宁夏六盘山3种针叶林蒸散及其组分特征研究*

为了揭示林分结构对蒸散组分的影响,在2012年5～10月,通过树干液流仪和传统水文学法,对宁夏六盘山华北落叶松人工林、油松人工林和华山松次生林的蒸散及其组分进行对比分析。结果表明:各林分的蒸散量和组分差异较大,华北落叶松林、华山松林、油松林生长季总蒸散量为568.2、413.2、377.6 mm,分别占同期降水量的112.0%、81.5%和74.5%。3种针叶林的林分蒸散在垂直层次上分配比例相似,但各分量所占比例明显不同。生长季内华北落叶松林、华山松林和油松林的林冠截留量分别为177.2、146.8和115.1 mm,占蒸散总量的31.19%、35.53%、30.48%,这主要是受叶面积指数影响(华山松5.16华北落叶松4.78油松3.66);受林分密度影响,林冠蒸腾量为华北落叶松林(209.8 mm)油松林(152.8 mm)华山松林(88.3 mm);灌木层蒸腾量以华山松林最大(106.9 mm),华北落叶松林次之(26.8 mm),油松林最小(24.7 mm),这与人工林林下灌木盖度较低紧密相关;华北落叶松林和油松林的林下蒸散量分别为154.4 mm、102.3 mm,是天然林的2.17倍和1.44倍,与人工林林下地被物接收到更多太阳辐射有关。可以认为,林分结构是导致人工林蒸散量高于天然林的重要因素,选择合理的树种和林分结构是保持区域水资源安全的关键。     

宁夏六盘山3种针叶林蒸散及其组分特征

为了揭示林分结构对蒸散组分的影响,在2012年5～10月,通过树干液流仪和传统水文学法,对宁夏六盘山华北落叶松人工林、油松人工林和华山松次生林的蒸散及其组分进行对比分析。结果表明:各林分的蒸散量和组分差异较大,华北落叶松林、华山松林、油松林生长季总蒸散量为568.2、413.2、377.6 mm,分别占同期降水量的112.0%、81.5%和74.5%。3种针叶林的林分蒸散在垂直层次上分配比例相似,但各分量所占比例明显不同。生长季内华北落叶松林、华山松林和油松林的林冠截留量分别为177.2、146.8和115.1 mm,占蒸散总量的31.19%、35.53%、30.48%,这主要是受叶面积指数影响(华山松5.16华北落叶松4.78油松3.66);受林分密度影响,林冠蒸腾量为华北落叶松林(209.8 mm)油松林(152.8 mm)华山松林(88.3 mm);灌木层蒸腾量以华山松林最大(106.9 mm),华北落叶松林次之(26.8 mm),油松林最小(24.7 mm),这与人工林林下灌木盖度较低紧密相关;华北落叶松林和油松林的林下蒸散量分别为154.4 mm、102.3 mm,是天然林的2.17倍和1.44倍,与人工林林下地被物接收到更多太阳辐射有关。可以认为,林分结构是导致人工林蒸散量高于天然林的重要因素,选择合理的树种和林分结构是保持区域水资源安全的关键。     

浑善达克沙地榆树干液流动态研究

 应用Granier热扩散技术对内蒙古浑善达克沙地榆(Ulmus pumila var. sabulosa)疏林林分进行树干液流通量研究.选择该区占林分80%以上林木的3种胸径级(小径级,15—25cm;中等径级,25—35cm;大径级,>35cm)榆树,使用Granier探针进行每隔15min的树干液流测定,同步测定各林分环境因子.林分中不同胸径级榆树树干液流通量特征表现为:树干液流密度峰值大径级树＞中等径级树＞小径级树,且差异明显;大径级树由于林龄较大,液流密度曲线变化平缓,没有明显的峰值,呈弧形曲线;液流密度随季节推移在生长季中液流密度均值逐渐减小,在生长季末期(10月)基本处于微弱波动状态.液流通量最大月平均值一般出现在6—8月,不同径级树月液流通量变化差异较大.对样木的日液流通量比较发现,胸径对液流有显著影响.对不同胸径树木各树种影响较大的环境因子为饱和水汽压差(VPD),光合有效辐射(PAR),气温(Ta);在不同生长季节,对不同胸径类型树木起主要作用的环境因子也不尽相同,但是PAR和VPD是其中起主要作用的两个因子.     

