樟子松固沙林林水关系研究进展及对营林实践的指导

中国有着世界上最大面积的人工林, 如何维持人工林的可持续性已成为气候变化背景下需要面对的重大挑战。樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)以其抗旱、抗寒、耐贫瘠等优良特性成为中国北方生态治理中最主要的常绿针叶树种之一, 近70年来发挥了巨大的防风固沙与生态固碳功能。然而, 随着林分的生长与气候变化, 樟子松人工固沙林正经历着越来越严峻的环境胁迫, 部分地区出现了林分“早衰”或死亡的现象, 引起了人们对樟子松固沙林适应与应对气候变化能力的担忧。该文在回溯樟子松基本生物学特征与引种推广历史, 系统总结近年来樟子松林林水关系研究新成果的基础上, 全面分析了樟子松固沙林林水关系存在的主要矛盾, 并提出了基于林水关系相协调的林分经营措施的调整: 由倡导防护功能为主的单一目标向包含林分稳定性、生态固碳功能、可持续发展等多目标平衡方向调整; 由以沙地森林景观培育为主向以良好土壤生境培育为主的方向调整; 由倡导天然更新为主向以人工造林与天然更新相结合的世代更新方向调整。在立足于北方沙地脆弱生境与气候变化客观现实的基础背景下, 应坚持樟子松在固沙林生态系统演化过程中的先锋种与建群种地位, 基于“以水定绿”原则, 采取“隔行带伐+再造林”等方式开展林分密度动态调控, 促进林分向异龄林结构演化, 促进樟子松固沙林生态服务的优质化和生态固碳功能的最大化。     

民勤绿洲二白杨树干液流的径向变化及时滞特征

树木的树干液流是反映树木生理活动动态、估算单株耗水量的重要基础.本文利用热扩散技术,对民勤绿洲二白杨3株(30年生)大树树干边材各4个深度(2、3、5、8 cm)的液流速率(J)进行连续两个生长季(2011、2012)的监测.结果表明: 二白杨边材液流速率最高的位点约在形成层下3 cm深处(J₃),其次依次为2、5和8 cm处(J₂、J₅和J₈),在大气蒸发潜力(ET₀)最强的6月,典型晴天日的J₃可达28.53 g·cm^-2·h-1,分别是J₂、J₅和J₈的1.42、2.74和4.4倍,径向差异明显.在日变化过程中,边材不同深处间液流速率峰值出现的时刻相差在20 min以内,但与太阳总辐射(R_s)、大气水汽压亏缺(VPD)峰值出现的时刻相差较大,在生长旺季(6—8月)的典型晴天,J的峰值滞后R_s峰值的时长(时滞)可达55～88 min,越靠近边材内侧,时滞越长.J峰值提前于VPD峰值的时长达60～96 min,越靠近边材内侧,时滞越短.液流速率的季节变化与ET₀的变化基本一致,随着树木生理活动的逐渐加强,液流传输的主要层次会向边材内部延伸.驱动不同深处液流变化的首要气象因子均为R_s,第二大因子因不同深度有所变化,越靠近内侧,代表水汽状况的因子(VPD)的重要性上升,甚至接近于R_s.
     

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。     

栓皮栎人工林树干液流对不同时间尺度气象因子及水面蒸发的响应

于2006-2008年主要生长季节,利用热扩散技术连续测算得到了华北土石山区30年生栓皮栎人工林液流量(SF),并结合同步测定的太阳辐射(Ra)、空气温度(Ta)、饱和水汽压亏缺(VPD)、风速(V)和降雨量(P)等气象因子、水面蒸发(EV0)及叶面积指数(LAI)等因子,分析了栓皮栎液流对不同时间尺度气象因子及水面蒸发的响应规律,探索建立长时间尺度水面蒸发与树干液流之间的关系模型。试验结果表明:(1)在主要生长季(4—9月份)期间,栓皮栎单株液流与同期测定的Ra、Ta、VPD和V等气象因子间均存在着较强的相关性。时间尺度为10min、1h、d、旬、月时,决定系数分别为0.388、0.482、0.539、0.654和0.812。说明随着时间尺度的增加,相关性越强;在不同时间尺度下,影响SF的最主要气象因子均为Ra。月SF与月Ra变化趋势的同步性尤为明显。(2)日尺度和月尺度上EV0与SF之间具有很好的线性关系,决定系数分别为0.578和0.876,比同时期、相等样本数条件下SF与Ra、Ta、VPD、V多元线性拟合的决定系数分别高3.6%和3.9%。(3)2006、2007、2008年生长季节降雨量分别为464.8、393.3mm和315.0mm,栓皮栎单株液流分别为2024.1L、1739.2L和1688.7L,年际间SF变化趋势与降雨量存在一定的一致性。     

