祁连山青海云杉物候对水热驱动的响应

祁连山是西北地区重要的生态屏障,青海云杉是祁连山中段森林生态系统的主要乔木建群种,对维系祁连山生态安全有着重要战略意义。物候是森林响应环境变化的指示器,准确分析流域尺度上森林对气候变化的物候响应是研究全球变化对生态系统影响的关键,也是当前环境变化条件下评价森林生态系统养分、水分、能量以及碳循环等的关键。对林木物候与气候的关系进行深入研究、精确分析,可以为准确描述森林的结构、功能和生态水文过程提供科学依据,也可为水源涵养林可持续经营提供理论指导。对青海云杉展叶和球果成熟物进行了连续两年(2015—2016年)观测,分析了青海云杉展叶和球果成熟物候变化动态,研究了它们与空气温度、降雨、土壤温度以及土壤含水量的关系,得到以下结论:研究区海拔2700m处2016年平均气温比2015年升高了0.37℃,2016年青海云杉展叶期开始日期比2015年提前了3d,2016年青海云杉球果成熟期开始日期比2015年提前了2d。积温增加是物候持续期增加的原因,积温达到一定值时,青海云杉的物候变化就会发生。青海云杉展叶期持续日数与上个月的降雨呈极显著正相关(P<0.01),球果成熟期持续日数与上个月的降...     

祁连山排露沟流域青海云杉天然更新与土壤水热的关系

青海云杉是祁连山区森林生态系统的建群种,其天然更新对维持祁连山森林生态系统功能具有重要意义。以祁连山排露沟流域青海云杉林天然更新为研究对象,于2021年6-9月测定海拔2700-3300m的0-40cm土层土壤温度和水分数据,并于7月中旬对样地天然更新进行每木检尺,将天然更新划分为幼苗(第一龄级)阶段和幼树(第二龄级)阶段,通过方差分析探究不同海拔更新苗胸径、株高的差异,再进一步建立回归模型拟合更新苗胸径、株高与各层土壤水热的关系,探讨更新苗胸径、株高对土壤水热的响应。结果表明:(1)更新苗胸径、株高随海拔升高而降低,海拔2700m幼苗胸径与3300m幼苗胸径存在显著性差异(P<0.05),海拔2700m、2800m幼苗、幼树株高与3300m幼苗、幼树株高存在显著性差异(P<0.05),幼树胸径在各海拔均不存在显著性差异,表明更新苗胸径对海拔的敏感性要低于更新苗株高。(2)更新苗胸径、株高与土壤温度呈正相关,与土壤水分呈负相关,幼苗胸径与20cm土壤温度和土壤水分的相关系数最大,幼树胸径与40cm土壤温度和土壤水分相关系数最大,幼树株高与40cm土壤温度及20cm土壤水分相关系数最大。(3)回归模型显示幼苗胸径和株高对土壤水热的利用模式相同,而幼树胸径和株高对土壤水热的利用模式存在差异。(4)青海云杉天然更新随着龄级的增加,影响生长的主要因素由土壤温度逐渐变为土壤水分,更新苗胸径对土壤水热的响应也随着龄级的增加在逐渐减弱。     

祁连山青海云杉树干液流密度的优势度差异

以祁连山排露沟小流域青海云杉林为研究对象,选取有代表性的优势木、亚优势木、中等木和被压木各3—5株,2015年6月16日至10月14日应用热扩散技术对不同优势度青海云杉树干液流密度进行测定,并同步测定相关的林外气象因子。结果表明:(1)青海云杉液流密度呈昼高夜低趋势,晴天液流密度变化幅度较大,而阴雨天变化幅度较小。(2)晴天树木优势度越大,其液流在日内的启动越早,结束越晚,峰值也越大;优势木的平均液流密度为(0.0758±0.0475)m L cm~(-2)min~(-1),是亚优势木的1.5倍,是中等木和被压木的1.68倍。(3)青海云杉平均液流密度基本呈现6月份最大,其次是8月份,9、10月份明显减小,且优势木亚优势木中等木被压木。(4)相关性分析和逐步回归表明,青海云杉日均液流密度与太阳辐射强度、饱和水气压差和空气温度呈正相关关系,与空气相对湿度和降雨量呈负相关关系。影响优势木、亚优势木和中等木液流密度的主要气象因子是太阳辐射强度,被压木液流密度主要受空气相对湿度的影响。     

