【摘要】：退耕還林(草)措施有效地增加了黃土高原地區(qū)的植被覆蓋度,減小了水土流失,改善了生態(tài)環(huán)境,但大面積的植樹造林也產(chǎn)生了一些負面影響,比如林下土壤干燥化和人工林過早衰敗。其原因可能與人工林地的蒸散耗水有關(guān)。人工林攔蓄并過度消耗土壤水分,打破固有水分平衡,形成土壤干層,當(dāng)遭遇嚴重干旱或水分補給不足時導(dǎo)致人工林衰敗死亡。人工林地蒸散耗水過程是生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié),也是生態(tài)水文過程的重要研究內(nèi)容,因此研究黃土高原地區(qū)代表性人工林地的生態(tài)水文過程,深入分析水循環(huán)過程特征和規(guī)律,對明確該地區(qū)林-水相互作用關(guān)系和人工林植被的恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要理論意義。本研究以黃土高原地區(qū)主要造林樹種刺槐為研究對象,通過野外試驗和室內(nèi)模擬分析的方法,研究了刺槐樹干邊材木質(zhì)部導(dǎo)管形態(tài)特征及其影響因素,校準了熱擴散探針法液流計算經(jīng)驗公式系數(shù),分析了刺槐蒸騰耗水、冠層截留和林地蒸散發(fā)特征及其影響因素,并以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)校準了Hydrus1-D模型并模擬了林地土壤水分與蒸散發(fā)的動態(tài)變化過程,同時分析了林地水量平衡特征。所取得的主要結(jié)論如下:1.健康生長刺槐(15年林齡)與衰敗刺槐(35年林齡)的邊材木質(zhì)部導(dǎo)管等效直徑概率分布差異顯著(p=0.032)。隨林齡增加,也即刺槐由健康生長狀態(tài)變?yōu)樗顟B(tài)時,樹干邊材木質(zhì)部導(dǎo)管直徑變小,導(dǎo)管大小的偏正態(tài)分布程度增加,導(dǎo)管的理論水力導(dǎo)度變小。隨樹高增加,刺槐樹干邊材木質(zhì)部導(dǎo)管直徑顯著減小。健康生長刺槐邊材木質(zhì)部導(dǎo)管漸縮比與樹高的擬合公式斜率(0.212,95%CI 0.201 0.287)高于水力優(yōu)化模型理論最優(yōu)值0.20,表明健康生長刺槐導(dǎo)管結(jié)構(gòu)最優(yōu)化分布,水分傳輸阻力不隨樹高的增加而增加;衰敗刺槐木質(zhì)部導(dǎo)管漸縮比與樹高的擬合公式斜率(0.175,95%CI0.146 0.198)顯著小于理論最優(yōu)值,表明衰敗刺槐導(dǎo)管結(jié)構(gòu)非最優(yōu)化分布,水分傳輸阻力會隨樹高的增加而增加,樹頂枝條的生長和代謝易受水分脅迫影響。與土壤水分含量和樹干胸徑相比,樹高是決定刺槐樹干木質(zhì)部導(dǎo)管大小變異的直接因素。土壤水分通過影響樹高而間接影響樹干邊材木質(zhì)部導(dǎo)管的大小。2.根據(jù)稱重法獲得的實測液流通量密度為基礎(chǔ),結(jié)合熱擴散探針溫度系數(shù)K,擬合了基于刺槐的熱擴散法Granier液流計算公式系數(shù)。研究結(jié)果表明:擬合公式系數(shù)α(0.051g cm~(-2) s~(-1))顯著大于(p0.0001)Granier經(jīng)驗公式系數(shù)(0.0119 g cm~(-2) s~(-1)),擬合公式指數(shù)β(1.18)與Granier經(jīng)驗公式指數(shù)(1.231)相差不顯著(p0.05)。應(yīng)用Granier經(jīng)驗公式計算刺槐蒸騰耗水時,低估刺槐實際蒸騰耗水量達80%,而應(yīng)用本實驗校準的公式進行刺槐蒸騰耗水計算時,低估量僅為3.5%。利用熱擴散探針方法測定樹木蒸騰耗水時,應(yīng)充分考慮樹干邊材厚度與液流探針長度的關(guān)系,當(dāng)液流探針長度大于邊材厚度時需采用Clearwater et al(1999)校準方法進行觀測溫度系數(shù)的校準。除此之外,采用熱擴散探針方法進行新植物物種液流觀測時,需要進行經(jīng)驗公式的實驗校準。刺槐樹干液流通量密度(SFD)與環(huán)境因子的日變化過程存在明顯的滯后效應(yīng)。SFD的日變化滯后于太陽光合有效輻射Rn的日變化約1小時;飽和水汽壓差VPD和空氣溫度T的日變化滯后于Rn的日變化約2小時。