测标准枝, 标准枝基径在0.4~1cm范围内。同时, 分别用基径总断面积推算法和叶片密度推算法对灌丛叶面积进行了估算。以叶面积为扩展纯量, 利用标准枝液流对灌丛群落耗水量进行尺度转换, 在转换过程中, 假设叶面积与蒸腾耗水量之间具有很强的相关性。该尺度转换方法经与大型称重式Lysimeter测值对比验证, 误差小于14.3%, 可望准确估算小叶锦鸡儿灌丛群落的蒸腾耗水量。     

基于树干液流及涡动相关技术的葡萄冠层蒸腾及蒸散发特征研究

针对西北干旱区绿洲经济作物葡萄树冠层蒸腾及蒸散发特征的相关问题,在甘肃省敦煌市南湖绿洲开展无核白葡萄树液流速率及蒸散发观测试验,采用基于热平衡原理的包裹式茎流计,详细分析了典型生长季7—9月份葡萄树蒸腾耗水规律,使用"单位叶面积上的平均液流速率SF×叶面积指数LAI"的方法,实现了从单株到林分冠层蒸腾的尺度扩展,并通过与涡动相关技术所测蒸散发数据对比,详细研究了葡萄地冠层蒸腾及蒸散发规律。结果表明:典型生长季中葡萄树液流速率日变化为单峰型曲线,日均耗水量从2.76 kg到10 kg不等,胸径越大的葡萄树日均耗水量越大;冠层蒸腾及蒸散发日变化曲线亦为单峰型,白天8:00—12:00与17:00—20:00期间,葡萄冠层蒸腾与蒸散发曲线均比较吻合,该时间段葡萄地蒸散发绝大部分来源于葡萄冠层蒸腾,而12:00—17:00之间由于午后太阳辐射强烈土壤蒸发量增加,葡萄蒸散发大于冠层蒸腾;典型生长季3个月中,葡萄冠层蒸腾量的变化范围在1.88—8.12 mm/d之间,日均冠层蒸腾量为6.12 mm/d,蒸散发在1.74 mm/d至10.78 mm/d之间,日均蒸散发量为7.13 mm/d;日均土壤蒸发量约为1.01 mm/d,只占总蒸散发量的14.2%,日均冠层蒸腾占日均蒸散发的比重达到85.8%,说明该生长阶段冠层蒸散发以作物蒸腾为主。     

Impacts of the removal of vascular plants on physiological and biochemical characteristics of Syntrichia caninervis during winter season in a temperate desert

Aims Patchily distributed biological soil crusts and shrubs is one of the main vegetation cover types in Gurbantünggüt desert. The existence of shrubs in desert areas serves not only as a shelter for small animals, but also a good living condition for cryptogams and some herbs. Syntrichia caninervis, a dominant moss species in Gurbantünggüt desert, is patchily distributed under shrub canopy and open spaces between vascular plants. To our knowledge, the impacts of the removal of shrub canopy on physiological and biochemical characteristics of S. caninervis during the winter is still unknown.
Methods We simulated grazing of animals on Ephedra distachya at various rates (shrubs left intact, 50% shrubs removed, and shrubs removed completely) by cutting different percent of above-ground shoots of E. distachya. The shoot water content, chlorophyll fluorescence, proline content, soluble sugar content, soluble protein content, malonyldialdehyde (MDA) content, peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD) activity were compared.
Important findings The results show that, as for proline and soluble sugar contents of tested S. caninervis, there were no significant differences among three treatments of shrub canopy. However, the MDA content, and the activities of POD, SOD, CAT were significantly higher than nature shrubs in snow cover periods. During snow-melting periods, soil moisture and temperature did not served as limiting factors on the growth of S. caninervis. The soluble sugar content, and the activities of POD, CAT with shrub removal were significantly higher than shrubs left intact. This may indicate that the decline of the function of maintaining constant soil temperature due to shrub canopy increased the damage of temperature on moss plants. In addition, as for physiological and biochemical characteristics, there were no significant differences between two treatments of 50% shrub canopy and shrub canopy left intact. In snow covered periods and snow melting periods, the MDA content, the activities of POD, SOD and CAT of S. caninervis under shrub canopy removed completely were significantly higher than that of 50% shrub canopy and shrub canopy left intact, except for soluble protein content. The duration of chlorophyll fluorescence activity of S. caninervis growing in habitats with shrubs removed completely was significantly shorter than that of S. caninervis growing in habitats of 50% shrub canopy and shrub canopy left intact. This result indicated that the removal of shrubs may increase the UV-B radiation and weaken the “moisture island effects” developed by the existence of shrub canopy.     

