乌兰布和沙漠东北段的防护林是保护东部河套平原农业生产的重要生态屏障,由于对人工造林研究缺乏重视,许多防护林体系中的林分有一定的衰退趋势.研究乡土树种人工栽培后的生态适应性,是指导人工防护林建设和可持续经营的重要举措.为了深入探究乌兰布和沙漠乡土树种人工栽培后的生态适应性,本文以 3种乡 土树种沙冬青(Ammopiptathus mongolicus)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)和蒙古扁桃(Prunus mongoli-ca)为研究对象,通过测定功能性叶片表皮形态、解剖结构、生理指标,结合当地气象数据,阐释3种植物对沙漠环境的适应机制.结果表明:3种植物分别以不同方式适应沙漠环境.沙冬青通过增大叶面积来增加受光面积、提高光合效率,利用密集的表皮毛和发达的角质层强化叶片机械防御能力,降低强光灼伤及水分蒸腾,维持细胞水分平衡,从而降低细胞膜脂过氧化.蒙古扁桃叶片簇生,通过增加叶片数量增加受光面积、提高光合效率,通过卷曲叶片躲避强光灼伤,通过特化气孔位置(将气孔全部分布于叶片下表面),利用发达的维管束、丰富的黏液细胞和晶体结构来降低水分蒸腾,维持细胞水分平衡,从而降低细胞膜脂过氧化.霸王叶片呈圆柱状条形结构,通过降低风阻,降低叶片遭受风沙流危害的概率,通过生理代谢调节提高叶片抗氧化物酶活性和渗透调节物质含量,维持细胞水分和活性氧代谢平衡.这些发现揭示了 3种植物在应对荒漠环境时所采取的不同的适应策略,为乌兰布和沙漠东北部乡土树种的引种驯化提供了新思路.

桉树-乡土树种混交林在提高林分生产力和生态系统功能等方面具有较大潜力.该研究以南亚热带4种桉树-乡土树种混交林(桉树与乡土树种混交比例分别为5∶5、6∶4、7∶3、8∶2)和桉树纯林为研究对象,研究了3种优势乡土树种华润楠(Machilus chinensis)、阴香(Cinnamomum burmannii)、灰木莲(Manglietia glauca)和速生树种尾叶桉(Eucalyptus urophylla)的叶片生理、结构和化学性状在不同比例混交林中的差异.结果表明,4 优势造林树种的叶片性状存在明显的种间差异,其中灰木莲的比叶面积(SLA)、光合磷利用效率(PPUE)、单位质量叶片最大光合速率(Amass)和蒸腾速率(Tmass)以及叶片养分含量最高,说明灰木莲采取资源获取型的生态策略;尾叶桉的SLA、Amass、Tmass及叶片养分含量最低,但具有最高的PPUE,说明尾叶桉兼顾了资源获取型和保守型的物种特征.灰木莲与尾叶桉在SLA、Amass、Tmass、PPUE、叶片氮含量和氮磷比等叶片性状上几乎没有任何重叠,说明灰木莲与尾叶桉之间的叶片资源利用高度互补,可能是与尾叶桉混交的理想树种.物种水平上,灰木莲叶片氮含量、华润楠叶片磷含量以及干季时阴香叶片Amass和PPUE随乡土树种混交比例增加有增加的趋势,但总体上树种混交比例对于 4 造林树种的叶片结构、化学和生理性状的影响不大;林分水平上,桉树-乡土树种混交林的比叶面积、光合能力以及叶片氮磷比显著高于尾叶桉纯林,说明桉树与乡土树种混交能够提高林分整体的光捕获和光合能力,但同时也加剧了植物生长的磷限制.因此,建议在未来南亚热带桉树人工林的构建与改造中,应优先挑选与桉树资源利用互补并能够优化混交林磷素循环利用的乡土树种.