毛乌素沙地油蒿不同生长期的枝条水势和叶片气体交换特性

对毛乌素沙地自然生境中油蒿(Artemisia ordosica Krasch. )不同生长期(6月份至9月份)的气体交换参数和枝条水势日变化特征进行了比较研究,并探讨了环境因子对油蒿气体交换参数及枝条水势的影响作用.结果表明:6月份至9月份油蒿的净光合速率日均值波动幅度不大,其大小与当月的土壤含水量不对应,其中8月份的净光合速率日均值最大(13.16 μmol·m-2·s-1);各月份间油蒿的蒸腾速率日均值差异较大,最大值出现在7月份(7.93 mmol·m-2·s-1),与土壤含水量的变化相对应;7月份油蒿的水分利用效率最低,但枝条水势日均值最大,其余3个月水分利用效率波动幅度不大,各月间枝条水势日均值差异也不大且变化幅度较小.在6月份和7月份,油蒿净光合速率的日变化呈双峰型曲线,6月份的峰值出现在8:00和14:00,7月份的峰值出现在10:00和14:00,谷值都出现在12:00;在8月份和9月份则呈单峰型曲线,峰值分别出现在10:00和12:00.在6月份和7月份,油蒿蒸腾速率的日变化均呈双峰型曲线,峰值分别出现在10:00和14:00;在8月份和9月份则呈单峰型曲线,最大值均出现在12:00.在这4个月中,油蒿枝条水势的日变化与大气水势的日变化一致,均在12:00达到最低;油蒿的水分利用效率日变化有着较好的规律性,均为早上最高,然后降低,但总体上变化幅度平缓,表明生长在毛乌素沙地自然生境中的油蒿对环境的适应能力较强.     

毛乌素沙地流动沙丘不同深度土壤渗漏特征

沙地的土壤深漏是沙地水分循环及水量平衡中的重要环节,对这一分量的准确测算,能够增进对沙地降雨的分配、转移及运输过程规律的认识。利用土壤深层水量渗漏测试记录仪(YWB-01),对毛乌素沙地典型的流动沙丘50、100 cm和200 cm的3个层次的土壤渗漏水量进行定点实时监测,定量分析降雨条件下沙地土壤渗漏特征,得出以下结论:(1)在降雨条件下,2016年4—6月3个沙层的渗漏过程都不明显,从7月开始,渗漏过程与降雨过程的一致性随沙层的增加而逐渐减弱;(2)随沙层深度的增加,累计渗漏天数以及连续渗漏天数在增加,累计渗漏水量、最大日渗漏水量逐渐减小,渗漏水量的波动也逐渐减小;渗漏水量10 mm的天数和渗漏水量所占的比例明显减少;(3)对降雨量和各沙层渗漏水量日、周、半月、月累积量之间进行相关分析和线性拟合后发现,越往深处渗漏水量对降雨的响应越弱,月渗漏水量与月降雨量的关系更密切。     

新疆杨树干液流的径向变化及时滞特征

利用热扩散技术,对绿洲农田防护林新疆杨(Populus alba L.var.pyramidalis)大树边材5个深度处(1、2、3、5 cm和8 cm)的液流速率(Js)开展了连续两年的监测,结果表明:(1)以标准长度2 cm的探针测得的液流速率(Js-2)为参照,形成层下1、3、5、8 cm处的液流速率(Js-1,Js-3,Js-5,Js-8)与Js-2间具有显著的相关性,回归系数分别为0.24—0.27、1.18—1.61、0.81—1.64和0.38—0.75,液流速率最大的位点在形成层下3—5 cm处,液流速率最小的位点在最外侧(1 cm)或最内侧(8 cm)处,径向差异明显。边材不同深处的液流传输具有较一致的日变化过程。(2)在同步观测的5项气象要素中,大气水汽压亏缺(VPD)和太阳辐射(Ra)与Js的回归系数均较大,是驱动液流进程的主导气象要素。大气蒸发潜力(ET0)集合了多种气象要素的信息,具有与Ra一致的日变化进程(启动、峰值时刻相同),可作为分析液流昼、夜过程的综合气象变量。(3)新疆杨边材中五个深度处Js的峰值时刻基本相同(Js-1的峰值较其它层次提前4—123 min),均明显滞后于Ra(时滞)并提前于VPD,在7月份的晴天,ET0、Js和VPD峰值出现的时刻分别大致在12:30、14:00和15:00。新疆杨时滞的大小存在有规律的季节变化,从6到10月份,Js与ET0峰值的时滞(ΔJ-E)逐渐增加,变化在70—110 min(2011)、70—128 min(2012)之间,但VPD与Js峰值的时滞(ΔJ-V)逐渐降低,变化在73—20 min(2011)、63—8 min(2012)之间,这表明在生长季的早期,热量因子(Ra)对新疆杨液流变化的驱动较强,而在生长季的末期,大气水汽因子VPD的驱动效应更突出。     