祁连山青海云杉林冠生态水文效应及其影响因素

以位于祁连山中段大野口关滩森林站的青海云杉林为研究对象,利用2008年观测期间(6月12日至10月8日)34场降雨的大气降雨量、穿透雨量和树干茎流量观测资料,对青海云杉林的降雨再分配特征及其影响因素进行综合分析。结果表明:青海云杉林的总穿透雨量、截留量和干流量分别为212.6、64.5 mm和3.4 mm,分别占大气降雨量的75.8%、23.0%和1.2%;穿透雨在林内具有较大的空间变异性,其变异程度随降雨量的增大而减小,叶面积指数和冠层郁闭度在一定程度上也影响穿透雨的空间分布,且降雨量越小其影响效果越明显;青海云杉林的总干流量为3.4 mm,平均干流率为0.58%,雨前林冠的湿润程度对树干流的产生有很大影响,导致当降雨量为5.6 mm时就开始产生树干茎流;青海云杉林冠截留率的大小主要取决于降雨量,且随着降雨量的增大先减小并逐渐趋于稳定,林冠截留量总体上随冠层郁闭度和叶面积指数的增大而增大,但当观测点位于树冠边缘或多个树冠重叠处时出现负截留现象。所以,就特定林分而言,冠层结构特征对于其林冠生态水文效应起着重要的作用。     

祁连山北坡不同纬度青海云杉及林下土壤化学计量特征

深入探讨植物和土壤化学计量的空间格局和驱动因子,对于把握元素循环和量化生态系统对环境因子的响应具有重要意义。基于此,实验测定了祁连山北坡不同纬度青海云杉组织及土壤碳(C)氮(N)磷(P)含量,采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)、皮尔逊相关分析(Pearson correlation)及冗余分析(Redundancy analysis,RDA)来揭示祁连山北坡不同纬度青海云杉及林下土壤化学计量特征及关键影响因素。结果表明:(1)青海云杉组织和土壤C、N含量随纬度增加而减少;而青海云杉组织N ∶ P、C ∶ P随纬度增加而增大,土壤N ∶ P、C ∶ P则减小。(2)青海云杉组织养分分配不均衡,C、N元素含量,叶 > 枝 > 根,而P元素含量,枝 > 叶 > 根,且青海云杉枝、根N ∶ P均小于14,表明祁连山青海云杉生长受土壤N元素的限制。(3)土壤因子(含水量、pH值、容重、SOC、TN、TP及SOC ∶ TN ∶ TP)及气候因子(年均气温和年均降水量)变化影响青海云杉组织N、P元素含量,且土壤因子对植物组织N、P、N ∶ P的解释率大于气候因子,其中,植物叶片N、N ∶ P与土壤TN、TN ∶ TP呈正相关(P < 0.05),而植物根系N、N ∶ P值与气温呈负相关、与年均降水量呈显著正相关(P < 0.05)。本研究有助于评估祁连山青海云杉生态系统养分动态变化,探索不同纬度青海云杉林养分调控分配机理,以期为祁连山森林生态系统的持续健康发展提供科学依据。     

东祁连山青海云杉种群大小结构及其动态研究

采用大小级结构和聚类的方法分析东祁连山青海云杉种群结构及其增长趋势。结果表明:青海云杉种群大小级结构可划归于增长型、稳定型、成熟型和衰退型;东祁连山青海云杉林大都处于中龄林阶段,属于稳定型种群;种群大小级结构动态与青海云杉林演替序列基本上成线性关系,体现了种群自组织、自发展的趋稳性;成、过熟林种群大小级结构的非线性波动则体现了种群以自恢复、自调节使群落整体达到相对稳定状态。     