流域上游森林蒸腾量的准确估算对于干旱区水资源管理至关重要.该文采用热比率法的树干液流技术对青海云杉(Picea crassifolia)单木和林分蒸腾量进行了估算和转换,目的在于通过该研究为不同尺度森林蒸腾量估算提供一个系统的解决方案.研究结果如下:第一,青海云杉胸径与边材面积间存在显著指数函数关系,R2=0.94,p＜0.000 1;第二,热比率法的青海云杉蒸腾量测量中,理论值与观测值间的比例系数为1.09,观测值偏小;第三,基于单木平均液流速率和林分总边材面积的林分蒸腾量计算中,不同胸径样树液流速率的异质会导致液流速率被高估或低估近1/3;第四,基于单木胸径与液流量间关系的林分液流估算技术能够更合理地对青海云杉蒸腾量进行估算.根据该文研究结果,基于探针式液流测量技术可以更为科学地对单一树种研究区不同尺度的蒸腾量进行估算.

开展城市中不同树种植被遮荫与蒸腾降温效应的量化研究是科学优化植被温度调控服务的重要基础.以南京市栖霞区某小型绿地单元为研究区,对高温晴朗天气下不同树种典型植株树干液流进行了观测,采用“单位叶面积上的平均液流速率×叶面积指数”的扩展方法实现了由单株到林分尺度上冠层蒸腾量与蒸腾降温效应的估算,并根据林上、林下太阳辐射值计算了不同树种与整个绿地单元的遮荫降温效应,进而阐明了蒸腾与遮荫降温对总降温效应贡献率的变化特征.研究结果表明:1)3个树种树干液流均呈现昼高夜低的变化趋势,树干液流通常在6:00左右启动,正午前后达到峰值,且存在明显的“午休”现象,而在同一树种内树干液流会随着胸径的增大而显著增大;2)林分尺度上的冠层蒸腾量与蒸腾降温效应均为杨树＞雪松＞香樟,杨树峰或谷出现的时间(11:00-19:00)均明显晚于雪松(10:00-15:00)和香樟(9:00-16:00);3)3个树种遮荫降温效应总体上与太阳辐射的日变化规律基本一致,但树种间日平均降温效应的差异较小;4)3个树种与整个小型绿地单元的总降温效应在夜间均非常微弱,且全部为蒸腾降温,而在白天遮荫对总降温的贡献率(60％-75％)则明显高于蒸腾降温(25％-40％).

为正确认识大径材桉树及湿加松耗水规律,为地区人工林树种选择、栽培及抚育提供指导,应用TDP热扩散探针技术,对10年生尾叶桉和湿加松树干液流进行连续监测,并同步测定各气象因子,分析了雷州半岛地区尾叶桉和湿加松蒸腾耗水的日变化特征和季节变化规律,并与气象因子建立了相关模型.结果表明:尾叶桉和湿加松边材液流均表现出典型的昼高夜低的单峰型日变化特征,各月平均液流速率不同,且旱雨季差异显著;其中峰值尾叶桉雨季(0.127 cm/min)和旱季(0.096 cm/min)分别是湿加松雨季和旱季的1.30倍和1.57倍;日平均液流速率尾叶桉雨季(0.045 cm/min)和旱季(0.033 cm/min)分别是湿加松雨季和旱季的1.27倍和1.54倍;启动时间和迅速下降时间雨季两树种间差异不大,但旱季尾叶桉要提前湿加松约1-1.5 h启动,并晚0.5-1h迅速下降.影响两树种边材液流速率的主要气象因子相同.尾叶桉人工林年平均单株日耗水量为12.79L/d,是湿加松的1.33倍,林分蒸腾耗水量尾叶桉(582.16 mm)和湿加松(483.24 mm),分别占同期年降雨量的34.2％和28.4％,且两树种旱雨季蒸腾耗水量均雨季显著大于旱季.

为探究北方典型人工林生态系统在干旱条件下的水量平衡及其影响因素,本研究分析了干旱年份(2014年)北京山区油松(Pinus tabuliformis)和侧柏(Platycladus orientalis)林分的水量平衡组分及其影响因素.结果 表明:2014年降水仅为多年(1958-2011年)平均的47％.蒸腾为两种林分最大水分输出项,油松为247.16 mm,侧柏为259.89mm.其余水分输出项依次为土壤蒸发(油松87.26 mm,侧柏60.02 mm)＞林冠截留(油松56.63 mm,侧柏50.23 mm)＞枯落物蒸发(油松9.99 mm,侧柏8.30 mm).两种林分土壤水补给整体为亏缺状况,仅在生长季中、后期出现水分补给.油松林生态系统年水分亏缺量为81.24 mm,侧柏林生态系统为67.45 mm.环境因子对水分输出各项影响显著.此外,蒸腾还与胸径有显著相关,林冠截留则受到郁闭度及风速的共同影响.根据本研究观测,侧柏和油松林分在干旱年份无法仅依靠自然降水维持水量平衡.因此,未来气候变化导致降水减少情境会对这些林分的自然存活带来较大挑战.

