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《西北农林科技大学》 2017年
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半湿润黄土区坡面刺槐林对干旱胁迫的生理响应

张庆印  
【摘要】:黄土高原地区的生态环境从上世纪70年代初开始慢慢得到改善。然而,不适宜的植树造林导致植被耗水过多,土壤水库持续亏损,植被生长与土壤供水能力负反馈,限制了植被生长,甚至导致植被死亡。因此,开展深厚黄土区人工林生态系统对干旱的响应研究对于认识林-水互动过程具有重要意义。本论文以半湿润深厚黄土人工刺槐(Robinia pseudoacacia)林生态系统为研究对象,通过坡面尺度上的降雨和去除林下植被控制实验,研究了半湿润黄土区人工刺槐林的生理特征以及土壤团聚体特征等对短期干旱的响应,揭示了不同林龄刺槐非结构性碳水化合物的分配格局及季节变化特征,所取得的主要研究结果如下:1)0-20 cm土层深度,干旱胁迫和去除林下植被处理均显著降低了刺槐林地0.25mm大团聚体含量,增加了0.25—0.053 mm微团聚体含量。干旱胁迫和去除林下植被处理均显著降低了刺槐林地土壤团聚体(0.053 mm)有机碳的含量,表明充足的降雨和发育良好的林下植被对土壤团聚体有机碳的形成和稳定起着重要的作用。干旱胁迫和去除林下植被处理降低了刺槐林地0.25 mm大团聚体有机碳的储量,增加了0.25—0.053mm微团聚体有机碳的储量。干旱胁迫和去除林下植被处理显著降低了刺槐林地0—10cm土层深度的总有机碳含量(p0.05),但土壤总有机碳储量没有发生显著的变化。表明土壤团聚体各粒级之间有机碳的转变,可以暂时缓解短期内的干旱胁迫和林下植被对土壤总有机碳储量带来的影响。2)2015年,干旱胁迫和对照处理下,刺槐样地0—1 m土壤体积含水量分别为25%和26%,二者不存在显著性差异(p0.05)。2016年,干旱胁迫和对照处理下,0—1 m土壤体积含水量分别为23%和26%,干旱胁迫显著降低了刺槐样地0—1 m的土壤体积含水量(p0.05)。而1—4 m土层深度,干旱胁迫和对照处理下的土壤体积含水量不存在显著性差异(p0.05)。3)干旱胁迫对刺槐蒸腾的影响具有一定的“延迟性”,即2015年干旱胁迫和对照间刺槐蒸腾无显著性差异,2016年,干旱胁迫显著降低了刺槐的蒸腾(p0.05)。虽然干旱胁迫降低了刺槐的蒸腾耗水,但是并没有改变刺槐蒸腾耗水的季节变化特征,即刺槐生长季内蒸腾耗水的总体变化趋势为前期(4—5月)较低、中期(6—8月)较高、末期(9—11月)迅速下降。另外,干旱胁迫处理显著降低了刺槐的叶面积指数(p0.05),刺槐月平均蒸腾量与叶面积指数具有显著的线性正相关关系(p0.01),决定系数是0.689,因此,刺槐耗水的降低和叶面积指数的下降有直接的关系。4)刺槐枝条和根系的导水率在8月份达到最高值,11月份出现最低值。干旱胁迫显著降低了刺槐枝条和根系的导水率(p0.01),采样日期及其交互作用没有显著影响枝条和根系的导水率(p0.05)。对边材面积和导水率回归分析发现,刺槐枝条和根系茎段的导水率都与其输水茎段横截面积之间呈良好的指数函数关系,即枝条和根系的导水率主要受边材面积大小的影响,输水茎段横截面积越大,导水率越高,导水能力越强。5)干旱胁迫显著改变了刺槐茎干木质部的解剖结构,干旱胁迫刺槐茎干木质部导管内径(105.3μm)显著低于对照组刺槐(156.7μm)(p0.05),干旱胁迫刺槐茎干木质部导管密度(61.8个mm~(-2))显著高于对照组刺槐(39.6个mm~(-2))(p0.05),对照组刺槐茎干木质部导管壁厚度(12.4μm)显著低于干旱胁迫刺槐(19.6μm)(p0.05)。表明土壤水分是影响人工刺槐林导管解剖结构变化的重要因素。6)刺槐叶水势的季节变化规律为:刺槐从萌芽期到开花期再到展叶期,刺槐叶水势逐渐降低,10月份达到最低值。干旱胁迫处理显著降低了刺槐的叶水势(p0.05)。线性回归分析显示,叶片水势与土壤含水量(p0.01)和蒸腾量(p0.05)具有显著的负相关关系,蒸腾量越高,叶水势越低,表明刺槐蒸腾量较大时,刺槐可能受到一定的水分胁迫。7)干旱胁迫显著降低了刺槐叶片,枝条,茎干和根系的可溶性糖、淀粉和总非结构性碳水化合物(NSC)浓度(p0.01)。但是干旱胁迫并没有显著改变各器官在总量中的占比(p0.05),即对于可溶性糖而言,叶片根系枝条茎干,对于淀粉而言,根系茎干枝条叶片,对于总NSC而言,根系茎干枝条叶片。表明刺槐在生长季期间主要将可溶性糖投资在地上部生长,而淀粉作为树体内不活跃的储存物质,主要存储在非光合器官内。另外,刺槐各器官的NSC及其组分具有显著的季节性变化。8)不同林龄刺槐各器官的NSC浓度随林龄增加而逐渐增加。其中,刺槐根系和茎干是NSC主要的存储器官,而叶片树皮等器官的占比较小。另外,死亡刺槐的NSC浓度接近于零,说明刺槐的死亡过程严重消耗了其体内的NSC。不同林龄刺槐的NSC浓度具有显著的季节性变化,即在生长期(5月),刺槐的新陈代谢较为旺盛,消耗了大量的NSC,而在休眠期(11月),刺槐生长缓慢,大量的NSC(主要是淀粉)存储在根系和树干中,这些碳储备可用于维持冬季树木的呼吸和翌年春季器官和组织的生长。本文分析了刺槐液流、叶面积指数、胸径、不同器官非结构性碳水化合物以及枝条和根系木质部的水力结构参数的时间变化特征及其对干旱胁迫的响应。研究结果为理解黄土高原人工植被与土壤水分的互馈机制以及评估人工林生态系统应对极端干旱的能力提供了科学依据,对气候变化背景下黄土高原植被建设具有重要科学意义。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S792.27

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