北京西山侧柏林冠层不同高度处叶片水分利用效率

以北京西山广泛分布的侧柏林为研究对象,综合考虑冠层不同高度处气象因子、大气CO₂浓度以及大气CO₂中碳同位素组成的差异,对其冠层不同高度处叶片的瞬时水分利用效率和短期水分利用效率分别进行了测定,以期为区域森林生态系统固碳与耗水研究提供理论依据,为区域森林生态系统经营与维护提供技术支撑.结果表明: 侧柏林冠层不同高度处叶片的瞬时水分利用效率随冠层高度的变化规律表现为上层>中层>下层,多种气象因子协同影响气孔运动,使瞬时水分利用效率受气孔限制;侧柏林冠层不同高度处的环境因子、大气CO₂浓度以及大气CO₂的δ13C均存在一定差异,导致了林冠各层叶片的短期水分利用效率的变化.林冠上层叶片通过提高水分利用效率适应环境.     

北京山区侧柏人工林内CO2浓度及其δ13C值变化特征和影响因子

本研究采用离轴积分腔输出光谱技术对北京山区侧柏人工林进行了大气CO₂浓度及其δ¹³C值的原位观测,在半小时尺度上对比了林内不同高度处大气CO₂浓度及其δ¹³C值的差异,并探究其对气象因子的响应.结果表明: 林内CO₂浓度自日出后经历先降低后升高的变化趋势,最低值出现在16:00—16:30,浓度为352.5 μmol·mol^-1,最大值出现在5:00左右,达到402.0 μmol·mol^-1,其δ¹³C值变化趋势微弱且较为复杂,呈现出近地层先降低后升高、林冠层先升高后降低的趋势;研究日期内,林内CO₂浓度随高度的升高而降低,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为386.5、369.9、368.2、367.8、367.9和367.9 μmol·mol^-1,δ¹³C值呈现出随高度升高而升高的趋势,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为-16.0‰、-13.7‰、-13.5‰、-13.5‰、-13.1‰和-13.3‰;逐步回归分析表明,温度和湿度是影响林内大气CO₂浓度及δ¹³C值的主要因子,饱和蒸汽压差(VPD)可以影响林内CO₂浓度变化,风速可以影响林冠层CO₂浓度变化,而土壤含水率、电导率和地面净辐射则是影响近地层CO₂浓度及δ¹³C值的环境因子.这些环境因子通过增强或减弱生态系统内光合作用和呼吸作用来影响林内CO₂浓度及其δ¹³C值的变化.     

不同土壤含水量下侧柏幼树叶片水分利用效率

对植物水分利用效率的研究,可以揭示植物的内在耗水机制,为区域森林生态系统经营与维护提供依据.本研究以侧柏幼树为研究对象,通过室内控制试验设置不同的土壤水分梯度,分别用气体交换法和稳定同位素法对其不同土壤含水量条件下的瞬时水分利用效率(WUE_gs)和短期水分利用效率(WUE_cp)进行研究.结果表明:受气孔导度(g_s)的影响,叶片净光合速率(P_n)和蒸腾速率(T_r)随土壤含水量的增加呈现相同的变化趋势,均在土壤含水量为70%～80%田间持水量(FC)时达到最大值;叶片WUE_gs则在土壤含水量最低(35%～45% FC)时达到最大值(7.26 mmol·m^-2·s^-1).叶片可溶性糖、枝条韧皮部渗出液的δ¹³C都在土壤含水量最低(35%～45% FC)条件下达到最大值,且叶片可溶性糖的δ¹³C明显高于枝条韧皮部渗出液的δ¹³C,未产生明显分馏;而叶片WUE_cp也在土壤含水量最低(35%～45% FC)时达到最大值(7.26 mmol·m^-2·s^-1).相同条件下,叶片WUE_gs和WUE_cp存在一定差异(平均相差0.52 mmol·m^-2·s^-1),WUE_gs时空变异性较大,而WUE_cp更具有代表性.侧柏幼树通过降低生理生态活动和提高水分利用效率来适应干旱的土壤条件.     