土壤铅胁迫下4种北方阔叶树种苗木的 生长反应及抗性比较

以土壤和风化砂混合物作为栽培基质,设计5种土壤铅含量梯度处理(对照、100、500、1 000、2 000 mg／kg),研究了土壤铅胁迫下4种北方阔叶树种(茶条槭、山梨、五角槭和山荆子)1年生盆栽苗的生长反应和抗性。结果表明:低含量铅(含量<500 mg／kg)刺激了多数树种的苗高、地径、叶片和新枝的生长,随着铅含量的继续增加植物生长量下降;土壤中铅抑制了多数树种的根系生长,根系各指标的变化树种间差异明显。采用隶属函数综合分析得出,4个树种对土壤铅污染的抗性大小顺序为山梨、茶条槭、山荆子、五角槭。2 000 mg／kg铅处理下,植物体对铅的富集能力大小依次为根、茎、叶。4种供试苗木中,山梨对土壤铅的富集能力最强。     

民勤沙区6种防护树种液流特征及其生态需水量估算

利用热扩散式和热平衡径流测量系统研究了民勤绿洲主要防护林树种新疆杨、二白杨、沙枣、梭梭、白刺、多枝柽柳蒸腾耗水特征。结果表明,3个乔木树种从8∶00~8∶20开始,随着环境因子的变化,液流速率持续上升,20:00开始迅速下降,液流出现的高峰时间,主要集中在12∶00~15∶00左右。在夜间,乔木树种在30mm的边材深度仍保持一定的液流速率,以补充体内由于白天的水分消耗造成的水分亏缺。梭梭、柽柳和白刺,随着灌木地径粗度的增加,蒸腾量也越大,地径越粗,蒸腾日变化越剧烈。灌木树种蒸腾量的日变化趋势与乔木树种的变化趋势相似,只是峰值出现和持续的时间有所不同;同时,乔木树种用胸径、灌木树种用地径作为空间纯量,在单木日蒸腾量估算的基准上通过尺度放大转换估计了6个树种林分的日蒸腾量分别为:新疆杨3.33m3、二白杨1.54m3、沙枣2.07m3、梭梭0.974m3、柽柳0.409m3、白刺0.073m3;最后通过非称量测渗仪的观测数据,估算了民勤绿洲各主要树种的实际生态用水量为:杨树0.29×108m3,沙枣0.69×108m3,梭梭0.44×108m3,柽柳0.05×108m3,白刺0.02×108m3。实际生态用水量总量为1.49×108m3,占民勤绿洲总用水量的19.5%。     