灌丛移除对荒漠齿肋赤藓越冬过程中生理生化特性的影响

灌丛和生物土壤结皮镶嵌分布是古尔班通古特沙漠一种重要的地表覆被类型, 灌丛的存在不仅为小型动物提供了庇护场所, 也为隐花植物及部分草本植物创造了良好的生存条件。然而在初冬时期移除灌丛是否会影响这些隐花植物的越冬及生长还不得而知。该研究通过模拟放牧及鼠害, 移除50%双穗麻黄(Ephedra distachya)灌丛、移除全部双穗麻黄灌丛及自然对照, 测定齿肋赤藓(Syntrichia caninervis)植株脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量, 以及丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT) 3种抗氧化酶活性, 并测定原位光化学效率, 探讨初冬灌丛丧失对荒漠藓类植物越冬的影响。结果表明, 在积雪期3种处理下齿肋赤藓的游离脯氨酸和可溶性糖含量之间差异并不显著, 但去灌丛后其MDA含量、POD、SOD和CAT 3种抗氧化酶活性均显著高于自然灌丛下齿肋赤藓的相关生理指标。即使是在融雪期, 去灌丛下齿肋赤藓的可溶性糖含量及POD和CAT活性仍显著高于自然灌丛, 而可溶性蛋白明显较低, 这可能是由于灌丛的丧失造成的温度波动加剧了冬季低温对藓类植物的伤害。灌丛的部分移除(50%)对齿肋赤藓的生理生化特性影响不显著, 就积雪融化期叶绿素荧光活性持续时间而言, 与自然灌丛和移除50%灌丛相比, 完全移除灌丛的齿肋赤藓植株叶绿素荧光活性持续时间显著缩短。这可能是由于灌丛移除导致其UV-B辐射增加及“湿岛效应”消失所致, UV-B辐射的增加加剧了对植物的伤害, 而春季融雪期保水能力的下降也是其叶绿素荧光活性时间缩短的重要原因。     

荒漠草原中间锦鸡儿冠层截留特征

以荒漠草原人工中间锦鸡儿（Caragana intermedia）为研究对象,利用2016-2017年监测获取的26次降雨事件,对比分析了两组灌丛（自然组和人工组）的冠层截留特征。结果表明：（1）试验期间共观测到有效降雨33次,总降雨量为251 mm,次平均降雨量和降雨强度分别为7.6 mm和1.14 mm/h,以雨量<2 mm,雨强<1 mm/h和降雨历时2-5 h的降雨出现次数最多;（2）自然组和人工组中间锦鸡儿平均截留量分别为1.11 mm和0.72 mm,平均截留率分别为24.81%和15.95%,两组灌丛截留存在极显著差异（P < 0.01）;（3）在雨量级>15 mm时,自然组（4.57%,CV=73.38%）和人工组（5.25%,CV=51.96%）平均截留率变异性相差最大;（4）自然组和人工组截留量与降雨量,降雨历时和降雨强度之间的关系可以用幂函数描述,截留率与三者的关系均用指数函数描述较好。在降雨特征相同的情况下,灌丛形态特征是影响中间锦鸡儿冠层截留的关键因素。     

荒漠灌丛内降雨和土壤水分再分配

通过对降雨再分配,荒漠灌丛可改变降雨在灌丛内的水平空间分布,进而影响植被冠层下土壤水分的空间响应.本文以腾格里沙漠东南缘人工植被区柠条和油蒿灌丛为研究对象,分析了灌丛干扰下的降雨再分配过程及灌丛下土壤水分的空间响应.结果表明: 柠条和油蒿灌丛的穿透水、树干茎流分别占降雨量的74.4%、11.3%和61.8%、5.5%.次降雨过程中,柠条和油蒿穿透水空间变异性均较大,平均变异系数分别为0.25和0.30;由于可以将更多的降雨以树干茎流形式在根部富集,柠条主干基部土壤湿润锋深度明显比冠层其余位置深,而油蒿仅在大降雨事件时才较为明显.灌丛对降雨的再分配作用改变了降雨达到地表时的空间分配,致使冠层下土壤湿润锋深度呈现明显的不均一性.     

Phylogenetic structure and formation mechanism of shrub communities in arid and semiarid areas of the Mongolian Plateau

The mechanisms of species coexistence within a community have always been the focus in ecological research. Community phylogenetic structure reflects the relationship of historical processes, regional environments, and interactions between species, and studying it is imperative to understand the formation and maintenance mechanisms of community composition and biodiversity. We studied the phylogenetic structure of the shrub communities in arid and semiarid areas of the Mongolian Plateau. First, the phylogenetic signals of four plant traits (height, canopy, leaf length, and leaf width) of shrubs and subshrubs were measured to determine the phylogenetic conservation of these traits. Then, the net relatedness index (NRI) of shrub communities was calculated to characterize their phylogenetic structure. Finally, the relationship between the NRI and current climate and paleoclimate (since the Last Glacial Maximum, LGM) factors was analyzed to understand the formation and maintenance mechanisms of these plant communities. We found that desert shrub communities showed a trend toward phylogenetic overdispersion; that is, limiting similarity was predominant in arid and semiarid areas of the Mongolian Plateau despite the phylogenetic structure and formation mechanisms differing across habitats. The typical desert and sandy shrub communities showed a significant phylogenetic overdispersion, while the steppified desert shrub communities showed a weak phylogenetic clustering. It was found that mean winter temperature (i.e., in the driest quarter) was the major factor limiting steppified desert shrub phylogeny distribution. Both cold and drought (despite having opposite consequences) differentiated the typical desert to steppified desert shrub communities. The increase in temperature since the LGM is conducive to the invasion of shrub plants into steppe grassland, and this process may be intensified by global warming.