降雨减少对刺槐树干液流特征的影响

在全球气候变化背景下,区域降水格局正在发生改变,对森林生态系统生产力和水文过程将产生重要影响。为揭示降雨量减少对树木蒸腾耗水特征及其响应环境因子的影响,本研究以黄土高原半湿润区主要造林树种刺槐(Robinia pseudoacacia)为对象,在减雨样地林分行间布设人工减雨板减少约47%的降雨输入,采用Granier型热扩散探针测定树干液流动态,并同步监测太阳辐射、空气温度、相对湿度、降雨事件和土壤含水量等环境因子,分析了树干液流对减雨处理及季节性土壤水分变化的响应特征。结果表明：减雨处理显著降低了刺槐液流通量密度标准化值,处理第3年标准化液流通量密度显著低于对照样地;减雨样地刺槐标准化液流日变化峰值时间早于对照样地,表明减雨样地刺槐较早实施了气孔调节,改变了其与气象因子的时滞时间;标准化液流通量密度响应蒸腾驱动因子的拟合方程参数值在样地间呈极显著差异,显示减雨样地刺槐响应气象因子的敏感性有所降低。降雨量的改变不仅影响林地土壤水分状况,还会对刺槐蒸腾耗水及其对环境因子的响应产生影响。     

Sap flow of Robinia pseudoacacia in response to rainfall exclusion treatment and environment factors in a sub-humid area in Loess Plateau

随着全球气候变化加剧, 局部地区温度上升和降水量改变将对区域植被的分布与生长产生重要影响。在黄土高原半湿润及半干旱地区植被恢复中, 刺槐(Robinia pseudoacacia)是大面积种植的人工林树种。为探究该树种蒸腾耗水特征对降水量改变及水分条件差异的响应, 于2015年4月起, 在地处黄土高原半湿润区的陕西省永寿县槐平林场, 于35年生刺槐人工林样地中布设了人工截留降雨试验, 减少了47.5%的降雨输入。处理当年生长季内, 截留降雨处理区0-100 cm土层的平均土壤含水量相对于对照区(23.76%)有明显降低(22.59%)。采用Granier热扩散探针对截留降雨处理区和对照区的样树树干液流动态进行连续监测, 并同步监测主要气象环境因子(太阳辐射、空气温度和湿度)和林地土壤含水量, 分析了截留降雨处理区与对照区树干液流通量密度动态特征及其对环境因子的响应。结果表明: 截留降雨输入处理降低了刺槐树干液流通量密度, 截留降雨处理期间典型天气的平均液流通量密度(1.64 mL·m ^-2·s ^-1)不仅低于同组样树在处理前一年同期的水平(2.42 mL·m ^-2·s ^-1), 而且远低于试验期间对照区样树的平均水平(3.38 mL·m ^-2·s ^-1); 同时, 截留降雨处理还降低了刺槐液流通量密度对气象因子变化的敏感性, 截留降雨处理区样树液流通量密度响应空气水汽压亏缺的拟合方程参数值与对照区样树差异显著。分析可知, 降水量水平不仅影响土壤水分状况, 而且影响刺槐对气象环境因子响应的敏感性, 降水量减少导致的土壤含水量整体降低会使得该区域刺槐蒸腾耗水量下降, 显示其对环境因子的适应性, 但最终会导致生产力的大幅度降低。     

黄土高原半干旱区刺槐生长盛期树干液流动态

通过研究树干液流速率与气象因子的关系,可以定量地分析树木生长与群落蒸腾耗水的相互关系,揭示黄土高原半干旱区刺槐水分利用动态及其适应环境因子的内在机理,为当地生态环境建设提供理论依据。应用热扩散式树干茎流计(TDP)于2008年7月1日至7月26日,在黄土高原半干旱区安塞县对刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林生长盛期树干液流速率进行了连续测定,并对周围气象、土壤水分等指标进行了同步测定。刺槐生长盛期树干液流速率晴天日变化呈宽峰形曲线,在测量时期液流速率日平均值为0.00133cm·s–1;刺槐树干单位边材面积的液流速率与光合有效辐射、大气温度、水汽压差呈极显著正相关关系,与相对湿度呈负相关关系。其相关程度绝对值顺序为光合有效辐射大气温度水汽压差相对湿度风速;刺槐边材面积与胸径之间存在着显著的线性相关关系,相关系数为0.878,单位边材面积的液流速率随树干胸径的增大而减小。     