祁连山中部低海拔地区青海云杉径向生长的气候响应机制

利用生理模型开展树木径向生长的气候响应机制研究对理解树木生长的生理机制、预估气候变化情景下森林生态系统的变化、提供森林保护管理的建议有重要意义。以祁连山中部低海拔地区青海云杉树轮记录为依据,利用Vaganov-Shashkin模型模拟青海云杉(Picea crassifolia)的径向生长,探讨青海云杉径向生长的生理机制。结果表明:降水对祁连山中部低海拔地区青海云杉径向生长起着决定性作用,5—8月份的降水直接影响当年青海云杉的径向生长,9月份的降水量影响翌年青海云杉的径向生长。根据本研究结果,水分是限制青海云杉径向生长的主要因子,建议青海云杉人工林种植时,可在5—8月份对青海云杉增加灌溉量。     

甘肃祁连山青海云杉种群数量动态的初步研究

用生存分析和静态生命表研究方法,在祁连山国家级自然保护区调查了16个(20 m×20 m)样地,分析青海云杉(Picea crassifolia Kom.)种群数量动态和年龄结构.结果表明,不同种群年龄结构不同,属顶级群落的苔藓-青海云杉林、草类-青海云杉林表现为衰退型种群;灌木-青海云杉林、马先蒿-青海云杉林为增长型种群.1～5龄级存活曲线较陡,种群死亡率较高;5龄级以后存活曲线相对平缓,死亡率较低.采用指数方程和幂函数对生存曲线的类型进行检验,苔藓-青海云杉林、草类-青海云杉林和标准化青海云杉林的生存曲线符合DeeveyⅢ型曲线;灌木-青海云杉林、马先蒿-青海云杉林的生存曲线符合DeeveyⅡ型曲线.种群数量变化的回归分析和青海云杉生态寿命与环境因子相关性分析表明,青海云杉种群存活数变化和生态寿命与种群密度有关.     

祁连山青海云杉叶片氮、磷含量随海拔变化特征

于2005年9月在祁连山北坡沿海拔梯度测定了青海云杉(Picea crassifolia)叶片氮、磷含量.结果表明,青海云杉叶氮、磷平均含量分别为9.75和0.97 mg·g-1.在种间水平上,青海云杉叶片氮、磷含量明显低于全球松科其它针叶树种;在种内水平上,随着海拔的增加,青海云杉叶片氮含量表现出降低的趋势,叶片磷含量变化趋势不明显.叶片氮含量与年均气温呈显著正相关关系(r=0.616**),与土壤水分呈显著负相关关系(r=-0.640**),与土壤有机质、全氮均呈显著负相关关系(r=-0.591**,r=-0.564**);叶片磷含量与年均温、土壤水分之间的关系不显著;叶片氮、磷之间的比率为10.2.表明温度和水分对青海云杉叶片氮、磷含量的影响主要是通过影响土壤生物化学过程(如养分有效性、根系对养分的吸收等)来实现的,青海云杉生长更多的受到氮素限制.     

祁连山大野口流域青海云杉种群数量动态

种群数量动态揭示了种群的结构特征及其潜在的驱动机制,有助于预测种群未来的动态,进而为森林生态系统的保护与恢复提供理论依据。本研究基于10.2 hm²青海云杉动态监测样地数据,以种群径级结构代替年龄结构,编制静态生命表,绘制径级结构图、存活曲线、死亡率曲线、消失率曲线和4个生存分析函数曲线,分析青海云杉种群数量特征,并利用种群数量动态变化指数和时间序列模型对种群数量动态进行预测。结果表明：（1）青海云杉种群的年龄结构近似于倒"J"型,幼苗和小树储量丰富;（2）种群存活曲线趋近于Deevey-Ⅱ型,为稳定型种群,死亡率曲线和消失率曲线变化趋势基本一致,均在第2、8龄级出现高峰期;（3）生存率曲线呈下降趋势,累计死亡率曲线呈上升趋势,死亡密度曲线缓慢下降,而危险率曲线逐渐上升,该种群具有：前期减少、中期稳定、后期衰退的生长特点;（4）种群数量变化动态指数V_pi>0,表明该种群属于增长型种群,V_pi''>0且趋近于0,则表明该种群趋近于稳定型;（5）时间序列预测分析表明,在未来2、4、6、8个龄级时间后,种群呈稳定增长趋势。研究显示,祁连山大野口流域青海云杉种群为稳定增长型种群,只要未来不遭受强烈干扰,种群数量会保持逐渐增长。针对该种群幼龄个体在前期的更新过程死亡率较高情况,建议在今后的经营管理中应重点加强对第1、2龄级植株生存环境的保护和改善,提高幼苗和小树的存活率。     