茂兰喀斯特森林小果润楠蒸腾特征及影响因素

【目的】探究喀斯特森林优势树种小果润楠蒸腾特征及其影响因素,为进一步分析茂兰喀斯特原生林的水文生态过程及喀斯特地区森林的保护与生态修复提供科学依据。【方法】基于热扩散探针法和Campbell自动气象站,于2016年7月—2017年6月,对茂兰喀斯特森林优势树种小果润楠的蒸腾量进行了为期1年的连续监测。【结果】小果润楠蒸腾的日变化过程在各种天气条件下均呈典型的单峰型曲线,且呈明显的“昼高夜低”变化规律。晴天条件下,单木水平蒸腾速率日变化和叶片水平的光合速率、蒸腾速率日变化趋势基本一致。不同天气条件下的蒸腾通量为晴天(122.00 g/h)>阴天(76.06 g/h)>雨天(19.60 g/h),且差异极显著,晴天的日平均蒸腾通量是阴天的1.60倍,是雨天的6.22倍,阴天是雨天的3.88倍。各季节的单株日均蒸腾量依次为夏季[(1.86±0.22)kg/d]>秋季[(1.71±0.38)kg/d]>春季[(1.59±0.13)kg/d]>冬季[(1.07±0.39)kg/d],全年单木蒸腾量为570.31 kg,其中生长季蒸腾量(472.29 kg)占全年蒸腾量的82.81%,非生长季蒸腾量(98.02 kg)占17.19%。各季节的蒸腾量以夏季(171.65 kg)最高,其次是秋季(155.60 kg),春季(145.04 kg)较低,冬季(98.02 kg)最低,分别占全年蒸腾量的30.10%、27.28%、25.43%和17.19%。相关分析和回归分析结果表明,太阳辐射和水汽压亏缺与蒸腾速率均呈正相关。【结论】太阳辐射和水汽压亏缺为蒸腾主导因子,降雨对蒸腾多是抑制作用,而风速和不同深度的土壤水分对蒸腾的作用因天气和季节的不同而存在差异。     

基于深度神经网络的城市典型乔木日内蒸腾特征模拟研究

以城市典型乔木小叶榕全天24小时每10分钟的树干液流及同步气象观测数据为训练集, 建立基于深度神经网络的城市典型乔木植被蒸腾估算模型, 得到10分钟尺度的小叶榕蒸腾模拟结果, 系统地探讨干湿季和昼夜影响小叶榕蒸腾的环境控制因子。基于深圳市91个气象观测站的常规气象观测数据, 应用训练好的深度神经网络模型, 估算得到站点尺度的深圳市典型乔木逐小时蒸腾特征。结果表明: 1) 深度神经网络模型可以高精度地模拟城市小叶榕每10分钟尺度的蒸腾变化, 与树干液流系统实测数据相比, 决定系数R²=0.91, 平均绝对百分比误差MAPE=21.77%, 均方根误差RMSE=0.02 mm/h; 2) 湿季和干季城市小叶榕蒸腾的主要控制因子, 白天均为太阳辐射和气温, 夜间均为饱和水汽压差; 3) 城市小叶榕在夜间仍然存在蒸腾, 干、湿季平均蒸腾速率分别达到0.03和0.01 mm/h; 4) 深圳市不同区域的植被蒸腾特征存在差异, 蒸腾速率最高可相差0.10 mm/h, 总体而言, 湿季白天的蒸腾速率(91个站点均值为0.1 mm/h)比干季白天(均值为0.08 mm/h)更高, 大部分站点夜间植被蒸腾量接近0, 但仍存在蒸腾, 少部分站点干季夜间平均蒸腾速率可达0.07 mm/h, 湿季夜间可达0.10 mm/h。     

土壤温度对油松树干液流启动与停止的影响

利用TDP (thermal dissipation probe)技术, 对九寨沟次生优势树种油松进行连续观测和初步研究。在2013—2015 年间, 利用土壤温度传感器采集其树下3, 10, 20, 30, 40和50 cm共6个深度的土壤温度数据, 分析温度与树干液流强度的关系。结果表明, 早春季节的3 cm浅层地表土壤温度和气温相比深层土壤对树干液流强度的影响更显著(相关系数为0.852)。对不同土层温度与树干液流密度进行相关性分析, 得到油松根系的最适温度为4.0~7.9℃。土壤温度通过对早春土壤水分要素的控制影响林下供水环境, 从而显著地影响蒸散发量。随着土壤温度升高, 油松在 3~4月间启动树干液流, 加剧九寨沟早春径流的衰竭。     

