北京山区干旱胁迫下侧柏叶片水分吸收策略

干旱与半干旱地区,水分是限制树木生长的重要影响因子。由于降水稀缺且分配不均,叶片吸收水分是此地区树木吸收和利用小量级降水和凝结水的主要方式。北京山区处于易旱少雨的生态脆弱地带,森林植被经常遭受干旱胁迫,所以对该地区的森林系统而言,叶片直接吸收利用截留的降雨是干旱时期树木获得水分的重要途径。基于野外对比控制试验和室内盆栽模拟试验,选取北京山区的主要造林树种侧柏为研究对象,进行利用天然降雨与模拟降雨试验,研究降雨前后侧柏叶片吸水特征,探究侧柏在干旱环境下如何通过叶片吸水缓解干旱胁迫。结果表明：当侧柏长期处于干旱胁迫状态时,叶片可以利用降雨,从中获益用来缓解树木的干旱胁迫状态;叶片的吸水能力与降雨强度呈正相关关系,与土壤含水率呈负相关关系;重度干旱下侧柏植株在降雨强度为15 mm/h时叶片吸水现象最明显,叶水势变化最大为(1.18±0.17) MPa,叶片含水率变化最大为(8.47±1.00)mg/cm~2;当土壤水率高于20.8%时,基本不发生叶片吸水现象。试验结果说明在干旱地区叶片吸水是树木除根系吸水外的重要水分来源方式,并且对干旱地区有效利用短缺水资源,减轻植物水分亏缺具有重要意义。     

干旱胁迫下杉木叶片吸水及水分逆向运移特征

全球气候变化下降水格局时空分布不均导致亚热带地区季风气候周期性干旱日益严重，而叶片吸水对缓解植物干旱胁迫具有重要的生态和水文效应。本研究以盆栽杉木(Cunninghamia lanceolata)作为对象，利用重水(δD)喷施模拟降水，设置4个土壤水分(自然充沛、自然适宜、轻度干旱和中度干旱，分别对应实际土壤含水量(SWC)21%～26%、16%～21%、12%～16%和8%～12%)和4个叶面湿润时长(10、30、40和60 min),对杉木叶片吸水及逆向运移重水的利用比例进行连续监测。结果表明：当土壤受到干旱胁迫(SWC 8%～16%),叶片持续喷湿时间≥30 min时，叶片会发生吸水，且叶片吸收的水分可沿叶-枝-根的水势梯度逆向运移到木质部和根附近土壤中，改善植物水分状况；叶片对逆向运移重水的利用比例随降水结束后时间的增加而逐渐减小，在降水结束1 h后达到最大值，为10.82%;枝条和根对逆向运移重水的利用比例随降水结束后时间的增加先升高后缓慢减小，其分别在降水结束2 h和2～4 h后利用比例达到最大，为8.36%和0.65%,说明杉木各个部位对逆向运移重水的利用比例不同，响应时...     

基于稳定同位素的干旱半干旱区SPAC水分运移过程研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是生态水文学的重点研究对象,其水分运移过程对于干旱半干旱区生态植被建设和水资源综合管理具有重要意义。氢氧稳定同位素较高的灵敏性和准确度有助于揭示这一过程。介绍了氢氧稳定同位素在土壤-大气界面、土壤-地下水界面、土壤-植物界面和植物-大气界面水分补给传输过程中的应用,包括土壤水分来源和蒸发;水分补给入渗机制和滞留时间;植物水分来源和水力再分配;蒸散发分割和叶片吸水的相关研究,同时明确了氢氧稳定同位素技术在应用过程中存在的一些不确定性以及未来亟需加强的方面,以期为利用稳定同位素技术对生态水文过程的研究提供参考依据。     