黄土丘陵区刺槐树干液流动态分析

2009年4月14日—10月10日,利用热扩散式液流探针(thermal dissipation probe,TDP)对延安市燕沟流域刺槐生长期树干边材液流进行连续监测,并同步监测光合有效辐射、气温、空气相对湿度、风速和降雨量等气象因子.结果表明:刺槐树干液流流速日变化呈单峰曲线,且不同季节液流的日动态变化存在明显差异.叶芽期(4月)液流启动时间在12:00左右,液流达到峰值的时间为18:00左右;5—8月液流启动时间提前到5:30—7:30,液流达到峰值的时间提前至15:00左右;9月以后,液流启动时间在8:00左右,液流达到峰值的时间提前至11:30—13:00.树干液流流速月平均值总体上呈"低-高-低"趋势,其中,4月的平均液流流速最小,为0.000549cm.s-1,8月最大,为0.002610cm.s-1.树干液流速率与气象因子密切相关,其相关性程度依次为:温度水汽压亏缺光合辐射强度相对湿度风速,且可用光合辐射强度和水汽压亏缺线性表达式来估测,其多元线性回归模型达到极显著水平(P0.001).     

基于整树称重法的Granier经验公式对毛白杨树干液流测定的适用性

为了评估Granier经验公式在树干液流测定中的适用性,以毛白杨为对象,利用热扩散式探针法(TDP)测定树木的液流速率,以整树称重法进行同步测定,对比分析Granier经验公式在毛白杨树干液流测定中是否存在误差,并对整树称重法测定的蒸腾速率与热扩散法测定的温差系数K进行幂指数回归拟合,建立校正的Granier公式。结果表明:与整树称重法测定的蒸腾速率相比,通过Granier经验公式计算的液流速率低估了67.7%;建立了毛白杨的Granier校正公式F_d=0.0135K^0.6952(R²=0.77),校正后Granier公式的计算结果与整树称重法测定的蒸腾速率相比仅降低了3.4%,具有较好的一致性。因此,采用Granier经验公式计算毛白杨树干液流速率需进行校正。     

半干旱地区城市环境下樟子松蒸腾特征及其对环境因子的响应

作为我国半干旱地区重要的造林绿化树种之一,樟子松在城市林业建设中被广泛使用,研究樟子松在半干旱地区城市环境下的蒸腾耗水及其环境响应对于城市森林建设具有重要的理论意义和应用价值。从2012年8月至10月,以位于内蒙古呼和浩特市树木园内的30年生樟子松为研究对象,按照其径阶分布,选定8株样木,采用热扩散探针法对其树干边材液流进行了连续动态监测,并采用小型自动气象站和土壤水分传感器同步连续测定小气候因子与土壤含水量动态变化。结果表明:在不同天气条件下,樟子松树干液流密度日变化存在差异,晴天时液流密度曲线表现为单峰曲线,且液流密度较大,阴天与雨天液流密度相对较小;液流密度的大小与供试树木胸径无显著相关关系(P0.05);太阳辐射(r=0.731,P0.01)和大气饱和水汽压亏缺(VPD)(r=0.877,P0.01)是影响樟子松蒸腾的主要因子,风速与液流密度极显著相关(P0.01),但相关系数仅为0.518;土壤水分并未显著影响液流密度(r=-0.071,P0.05)。以太阳辐射Ra、VPD作为自变量建立的模型能够分别解释樟子松68%、71%的液流变化。     