喀纳斯保护区西伯利亚云杉树干液流动态变化

基于树干液流与树木蒸腾作用之间的关系,在新疆喀纳斯国家自然保护区内,采用TDP热扩散探针法连续监测了不同径级的西伯利亚云杉阳生面和阴生面的树干液流,明确不同大小的树体在参与森林水分循环中的的作用及其差异。结果表明:6—9月,西伯利亚云杉树干液流季节变化呈多峰曲线型,同一径级西伯利亚云杉树干阳生面与阴生面的液流启动时间、达到峰值时间一致; 8月份的树干液流量比其他月份的大,其大、小径级树干阳生面的最大液流速率分别是阴生面的1.45倍和1.19倍; 生长季内大径级西伯利亚云杉的总液流通量为5 974.90 kg,小径级的为1 628.71 kg; 晴天时树干液流的日变化呈多峰型,阴天时为单峰型; 夜晚时段小径级西伯利亚云杉的液流持续存在的时间较大径级的长,不同天气条件下的夜间液流主要用于树体自身夜间补水; 大径级和小径级西伯利亚云杉阳生面、阴生面的夜间液流速率分别是晴天的1.49、1.23倍和1.13、1.20倍。研究表明,影响西伯利亚云杉树干液流昼夜变化的主要因素为气温、水汽压、光合有效辐射、土壤温湿度和风速。     

河南洛阳马尾松树干液流昼夜变化特征及其影响因子分析

【目的】揭示马尾松(Pinus massoniana)在我国分布北界的树干液流昼夜特征及其与环境因子的关系,探索马尾松蒸腾耗水规律,为深入了解树木水分利用机制提供研究基础。【方法】以分布在河南洛阳的马尾松为研究对象,采用TDP热扩散探针和小型自动气象站对样地内的马尾松树干液流及周围环境因子进行连续监测,分析马尾松树干液流昼夜变化特征及其影响因子。【结果】(1)研究区马尾松树干液流速率呈昼高夜低的单峰曲线;马尾松存在夜间液流,零点前液流活动较零点后活跃。(2)6—10月的白天(太阳辐射大于5 W/m²)和夜间(太阳辐射小于5 W/m²)马尾松单株日均液流量为36.08 kg;夜均液流量为2.55 kg,占全天液流量的4.87%～9.27%;零点前液流量占夜间液流量的83.42%～95.54%。(3)马尾松树干液流速率与太阳辐射、饱和水汽压差(VPD)、温度、湿度、风速和降水量存在显著的相关性(P<0.05);太阳辐射是白天树干液流的最大影响因子,VPD是夜间树干液流的最大影响因子。【结论】在我国中西部地区相对干旱生境下,马尾松树干液流具有...     

