黄土高原人工刺槐林地生态水文过程研究

发布时间：2020-04-08 09:51

【摘要】：退耕还林(草)措施有效地增加了黄土高原地区的植被覆盖度,减小了水土流失,改善了生态环境,但大面积的植树造林也产生了一些负面影响,比如林下土壤干燥化和人工林过早衰败。其原因可能与人工林地的蒸散耗水有关。人工林拦蓄并过度消耗土壤水分,打破固有水分平衡,形成土壤干层,当遭遇严重干旱或水分补给不足时导致人工林衰败死亡。人工林地蒸散耗水过程是生态系统水循环过程的重要环节,也是生态水文过程的重要研究内容,因此研究黄土高原地区代表性人工林地的生态水文过程,深入分析水循环过程特征和规律,对明确该地区林-水相互作用关系和人工林植被的恢复和可持续发展具有重要理论意义。本研究以黄土高原地区主要造林树种刺槐为研究对象,通过野外试验和室内模拟分析的方法,研究了刺槐树干边材木质部导管形态特征及其影响因素,校准了热扩散探针法液流计算经验公式系数,分析了刺槐蒸腾耗水、冠层截留和林地蒸散发特征及其影响因素,并以实测数据为基础校准了Hydrus1-D模型并模拟了林地土壤水分与蒸散发的动态变化过程,同时分析了林地水量平衡特征。所取得的主要结论如下:1.健康生长刺槐(15年林龄)与衰败刺槐(35年林龄)的边材木质部导管等效直径概率分布差异显著(p=0.032)。随林龄增加,也即刺槐由健康生长状态变为衰败状态时,树干边材木质部导管直径变小,导管大小的偏正态分布程度增加,导管的理论水力导度变小。随树高增加,刺槐树干边材木质部导管直径显著减小。健康生长刺槐边材木质部导管渐缩比与树高的拟合公式斜率(0.212,95%CI 0.201 0.287)高于水力优化模型理论最优值0.20,表明健康生长刺槐导管结构最优化分布,水分传输阻力不随树高的增加而增加;衰败刺槐木质部导管渐缩比与树高的拟合公式斜率(0.175,95%CI0.146 0.198)显著小于理论最优值,表明衰败刺槐导管结构非最优化分布,水分传输阻力会随树高的增加而增加,树顶枝条的生长和代谢易受水分胁迫影响。与土壤水分含量和树干胸径相比,树高是决定刺槐树干木质部导管大小变异的直接因素。土壤水分通过影响树高而间接影响树干边材木质部导管的大小。2.根据称重法获得的实测液流通量密度为基础,结合热扩散探针温度系数K,拟合了基于刺槐的热扩散法Granier液流计算公式系数。研究结果表明:拟合公式系数α(0.051g cm~(-2) s~(-1))显著大于(p0.0001)Granier经验公式系数(0.0119 g cm~(-2) s~(-1)),拟合公式指数β(1.18)与Granier经验公式指数(1.231)相差不显著(p0.05)。应用Granier经验公式计算刺槐蒸腾耗水时,低估刺槐实际蒸腾耗水量达80%,而应用本实验校准的公式进行刺槐蒸腾耗水计算时,低估量仅为3.5%。利用热扩散探针方法测定树木蒸腾耗水时,应充分考虑树干边材厚度与液流探针长度的关系,当液流探针长度大于边材厚度时需采用Clearwater et al(1999)校准方法进行观测温度系数的校准。除此之外,采用热扩散探针方法进行新植物物种液流观测时,需要进行经验公式的实验校准。刺槐树干液流通量密度(SFD)与环境因子的日变化过程存在明显的滞后效应。SFD的日变化滞后于太阳光合有效辐射Rn的日变化约1小时;饱和水汽压差VPD和空气温度T的日变化滞后于Rn的日变化约2小时。2015年和2016年生长季SFD与环境因子的滞后效应相似,但2015年的滞后效应环大于2016年的滞后效应环。日尺度上,潜在蒸散发ET0与蒸腾变量VT是影响刺槐树干SFD变化的主要环境因素,其次为太阳光合有效辐射Rn、空气温度T和饱和水汽压差VPD。土壤水分SWC与SFD之间无显著相关关系(p0.05)。构建了耦合环境因子ET0和叶面积指数LAI的刺槐树干SFD简化预测模型(SFD(28)21.89ET_0×LAI(10)59.84),该简化模型可以解释75%的刺槐树干SFD变异。小时尺度上,太阳光合有效辐射Rn是影响刺槐树干SFD变化的主要环境因子,其次为饱和水汽压差VPD和空气温度T。土壤水分SWC与SFD之间无明显相关关系。饱和水汽压差VPD对树干液流速率SFD的影响存在明显阈值效应,2015年VPD的影响阈值为~1.9KPa,2016年VPD的影响阈值为~1.6KPa。3.2015和2016年研究时段,刺槐林地穿透降雨量、冠层截留量和树干茎流量分别占林外降雨量的比例为82.1%,16.3%和1.6%;油松林地穿透降雨量、冠层截留量和树干茎流量占林外降雨量的比例分别为75.0%,24.0%和1.0%。刺槐林和油松林的降雨再分配特征差异显著(p0.05)。与油松林相比,刺槐林可更加高效的增加林地净降雨量(林外降雨-冠层截留量)。人工刺槐林产生穿透降雨和树干茎流的次降雨量阈值分别为1.1mm和2.3 mm;而油松林产生穿透降雨和树干茎流的次降雨量阈值分别为1.6 mm和5.0mm。在相同气象环境和地形特征条件下,刺槐林和油松林降雨再分配特征的差异主要由林木结构差异造成。采用降雨特征因子(降雨量、降雨历时和降雨强度)可以准确预测林地降雨再分配特征量(mm);但需要结合其它环境因素(例如气象因子)进行刺槐林地降雨再分配比率(%)的准确预测。4.2016年生长季,刺槐林涡动相关观测系统的能量闭合度为74%,处于森林生态系统能量闭合度范围(60-90%)的中等水平,表明采用涡动相关方法评估的人工刺槐林生态系统能量和水量分配特征具有可靠性。2016年生长季平均潜热通量(LE)的日变化过程表现为单峰形态,其最低值出现在夜晚,最高值出现在午后。2016年生长季潜热通量占太阳净辐射(Rs)的比例为61%,表明人工刺槐林生长季的能量消耗主要用于植被生命活动(即蒸散发耗热)。潜在蒸散发(ET0)、太阳净辐射(Rs)、饱和水汽压差(VPD)、空气温度(T)和叶面积指数(LAI)是影响人工刺槐林蒸散发的主要因素,分别可以解释LE变异的83%、81%、76%、63%和46%。日尺度上,土壤水分含量SWC与LE之间无明显相关关系。LE的季节变化特征显示,人工刺槐林LE最大值出现在6月(282.6 MJ m~(-2)month~(-1),相当于115 mm降水量),最小值出现在10月(128.9 MJ m~(-2)month~(-1),相当于52.5 mm降水量)。生长季总潜热通量为1262.2 MJ m~(-2),相当于515 mm降水量,占生长季降水量(461 mm)的112%,表明该研究时段刺槐林生态系统土壤水分过度消耗,处于亏缺状态。5.根据2015年实测土壤水分数据和刺槐蒸腾数据率定的Hydrus1-D模型可很好地模拟人工刺槐林地2016年的土壤水分、刺槐蒸腾和林地蒸散发的动态变化。分析2015和2016年的林地水量平衡模拟结果可以发现,林地蒸散发是人工刺槐林地主要的水分输出项,约占全年降水量的114.4%,表明研究时段人工刺槐林地的土壤水分持续消耗,处于亏缺状态,将会引起土壤剖面形成干燥层,进一步影响人工刺槐林的健康生长。林地蒸散发分量中,刺槐蒸腾(ETt)所占比例最大,其次为林下土壤蒸发(ETs)和林冠截留蒸发(ETi),其中ETt、ETs和ETi分别占蒸散发总量的62.6%、26.8%;和10.6%。土壤含水量增加,刺槐蒸腾耗水的水分胁迫强度降低。土壤水分含量对人工刺槐林蒸腾耗水的影响存在阈值效应,2015年的土壤含水量阈值为0.31 cm~3 cm~(-3);2016年的土壤含水量阈值为0.29 cm~3 cm~(-3)。
【图文】：