土石山区不同植物土壤水分利用方式对降雨的响应特征

植物的水分利用特征对浅层土石山区的植被恢复具有重要意义.本研究利用稳定同位素技术,通过采集降雨后丹江鹦鹉沟小流域侧柏和玉米的植物样及其植物根系周围的土壤样品,分析其氧稳定同位素特征,研究土石山区侧柏和玉米两种不同植物的土壤水分利用方式对降雨的响应特征.结果表明: 侧柏和玉米的土壤水分利用方式对降雨存在不同的响应特征.侧柏根系主要利用10～30 cm土层的土壤水分,而玉米主要利用0～20 cm土层的土壤水分.降雨量由29 mm减少至8 mm时,侧柏根系的主要吸水深度由20～30 cm减小到10～20 cm,玉米根系的主要吸水深度由10～20 cm转换为0～20 cm.降雨减少时,侧柏根系吸水的主要深度均由深层土壤向浅层土壤移动,而玉米的主要吸水深度由10～20 cm增加为0～20 cm.侧柏和玉米根系的土壤水分利用方式对降雨的响应特征较为明显.     

植物水分生理教学中的两个问题

根压与根系吸水根压是植物根系的生理活动使液流从根部上升的压力。一些教科书中将根压视为根系吸水的动力之一,认为根压把根部的水分压到地上部,土壤中的水分便不断补充到根部,这就形成了根系吸水过程。这是不正确的。根系利用代谢能,主动地将土壤中的溶质吸收到内皮层内部,又主动(或被动)地将吸收的溶质转移到导管中,使导管溶液的浓度高于外部溶液的浓度,通     

根压与根系的主动吸水

植物根系吸收水分有两种类型:被动吸水和主动吸水,被动吸水的动力是蒸腾拉力,主动吸水的动力是根压。我认为根压不是植物根系吸水的动力,而应当是植物根系吸水的结果。理由有三点: 第一,根压的定义没有“根压是根系主动吸水的动力”的含义。“根系的生理活功使液流上升的压力称为根压”。“根压是由于根系代谢活动的结果,使木质部导管分子内产生     

腾格里沙漠东南缘人工植被区降水入渗与再分配规律研究

试验于2001年8月17日至9月30日在中国科学院沙坡头沙漠试验研究站进行,主要利用时域反射仪(TDR)连续测量土壤剖面水分含量的方法,观测受植物根系吸水,蒸散作用影响下的人工植被荒漠灌木柠条(Caragana korshinskii)群落区固定沙丘降水入渗与再分配过程。土壤体积含水率由水平埋设在植物根系剖面内12个深度层次(5～200cm)的时域反射仪探头每小时自动测定1次。天然降水条件下的土壤入渗速率由入渗深度与相应的入渗时间之比值计算得到。结果表明：在7次不连续降水过程中,土壤入渗速率与降水强度呈简单线性相关关系,土壤入渗速率约为降水强度的10倍强。然而当次降水过程中降水强度小于0．46mm／h时,土壤入渗速率约为0cm／h,此时的降水对人工植被固定沙丘区的土壤基本上没有水分补给作用。受荒漠灌木柠条根系吸水作用的影响,其根系密集剖面深度40～140cm内降水水分入渗积累不明显。降水入渗速率及入渗深度受土壤剖面初始含水率多寡而变化,干燥土壤剖面有助于提高入渗速率及入渗深度。降水以后随着时间的推移,区域环境内空气温度、湿度等气象条件适宜,柠条生长进入相对旺盛阶段,其根系密集层140cm深度处土壤含水率在总体上下降的过程中,表现出昼消夜长的趋势,翌日8：00土壤含水率值略高于前一日20：00水分值0．1％～0．3vol．％。     

水分胁迫下AM真菌对柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)生长和抗旱性的影响

利用盆栽实验研究了水分胁迫条件下AM真菌对柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)生长和抗旱性的影响.在土壤相对含水量为80%、60%和40%条件下,分别接种摩西球囊霉(Glomus mosseae)和柠条锦鸡儿根际土著菌,结果表明,水分胁迫对AM真菌的接种效果有显著影响.不同水分条件下,接种AM真菌显著提高了宿主植物根系菌根侵染率.土壤相对含水量为40%～60%时,接种株的株高、茎粗、生物干重和叶片保水力明显高于不接种株;接种AM真菌提高了植株对土壤有效N和有效P的利用率,增加了植株全P、叶片叶绿素和可溶性糖含量以及SOD、POD、CAT等保护酶活性.土壤相对含水量为40%时,叶片MDA含量明显下降.水分胁迫条件下,以接种柠条锦鸡儿根际土著菌的效果最佳.AM真菌增强宿主植物的抗旱性可能源于促进宿主植物根系对土壤水分和矿质元素吸收的直接作用和改善植物体内生理代谢活动、提高保护酶活性的间接作用.     