华南地区常见树种导管特征与树干液流的关系

为探讨树木结构与功能的关系,对华南地区常见8种树木边材的导管特征进行观察,并利用Granier热扩散探针法测量干、湿季树干的液流密度,分析导管特征与树干液流的关系。结果表明,除红锥(Castanopsis hystrix)有两种导管外,大叶相思(Acacia auriculaeformis)、荷木(Schima superba)、火力楠(Michelia macclurei)、藜蒴(C.fissa)、马占相思(A.mangium)、柠檬桉(Eucalyptus citriodora)、尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)的导管类型单一。导管特征在种间存在明显差异,且导管长度、密度和孔径之间存在明显相关性,它们与标准化的边材面积呈现显著相关。湿季液流最大值与导管特征无明显相关性,但整树最大蒸腾速率与导管特征呈显著相关;树木的日蒸腾量与导管特征也有明显相关性。因此,树木的液流速率并不受树干的导管影响;而树干的导管孔径与边材面积间的负相关权衡机制,可以降低树种间由于导管孔径差异引起的树干的水分输送速率的差异性。     

黄土高原半干旱区侧柏(Platycladus orientalis)树干液流动态

应用热扩散式树干茎流计(TDP)于2008年4～10月对黄土高原安塞县侧柏人工林树干液流速率进行了连续测定,并对周围气象、土壤水分等多个环境因子进行了同步测定.结果表明:侧柏在不同月份晴天树干液流速率变化具有明显的昼夜节律性,呈单峰曲线;且各月液流速率日均值受土壤供水水平限制总体上呈下降趋势,即4月份最大,为0.00135 cm · s-1;10月份最小为0.00011cm · s-1;树干液流速率与光合有效辐射、大气温度、水汽压差呈极显著正相关,与相对湿度呈负相关,其相关程度:光合有效辐射＞水汽压差＞大气温度＞相对湿度,并可用线性表达式来估算;侧柏边材面积和地径呈幂指数关系,并以此结合密度估算出样地侧柏人工林的边材面积为4.65m2,最终估算出侧柏人工林生长季总耗水量为1159.6 t · hm-2.     

Gash模型在黄土区人工刺槐林冠降雨截留研究中的应用

为了验证Gash林冠截留解析模型在黄土高原人工林中的适用性,基于2009年黄土丘陵沟壑区吕梁市王家沟小流域刺槐林样地降雨观测数据,采用Gash模型对林冠截留进行了模拟。所选刺槐林分为人工纯林,林龄约30a,阴坡,坡度24°,密度为990株/hm2,平均树高10.8 m,平均胸径12.4 cm,郁闭度0.76。根据回归方法确定了Gash模型中的主要参数,包括饱和林冠的平均蒸发速率(E珔)、林冠枝叶部分的持水能力(S)、自由穿透降雨系数(p)、树干持水能力(St)和树干茎流系数(Pt)。结果显示,2009年5月至10月人工刺槐林样地实测降雨量为366.9 mm,穿透降雨量为317.5 mm,树干茎流为10.2 mm,林冠截留量为39.2 mm。模型模拟的林冠截留量为42.4 mm,高于实测值3.2 mm,相对误差为8.2%。敏感性分析表明,S、E珔、St和pt每增加10%,林冠截留量分别增加4.7%,3.1%,1.7%和0.5%;p增加10%,林冠截留量则减少2.6%。说明树干持水能力(St)和树干茎流系数(pt)两个参数对黄土高原人工刺槐林冠截留量的预测值影响程度较小。模拟值与实测值有较好的一致性,显示Gash模型适用于黄土高原人工刺槐林冠的截留计算。     

叶斑病对白桦树干液流的影响

应用热扩散法,对白桦树干液流进行连续两个生长旺期测定。与健康白桦相比,患叶斑病的白桦树干液流格局发生明显改变。在晴天树干液流密度日变化由单峰曲线转变为双峰曲线,或单峰曲线峰值较光合有效辐射峰值显著提前或推后;液流密度峰值及全天均值远远低于同期的健康白桦,且晚上及凌晨输水比例明显升高,表明晚上主要靠根压输送水分,维持光合作用必需原料及生长所需的矿物质;并且此时树干液流密度变化受外界环境因子的决定比重减小或根本无相关显著的环境因子。叶感病白桦树干液流具有以上特点,是因为具有较强的蒸腾生理调控力,以适应叶部病害而求得生存。     

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。     

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.     

