华北地区典型林木水分运移过程与利用机制研究
发布时间：2020-04-07 05:52
【摘要】：华北地区的森林生态系统是华北平原重要的生态屏障,森林生态系统与水资源之间的关系是华北地区森林植被建设的关键问题。为了研究华北地区森林系统水分运移过程与利用机制,本文分别以北京山区优势造林树种侧柏、栓皮栎和张北高原区主要防护林树种小叶杨为研究对象,通过降水量梯度控制试验,基于稳定氢氧同位素技术,定量分析不同时间尺度下树木对水源的吸收比例,并利用长期定位观测的TDP、HRM数据和气象数据,对华北地区主要林分的水分运移、利用和平衡过程进行研究,力求揭示华北地区林木水分运动机制,为华北地区的森林植被建设提供参考和依据。本文的主要研究结果如下:(1)无降水处理区的各层土壤含水量(SWC)不随季节变化,各层SWC的均值大小顺序为 80-100 cm60-80 cm40-60 cm0-20 cm20-40 cm。在有降水处理的区域,降雨后,各层SWC对不同降雨量的响应程度不同,0-20 cm和20-40 cm的SWC对小于10 mm的降水响应敏感,中层40-60 cm、60-80 cm对小于10 mm的降水响应不显著,而80-100 cm 土壤对小于10 mm的降水无响应。10-20 mm的降水能显著增加40-60 cm、60-80 cm的SWC,但对深层80-100 cm的SWC无显著影响。超过20 mm的降水能渗透到80-100 cm,能增加80-100 cm的SWC。无降水区域土壤水的δ2H和δ180无明显季节波动变化,五个层次土壤水的δ2H和δ180围绕均值在上下波动;一半降水条件、自然降水条件和二倍降水条件下各层土壤水的δ2H和δ18O值随着土层的加深而变大,旱季的δ2H和δ18O值大于雨季。泉水的δ2H和δ180值相对稳定,其变化范围分别-73.5‰～-68.18‰和-10.84‰～-9.79‰。(2)在无降水条件下,侧柏主要利用地下水和60-100 cm土壤水,对这两层水源的吸收比例分别为28.2-38.3%和22.1-39.6%,且随季节变化不明显;栓皮栎对各层土壤水源的吸收比例较均衡。在一半降水区和自然降水区的旱季,侧柏以利用60-100 cm 土壤水和地下水为主,对两个水源吸收的平均比例分别为26.6-30.1%和26.3-30.6%;雨季侧柏对降水反应敏感,吸收地下水、0-20 cm和60-100 cm的土壤水,对这三者水源的利用比例分别为23.7-30.5%、21.6-26.8%和25.5-26.6%;雨季栓皮栎的主要水源逐渐向深层土壤转移。在整个观测期,60-100 cm 土壤水和地下水均为栓皮栎主要水源之一,在二倍降水区,随着降水逐渐增加,侧柏的水分来源从深层水逐渐向浅层水过渡,而栓皮栋的对地下水和深层60-100 cm 土壤水分的利用也逐渐增大。(3)随着杨树退化程度的严重化,对应退化样地的土壤含水量越低,土壤氢氧同位素值逐渐变大,分馏效应明显。小叶杨根系呈“伞”状分布,其根系在垂直方向和水平方向上分别能伸展240 cm和200 cm。小叶杨根系具有“二态”结构特征,它能吸收多个水源层的土壤水分。随着小叶杨退化程度的加重,小叶杨对深层土壤水的利用比例降低,对表层土壤水分的利用率升高。正常生长条件下的小叶杨倾向吸收利用深层土壤和水分含量高的水源,处于中度退化和重度退化的小叶杨更倾向于从浅层土壤中吸收水分,但表层湿度变化较大且湿度较低,水分供应不足可能是小叶杨退化的主要原因。(4)在整个生长季,侧柏和栓皮栎的液流速率在典型晴天呈先升高后降低的“单峰”曲线变化趋势。生长季内阔叶林的液流速率大于针叶林,雨季的液流速率要大于旱季。自然条件下的液流通量为干旱条件下的液流通量高3倍左右,主根处的液流通量小于胸径处的液流通量但大于侧根处的液流通量。侧柏和栓皮栎液流速率与太阳辐射、空气温度和空气湿度的相关性较好,与风速相关性不显著。