控水条件下侧柏冠层气孔导度对土壤水的响应

建立了不同控水条件下(无降水、一半降水、自然降水和二倍降水)的侧柏样地,于2016年8月—2017年8月监测了样地土壤含水量(SWC)、降水量、液流密度(J_s)、叶面积指数(LAI)和水汽压亏缺(VPD)等因子,分析SWC对侧柏冠层气孔导度(g_s)的影响。结果表明: 一半、自然和二倍降水样地的SWC与降水量呈正相关,SWC变化范围分别为4.9%～16.0%、7.2%～22.9%、7.4%～29.6%,无降水样地的SWC在8—10月下降50%;7月的日g_s在14:00达到峰值(166.64 mmol·m^-2·s^-1),显著高于其他月份,且出现双峰现象, 1月的日g_s在12:00达到峰值(54.1 mmol·m^-2·s^-1);3个降水条件下,侧柏g_s与SWC呈负二次相关关系,且g_s达到峰值,对应的SWC分别为8.5%、12.5%和18.5%,均趋近于年平均SWC。不同控水样地内侧柏g_s对VPD的敏感性(δ)/参比冠层气孔导度(g_sref)均≥0.6,表明不同控水条件下土壤水分状况较适合侧柏蒸腾用水的需求。当SWC在3.7%～7.5%时,δ和g_sref值迅速增大,说明气孔调节能力更好,植物气孔对VPD的响应更敏感;当SWC上升到11%时,SWC变化对g_sref和g_s对VPD响应敏感性的影响不显著。可能存在侧柏产生适应状态的SWC阈值,植物体在自身的生命活动中关闭或减小气孔开度,降低叶片水势以适应过高的VPD,保护植物不会引起过度蒸腾,从而对蒸腾的调控更加有效。     

三种植被恢复树种的冠层气孔导度特征及其对环境因子的敏感性

应用Granier热消散探针,长期监测华南地区荷木、大叶相思和柠檬桉林不同径级样树的树干液流,结合同步观测的气象数据,求算冠层气孔导度(g_c),并分析其对环境因子的响应方式及敏感性.结果表明: 不同季节荷木林日间平均g_c显著高于大叶相思和柠檬桉(P<0.05)（除3月外）.在干季和湿季,g_c与光合有效辐射(PAR)呈现对数正相关关系(P<0.001),湿季g_c对PAR响应比干季更敏感.g_c与水汽压亏缺(VPD)在干湿季均呈现对数负相关关系(P<0.001),同样在湿季表现出更高的敏感性.湿季g_c与VPD的偏相关系数高于干季,VPD对气孔行为的调控作用在湿季更为明显.随着土壤含水量的降低,g_c对VPD的敏感性下降,荷木和柠檬桉林下降的幅度大于大叶相思林,荷木和柠檬桉林下降的幅度相当.通过综合分析g_c对环境因子(PAR和VPD)的敏感性及其对土壤含水量变化的响应规律,发现乡土树种荷木作为植被恢复树种比外来引种的大叶相思和柠檬桉更为适宜.     