六盘山华北落叶松林分蒸腾特征及其影响因素

【目的】林分蒸腾作为土壤-植物-大气连续体的关键过程,是森林生态系统中重要的水分输出项,可占森林总蒸散的50%以上,探究林分蒸腾对环境因子的响应规律可为科学指导造林及林水综合管理提供理论依据和数据支持。【方法】以国家林业和草原局宁夏六盘山定位站为依托,在2016年生长季(5—9月),对六盘山半湿润区的华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林的树干液流进行观测,经尺度上推得到林分蒸腾量,并同步观测林外大气因子和林内土壤含水量,分析林分蒸腾对大气因子和根系层(0~60 cm土层)土壤含水量的响应。【结果】①研究期间,林分日蒸腾变化范围为0.005~1.866 mm/d,平均值为1.042 mm/d。不同月份的林分日蒸腾平均值从大到小依次为:6月(1.325 mm/d)、5月(1.099 mm/d)、7月(1.077 mm/d)、8月(1.009 mm/d)、9月(0.717 mm/d)。②通过各大气因子与林分日蒸腾的相关系数矩阵发现,影响林分日蒸腾的主要大气因子为太阳辐射强度(R_n)、饱和水汽压差(D_VPD)及空气相对湿度(H_RH),相关性从大到小依次为R_n(0.784)、D_VPD(0.754)、H_RH(-0.704)。③借助因子分析可将影响林分日蒸腾的大气因子降维成气候波动因子(44.9%)、蒸腾驱动因子(35.2%)和空气运动因子(15.7%)3个综合指标,其中构成蒸腾驱动因子的3个载荷因子(R_n、D_VPD和H_RH)均与林分日蒸腾显著相关,且蒸腾驱动因子与林分日蒸腾的拟合效果(R²=0.688)优于潜在蒸散(T_PET)与林分日蒸腾的拟合效果(R²=0.649)。④通过多元回归拟合及偏相关系数的可比性得出,太阳辐射强度(R_n)和饱和水汽压差(D_VPD)二者对林分日蒸腾的贡献率可达93%,其中R_n的贡献率为54.2%,D_VPD的贡献率为38.8%。⑤基于脱耦联系数与林分蒸腾的日内变化曲线得到,R_n主导蒸腾的时间一般在太阳升起到净辐射最高的上午11:00,而D_VPD主导蒸腾的时间一般是下午和夜间。⑥在土壤湿润条件下[根系层平均土壤相对可利用水分(W_REW)>0.38],林分日蒸腾与≥40~60 cm土层W_REW显著正相关(P<0.01),与其他土层W_REW不相关或显著负相关。在土壤干旱条件下(根系层平均W_REW≤0.38),林分日蒸腾与≥20~40和≥40~60 cm土层W_REW显著正相关(P<0.01),与0~10和≥10~20 cm土层W_REW显著负相关。【结论】影响华北落叶松林分日蒸腾的大气因子主要是R_n和D_VPD,且在日内尺度上二者主导蒸腾的时段不同;本研究中提出的蒸腾驱动因子在反映大气因子对林分蒸腾综合影响上优于潜在蒸散(T_PET);在土壤湿润条件下华北落叶松林蒸腾耗水主要利用深层(≥40~60 cm土层)土壤水分,而在土壤干旱条件下华北落叶松蒸腾耗水将利用≥20~60 cm土层的土壤水分。     

华北石质山区苹果树蒸腾规律及水分供求关系

采用由热扩散植物液流技术测算得到的、周期为2003年1月-2004年12月的苹果树蒸腾数据,结合同步观测得到降雨量,分析华北石质山区10年生苹果树蒸腾耗水规律及水分供求关系,旨在为该地区节水苹果园的发展提供必要的水分生态理论依据。结果表明:(1)苹果树蒸腾耗水量(TR)呈现出明显的日际变化或月变化特征。3-4月逐渐升高,5月-6月达到全年高峰值,7月份逐渐降低,10月以后迅速降低。2003年及2004年全年TR值分别为600.9mm、468.0 mm,主要生长期间(4月-9月)分别为502.6 mm、408.3 mm;(2)2003年和2004年降水与苹果蒸腾的比例均大于1.0,说明周年降水可以满足苹果蒸腾耗水的需要。但主要生长季节中的4月至5月降水量与蒸腾量比(R/TR)仅为0.2~0.4,故该时期苹果树水分供求矛盾比较突出,应加强水分补给。2003年苹果树萌芽期、新梢旺长期降水与蒸腾的比值(R/TR)分别为0.05、0.82,2004年该值分别为0.14、0.63。说明萌芽期至新梢旺长期(4月初至6月中旬)这种供求矛盾尤为突出,该时期正处果树水分敏感期,所以更要实施水分管理。     

黑河下游荒漠河岸林植物水分传输观测试验研究

荒漠河岸林是长期适应干旱区内陆河流域环境的产物,具有独特的水分利用和生存策略.对黑河下游胡杨、柽柳等主要荒漠河岸林植物液流、水势、木质部导水率、根系水分再分配以及植物水分来源等的测试分析表明,在降水稀少、蒸发强烈的黑河下游,胡杨、柽柳主要利用的是深层土壤水和地下水,其中成熟胡杨主要吸收地下175~325cm处土壤水和地下水供其蒸腾和生存所需;胡杨根系水力提升过程主要发生在10~70cm土层,蒸散导致的土壤耗水量中有10%来自根系提升的水量;植物根和枝条木质部的初始导水率(K_(s0))和最大导水率(K_(s,max))相对较高,其中柽柳木质部的潜在导水能力比胡杨强;胡杨、柽柳液流速度呈单峰型,在午后达到峰值,黎明前水势无显著变化,反映未受到严重水分胁迫;黑河下游河道附近的地下水埋深大多在4m以内,基本可以满足荒漠河岸林植物的生长发育,黑河下游荒漠河岸林生态系统处于稳定和发展状态.     

