水蚀风蚀交错区典型乔灌树种蒸腾耗水特征研究

发布时间：2020-10-17 03:28

　　 水分是限制干旱半干旱地区植被建设和生态恢复的最关键因素,准确获取典型植被种类蒸腾耗水特征和水分利用策略是评估生态水文效应、指导植被物种选择和优化植被配置最基础、最核心的问题。树干液流测量是研究植物整株蒸腾和植物-水分关系最有效的手段,本文(1)开发了一种适用于灌木等细茎干树干液流准确测量的外部热比率茎流计,运用数值模拟方法分析、校准树干热参数各向异性对一种五针热脉冲数字探头树干液流和热参数的测量误差并进行实测验证;(2)以黄土高原北部水蚀风蚀交错区“退耕还林(草)”背景下典型植被灌木柠条(Caragana korshinskii)、沙柳(Salix psammophila)和乔木旱柳(Salix matsudana)、小叶杨(Populus simonii)为对象,采用树干液流法监测植物蒸腾,研究植物蒸腾耗水特征和植物蒸腾对气象要素、土壤水分、土壤和地形等环境因子的响应规律。论文得到主要结果和结论如下:(1)开发设计了一种外部热比率茎流计,经验证适用于茎干直径15 mm和50 cm3 cm-2 h-1液流密度准确测量。人工导水-称重法校准试验表明,茎流计测得热脉冲速率(Vh)信号和实际液流密度(Vs)极显著线性相关(R2= 0.95,P0.001),但是柠条和沙柳由Vh转换成Fs的校准系数msap具有显著差异,差异来源于两种灌木的茎干结构差异,建议实际运用时对不同类型茎干分别校准。野外测试表明,外部热比率茎流计能够准确测定低速和逆向液流。分析模拟树干木质部热参数各向异性对基于INV-WATFLX算法的五针热脉冲数字探头树干液流和热参数的测量误差,结果显示,不同探头安装角度α下各向异性对液流密度的测量误差-30%～+40%,零液流条件下热参数(热扩散率κ、热导率λ和热容量C)测量误差12%;本研究提出了相应校准模型。野外实测显示,探头以15°和30°安装时,可以准确获取树干液流和热参数;但是以0°安装时树干液流低估约30%,可能原因是以0°安装时探头其中共平面的三针的插入,阻碍了液流在轴向液流路径中的传输,导致液流低估。但零液流条件下,探头以0°安装时可以获得更稳定的热参数测量结果。(2)黄土高原北部水蚀风蚀交错区7 a龄沙柳枝干液流密度和整株蒸腾量均显著高于15 a龄柠条。在2017年7-9月,沙柳平均液流密度8.26 cm3 cm-2 h-1,平均整株蒸腾2.6 kg d-1(或2.22 mm d-1);柠条平均液流密度5.43 cm3 cm-2 h-1,平均整株蒸腾1.92 kg d-1(或0.77 mm d-1)。气象条件(参考蒸散ET0、太阳辐射Rn和饱和水汽压亏缺VPZ))是驱动柠条和沙柳蒸腾的最重要环境因素,和蒸腾强度具有极显著正相关关系(P0.01)。对于柠条,单因素ET0可解释日蒸腾变异91%,Rn可解释日蒸腾变异83%,VPD可解释蒸腾变异77%;对于沙柳,单因素ETo可解释蒸腾变异77%,Rn可解释蒸腾变异79%,VPD可解释蒸腾变异61%。偏相关分析表明,柠条蒸腾和0-100 cm深度土壤含水量无显著相关关系(P0.05),而沙柳蒸腾和0-50 cm深度土壤含水量显著相关(P0.05)。根系调查显示,沙柳水平根发达,根系聚集在土壤浅表层,以快速高效吸收当季降水转化的浅层土壤水;柠条细根在浅表土层分布较少,细根根长密度仅是沙柳的1/2,但具有发达的垂直深根系,可持续利用深层土壤水分,而避免遭受浅层土壤干旱胁迫的影响。柠条是节水型耐旱灌木,深层土壤水是重要水分利用来源;沙柳是耗水型植被,主要吸收利用浅层土壤水。鉴于柠条比沙柳更加节水耐旱和具备更强的抵抗根-土分离能力,因此建议柠条更适用于水蚀风蚀交错区的植被恢复。(3)通过对水蚀风蚀交错区风沙土坡地和黄绵土坝地约30 a龄人工种植旱柳和小叶杨最长达连续7年的生长季树干液流、气象要素和土壤水分等同步监测研究,结果表明,坝地旱柳和小叶杨生长季平均整株蒸腾分别是46.7和175.2 kg d-1,分别是坡地相同树种的5.6和4.2倍;整体而言小叶杨整株蒸腾耗水量是旱柳约4倍。气象要素(ET0、Rn和VPD)是影响旱柳和小叶杨最重要的环境因子,均呈极显著正相关关系(P0.01)。ETo可解释坡地旱柳蒸腾变异37%,坝地旱柳蒸腾高达77%,坡地和坝地小叶杨蒸腾变异80%。坡地旱柳蒸腾与0-200 cm深度浅层各层土壤含水量显著正相关(P0.05);但对坡地小叶杨和坝地旱柳和小叶杨,蒸腾和浅层土壤含水量没有一致的相关关系。丰水年降水补给风沙土地土壤水分深度达600 cm,而在干旱年仅120 cm;在平水年和干旱年,风沙土地0-600 cm产生土壤水分亏缺,在丰水年得到缓解;浅层和深层土壤水分均是风沙土地树木重要水分来源。而对于黄绵土地,即使丰水年,补给深度也仅200 cm,坝地旱柳和小叶杨主要消耗浅层地下水。坡地树木细根在浅层土壤聚集,而在坝地无此现象,是旱柳和小叶杨根系对区域降水规律和水分利用策略的适应性。从水资源可持续性角度考虑,两种高蒸腾耗水树种均不适合在黄土高原水蚀风蚀交错区广泛种植。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S714.7
【部分图文】：