基于双稳定同位素和MixSIAR模型的冬小麦根系吸水来源研究

灌溉和施肥措施对农田水文循环具有重要影响,根系吸水是联系植物蒸腾和土壤水分运动的关键水文过程,定量识别灌溉施肥影响下作物根系吸水来源对农业用水优化管理具有重要意义。氘氧稳定同位素(D和18O)是追溯农田水分运移过程的理想天然示踪剂。基于2013—2015年北京市典型农田不同灌溉施肥处理冬小麦水分运移试验,利用D和18O双稳定同位素和MixSIAR贝叶斯混合模型,量化冬小麦主要根系吸水深度及其贡献比例,阐明作物水分来源的季节变化及不同处理间的差异,分析根系吸水与土壤水分分布变化的相互关系。研究结果表明:两季冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期主要根系吸水深度均值分别为0—20 cm(67.0%)、20—70 cm(42.0%)、0—20 cm(38.7%)和20—70 cm(34.9%),但季节变化差异显著,2014季主要吸水深度随作物的生长发育而逐渐增加,2015季则主要集中于浅层土壤(0—70 cm)。返青-抽穗期仅灌水20 mm或施肥105 kg/hm2N促使拔节-抽穗期深层(70—200 cm)土壤水分利用率平均增加29%,而前期充分灌水且大量施肥(≥当地施肥量210 kg hm-2N)时拔节-抽穗期根系吸水深度为土壤表层0—20 cm。在干旱少雨的冬小麦生长季内作物吸水来源与土壤水分消耗变化基本一致。     

贡嘎山暗针叶林土壤优先流形成因素的初步研究

该研究以长江上游贡嘎山暗针叶林生态系统的降雨过程、地被物层、根系层及土壤层的生长发育特点和水分运动状况为基础,利用自制实验仪器,在研究区域开展室内土柱实验,与野外实地示踪影像分析及树种根系调查相结合,针对研究区域土壤包气带根系层中水分快速运动的优先流形成的内外影响因子展开研究工作。研究结果表明研究区域土壤松散和多孔,土壤的孔隙度较大,大部分降雨为低强度、低雨量级和长历时,并具有较厚的地被物层和丰富的根系层,这些诱发因素存在,使研究区域——贡嘎山高山生态系统具有优先流形成的条件,降雨不会对土壤造成击溅作用,水分运移沿着土壤孔隙或植物根孔等处开辟优先路径,在地被物层及土壤层形成一个水流通道,随着长历时的降雨的继续,水分及其所携带的溶质继续沿着此路径向下运移。     

季节性干旱地区典型树种长期水分利用特征与模式

在季节性干旱地区,水分是影响植物生长发育的关键核心因子。基于长期连续观测数据探究植物水分利用模式,对于季节性干旱地区植被建设具有重要意义。本研究以北京山区侧柏人工林为对象,利用稳定氢氧同位素技术测定了2012—2017年间土壤、植物枝条和降水同位素组成,通过MixSIAR模型定量分析侧柏对不同土层土壤水分的贡献率。结果表明: 深层(40～100 cm)土壤水较浅层(0～40 cm)土壤水稳定,受蒸发和降水的影响,浅层土壤含水量和水同位素值变化幅度较深层明显;侧柏主要吸收利用稳定的深层土壤水,贡献率为55.7%。在旱季,随着土壤水分含量的降低,植物对土壤水分的吸收深度逐渐向浅层转移;在水量充沛、自然适宜、轻度干旱、中度干旱条件下,深层土壤水的贡献率依次为59.8%、57.9%、54.6%、52.7%。在轻度和中度干旱条件下,雨季侧柏对深层土壤水的依赖程度高于旱季,以维持较大的蒸腾作用;在水量充沛、自然适宜、轻度干旱、中度干旱条件下,深层土壤水贡献率分别为58.9%、57.6%、56.4%、57.1%。侧柏依据土壤水分条件调整吸水深度的自适应特性,对季节性干旱地区生态造林树种的选择和长期管理规划具有重要意义。     

