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黄土高原半湿润区刺槐人工林蒸腾耗水特征对降雨减少的响应

何秋月  
【摘要】:黄土高原地区是我国植被保护和重建的重要区域,降雨是限制该地区林分生长的主要因子。在全球气候变化背景下,未来降雨格局的改变将对生态系统产生重要影响。刺槐是该地区大面积种植的人工林树种之一,然而在林分水平上的水文调控能力和对干旱的适应性尚未得到深入研究。本研究以黄土高原半湿润区刺槐人工林为研究对象,采用热扩散式树干液流探针对蒸腾耗水进行定位监测,同时监测气象要素和土壤水分等环境因子,分析了蒸腾耗水动态特征和对环境因子的响应;通过设置人工截留降雨处理减少降雨输入,探究了蒸腾特征对土壤水分输入减少的响应;结合对蒸腾耗水相关的生理学和形态学指标的测定,分析了刺槐适应短期和长期干旱的生理生态机制。主要结论如下:(1)试验期间(2011?2017年),研究区年降雨量516?751 mm,林分对降雨分配约为穿透雨占比78.1%,冠层截留17.2%,树干径流4.2%。人工截留降雨设施减少了处理样地60.8%的穿透雨输入,约为总降雨量的47.5%。减雨处理对土壤水分的影响显著,处理样地月平均土壤含水量为对照样地的76.5%?100%,年平均土壤含水量为对照样地的81.4%?98.5%,两样地间的差异随着处理时间延长而增大。降雨减少降低了林分生长速率。减雨处理期间,处理样地刺槐的胸径年平均增长量(0.16 cm year~(-1))显著低于(p0.05)对照样地(0.41 cm year~(-1))。(2)刺槐树干液流日变化与太阳辐射和空气水气压亏缺日变化趋势相似,在晴天呈单峰型曲线。在空气较为干燥的天气里,液流到达峰值时间比湿润天气下的峰值时间稍早。在短期时间尺度上,影响刺槐蒸腾耗水的主导环境因子是气象因子,在多日尺度上(数周)土壤含水量的影响也会十分显著。刺槐每半小时的平均液流通量密度值与同期太阳辐射、空气水气压亏缺以及二者的综合指标(VT)适用指数饱和曲线拟合。土壤含水量影响液流通量密度对气象因子的响应,土壤含水量较低时段刺槐液流通量密度与VT拟合曲线的参数值(预测最大液流通量密度a和初始斜率b)低于土壤含水量较高时段。日均液流通量密度值与同期太阳辐射、空气温度、空气水气压亏缺显著正相关,与空气相对湿度显著负相关。在月和季节尺度上,样地平均液流通量密度与生长季物候变化规律一致,生长季前期较低(5月平均值为5.4 m L m~(-2) s~(-1)),中期逐渐达到最高值(6?8月依次为18.95,23.62和21.62 m L m~(-2) s~(-1)),末期逐渐下降(9月、10月分别为10.17和6.06 m L m~(-2) s~(-1))。受年度气候条件的影响,不同年份之间,液流通量密度最高值出现的时期有差异,但都在生长季中期。多元分析显示,月平均液流通量密度与同期叶面积指数、太阳辐射、空气水气压亏缺、空气温度和潜在蒸发散显著正相关(p0.05),与当月降雨量负相关但不显著。年际尺度上,样地年平均液流通量密度为14.96?21.01 m L m~(-2) s~(-1),与样地年平均潜在蒸发散呈显著正相关关系(p0.05),与年降雨量和年平均土壤含水量及气象因子之间均无显著相关关系。(3)降雨减少后,刺槐液流通量密度受到较大影响。日最大液流通量密度减小,处理样地日均液流通量密度比对照样地分别低3.22 m L m~(-2) s~(-1)(2015年),9.76 m L m~(-2)s~(-1)(2016年)和13.00m L m~(-2) s~(-1)(2017年),样地间差异随着处理时间延长而增加。处理样地中液流到达峰值的时间比对照样地提前1?1.5 h。处理样地液流通量密度与VT拟合曲线的参数值低于对照样地水平,持续减雨处理会使影响加强,在处理第三年,处理样地的拟合参数值始终低于对照样地水平。处理样地月均液流通量密度比对照样地低0.24?19.52 m L m~(-2) s~(-1),在空气较为干燥的7、8月份差值最大。处理样地月平均液流通量密度表现出与土壤水分显著的相关关系(p0.05),同时,与潜在蒸发散的相关关系斜率显著低于对照样地水平(p0.05)。处理样地年平均液流通量密度低于对照样地9.1%?45.3%。随着处理年份的增加,样地间平均液流通量密度差异由处理第一年的不显著(p0.05)变化为第二年的显著(p0.05)和第三年的极显著(p0.001)。实施减雨处理后,处理样地年平均液流通量密度与年平均潜在蒸发散的关系变为显著负相关(p0.05),并与年平均土壤含水量显著正相关(p0.05)。(4)降雨减少后,刺槐的部分形态学生理学指标发生了改变,应该与调节水分利用有关。刺槐叶片气孔密度随生长季不同月份发生变化,但处理样地叶气孔密度(173.5?215.1 No.mm~(-2))在各月份都比对照样地(203.6?240.0 No.mm~(-2))降低了7.3%?14.8%(p0.05)。刺槐比叶面积在不同月份之间无显著差异,但处理样地(255.4?293.2 cm~2 g~(-1))比对照样地(305.3?370.3 cm~2 g~(-1))降低了12.5%?31.0%(p0.05)。刺槐叶水势在不同月份之间呈现极显著差异,在土壤较为干旱的7、8月份较低,而在土壤水分较好的6、9月份较高。处理样地刺槐的黎明前叶水势比对照样地低0.03?0.16MPa(p0.05);两样地午间叶水势无显著差异,表现出一定程度的等水型水分调节策略。刺槐蒸腾拉力和整树水力导度在不同月份之间的差异均显著,最高值出现在土壤含水量最高的6月。两样地之间差异在多数月份均不显著,但在土壤含水量最低的8月,处理样地整树水力导度显著低于对照样地水平,可能与土壤水分亏缺严重时刺槐转换为非等水调节策略有关。刺槐叶片稳定性碳同位素丰度在不同月份之间存在极显著差异,但降雨减少处理对碳同位素丰度的影响不显著。研究结果表明,刺槐对土壤水分变化较为敏感,其忍耐土壤干旱的能力受干旱时间长度和干旱严重程度的影响。在短期干旱胁迫下,刺槐可以通过限制蒸腾作用的水分利用策略,维持较低的水分代谢活动,待土壤水分条件改善后再恢复到正常的蒸腾水平;当干旱强度加剧或持续时间延长,将难以恢复到原来的蒸腾水平。在全球变化背景下,黄土高原半湿润半干旱区的刺槐人工林将面临较大的干旱胁迫的风险,应适时开展旨在改善水分供求矛盾的结构调整等经营管理措施。


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