太行山南麓山区栓皮栎-扁担杆生态系统水分利用策略

分析了太行山南麓低丘山区降水、泉水、地下水、土壤水以及栓皮栎、扁担杆的氢氧稳定同位素特征,结合Iso Source模型确定了栓皮栎和扁担杆水分来源的季节性差异,并对栓皮栎和扁担杆水分利用策略进行分析。结果表明,同一生态系统中的栓皮栎和扁担杆枝条水的δ18O和δD值差别明显。雨季中栓皮栎和扁担杆水分来源较浅,以0—20 cm土壤水分为主,但旱季中栓皮栎和扁担杆水分主要来源均比雨季明显加深,其中栓皮栎主要利用40—60 cm土壤水分,扁担杆则主要利用20—40 cm土壤水分。此外,旱季后期栓皮栎还利用部分泉水,其比例达到了19.6%。二者水分来源的不同,使得栓皮栎与扁担杆在旱季期间能避开用水冲突。旱季中生长在生态系统上层的栓皮栎中午部分气孔关闭,蒸腾速率下降,生长在生态系统下层的扁担杆日均蒸腾速率、气孔导度则分别比栓皮栎下降了46.94%和30.58%。栓皮栎和扁担杆分别采取了深水源及部分气孔关闭和浅水源及低蒸腾耗散的水分利用策略来利用旱季中有限的水分,因而其组成的生态系统表现出较强地适合太行山南麓脆弱环境的生态适应性。     

华北低丘山地人工林蒸散的控制因子

人工林蒸散的影响机制研究对指导我国林业生态工程建设有重要意义。基于涡度相关技术,对华北低丘山区30年生栓皮栎-刺槐-侧柏人工混交林进行了连续2a的观测,以探讨蒸散的控制因子。结果表明:退耦系数(Ω)与冠层导度的季节动态有很好的一致性。2007、2008年的快速生长季Ω变化范围分别为0.12—0.62、0.08—0.54,平均值分别为0.37、0.23,快速生长季蒸散主要受气孔控制。2008年比2007年偏旱,该年快速生长季的退耦系数、冠层导度和蒸散低于2007年,发生干旱时蒸散主要受气孔限制。气孔对蒸散的限制作用在大气湿度较低时较高,并且这种限制作用在发生干旱时会进一步加剧。快速生长季内辐射是影响蒸散的主要环境因子,辐射资源丰富的年份气孔对蒸散的控制程度更高。     

太行山南麓低山丘陵区栓皮栎直径变化及其与环境因子的关系

使用周长传感器(Circumference DC2)研究了太行山南麓低山丘陵上栓皮栎人工林树干直径的日变化及其影响因子.结果表明:在季节性干旱期间,栓皮栎树干的直径变化周期性明显,直径收缩与液流启动时间基本一致,直径最小值滞后于液流速率最大值3 ～4 h;栓皮栎直径日最大收缩量(MDS)呈现低-高-低的变化趋势,与累积液流通量和叶片水势日差值极显著相关,与土壤含水量呈显著的二次方程关系.MDS值受气象因子变化的影响,与温度日差值、蒸汽压亏缺日差值和相对湿度日差值显著相关,而与太阳辐射日差值的相关性不显著.连续降水后,土壤水分不再是栓皮栎直径变化的限制因子,MDS值与累积液流通量、叶片水势、土壤含水量和气象因子差值的相关性均不显著.季节性干旱期和雨季的土壤含水量和温度是影响树干直径日变化的主要因子.     

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。     

两种药用植物生长和水分利用效率对干旱胁迫的响应

以田间持水量的30%、50%和75%为3个水分处理梯度,研究了决明子和菘蓝2种药用植物在不同水分处理和生长阶段的生长特性,并对稳定碳同位素分辨率(Δ¹³C)和水分利用效率(WUE)特征及二者之间的关系进行了分析．结果表明：与田间持水量的50%和30%相比,决明子和菘蓝在田间持水量75%的条件下具有较高的生长指标,说明这2种植物在充足或适当的水分条件下具有较高的生产力.随干旱胁迫程度的增加,决明子和菘蓝地上生物量和总生物量的Δ¹³C均逐渐减小,而地上生物量和总生物量的WUE均逐渐增加.决明子和菘蓝在不同水分处理之间各指标差异较小,说明这2种药用植物对干旱胁迫反应不敏感．菘蓝WUE与地上生物量和总生物量均呈显著负相关,决明子WUE与根冠比呈显著正相关.     