毛白杨根系液流与水力再分配特征

为确定毛白杨(Populus tomentosa)根系是否存在水力再分配现象,并探究其发生特征与影响因子,该研究以四年生毛白杨为研究对象,利用热比率法对3株样树的共计7条侧根(R1–R7)进行长期液流监测,并对土壤水分以及气象因子进行同步测定。结果显示:毛白杨存在两种水力再分配模式,分别为干旱驱动的水力提升和降雨驱动的水力下降,水力再分配的发生模式与特征受侧根分布深度与直径大小的影响。在整个生长季尺度上,毛白杨根系再分配的水量较低;但在极端干旱条件下,部分侧根再分配的水量可达其日总液流量的64.6%,表明水力再分配会为干旱侧根提供大量水分。根系吸水与气象-土壤的耦合因子(太阳辐射(R_s)×土壤含水率(SWC)、水汽压亏缺(VPD)×SWC、参考蒸散发(ET_o)×SWC)间存在显著相关关系,但水力再分配与所选因子基本不相关。此外,毛白杨浅层根中存在特殊的日间逆向液流现象,其液流量最高可占日液流总量的79.2%(R1)到90.7%(R2),该现象可能对浅层根系抗旱起到重要作用。     

Sap flow characteristics and its responses to precipitation in Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis plantations

Aim In the loess hilly region, drought stress frequently occurs during the late spring and early summer as a result of insufficient water supply and asynchronous changes between temperature and precipitation. Our objective was to quantify the characteristics of water-consumption through transpirations and their responses to precipitation in the dominant plantations in this region. Methods Thermal dissipation probe (TDP) was used to measure the sap flow density (F_d) of Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis from April through October in 2009 in Ansai National Ecological Experimental Station. Environmental variables, including meteorological factors and soil water content, were simultaneously measured. Important findings The diurnal variation of F_d exhibited a single-peak curve during the growing season of R. pseudoacacia and P. orientalis. The maximum F_d was three times greater in R. pseudoacacia (0.12068 m³·m^-2·h^-1) than that in P. orientalis (0.03737 m³·m^-2·h^-1). Except in the rapid-growth season (July to August), the F_d of these two species during the post-precipitation period were significantly higher than that during the pre-precipitation period. The F_d of P. orientalis and R. pseudoacacia was well fitted with transpiration (VT), an integrated index calculated from both vapor pressure deficit (VPD) and solar radiation (R_s), using an exponential saturation function. Generally, F_d increased in response to rising VT, while these values tended to be stable when VT reached about 50 kPa (W·m^-2)^1/2. Furthermore, R. pseudoacacia showed more sensitive to precipitation (p < 0.001) than P. orientalis, according to different hydraulic conductance model coefficients (fitting parameter b) between pre- and post-precipitation periods. Therefore, R. pseudoacacia could be considered as a precipitation-sensitive species, while P. orientalisasa precipitation-insensitive species. Through analyzing the different responses of plantation species to precipitation in the loess hilly region, this study provides a scientific basis for the local plantation management from the aspect of tree water use during ecological restoration.     

