水分是限制干旱半干旱地區(qū)植被建設(shè)和生態(tài)恢復(fù)的最關(guān)鍵因素,準(zhǔn)確獲取典型植被種類(lèi)蒸騰耗水特征和水分利用策略是評(píng)估生態(tài)水文效應(yīng)、指導(dǎo)植被物種選擇和優(yōu)化植被配置最基礎(chǔ)、最核心的問(wèn)題。樹(shù)干液流測(cè)量是研究植物整株蒸騰和植物-水分關(guān)系最有效的手段,本文(1)開(kāi)發(fā)了一種適用于灌木等細(xì)莖干樹(shù)干液流準(zhǔn)確測(cè)量的外部熱比率莖流計(jì),運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析、校準(zhǔn)樹(shù)干熱參數(shù)各向異性對(duì)一種五針熱脈沖數(shù)字探頭樹(shù)干液流和熱參數(shù)的測(cè)量誤差并進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證;(2)以黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)“退耕還林(草)”背景下典型植被灌木檸條(Caragana korshinskii)、沙柳(Salix psammophila)和喬木旱柳(Salix matsudana)、小葉楊(Populus simonii)為對(duì)象,采用樹(shù)干液流法監(jiān)測(cè)植物蒸騰,研究植物蒸騰耗水特征和植物蒸騰對(duì)氣象要素、土壤水分、土壤和地形等環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律。論文得到主要結(jié)果和結(jié)論如下:(1)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種外部熱比率莖流計(jì),經(jīng)驗(yàn)證適用于莖干直徑15 mm和50 cm3 cm-2 h-1液流密度準(zhǔn)確測(cè)量。人工導(dǎo)水-稱(chēng)重法校準(zhǔn)試驗(yàn)表明,莖流計(jì)測(cè)得熱脈沖速率(Vh)信號(hào)和實(shí)際液流密度(Vs)極顯著線(xiàn)性相關(guān)(R2= 0.95,P0.001),但是檸條和沙柳由Vh轉(zhuǎn)換成Fs的校準(zhǔn)系數(shù)msap具有顯著差異,差異來(lái)源于兩種灌木的莖干結(jié)構(gòu)差異,建議實(shí)際運(yùn)用時(shí)對(duì)不同類(lèi)型莖干分別校準(zhǔn)。野外測(cè)試表明,外部熱比率莖流計(jì)能夠準(zhǔn)確測(cè)定低速和逆向液流。分析模擬樹(shù)干木質(zhì)部熱參數(shù)各向異性對(duì)基于INV-WATFLX算法的五針熱脈沖數(shù)字探頭樹(shù)干液流和熱參數(shù)的測(cè)量誤差,結(jié)果顯示,不同探頭安裝角度α下各向異性對(duì)液流密度的測(cè)量誤差-30%～+40%,零液流條件下熱參數(shù)(熱擴(kuò)散率κ、熱導(dǎo)率λ和熱容量C)測(cè)量誤差12%;本研究提出了相應(yīng)校準(zhǔn)模型。野外實(shí)測(cè)顯示,探頭以15°和30°安裝時(shí),可以準(zhǔn)確獲取樹(shù)干液流和熱參數(shù);但是以0°安裝時(shí)樹(shù)干液流低估約30%,可能原因是以0°安裝時(shí)探頭其中共平面的三針的插入,阻礙了液流在軸向液流路徑中的傳輸,導(dǎo)致液流低估。但零液流條件下,探頭以0°安裝時(shí)可以獲得更穩(wěn)定的熱參數(shù)測(cè)量結(jié)果。