黄土高原刺槐林间伐改造研究

通过对 9年生刺槐 (Robiniapseudoacacia)林以 3种不同保留密度进行间伐改造 ,并对其林内光照、温度和土壤水分环境因子以及林下植被层生物多样性、生产力和林冠层林木的生长情况与原林分进行对比分析 .结果表明 ,间伐改造能改善林木及林下植被层生长发育的环境条件 ,促进林下植被层生物多样性和生物产量的提高 ,增加林木的生产能力 .间伐保留密度达到 1110株·hm-2 时 ,在整个生长季 ,林地土壤水分比原林分提高约 40 %,不仅林下植被层的生物多样性和生物量有大幅度提高 ,而且林冠层林木的生产力达到较高水平 ;如果继续加大间伐强度 ,林下植被层和林木个体的生长已达到最大极限 ,将不再提高 .因此 ,1110株·hm-2 左右的保留密度是可考虑的间伐强度 .     

黄土高原刺槐人工林幼林生态系统碳吸存

为了解黄土高原生态林的固碳作用,以刺槐人工林幼林（8年生）和对照荒地为研究对象,比较了两种土地利用方式下,土壤、凋落物和植物各部分的有机碳密度(OCD)和生态系统碳吸存的变化.结果表明:刺槐人工林林地土壤OCD比荒地减少0.26 kg·m^-2,其中0～10 cm层土壤OCD显著提高,10～30 cm土层降低,而在30～80 cm层土壤中则变化不明显.与荒地相比,刺槐人工林林地凋落物、植物根系和植物地上部分的OCD分别增加了121.1%、202.0%和656.7%,每年总有机碳吸存率增加3.3%,说明黄土高原营造刺槐人工林具有明显的碳吸存效应.     

刺槐叶片可塑生长的密度依赖性

为了探明刺槐叶片性状对种植密度的依赖性,通过刺槐田间栽培试验,研究了刺槐叶片可塑生长的密度依赖性以及主要叶片性状因子之间的关系.结果表明,不同种植密度条件下刺槐叶片厚度均无显著差异,但叶面积、叶绿素含蜃、叶片干重、比叶面积、叶干物质含量和叶片N含量差异显著,表明不同种植密度条件下刺槐叶性因子参数的变异较大,刺槐叶片性状对密度的依赖性较强.叶干重、叶厚度和叶片干物质含量均随种植密度的降低而呈增加趋势,叶片干物质含量与种植密度的相关性达到显著水平(P<0.01),而叶干重、叶厚度与种植密度的相关性不显著(P>0.05).比叶而积和叶片N含鼍均随种植密度的降低而降低,表明刺槐各叶性因子之间对种植密度的依赖性差异明显.对刺槐各叶性因子的相关分析表明,不同种植密度条件下各叶性因子之间的相关性及其强弱均存在差别,表明种植密度是影响刺槐叶性因子变异及叶性因子之间关系的因素之一.叶性特征对种植密度响应存在差异的主要原因是叶性因子之间的协同变化、刺槐生长微环境的差异和刺槐间竞争强度的差异,刺槐不同叶性因子之间的协调平衡和对种植密度响应程度与方向的差异表明了刺槐对其生长环境的适应.     