黄土丘陵区刺槐和侧柏人工林树干液流特征及其对降水的响应

水分供应不足及水热不同步常导致黄土丘陵地区在春末和夏初出现季节性干旱。为阐明该地区主要造林树种的蒸腾耗水特征及其对降水的响应, 使用热扩散式树干茎流计(TDP)于2009年4-10月对黄土丘陵区安塞国家生态试验站刺槐(Robinia pseudoacacia)和侧柏(Platycladus orientalis)的树干液流密度(F_d)进行连续观测, 并同步测定了气象、土壤水分等环境因子。结果表明: 刺槐和侧柏在生长季内不同生长时期的F_d均表现为单峰型日变化特征, 刺槐最高液流峰值为0.12068 m³·m^-2·h^-1, 是侧柏最高液流值(0.03737 m³·m^-2·h^-1)的3.23倍。除生长旺盛季(7-8月)外, 刺槐和侧柏降水后的F_d明显高于降水前。同时反映水汽压差(VPD)和太阳辐射(R_s)的蒸腾变量(VT)能够很好地模拟F_d, 且两者呈显著的指数正相关关系, 随VT的增加F_d逐渐增大, VT增加到50 kPa (W·m^-2)^1/2左右时, F_d的变化趋于稳定; 通过对降水前后两个树种水力导度(拟合参数b值)分析, 相对于侧柏, 刺槐更易受降水的影响(p < 0.001)。因此, 可认为刺槐是降水敏感型植物, 而侧柏是降水不敏感型植物。该研究通过分析黄土丘陵区人工林树种对降水的差异性响应, 从树木水分利用方面能够为当地生态恢复过程中人工林的管理提供科学依据。     

兰州市南北两山5种典型人工林凋落物的水文功能

结合野外实地观测和室内浸水试验,对兰州市南北两山5种典型人工林(侧柏林、刺槐林、新疆杨林、侧柏+刺槐混交林、新疆杨+刺槐混交林)凋落物的持水特性进行研究。结果表明: 不同林分类型凋落物的蓄积量在13.50～47.01 t·hm^-2,依次为新疆杨+刺槐混交林＞侧柏+刺槐混交林＞侧柏林＞刺槐林＞新疆杨林。除侧柏林外,其他林分类型的半分解层蓄积量所占比例均高于未分解层。凋落物最大持水率在190.8%～262.7%,新疆杨+刺槐混交林最大,侧柏林最小。凋落物最大持水量在35.29～123.59 t·hm^-2,依次为新疆杨+刺槐混交林＞侧柏+刺槐混交林＞刺槐林＞侧柏林＞新疆杨林。凋落物的吸水速率在浸水0～1 h直线下降,1 h后降幅减缓,未分解层凋落物吸水速率小于半分解层。最大拦截量和有效拦截量(深)均为新疆杨+刺槐混交林＞侧柏+刺槐混交林＞侧柏林＞刺槐林＞新疆杨林,且新疆杨+刺槐混交林有较高的有效拦截率,表明新疆杨+刺槐混交林在兰州市南北两山有较好的保持水土和涵养水源能力。     

应用磷脂脂肪酸和聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳分析技术研究湿地植物根际微生物群落多样性

以天津大学校内两个相邻的小型湖泊(青年湖和爱晚湖)为研究区域, 通过采样分析, 利用磷脂脂肪酸(PLFA)和聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)分析技术, 研究了湿地植物种类(芦苇(Phragmites australis)和东方香蒲(Typha orientalis))和生长方式(单生和混生)对根际微生物生物量和群落结构的影响。PLFA分析结果表明, 植物根际微生物生物量大于非根际(爱晚湖芦苇除外); 植物种间的差异较大, 东方香蒲根际沉积物中微生物生物量大于芦苇根际; 种内根际微生物受植物的生长状况影响较大, 采样期间两个湖泊中东方香蒲的生长状况(株高)相似, 根际微生物生物量相差不大, 而爱晚湖芦苇由于与东方香蒲共生, 受到东方香蒲的抑制, 使得根际微生物生物量明显低于单独生长的芦苇; 革兰氏阳性细菌数量小于革兰氏阴性细菌的数量, 且根际的革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌的比值小于非根际。沉积物中的细菌群落结构主要与植物种类有关, 同一种植物的根际细菌群落结构差异较小(这些根际细菌聚为一类); 不同植物的根际细菌群落结构差异较大。     