图 1-1 导管和管胞形态结构特征（引自 Taiz et al. (2009)）Fig1-1 Morphological structure characteristics of vessels and tracheid (cited from Taiz et al (2植物木质部水分传输效率主要受木质部管状分子的形态特征（长度直径）和密Hacker et al. 2006; Jacobsen et al. 2012; Oberle et al. 2016; Tyree et al. 1994）。根学中的 Hagen-Poiseuille 公式，木质部管状分子的导水率与管状分子直径的 4比，与管状分子的长度成反比（Tyree and Zimmermann 2002），即管状分子的、长度越短、单位面积上的密度越大，其水分传输效率就会越高；反之，管状分传输效率越低。因为导管分子比管胞具有更大的直径和更短的长度，所以在一定的情况下，导管分子具有更大的水分传输效率。水分在木质部导管中运动的驱动力来源于植物叶片蒸腾，当蒸腾作用引起的水于木质部中水柱的内聚力时，水柱会发生断裂而在木质部导管中形成空气腔，的正常运输，即形成栓塞（Tyree and Sperry 1989）。很多原因可以造成木质部空穴栓塞，其中水分胁迫是造成木质部导管发生栓塞的重要因素（Meinzer 1），其次，冻融交替和维管病害也是导致木质部导管发生栓塞的重要原因（申

图 2-1 坡黄土高原及野河山林场试验点位置图Figure 2-1 Location of the Yeheshan study site on the Loess Plateau2 研究内容黄土高原地区水土流失严重，生态环境脆弱。为改善当地生态环境，国家实施模的植被恢复工程。自工程实施以来，该地区的植被覆盖度显著增加，土壤侵蚀效控制，生态环境得到明显改善。然而，大规模的植树造林又造成了新的环境问如林下土壤干燥化、人工林植被过早衰败和流域径流量减小等。其原因可能是与地的蒸散耗水有关。人工植被拦蓄并过度消耗土壤水分，减小了流域产流量，打有的水分平衡，形成土壤干层，在遭遇严重干旱或因水分补给不足时容易导致人植被的过早衰败或死亡，并且将严重制约当地生态环境的可持续健康发展。因此该地区主要人工造林树种为研究对象，开展其林地蒸腾蒸发耗水及影响因素研究揭示人工林生态系统的水循环特征和规律，，并将为该地区生态环境建设和恢复提的理论支撑。本研究主要包括以下五个方面的内容：.1 刺槐树干边材木质部导管分布特征
【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】：2018
【分类号】：S715


本文编号：2619203