2015年和2016年生長季SFD與環(huán)境因子的滯后效應(yīng)相似,但2015年的滯后效應(yīng)環(huán)大于2016年的滯后效應(yīng)環(huán)。日尺度上,潛在蒸散發(fā)ET0與蒸騰變量VT是影響刺槐樹干SFD變化的主要環(huán)境因素,其次為太陽光合有效輻射Rn、空氣溫度T和飽和水汽壓差VPD。土壤水分SWC與SFD之間無顯著相關(guān)關(guān)系(p0.05)。構(gòu)建了耦合環(huán)境因子ET0和葉面積指數(shù)LAI的刺槐樹干SFD簡化預(yù)測模型(SFD(28)21.89ET_0×LAI(10)59.84),該簡化模型可以解釋75%的刺槐樹干SFD變異。小時尺度上,太陽光合有效輻射Rn是影響刺槐樹干SFD變化的主要環(huán)境因子,其次為飽和水汽壓差VPD和空氣溫度T。土壤水分SWC與SFD之間無明顯相關(guān)關(guān)系。飽和水汽壓差VPD對樹干液流速率SFD的影響存在明顯閾值效應(yīng),2015年VPD的影響閾值為~1.9KPa,2016年VPD的影響閾值為~1.6KPa。3.2015和2016年研究時段,刺槐林地穿透降雨量、冠層截留量和樹干莖流量分別占林外降雨量的比例為82.1%,16.3%和1.6%;油松林地穿透降雨量、冠層截留量和樹干莖流量占林外降雨量的比例分別為75.0%,24.0%和1.0%。刺槐林和油松林的降雨再分配特征差異顯著(p0.05)。與油松林相比,刺槐林可更加高效的增加林地凈降雨量(林外降雨-冠層截留量)。人工刺槐林產(chǎn)生穿透降雨和樹干莖流的次降雨量閾值分別為1.1mm和2.3 mm;而油松林產(chǎn)生穿透降雨和樹干莖流的次降雨量閾值分別為1.6 mm和5.0mm。在相同氣象環(huán)境和地形特征條件下,刺槐林和油松林降雨再分配特征的差異主要由林木結(jié)構(gòu)差異造成。采用降雨特征因子(降雨量、降雨歷時和降雨強度)可以準確預(yù)測林地降雨再分配特征量(mm);但需要結(jié)合其它環(huán)境因素(例如氣象因子)進行刺槐林地降雨再分配比率(%)的準確預(yù)測。4.2016年生長季,刺槐林渦動相關(guān)觀測系統(tǒng)的能量閉合度為74%,處于森林生態(tài)系統(tǒng)能量閉合度范圍(60-90%)的中等水平,表明采用渦動相關(guān)方法評估的人工刺槐林生態(tài)系統(tǒng)能量和水量分配特征具有可靠性。2016年生長季平均潛熱通量(LE)的日變化過程表現(xiàn)為單峰形態(tài),其最低值出現(xiàn)在夜晚,最高值出現(xiàn)在午后。2016年生長季潛熱通量占太陽凈輻射(Rs)的比例為61%,表明人工刺槐林生長季的能量消耗主要用于植被生命活動(即蒸散發(fā)耗熱)。潛在蒸散發(fā)(ET0)、太陽凈輻射(Rs)、飽和水汽壓差(VPD)、空氣溫度(T)和葉面積指數(shù)(LAI)是影響人工刺槐林蒸散發(fā)的主要因素,分別可以解釋LE變異的83%、81%、76%、63%和46%。日尺度上,土壤水分含量SWC與LE之間無明顯相關(guān)關(guān)系。LE的季節(jié)變化特征顯示,人工刺槐林LE最大值出現(xiàn)在6月(282.6 MJ m~(-2)month~(-1),相當(dāng)于115 mm降水量),最小值出現(xiàn)在10月(128.9 MJ m~(-2)month~(-1),相當(dāng)于52.5 mm降水量)。生長季總潛熱通量為1262.2 MJ m~(-2),相當(dāng)于515 mm降水量,占生長季降水量(461 mm)的112%,表明該研究時段刺槐林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分過度消耗,處于虧缺狀態(tài)。5.根據(jù)2015年實測土壤水分數(shù)據(jù)和刺槐蒸騰數(shù)據(jù)率定的Hydrus1-D模型可很好地模擬人工刺槐林地2016年的土壤水分、刺槐蒸騰和林地蒸散發(fā)的動態(tài)變化。分析2015和2016年的林地水量平衡模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),林地蒸散發(fā)是人工刺槐林地主要的水分輸出項,約占全年降水量的114.4%,表明研究時段人工刺槐林地的土壤水分持續(xù)消耗,處于虧缺狀態(tài),將會引起土壤剖面形成干燥層,進一步影響人工刺槐林的健康生長。林地蒸散發(fā)分量中,刺槐蒸騰(ETt)所占比例最大,其次為林下土壤蒸發(fā)(ETs)和林冠截留蒸發(fā)(ETi),其中ETt、ETs和ETi分別占蒸散發(fā)總量的62.6%、26.8%;和10.6%。土壤含水量增加,刺槐蒸騰耗水的水分脅迫強度降低。土壤水分含量對人工刺槐林蒸騰耗水的影響存在閾值效應(yīng),2015年的土壤含水量閾值為0.31 cm~3 cm~(-3);2016年的土壤含水量閾值為0.29 cm~3 cm~(-3)。