(2)黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)7 a齡沙柳枝干液流密度和整株蒸騰量均顯著高于15 a齡檸條。在2017年7-9月,沙柳平均液流密度8.26 cm3 cm-2 h-1,平均整株蒸騰2.6 kg d-1(或2.22 mm d-1);檸條平均液流密度5.43 cm3 cm-2 h-1,平均整株蒸騰1.92 kg d-1(或0.77 mm d-1)。氣象條件(參考蒸散ET0、太陽(yáng)輻射Rn和飽和水汽壓虧缺VPZ))是驅(qū)動(dòng)檸條和沙柳蒸騰的最重要環(huán)境因素,和蒸騰強(qiáng)度具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.01)。對(duì)于檸條,單因素ET0可解釋日蒸騰變異91%,Rn可解釋日蒸騰變異83%,VPD可解釋蒸騰變異77%;對(duì)于沙柳,單因素ETo可解釋蒸騰變異77%,Rn可解釋蒸騰變異79%,VPD可解釋蒸騰變異61%。偏相關(guān)分析表明,檸條蒸騰和0-100 cm深度土壤含水量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(P0.05),而沙柳蒸騰和0-50 cm深度土壤含水量顯著相關(guān)(P0.05)。根系調(diào)查顯示,沙柳水平根發(fā)達(dá),根系聚集在土壤淺表層,以快速高效吸收當(dāng)季降水轉(zhuǎn)化的淺層土壤水;檸條細(xì)根在淺表土層分布較少,細(xì)根根長(zhǎng)密度僅是沙柳的1/2,但具有發(fā)達(dá)的垂直深根系,可持續(xù)利用深層土壤水分,而避免遭受淺層土壤干旱脅迫的影響。檸條是節(jié)水型耐旱灌木,深層土壤水是重要水分利用來(lái)源;沙柳是耗水型植被,主要吸收利用淺層土壤水。鑒于檸條比沙柳更加節(jié)水耐旱和具備更強(qiáng)的抵抗根-土分離能力,因此建議檸條更適用于水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)的植被恢復(fù)。(3)通過(guò)對(duì)水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)風(fēng)沙土坡地和黃綿土壩地約30 a齡人工種植旱柳和小葉楊最長(zhǎng)達(dá)連續(xù)7年的生長(zhǎng)季樹(shù)干液流、氣象要素和土壤水分等同步監(jiān)測(cè)研究,結(jié)果表明,壩地旱柳和小葉楊生長(zhǎng)季平均整株蒸騰分別是46.7和175.2 kg d-1,分別是坡地相同樹(shù)種的5.6和4.2倍;整體而言小葉楊整株蒸騰耗水量是旱柳約4倍。氣象要素(ET0、Rn和VPD)是影響旱柳和小葉楊最重要的環(huán)境因子,均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.01)。ETo可解釋坡地旱柳蒸騰變異37%,壩地旱柳蒸騰高達(dá)77%,坡地和壩地小葉楊蒸騰變異80%。坡地旱柳蒸騰與0-200 cm深度淺層各層土壤含水量顯著正相關(guān)(P0.05);但對(duì)坡地小葉楊和壩地旱柳和小葉楊,蒸騰和淺層土壤含水量沒(méi)有一致的相關(guān)關(guān)系。豐水年降水補(bǔ)給風(fēng)沙土地土壤水分深度達(dá)600 cm,而在干旱年僅120 cm;在平水年和干旱年,風(fēng)沙土地0-600 cm產(chǎn)生土壤水分虧缺,在豐水年得到緩解;淺層和深層土壤水分均是風(fēng)沙土地樹(shù)木重要水分來(lái)源。而對(duì)于黃綿土地,即使豐水年,補(bǔ)給深度也僅200 cm,壩地旱柳和小葉楊主要消耗淺層地下水。坡地樹(shù)木細(xì)根在淺層土壤聚集,而在壩地?zé)o此現(xiàn)象,是旱柳和小葉楊根系對(duì)區(qū)域降水規(guī)律和水分利用策略的適應(yīng)性。從水資源可持續(xù)性角度考慮,兩種高蒸騰耗水樹(shù)種均不適合在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)廣泛種植。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：S714.7