基于侧柏蒸腾量分析Granier经验公式的测量精度

为了解Granier热扩散法测定树木蒸腾耗水量的精度,2010年5-6月采用热扩散探针测定盆栽侧柏的液流量,并以整树盆栽称重法作为对照.结果表明:热扩散法测定侧柏南、北两个方位的树干液流速率与称重法测定的蒸腾速率均具有良好的线性关系(R2 ＞0.825).侧柏南、北两个方位的树干平均日液流量分别比平均日蒸腾量低10.6％和15.1％,但未达到显著水平.尽管昼夜温差较大会造成侧柏日液流量小于日蒸腾量,但采用Granier热扩散法测定侧柏的蒸腾量在日尺度上具有较高的可靠性.     

LAS测算森林冠层上方温度结构参数的可行性

利用位于河南省济源市的华北低丘山地30年生栓皮栎-侧柏-刺槐人工混交林2010年4月至8月每月连续7d,LAS直接测算的森林冠层上方湍流结构参数,与经过湍流谱方法计算处理的三维超声风速/温度仪的观测数据比较,分析LAS测算低丘山地森林冠层温度湍流结构的可行性。结果表明:水平风速和温度湍流谱都有明显的惯性区出现(斜率-2/3);LAS直接测算的湍流温度结构参数与利用该惯性区的数据计算的结果具有较好的一致性,说明在起伏非均匀下垫面上,采用LAS观测湍流结构的变化情况具有较好的可行性。     

黄河小浪底库区降水δD和δ18O季节变化特征及水汽来源

2011—2014年4—10月在位于我国东部季风区的黄河小浪底库区收集降水样品及相应气象资料,分析该地区大气降水的δ_D和δ¹⁸O季节变化规律及影响因素,建立不同季节大气降水线,揭示该地区不同季节水汽来源差异.结果表明： 降水的δ_D和δ¹⁸O值变化范围较大,具有明显的季节变化,春季降水的δ_D和δ¹⁸O值较高,夏季次之,秋季最低.4—10月及秋季降水δ_D和δ¹⁸O与降水量存在负相关关系,4—10月降水δ_D与温度呈负相关关系,而季节性降水同位素与温度的相关性不显著.夏季大气水线斜率及降水过量氘（d值）较小,而秋季最大.利用HYSPLIT气团轨迹模型得出夏季水汽主要来自东南及西南海洋性季风输送,春秋季节降水受大陆和海洋性季风共同影响.     

华北低丘山地人工林蒸散的季节变化及环境影响要素

蒸散（ET）是生态系统水分平衡和能量平衡的重要组分,中国人工林对区域水分循环及平衡发挥着重要作用。本文基于2007—2008年涡度相关观测资料,分析了华北低丘山地近30年生栓皮栎-刺槐-侧柏人工林生态系统蒸散的变化特征及其环境影响要素。结果表明,2007—2008年实验区气候较常年偏暖、偏旱。ET表现出单峰季节变化特征,秋冬季节较低,春夏季节（4—9月）蒸散旺盛。全年最高值出现在每年5月份,日峰值出现于午后13时左右。2007—2008年平均蒸散量为546.1 mm,降水量为354.1 mm,夏季（7—8月）和冬季（12—1月）的日蒸散量分别为2.19 mm/d和0.44 mm/d。温度是驱动ET季节变化的主要环境因子,饱和差也是影响蒸散季节变化的重要环境要素。土壤含水量对ET季节变化的影响并不显著,有近1/3日数的土壤含水量为0.16—0.18 m3/m3,期间日蒸散量平均值为1.0 mm/d。年蒸散量均高于降水量,蒸散量高于降水量的部分来自深层土壤水分的供给。     

基于氘示踪剂和热扩散技术的栓皮栎水分运输速率与效率研究

利用同位素示踪和热扩散技术研究了不同胁迫处理栓皮栎的水分运输和储存差异。结果表明,注射氘同位素后,充分灌溉、轻度和重度胁迫处理的最大氘同位素比率分别升高到586.67‰、997.33‰和1364.89‰,处理间差异显著。轻度和重度胁迫处理的示踪速率分别为0.10 m/h和0.07 m/h,显著低于充分灌溉处理,但半减期和残留期显著高于充分灌溉。轻度和重度胁迫处理的枝条栓塞程度(PLC)比充分灌溉显著增加,液流通量、水势和蒸腾速率则显著减小。统计分析表明蒸腾作用强弱决定树体水分运输速率,PLC的增加和枝条水势的降低阻碍木质部水分运输。半减期和残留期内,轻度和重度胁迫处理的累积液流量显著高于充分灌水处理,运载相同体积的示踪剂,胁迫处理栓皮栎需要的水量增加,表明胁迫环境下受到PLC、蒸腾以及与树体储水交换的影响,水分运输效率下降。栓皮栎通过栓塞和储水交换来降低水分运输速率和效率,调控水分的收支平衡来适应干旱的环境。