半干旱黄土区成熟柠条林地土壤水分利用及平衡特征

选择半干旱黄土区流域尺度不同地形条件下成熟柠条林作为研究对象,并以荒坡草地作为对照,在2009—2011年生长季节对0—210cm土壤含水量进行连续观测,开展了剖面土壤水分变异、动态平衡及影响因素研究。结果显示:土壤水分平均值:30—130cm对照>北坡>东坡>南坡,150—210cm南坡(上、中坡位)>对照>北坡>东坡,南坡和北坡样地上坡位>中坡位>下坡位。土壤水分的季节变化表现为9月﹥8月﹥7月,5、6、10月份最低;不同地形条件下,柠条林地土壤水分极差值和变异系数并没呈现出规律性变化,在垂直尺度上,柠条林地土壤水分极差值和变异系数曲线在0—50cm表现比较活跃,70—210cm则相对稳定;在连续干旱年份土壤储水量并没有连续的降低和亏缺,在第1个欠水年亏缺比较严重,第2个欠水年盈亏量基本平衡,而第3个欠水年则略有盈余。研究认为:小流域尺度下的地形条件差异造成了土壤水分规律性变化,但在特定植被生长发育状态和剖面尺度下,植被因子将会成为土壤水分动态变化的主控因子。柠条林发育至成熟阶段,土壤水分补偿与消减将会保持平衡状态。土壤水分与植被生长的相互关系一方面表现出一定的时间差,另一方面植被对土壤水分也具有一定的适应性。这是因为土壤含水率高促进植物生长,植物生长势增强会进一步加大对土壤水分的消耗,土壤水分含量不足则会抑制植物生长,植物生长势减弱会进一步降低对土壤水分的消耗。     

柠条主根液流测定中ΔT_(max)与气象因子间的关系及时间步长的确定

上下两探针间温差的最大值(ΔTmax)是运用Granier方法计算树木液流速率的重要参数,确定这一参数的关键是选择合适的时间步长。运用TDP(Thermal Dissipation Probe)技术在对柠条(Caragana korshinskii)主根部液流速率(Fs)及主要环境要素进行实时、连续监测的基础上,比较分析了2008年4—10月间30d典型晴天日柠条根部液流的变化特征,结果表明,柠条根部液流测定中ΔTmax值的频率分布于夜间22:00—6:00的整个时间段,并主要集中在午夜前后的4h(占52.63%),其中ΔTmax在0:00频率最高。ΔTmax分布时刻与环境要素的相关性不明显,夜间液流的主要驱动力是体内与根系间的水势差而非大气因子。午间柠条主根液流最为旺盛,上下两探针间最小温差(ΔTmin)的频率分布峰值主要集中于10:00—16:00时段,其中以14:00的分布频率最高。ΔTmin频率的分布在13:00有一低谷,而此刻又是主要环境变量太阳辐射最高值(PYmax)与潜在蒸发散最大值(ET0max)分布频率最高的时刻,反映了午间气孔行为对液流的调控。太阳辐射是启动午间气孔行为的主要环境因子。Granier公式计算液流速率时适宜的时间步长为1周。     

黄土高原苹果园蒸腾导度大气驱动规律比较

植物蒸腾导度是表征土壤-植物-大气连续体（SPAC）中植物-大气间水汽传导过程、反映植物水分调控能力的一类重要变量，常见有冠层导度（G_c）、冠层气孔导度（G_s）与叶片气孔导度（g_s），明确三者在反映冠层蒸腾过程时的异同或关联性对于理解植物水分利用机制具有重要意义。本研究基于对黄土高原果园苹果树生长季内树干液流（J_s）及环境因子的连续观测，计算了G_c、G_s及脱耦联系数（Ω）等变量，并与短期连续观测的叶片气孔导度（g_s）比较，分析了G_c、G_s和g_s在反映冠层蒸腾特征方面的异同及其关系。结果表明，日变化过程中G_s、g_s呈"单峰"型曲线，而G_c则呈"先增后减，午后抬升"的"双峰"型曲线。g_s与G_s存在较紧密的线性关系（R²=0.80），但与G_c的线性关系较弱（R²=0.02）。G_c、G_s均随大气水汽压亏缺（VPD）的变化呈现确定的规律，其中，上边界函数呈递减的对数函数关系，平均值则符合先增后减的Log-Normal函数关系（R²>0.95），拐点对应的VPD值分别为1.33和1.16 kPa。在一日内，G_s对VPD变化的响应过程与g_s对VPDL （基于叶片温度计算的水汽压亏缺）变化的响应过程总体一致，其一致性高于G_c对VPD变化的响应。整个生长季（4-10月）中果树的Ω平均值为0.12，随着Ω递减，G_c与G_s的线性相关性愈趋紧密，其斜率呈递增趋势，G_c越来越趋近于G_s。研究结果表明，在北方地区，基于树干液流的监测能较准确的推导整株并估算林分的冠层蒸腾导度。与实测g_s的变化过程比较，G_s比G_c具有更高的一致性，G_s可以作为描述苹果树水分利用过程响应大气驱动的更为恰当的变量。