【部分圖文】：

往還將低于－１００?ＭＰａ，而這種情形在干旱半干旱地區(qū)則十分常見(jiàn)。一般而言，??從土壤至葉片水勢(shì)降低較少，約１．０?ＭＰａ甚至更少，而從葉片至大氣水勢(shì)降低??可達(dá)數(shù)十ＭＰａ甚至高達(dá)１００?ＭＰａ，如圖１．１中的示例。因此，ＳＰＡＣ系統(tǒng)中水??分傳輸?shù)闹饕枇Υ嬖谟谌~片－大氣系統(tǒng)之間，蒸騰拉力是植物吸水的主要?jiǎng)恿Α??也就是說(shuō)，通過(guò)ＳＰＡＣ系統(tǒng)水流通量主要取決于調(diào)節(jié)蒸騰的因素，包含蒸騰所??需的能量供應(yīng)。然而，植物蒸騰對(duì)土壤水分條件非常敏感，植物能夠針對(duì)土壤??水分條件對(duì)蒸騰進(jìn)行生理調(diào)控，改變蒸騰途徑中的水流阻力。例如，根部存在??感受缺水的感受器，缺水時(shí)將合稱(chēng)大量脫落酸，并隨木質(zhì)部液流轉(zhuǎn)移至葉片保??衛(wèi)細(xì)胞，隨后液泡水勢(shì)升高促使水分外流，導(dǎo)致氣孔開(kāi)度減小或關(guān)閉，蒸騰減??弱，避免植物水分過(guò)度散失。??５??

２．２．１．１外部熱比率莖流計(jì)設(shè)計(jì)??外部熱比率莖流計(jì)主要由柔性隔熱薄板基．座、加熱元件和兩個(gè)感溫元件構(gòu)??成，如圖２．１所示？隔熱薄板由一面帶錫箔紙的可卷曲的多孔聚乙烯薄板構(gòu)成。??采用一個(gè)微小的圓形高溫陶瓷加熱片（厚１．２?ｍｍ，直徑４?ｍｍ，電阻１２?作??加熱元件〇感溫元件由銅－康銅熱電偶（３０?ＡＷＧ，?ＯＭＥＧＡ?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?Ｉｎｃ．，??Ｓｔａｍｆｏｒｄ，?ＵＳＡ）焊接而成＊兩個(gè)感溫元．件對(duì)稱(chēng)地分布在距離加熱元件１０?ｍｍ的??２４??

?第二章利獨(dú)丹部熱比率樹(shù)＿流＿暈技術(shù)ｆ？究梓條和沙柳蒙騰耗水特征?＾??截面積測(cè)纛誤差非常敏感，然而準(zhǔn)確測(cè)定細(xì)小莖于有效“邊材”橫截面積非常困??難。細(xì)莖千中，熱從導(dǎo)水部分到非導(dǎo)水部分的傳輸較快，因此使用整個(gè)橫截面??積也可以防止因ｗｓｔｅｍ導(dǎo)致的測(cè)算誤差。??鮮有研宄關(guān)注環(huán)境溫度變化對(duì)熱脈沖法測(cè)定樹(shù)液流的影響。研宄顯示，??環(huán)境溫度變化可以引起起過(guò)４０％的樹(shù)千液流測(cè)定誤差（Ｖａｎｄｅｇｅｈｕｃｌｉｔｅ?ｅｔ?ａｌ．，??２０１５）Ｄ然而，這些誤差可以通過(guò)ｉ｜量熱脈沖釋放前感溫元件的溫度變化，計(jì)算??因環(huán)境溫度改變引起的環(huán)境溫度變化率，在處理溫度－時(shí)間曲線(xiàn)時(shí)做一個(gè)溫度校??準(zhǔn)消除其影響。溫度校準(zhǔn)遵從Ｖａｎｄｅｇｅｈｕｃｈｔｅｅｔａｌ．?（２０１５）所用的方法。??ｎ?：??
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本文編號(hào)：2844201