【圖文】：

圖 1-1 導(dǎo)管和管胞形態(tài)結(jié)構(gòu)特征（引自 Taiz et al. (2009)）Fig1-1 Morphological structure characteristics of vessels and tracheid (cited from Taiz et al (2植物木質(zhì)部水分傳輸效率主要受木質(zhì)部管狀分子的形態(tài)特征（長度直徑）和密Hacker et al. 2006; Jacobsen et al. 2012; Oberle et al. 2016; Tyree et al. 1994）。根學(xué)中的 Hagen-Poiseuille 公式，木質(zhì)部管狀分子的導(dǎo)水率與管狀分子直徑的 4比，與管狀分子的長度成反比（Tyree and Zimmermann 2002），即管狀分子的、長度越短、單位面積上的密度越大，其水分傳輸效率就會越高；反之，管狀分傳輸效率越低。因為導(dǎo)管分子比管胞具有更大的直徑和更短的長度，所以在一定的情況下，導(dǎo)管分子具有更大的水分傳輸效率。水分在木質(zhì)部導(dǎo)管中運動的驅(qū)動力來源于植物葉片蒸騰，當(dāng)蒸騰作用引起的水于木質(zhì)部中水柱的內(nèi)聚力時，水柱會發(fā)生斷裂而在木質(zhì)部導(dǎo)管中形成空氣腔，的正常運輸，即形成栓塞（Tyree and Sperry 1989）。很多原因可以造成木質(zhì)部空穴栓塞，其中水分脅迫是造成木質(zhì)部導(dǎo)管發(fā)生栓塞的重要因素（Meinzer 1），其次，凍融交替和維管病害也是導(dǎo)致木質(zhì)部導(dǎo)管發(fā)生栓塞的重要原因（申

圖 2-1 坡黃土高原及野河山林場試驗點位置圖Figure 2-1 Location of the Yeheshan study site on the Loess Plateau2 研究內(nèi)容黃土高原地區(qū)水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱。為改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，國家實施模的植被恢復(fù)工程。自工程實施以來，該地區(qū)的植被覆蓋度顯著增加，土壤侵蝕效控制，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。然而，大規(guī)模的植樹造林又造成了新的環(huán)境問如林下土壤干燥化、人工林植被過早衰敗和流域徑流量減小等。其原因可能是與地的蒸散耗水有關(guān)。人工植被攔蓄并過度消耗土壤水分，減小了流域產(chǎn)流量，打有的水分平衡，形成土壤干層，在遭遇嚴重干旱或因水分補給不足時容易導(dǎo)致人植被的過早衰敗或死亡，并且將嚴重制約當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的可持續(xù)健康發(fā)展。因此該地區(qū)主要人工造林樹種為研究對象，開展其林地蒸騰蒸發(fā)耗水及影響因素研究揭示人工林生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)特征和規(guī)律，，并將為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和恢復(fù)提的理論支撐。本研究主要包括以下五個方面的內(nèi)容：.1 刺槐樹干邊材木質(zhì)部導(dǎo)管分布特征
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S715


本文編號：2619203