华北山区侧柏冠层气孔导度特征及其对环境因子的响应

冠层气孔导度(g_s)是衡量冠层-大气界面水汽通量的重要生物学常数,研究其特征及对环境因子的响应,能为开展森林冠层水汽交换过程的机理性研究提供理论依据.于2014年利用SF-L热扩散式探针测定了侧柏的树干液流密度(J_s),同步监测光合有效辐射(PAR)、饱和水汽压差(VPD)、气温(T)等环境因子,计算侧柏的冠层气孔导度特征并分析其对各环境因子的响应.结果表明: 侧柏液流密度的日变化总体呈双峰曲线,生长季高于非生长季,且胸径越大液流密度越大;冠层气孔导度日变化与单位叶面积冠层蒸腾(E_L)趋势相近,均呈双峰曲线,生长季的冠层气孔导度和蒸腾较非生长季略高.侧柏冠层气孔导度与空气温度呈抛物线关系,在10 ℃左右冠层气孔导度达到峰谷;光合有效辐射以400 μmol·m^-2·s^-1为界,小于该阈值两者呈正相关关系,大于该阈值则冠层气孔导度受其影响较小;与饱和水汽压差呈负对数函数关系,随饱和水汽压差增大而逐渐降低.较高的空气温度和光合有效辐射、较低的饱和水汽压差有利于侧柏形成较大的冠层气孔导度,进而促进冠层蒸腾.     

Base water potential of Picea abies as a characteristic of the soil water status

Variation in base water potential (Ψ_b, a daily maximum level of plant water potential, which is presumed to correspond to the condition of equilibrium between the soil and plant water potentials) was examined in shoots of Norway spruce trees growing in well-drained and waterlogged soils. The influence of soil water content, air temperature, and vapour pressure deficit of the atmosphere on Ψ_b was studied using the pressure chamber technique. Maximum daily water potentials were not always observable before dawn; some were registered up to two hours later. This tendency being characteristic of trees growing under stress (shade, waterlogging) conditions, increased with declining soil water availability. In trees growing in well-drained soil, Ψ_b depended asymptotically on the available soil water storage (R²=0.73), while the values were slightly influenced by vapour pressure deficit of the atmosphere as well. In trees growing in waterlogged soil, Ψ_b was independent of the soil water storage, but sensitive to the vapour pressure deficit.     

华南桉树人工林树液流通量及蒸散作用

通过对广东省湛江市雷州半岛桉树(Eucalyptus urophylla S.T.Blake)人工林的树液流通量、环境因子、土壤蒸发、林冠截留和林分特性相关指标一年多的连续观测,以及通过一个理论公式对日蒸散量的计算,得出了如下结论:(1)土壤特性及由此决定的土壤水势对树液流通量,以及树液流通量密度(SFD)与气温的关系有一定影响;(2)林冠层的VPD(空气饱和差)对SFD有显著影响;(3)由测定和计算得来的蒸散量在河头和纪家分别有5.26%和6.14%的偏差,可以认为这两种方法有较好的一致性;(4)河头和纪家的林分蒸腾量占总蒸散量百分比分别为62.2%和51.3%;(5)树种单位叶面积水平上的SFD是评价该树种水分利用的重要指标.     

Water uptake profile response of corn to soil moisture depletion

The effects of soil moisture distribution on water uptake of drip‐irrigated corn were investigated by simultaneously monitoring the diurnal evolution of sap flow rate in stems, of leaf water potential, and of soil moisture, during intervals between successive irrigations. The results invalidate the steady‐state resistive flow model for the continuum. High hydraulic capacitance of wet soil and low hydraulic conductivity of dry soil surrounding the roots damped significantly diurnal fluctuations of water flow from bulk soil to root surface. By contrast, sap flow responded directly to the large diurnal variation of leaf water potential. In wet soil, the relation between the diurnal courses of uptake rates and leaf water potential was linear. Water potential at the root surface remained nearly constant and uniformly distributed. The slope of the lines allowed calculating the resistance of the hydraulic path in the plant. Resistances increased in inverse relation with root length density. Soil desiccation induced a diurnal variation of water potential at the root surface, the minimum occurring in the late afternoon. The increase of root surface water potential with depth was directly linked to the soil desiccation profile. The development of a water potential gradient at the root surface implies the presence of a significant axial resistance in the root hydraulic path that explains why the desiccation of the soil upper layer induces an absolute increase of water uptake rates from the deeper wet layers.     