基于多种同位素模型的侧柏林生态系统蒸散组分定量拆分

为了全面认识森林生态系统蒸散各组分及其对蒸散的贡献率在日尺度上的变化规律,本研究利用同位素稳态和非稳态假设理论结合水同位素分析仪系统,对生长季侧柏林生态系统蒸散各组分进行了定量拆分和比较。结果表明: 4个测定日(2016年8月5、8、10、11日)不同来源水体的¹⁸O都呈现表层土壤水氧同位素组成(δ_S)＞枝条水氧同位素组成(δ_X)＞大气水汽氧同位素组成(δ_V),说明三者可能因同位素分馏效应表现出明显的差异。土壤蒸发水汽氧同位素组成(δ_E)在日尺度上为-26.89‰～-59.68‰,整体上呈现出先上升后下降的变化趋势;森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成(δ_ET)为-15.99‰～-10.04‰,稳态(ISS)下植物蒸腾水汽氧同位素组成(δ_T-ISS)为-12.10‰～-9.51‰,而非稳态(NSS)下植物蒸腾水汽氧同位素组成(δ_T-NSS)为-13.02‰～-7.23‰,在日时间尺度上δ_ET与δ_T-NSS全天的变化趋势一致,在11:00—17:00 δ_ET、δ_T-ISS与δ_T-NSS三者的变化趋势近似一致。总体上,植物蒸腾量对蒸散量的贡献率表现为F_T-ISS 79.1%～98.7%,而F_T-NSS 88.7%～93.7%。这表明研究区土壤蒸发耗水远小于植被蒸腾耗水,植被蒸腾在林地蒸散中起主导作用。     

冀北山地天然次生林土壤生态化学计量特征及影响因素

为了探究天然次生林植被及立地因子对土壤养分含量的影响,量化植被与立地因子对土壤养分的影响比例,为合理抚育冀北山区次生林,提高次生林生产力提供依据,以冀北山地分布的天然次生林为研究对象,选取代表性的地段并设置面积为20 m×20 m的样地,以均匀布点与多点混合为原则,按照0-20、20-40、40-60 cm土层取样。测定土壤pH值、土壤有机碳（Soil organic carbon,SOC）、全氮（Total nitrogen,TN）、全磷（Total phosphorus,TP）、全钾（Total potassium,TK）、速效磷（Available phosphorus,AP）、速效钾（Available potassium,AK）含量,并计算土壤碳、氮、磷计量比。结果表明：不同深度土层土壤TN与SOC之间保持显著相关（P<0.001）,SOC、C∶N与AK之间呈显著正相关（P<0.01）;研究区域冀北山地次生林3层不同深度土壤C∶N平均值（27.74、29.96、29.44）与C∶P平均值（158.86、128.63、119.20）明显高于全国土壤C∶N（11.90）与C∶P（60.00）平均值,N∶P平均值（6.45、4.59、4.70）与全国平均水平（3.56）基本相当,对各深度层土壤N∶P值与土壤TN、TP值进行相关性分析发现,TN值与N∶P的相关性更加显著,说明影响N∶P值的主要因素为氮素量的限制。环境因子对3层不同深度土壤的养分指标分别做出48.64%、53.45%及49.23%的解释比例（P<0.001）,因子交互后的解释能力相较因子自身的解释能力更强,地形因子与其他因子相交互后,解释比率分别为其单独解释比例的6.45、8.06、3.21倍。从立地条件角度讲,地形因子能够对土壤养分空间分布产生一定的影响,抚育过程中对地形因子的作用应当予以重视。     

北京山区侧柏人工林内CO2浓度及其δ13C值变化特征和影响因子

本研究采用离轴积分腔输出光谱技术对北京山区侧柏人工林进行了大气CO₂浓度及其δ¹³C值的原位观测,在半小时尺度上对比了林内不同高度处大气CO₂浓度及其δ¹³C值的差异,并探究其对气象因子的响应.结果表明: 林内CO₂浓度自日出后经历先降低后升高的变化趋势,最低值出现在16:00—16:30,浓度为352.5 μmol·mol^-1,最大值出现在5:00左右,达到402.0 μmol·mol^-1,其δ¹³C值变化趋势微弱且较为复杂,呈现出近地层先降低后升高、林冠层先升高后降低的趋势;研究日期内,林内CO₂浓度随高度的升高而降低,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为386.5、369.9、368.2、367.8、367.9和367.9 μmol·mol^-1,δ¹³C值呈现出随高度升高而升高的趋势,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为-16.0‰、-13.7‰、-13.5‰、-13.5‰、-13.1‰和-13.3‰;逐步回归分析表明,温度和湿度是影响林内大气CO₂浓度及δ¹³C值的主要因子,饱和蒸汽压差(VPD)可以影响林内CO₂浓度变化,风速可以影响林冠层CO₂浓度变化,而土壤含水率、电导率和地面净辐射则是影响近地层CO₂浓度及δ¹³C值的环境因子.这些环境因子通过增强或减弱生态系统内光合作用和呼吸作用来影响林内CO₂浓度及其δ¹³C值的变化.     