阴山山脉天然侧柏林的基本特征

阴山山脉是中国天然侧柏(Platycladus orientalis)林分布的西北界, 侧柏林也是阴山山脉最主要的森林群落之一。它具有较好的固坡、保土、涵养水源及改善生境的作用。为了解阴山山脉天然侧柏林种群、群落特征和空间分布规律以更好地为侧柏林的经营提供理论依据, 我们以阴山山脉大青山及乌拉山段天然侧柏林为研究对象, 通过样方调查, 分析了侧柏林的植物区系特征, 并根据群落各层片物种优势度将该区侧柏林划分为6个群丛类型, 分析了各群丛特征及其空间分布的生态序列。结果表明: (1)阴山山脉天然侧柏林群落共出现维管植物96种, 隶属于30科70属, 种的地理成分包括8个类型18个亚型, 其中东古北极分布最多, 其次为东亚分布; (2)从群落结构分析, 发育良好的侧柏群落表现为完整的乔木层和草本层, 灌木盖度普遍偏低, 基本不能成层, 在干扰较为严重的地段甚至消失; (3)各群丛侧柏的径级结构基本呈正态分布, 属于稳定的群落类型, 侧柏的平均株高随胸径的增大整体呈增长型; (4)该区侧柏林受干扰较严重, 加之严酷的生境条件, 建群种侧柏的平均胸径较小且植株分叉较多, 不适合作为用材林, 建议将其作为生态公益林及种源林加以保护利用。     

北京山区侧柏-荆条系统水分来源对降雨事件的响应

分析了北京鹫峰山区侧柏、荆条枝条水及其潜在水分来源的氢氧同位素特征,运用IsoSource模型解析侧柏、荆条系统水分利用来源的季节变化及其对降雨事件的响应.结果表明:旱季初期(4月)研究区0～20 cm土层富集土壤水¹⁸O值,20 cm以下该值则随着土层深度增加逐渐减小,侧柏主要利用前2～3 d降雨补充的0～30 cm层土壤水;旱季末期(6月)侧柏和荆条分别利用当天雨水补充的0～10和10～30 cm层土壤水;雨季(7月)侧柏利用前期降水补给的0～40 cm层土壤水(59.3%)和近期降水(12.5%),荆条则利用近期降雨供给的0～30 cm层土壤水;侧柏的土壤水分来源逐月加深,至生长季末(11月)其主要利用60～80 cm层土壤水(前2～3 d降雨补给),而荆条枝条水δ¹⁸O值远离各水分来源δ¹⁸O值.两物种对水分的竞争压力小,适应本区域气候特征,尤其在应对特大暴雨等极端天气时,植物系统垂直分布的水分来源能够有效分流洪峰,减小暴雨瞬时破坏力.     

北京土石山区水分在土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的稳定同位素特征

氢氧稳定同位素是广泛存在于自然界水体中的环境同位素,其在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程及植物用水机制.本研究在北京山区选取了两种主要的绿化树种——常绿针叶林侧柏和落叶阔叶林栓皮栎为研究对象,通过对降水、土壤水、泉水、植物茎干水和叶片水同位素的变化特征进行分析,讨论了水分在大气-土壤-植物连续体中的运动过程.结果表明: 研究区大气降水线方程为δD=7.17δ¹⁸O+1.45(R²=0.93), 土壤蒸发线方程为δD=3.85δ¹⁸O-38.02(R²=0.76), 降水入渗补给土壤水的过程中存在一定程度的蒸发分馏.在不同季节,降水、土壤水和泉水δD和δ¹⁸O值变化规律不同;雨季,δD和δ¹⁸O平均值大小为降水>地下水>土壤水,降水和土壤水共同补充地下水;旱季,δD和δ¹⁸O值大小排序为降水> 土壤水>地下水,降水和地下水都对土壤水有贡献.侧柏和栓皮栎年内茎干水分δD和δ¹⁸O的拟合线性方程分别为δD=5.03δ¹⁸O-30.78 和δD=3.0δ¹⁸O-48.92,栓皮栎利用的土壤水分相对于侧柏更加富集,其水分来源深度更浅.栓皮栎叶片水分同位素变化特征相对于侧柏对大气微环境的反应更加敏感,且其叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强,但是它们对环境条件的变化反应一致.