The effect of vapor pressure deficit on maize transpiration response to a drying soil

A decline in plant transpiration has been widely observed to occur within a fairly stable range of threshold values of fraction transpirable soil water (FTSW), usually 0.3–0.4. However, the stability of this function has not been compared at various levels of atmospheric vapor pressure deficit (VPD). Soil hydraulic conductivity is likely to be involved in determining the threshold where water supply is limiting. Thus, it was hypothesized that at a high VPD resulting in increased transpiration rates, the FTSW threshold for the decline of transpiration rates as a result of drying soil would be increased. This study was undertaken in controlled environment chambers with two maize (Zea mays L.) hybrids (Pioneer Brand Hybrids `3165' and `3737') so as to subject plants to four VPD levels (1.1, 2.0, 2.9 and 3.6 kPa) during a soil drying experiment. In contrast to the original hypothesis, there was little ( 0.05 FTSW) change in the threshold FTSW in response to increased VPD for either hybrid. In fact, over the narrow 0.31–0.38 FTSW range observed, the two hybrids showed opposite trends in FTSW threshold as VPD increased. These results supported the view that the FTSW threshold for the decline in transpiration with drying soil is stable, showing little sensitivity to changes in VPD.     

华南桉树人工林树液流通量及蒸散作用(英文)

通过对广东省湛江市雷州半岛桉树(Eucalyptus urophylla S.T.Blake)人工林的树液流通量、环境因子、土壤蒸发、林冠截留和林分特性相关指标一年多的连续观测,以及通过一个理论公式对日蒸散量的计算,得出了如下结论:(1)土壤特性及由此决定的土壤水势对树液流通量,以及树液流通量密度(SFD)与气温的关系有一定影响;(2)林冠层的VPD(空气饱和差)对SFD有显著影响;(3)由测定和计算得来的蒸散量在河头和纪家分别有5.26％和6.14％的偏差,可以认为这两种方法有较好的一致性;(4)河头和纪家的林分蒸腾量占总蒸散量百分比分别为62.2％和51.3％;(5)树种单位叶面积水平上的SFD是评价该树种水分利用的重要指标。     

Tree root and soil heterotrophic respiration as revealed by girdling of boreal Scots pine forest: extending observations beyond the first year

Limitations in available techniques to separate autotrophic (root) and soil heterotrophic respiration have hampered the understanding of forest C cycling. The former is here defined as respiration by roots, their associated mycorrhizal fungi and other micro‐organisms in the rhizosphere directly dependent on labile C compounds leaked from roots. In order to separate the autotrophic and heterotrophic components of soil respiration, all Scots pine trees in 900 m² plots were girdled to instantaneously terminate the supply of current photosynthates from the tree canopy to roots. Högberg et al. (Nature 411, 789–792, 2001) reported that autotrophic activity contributed up to 56% of total soil respiration during the first summer of this experiment. They also found that mobilization of stored starch (and likely also sugars) in roots after girdling caused an increased apparent heterotrophic respiration on girdled plots. Herein a transient increase in the δ¹³C of soil CO₂ efflux after girdling, thought to be due to decomposition of ¹³C‐enriched ectomycorrhizal mycelium and root starch and sugar reserves, is reported. In the second year after girdling, when starch reserves of girdled tree roots were exhausted, calculated root respiration increased up to 65% of total soil CO₂ efflux. It is suggested that this estimate of its contribution to soil respiration is more precise than the previous based on one year of observation. Heterotrophic respiration declined in response to a 20‐day‐long 6 °C decline in soil temperature during the second summer, whereas root respiration did not decline. This did not support the idea that root respiration should be more sensitive to variations in soil temperature. It is suggested that above‐ground photosynthetic activity and allocation patterns of recent photosynthates to roots should be considered in models of responses of forest C balances to global climate change.