树干液流对环境变化响应研究的整合分析

【目的】从生态系统和全球尺度上考察了树干液流和生物及非生物因子之间的关系,将影响因子参数化以进行全球树干液流的估计,量化比较人为控制环境试验对液流的影响。【方法】采用数据整合分析方法,收集2001—2019年树干液流相关研究数据,从森林生态系统和全球尺度上研究树干液流密度(Fd)对生物和非生物因子的响应,并对树干液流与年平均温度(MAT)、年平均降水量(MAP)、饱和水汽压亏缺(VPD)、光合有效辐射(PAR)、土壤含水率(ρ)等主要影响因子的关系进行多元回归分析。【结果】胸径(DBH)和叶面积指数(LAI)都与Fd在生物群落和全球尺度上高度相关;VPD与Fd呈负相关关系;通过MAT、MAP、VPD、DBH和土壤体积含水率建立参数化模型可以估算树干液流密度;不同控制试验通过影响环境因子,进而影响森林蒸腾。【结论】树干液流主要受到自身生物因子和环境因子的影响并且影响程度因生态系统而异,人为活动可导致环境因子改变进而影响树干液流及蒸腾。     

西藏东南部急尖长苞冷杉蒸腾耗水及其驱动因子分析

目的 探讨不同径级急尖长苞冷杉个体蒸腾耗水规律,并分析其与主要气象因子的相关性,为明确西藏亚高山区林木生长规律提供重要参考。方法 应用树干液流测定系统在西藏色季拉山天然急尖长苞冷杉林内对8株不同径级急尖长苞冷杉个体进行蒸腾耗水的连续测定,并同步监测5个气象因子。结果 急尖长苞冷杉树干液流速率日变化为单峰曲线,7月、8月和9月8株样木平均液流速率分别为137.09、142.71和184.43 g/h,日活动时间为10:00—22:00,其峰值出现在16:00左右。急尖长苞冷杉树干蒸腾耗水速率与大气温度和光合有效辐射呈极显著正相关关系,与饱和水汽压差显著正相关,与大气湿度极显著负相关,与风速无关;蒸腾耗水与各因子相关系数绝对值排序为大气湿度>大气温度>光合有效辐射>饱和水汽压差。急尖长苞冷杉边材面积和日蒸腾耗水量均与胸径呈极显著的二次曲线关系,决定系数分别为0.999和0.937。结论 急尖长苞冷杉蒸腾耗水日变化呈“N”形变化,受大气温湿度和光合有效辐射等环境因子影响显著;随胸径增加,单株日蒸腾耗水量迅速升高。     

油松和侧柏边材液流相对于空气温度的滞后效应

林木耗水的准确评价对于低耗水树种的选择及林分结构优化配置具有重要意义。利用热扩散式边材液流探针和自动气象站,对油松和侧柏的边材液流速率和空气温度等环境因子进行了为期一年的同步测定,分析了空气温度与边材液流间的滞后效应。研究结果表明:林冠上层空气温度与液流速率的相关性最为显著。液流启动要滞后于空气温度2h以上,液流峰值出现的时间一般要比空气温度早1～2 h,液流趋于停止的时间和空气温度相差不大。液流速率和空气温度之间存在明显的滞后效应,春、夏、秋季油松树干边材液流与空气温度变化的滞后时间分别为170 min、-60 min和0 min,侧柏边材液流相对于空气温度分别提前40 min、30 min和10 min。考虑液流相对于空气温度的"滞后效应"可提高液流速率的拟合精度,油松提高了42.9%～122.0%,侧柏提高了6.4%～14.6%。