往还将低于－１００?ＭＰａ，而这种情形在干旱半干旱地区则十分常见。一般而言，??从土壤至叶片水势降低较少，约１．０?ＭＰａ甚至更少，而从叶片至大气水势降低??可达数十ＭＰａ甚至高达１００?ＭＰａ，如图１．１中的示例。因此，ＳＰＡＣ系统中水??分传输的主要阻力存在于叶片－大气系统之间，蒸腾拉力是植物吸水的主要动力。??也就是说，通过ＳＰＡＣ系统水流通量主要取决于调节蒸腾的因素，包含蒸腾所??需的能量供应。然而，植物蒸腾对土壤水分条件非常敏感，植物能够针对土壤??水分条件对蒸腾进行生理调控，改变蒸腾途径中的水流阻力。例如，根部存在??感受缺水的感受器，缺水时将合称大量脱落酸，并随木质部液流转移至叶片保??卫细胞，随后液泡水势升高促使水分外流，导致气孔开度减小或关闭，蒸腾减??弱，避免植物水分过度散失。??５??

２．２．１．１外部热比率茎流计设计??外部热比率茎流计主要由柔性隔热薄板基．座、加热元件和两个感温元件构??成，如图２．１所示？隔热薄板由一面带锡箔纸的可卷曲的多孔聚乙烯薄板构成。??采用一个微小的圆形高温陶瓷加热片（厚１．２?ｍｍ，直径４?ｍｍ，电阻１２?作??加热元件〇感温元件由铜－康铜热电偶（３０?ＡＷＧ，?ＯＭＥＧＡ?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?Ｉｎｃ．，??Ｓｔａｍｆｏｒｄ，?ＵＳＡ）焊接而成＊两个感温元．件对称地分布在距离加热元件１０?ｍｍ的??２４??

?第二章利獨丹部热比率树＿流＿暈技术ｆ？究梓条和沙柳蒙騰耗水特征?＾??截面积测纛误差非常敏感，然而准确测定细小茎于有效“边材”横截面积非常困??难。细茎千中，热从导水部分到非导水部分的传输较快，因此使用整个横截面??积也可以防止因ｗｓｔｅｍ导致的测算误差。??鲜有研宄关注环境温度变化对热脉冲法测定树液流的影响。研宄显示，??环境温度变化可以引起起过４０％的树千液流测定误差（Ｖａｎｄｅｇｅｈｕｃｌｉｔｅ?ｅｔ?ａｌ．，??２０１５）Ｄ然而，这些误差可以通过ｉ｜量热脉冲释放前感温元件的温度变化，计算??因环境温度改变引起的环境温度变化率，在处理温度－时间曲线时做一个温度校??准消除其影响。温度校准遵从Ｖａｎｄｅｇｅｈｕｃｈｔｅｅｔａｌ．?（２０１５）所用的方法。??ｎ?：??
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本文编号：2844201