自然条件下侧柏侧根在观测期内的液流仅在8月末期的几天出现逆向液流,其余时间为正向液流;干旱条件下侧根处逆向液流的通量要高于正向液流的通量。(5)侧柏和栓皮栎液流在相同月份的时滞时间不一样,侧柏对辐射和VPD依赖的时滞时间高于栓皮栎,两个树种的树干液流与VPD和辐射拟合的R2随时滞时间呈单峰曲线变化。侧柏和栓皮栎的光合速率在各个月份呈现相似的变化规律,其在日内都呈“M形”变化,分别在10:00和14:00达到第一次和第二次峰值;栓皮栎的在日内均呈现先增大后降低的单峰“凸”形曲线变化。侧柏和栓皮栎的光合速率在雨季的峰值均大于其在旱季的峰值。侧柏蒸腾速率和栓皮栎蒸腾速率与辐射和VPD均呈正相关,侧柏光合速率和栓皮栎光合速率与辐射和温度均呈正相关。(6)侧柏和栓皮栎的夜间液流均用水树干储水,树干储水量随季节呈波动变化,旱季储水量小于雨季,非晴天储水量小于晴天。从3年水量平衡来看。侧柏的逆向液流量、蒸腾耗水量、光合用水量和树干储水量占整个液流通量的平均比例分别为2.26%、91.16%、8.84%和6.37%。栓皮栎的蒸腾耗水、光合用水和树干储水占整个液流通量平均比例分别为94.63%、5.37%和6.09%,侧柏和栓皮栎的光合用水量只占液流通量很少的一部分,而侧柏和栓皮栎的蒸腾耗水是用水的主要方式。
【图文】：
在使用以上公式对三个以上水源进行计算时，由于只有两个方程但有多个未知数，逡逑无法生成唯一解，此时可以借用由Ｐｈｉｌｌｉｐｓ邋＆邋Ｇｒｅｇｇ邋（２００３）研发的Ｉｓｏ－ｓｏｕｒｃｅ模型量化逡逑各水源层对植物的贡献率，模型操作的界面如下图１－１所示：逡逑＊邋ｆｉｔｖ邋Ｃａｋ邋（＊ｒｗ４邋Ｃｌｅａｒ邋Ｖｗｗ邋Ｇｒａｐｈ邋ｆｃａｉｔ邋Ａｂｏｕｔ邋Ｈｅｌｐ逡逑徽逦皮板＾分来》逡逑Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ逦＾邋％逡逑Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ逦0［0２逦卜Ｖ邋濯逡逑Ｍｉｘｔｕｒｅｓ邋－５６邋０９０２逡逑■邋；邋－３７．６４４５＇逦［逡逑＇＇－５４．６９４９邋ｊ逦（￣逦＇逡逑￣６４５８３５＂逡逑？７Ｍ８１￣８逡逑－７３．１６０６逡逑ＨＥＳＳ逦一厂逡逑？７０．４５９２邋二逦二逦—逡逑ｊＺＩＺ－邋逦逦Ｌｌ￣ｚｒ＿Ｉ逦；逡逑图１．１邋Ｉｓｏ－ｓｏｕｒｃｅ模型操作界面逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋Ｉｓｏ－ｓｏｕｒｃｅ逡逑１．２．３根系水力再分配逡逑在正常的生理状况下，根－土界面的水分传输是由土壤传输进入根系中，但是，在某逡逑些特定情况下，会出现根系将从湿润土壤吸收的水分释放到干旱土壤中，即根－土界面水逡逑分的逆向运移。最早发现这一现象的Ｒｉｃｈａｒｄｓ邋＆邋Ｃａｌｄｗｅｌｌ邋ｅｔ邋ａｌ．邋（１９８７）将这一现象定义逡逑为“根系水力提升”（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｌｉｆｔ，ＨＬ）。根系水力提升现象不仅存在于根系吸收深层土逡逑壤水释放于表层土壤中，同时存在于根系吸收表层土壤水释放于深层土壤中（水力下传，逡逑ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｄｅｓｅｎｔ
逡逑研究区属于北京市海淀区西山鹫峰国家森林公园的一部分，为北京林业大学教学实逡逑验林场——首都圈森林生态系统国家定位观测研宄站（图２．１），站点坐标为３９°５４Ｗ，逡逑１１６°２８孔林场面积为８３２．０４邋ｋｍ２。东面与北安河村相接，西面与门头沟妙峰山相连，，逡逑向南到北安河乡大工村，距离北京市区约３０邋ｋｍ，距海淀约２０邋ｋｍ，距门头沟约１５邋ｋｍ，逡逑西面与门头沟妙峰山相连，向南到北安河乡大工村，向北距昌平约２０邋ｋｍ。逡逑图２．１北京研[偳蛭恢猛煎义希疲椋纾酰颍邋澹玻卞澹蹋铮悖幔簦椋铮铄澹恚幔疱澹铮驽澹拢澹椋辏椋睿珏澹颍澹螅澹幔颍悖桢澹幔颍澹徨义希玻保驳刂实孛蔡卣麇义媳本┦猩降氐暮０挝冢保埃埃埃保担埃懊字洌皆０胃叨仍冢玻埃浚叮懊字洌骄ｅ义习胃叨任矗常靛澹怼１本┦猩角急冉洗螅磐饭怠⒎可健⑹吧轿鞑考安轿鞑烤蟹皱义喜迹忌角苊婊模常保玻ィ本┥角粲谔猩铰觯蚱渖礁吖壬睢⒘骷逼露傅淖匀诲义咸氐闼亮魇Ы衔现兀槐本┦醒忧臁⒚茉啤⒒橙帷⑵焦缺辈俊⑺骋宥辈可教迤露绕藉义希保靛义
本文编号：2617533
【图文】：
在使用以上公式对三个以上水源进行计算时，由于只有两个方程但有多个未知数，逡逑无法生成唯一解，此时可以借用由Ｐｈｉｌｌｉｐｓ邋＆邋Ｇｒｅｇｇ邋（２００３）研发的Ｉｓｏ－ｓｏｕｒｃｅ模型量化逡逑各水源层对植物的贡献率，模型操作的界面如下图１－１所示：逡逑＊邋ｆｉｔｖ邋Ｃａｋ邋（＊ｒｗ４邋Ｃｌｅａｒ邋Ｖｗｗ邋Ｇｒａｐｈ邋ｆｃａｉｔ邋Ａｂｏｕｔ邋Ｈｅｌｐ逡逑徽逦皮板＾分来》逡逑Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ逦＾邋％逡逑Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ逦0［0２逦卜Ｖ邋濯逡逑Ｍｉｘｔｕｒｅｓ邋－５６邋０９０２逡逑■邋；邋－３７．６４４５＇逦［逡逑＇＇－５４．６９４９邋ｊ逦（￣逦＇逡逑￣６４５８３５＂逡逑？７Ｍ８１￣８逡逑－７３．１６０６逡逑ＨＥＳＳ逦一厂逡逑？７０．４５９２邋二逦二逦—逡逑ｊＺＩＺ－邋逦逦Ｌｌ￣ｚｒ＿Ｉ逦；逡逑图１．１邋Ｉｓｏ－ｓｏｕｒｃｅ模型操作界面逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋Ｉｓｏ－ｓｏｕｒｃｅ逡逑１．２．３根系水力再分配逡逑在正常的生理状况下，根－土界面的水分传输是由土壤传输进入根系中，但是，在某逡逑些特定情况下，会出现根系将从湿润土壤吸收的水分释放到干旱土壤中，即根－土界面水逡逑分的逆向运移。最早发现这一现象的Ｒｉｃｈａｒｄｓ邋＆邋Ｃａｌｄｗｅｌｌ邋ｅｔ邋ａｌ．邋（１９８７）将这一现象定义逡逑为“根系水力提升”（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｌｉｆｔ，ＨＬ）。根系水力提升现象不仅存在于根系吸收深层土逡逑壤水释放于表层土壤中，同时存在于根系吸收表层土壤水释放于深层土壤中（水力下传，逡逑ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｄｅｓｅｎｔ
逡逑研究区属于北京市海淀区西山鹫峰国家森林公园的一部分，为北京林业大学教学实逡逑验林场——首都圈森林生态系统国家定位观测研宄站（图２．１），站点坐标为３９°５４Ｗ，逡逑１１６°２８孔林场面积为８３２．０４邋ｋｍ２。东面与北安河村相接，西面与门头沟妙峰山相连，，逡逑向南到北安河乡大工村，距离北京市区约３０邋ｋｍ，距海淀约２０邋ｋｍ，距门头沟约１５邋ｋｍ，逡逑西面与门头沟妙峰山相连，向南到北安河乡大工村，向北距昌平约２０邋ｋｍ。逡逑图２．１北京研[偳蛭恢猛煎义希疲椋纾酰颍邋澹玻卞澹蹋铮悖幔簦椋铮铄澹恚幔疱澹铮驽澹拢澹椋辏椋睿珏澹颍澹螅澹幔颍悖桢澹幔颍澹徨义希玻保驳刂实孛蔡卣麇义媳本┦猩降氐暮０挝冢保埃埃埃保担埃懊字洌皆０胃叨仍冢玻埃浚叮懊字洌骄ｅ义习胃叨任矗常靛澹怼１本┦猩角急冉洗螅磐饭怠⒎可健⑹吧轿鞑考安轿鞑烤蟹皱义喜迹忌角苊婊模常保玻ィ本┥角粲谔猩铰觯蚱渖礁吖壬睢⒘骷逼露傅淖匀诲义咸氐闼亮魇Ы衔现兀槐本┦醒忧臁⒚茉啤⒒橙帷⑵焦缺辈俊⑺骋宥辈可教迤露绕藉义希保靛义
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