黄土高原油松和刺槐叶片光合生理适应性比较

以黄土高原地区由南向北分布的杨凌、永寿、富县、安塞、米脂、神木等县为研究地点，研究不同地区油松和刺槐的光合特性与叶结构性状间的关系.结果表明，不同地区油松针叶和刺槐叶片的净光合速率（P_n）、光合氮利用效率（PNUE）、水分利用效率（WUE）、比叶质量（LMA）、氮含量（N_mass）和叶绿素相对含量（Chl）差异均达极显著水平（P＜0.001）,说明不同地区油松和刺槐的光合能力和叶结构性状参数差异很大.由南向北，油松的P_n、WUE和PNUE呈略微增加趋势，而刺槐则呈显著降低趋势，表明油松在干旱生境下仍能维持较高的光合能力，而刺槐光合能力明显受到抑制；油松和刺槐的LMA均呈略微上升趋势，而N_mass和Chl均呈略微下降趋势，且刺槐的变化幅度高于油松，说明油松从生理代谢和叶结构性状上对干旱环境的适应能力均强于刺槐.相关分析表明，不同地区油松和刺槐的LMA与N_mass整体上呈极显著负相关；P_n、PNUE与LMA、N_mass相关不显著，与Chl呈极显著正相关；WUE与LMA呈显著负相关（P＜0.05），与N_mass呈显著正相关.     

黄土高原陕北丘陵沟壑区不同立地条件下刺槐水分生理生态特性研究

对黄土高原丘陵沟壑区不同立地条件下刺槐水分生理生态特性进行了初步研究.结果表明,不同立地刺槐林地0～500cm土壤平均含水量(2003年)分别为阳坡6.96%、半阳坡7.62%、半阴坡8.06%、阴坡8.87%,阴坡、半阴坡与阳坡差异达极显著,与半阳坡达显著水平,半阳坡与阳坡差异显著,而阴坡与半阴坡差异不显著.不同立地条件下刺槐叶片相对含水量和饱和亏与各立地土壤含水量关系密切,阳坡刺槐叶片相对含水量和叶水势始终维持在较低水平,而半阴坡和阴坡尤其是阴坡维持在较高水平.刺槐日蒸腾平均值大小顺序为阴坡(4.07μg·cm^-2·s^-1)＞半阴坡(3.89μg·cm^-2·s^-1)＞半阳坡(3.05 μg·cm^-2·s^-1)＞阳坡(2.70μg·cm^-2·s^-1),各立地刺槐蒸腾出现较大差异的时间在11:00和13:00.不同立地条件除阳坡外其刺槐蒸腾速率均与光照强度显著相关,各立地均与大气相对湿度显著相关,与土壤水分密切相关.阴坡生物量最高(8.50gk·株^-1),高于其他3种立地,阳坡最低(5.79kg·株^-1).     

黄土高原不同林龄刺槐林碳、氮、磷化学计量特征

以黄土高原幼龄林、中龄林、成熟林(分别为5～10、11～15、21～30年生)刺槐人工林为对象,研究刺槐根、茎、叶、枯落物的碳、氮、磷化学计量学特征及其相互关系.结果表明: 不同林龄刺槐林各组分的碳、氮、磷含量分别为376.74～486.67、8.66～29.70和0.79～1.95g·kg^-1,刺槐各组分碳含量变异较小,磷含量变异较大.中龄林碳含量较高,成熟林氮、磷含量较高.不同组分间叶碳、氮、磷含量较高,茎的氮含量较低.不同林龄刺槐林各组分的C/N、C/P和N/P分别为15.74～53.40、242.47～606.39和8.10～20.57;中龄林和幼龄林中茎C/N、C/P和N/P显著高于成熟林,不同组分间茎C/N、C/P较高,叶C/N、C/P较低.刺槐叶片和根的碳氮磷含量间不存在相关关系,枯落物与茎的氮含量和磷含量间存在显著相关关系,反映出枯落物和茎的建成过程中对氮磷按比例投入的依赖.与全球尺度相比,黄土高原人工刺槐林具有较高的储碳能力,氮含量丰富,而磷相对缺乏,成为刺槐人工林生长的主要限制因子.