北京山区侧柏人工林水分利用效率及其影响因素

水分利用效率(WUE)是衡量植物抗旱性的一个重要指标,研究其动态变化及其影响因素能为北京山区植被建设提供参考.本研究基于稳定碳同位素技术,通过测定北京山区侧柏人工林在生长季的水分利用效率,探究气象因子、土壤因子和大气CO₂浓度对侧柏短期WUE的影响.结果表明: 1)侧柏生长季内的短期WUE呈现先降低后增加的变化特征,7月侧柏的短期WUE最低(2.69 mmol·mol^-1),10月侧柏的短期WUE最高(13.88 mmol·mol^-1).2)叶内外水汽压差(VPD)、大气温度(T_a)、土壤湿度(M_s)、空气相对湿度(RH)和大气CO₂浓度(C_a)是植物WUE的影响因素,5个影响因素对侧柏短期WUE变化的累计解释率达89.7%;太阳辐射(R_a)和风速(W_s)与侧柏短期WUE没有显著关系.3)VPD和T_a是影响侧柏短期WUE的主要因素,两者组成的主成分可以解释53.9%的侧柏短期WUE变化,其中VPD对侧柏短期WUE的影响高于T_a;M_s和RH是影响侧柏短期WUE的次要因素,两者组成的主成分可以解释25.4%的侧柏短期WUE变化,其中M_s对植物短期WUE的影响高于RH;C_a对侧柏短期WUE的影响较小,主要由C_a和T_a组成的主成分可以解释10.3%的侧柏短期WUE变化.     

CO2浓度和土壤含水量对植物个体尺度短期水分利用效率的影响

分析植物个体短期水分利用效率(WUE_p)对CO₂浓度(C_a)和土壤含水量(SWC)的响应,可提高对气候变化下个体生存策略的认识。本研究以侧柏幼树为对象,在模拟气候箱中进行培养试验,设400(C₄₀₀)、600(C₆₀₀)和800 μmol·mol^-1CO₂(C₈₀₀)浓度处理和35%～45%田间持水量(FC)、50%～60%FC、60%～70%FC、70%～80%FC、95%～100%FC土壤含水量处理,共15个处理。WUE_p对C_a和SWC的响应用包裹式茎流计、称重法结合静态同化箱测定。结果表明: 个体日间(0.12～1.87 mol·h^-1)和夜间蒸腾速率(0.01～0.16 mol·h^-1)均在C₄₀₀×70%～80%FC时达到最大值,个体日间净光合速率(2.12～22.10 mmol·h^-1)在C₈₀₀×70%～80%FC时达到最大值,而个体夜间呼吸速率(0.84～4.41 mmol·h^-1)随SWC的增加而增加,随C_a的增加而减小,在C₄₀₀×95%～100%FC时达到最大值。WUE_p(5.37～24.35 mmol·mol^-1)在C₈₀₀×50%～60%FC时达到最大值,表明高C_a和干旱条件下,植物个体可通过生理可塑性调整,利用较少的水分固定更多的碳;此外,当个体间形态特征差异较小时,叶片瞬时水分利用效率可以较好地指示WUE_P的变化。     

土壤水分胁迫和大气CO2浓度对光合分馏及后光合分馏的影响

对植物光合和后光合分馏进行分析,有助于提升对植物生理和水分管理等的认识。本研究通过测定大气、侧柏叶片和枝条韧皮部可溶性化合物的δ¹³C,探讨了光合作用时大气和叶片间碳同位素的分馏(ΔC_a-leaf)和光合作用后叶片到枝条间的碳同位素分馏(ΔC_leaf-phlo)对土壤含水量(SWC)和大气CO₂浓度(C_a)的响应。结果表明: ΔC_a-leaf在SWC为田间持水量(FC)的95%～100%(95%～100%FC)且C_a为400 μmol·mol^-1时达到最大值(13.06‰),在SWC为35%～45%FC且C_a为800 μmol·mol^-1时达到最小值(8.63‰);气孔导度和叶肉细胞导度均与ΔC_a-leaf呈显著线性正相关,相关系数分别为0.43和0.44;而ΔC_leaf-phlo并未受到SWC和C_a的显著影响。本研究不仅可以提高对碳同位素的分馏机制的认识,而且可以为植物对未来气候变化的生存适应性提供理论依据。