在城市环境下,由于不透水地面面积的增加,土壤-植物-大气之间水汽循环减弱,水汽调节能力差,因而研究城市树木蒸腾对环境因子的响应对于城市进行合理的水汽调节具有重要意义.于2017年生长季,在内蒙古呼和浩特市区树木园内选择58年生油松(Pinus tabulaeformis Carr.)作为研究树种,采用热扩散法测定其树干液流,并同步监测气象因子和土壤含水量变化,利用彭曼公式计算冠层气孔导度.结果 表明:(1)生长季内,油松林分蒸腾存在明显日、月变化,晴天天气下林分蒸腾日变化呈单峰曲线,月林分蒸腾量5月最大,其次是7月、8月、6月和9月,分别为20.96、19.89、18.09、17.25 mm和7.49 mm.(2)油松林分蒸腾与饱和水汽压差、太阳总辐射、土壤含水量和风速均存在极显著相关关系(P＜0.01),太阳总辐射、饱和水汽压差和土壤含水量是影响林分蒸腾的主要环境因子(R2=0.47、R2=0.31和R2 =0.16),风速对林分蒸腾的影响程度最小(R2 =0.12);不同降雨量对林分蒸腾的影响作用不同,10 mm以上的日降雨量对油松林分蒸腾作用明显.(3)除环境因子外,油松叶片气孔通过响应环境变化控制蒸腾作用,当饱和水汽压差＜ 1.5 kPa时,叶片气孔对饱和水汽压差的响应更敏感;当太阳总辐射＜250 W/m2时,叶片气孔对蒸腾起促进作用,超过该阈值,叶片气孔关闭从而抑制树木蒸腾.

量化林分蒸腾对大气蒸发需求和土壤供水变化的响应能更好预测林分水分利用和水分循环特征并深化对林水关系的认识.本研究以六盘山南侧的香水河小流域的华北落叶松人工林为研究对象,采用热扩散探针法监测树干液流,同步测定环境因子,分析林分蒸腾对潜在蒸散和土壤体积含水率变化的响应关系.结果 表明:林分蒸腾对土壤体积含水率变化响应的曲线在不同潜在蒸散水平下基本相似,即随土壤体积含水率增大,林分蒸腾先快速后缓慢增大,达到阈值后趋于平稳,该过程可用饱和指数增长函数得到较好的拟合;但土壤水分阈值存在差异,且阈值随潜在蒸散的升高而增大.林分日蒸腾量随潜在蒸散增加的变化遵循抛物线曲线,也存在阈值效应.采用连乘方式耦合了生长季中期林分蒸腾响应土壤体积含水率和潜在蒸散的关系,形成了同时考虑土壤供水能力和大气蒸发潜力影响的林分蒸腾模型,该模型能很好地估测蒸腾的日变化,可为人工林水分调控管理提供指导.

青海云杉(Picea crassifolia)作为我国黄土高原与青藏高原地区的主要造林树种,对其林分蒸腾耗水特征的研究,能够更合理的指导该地区植被重建与林分调控,以加强林分的稳定性,提高水分利用效率.为了揭示青海云杉在生长季内的冠层蒸腾规律以及冠层整体气孔阻力与环境因子的响应,评价Penman-Monteith方程在青海云杉冠层尺度上的适用性,采用探针式热扩散茎流计(TDP)进行测定,同步长期监测了环境数据,利用反推法建立冠层整体气孔阻力(rsT)与环境因子之间的回归模型,结合Penman-Monteith方程模拟出青海云杉生长季的日蒸腾量,采用均方根误差、平均绝对误差和平均相对误差对蒸腾量的实测值与模拟值进行误差分析,以验证模型的准确性.得出的主要结论有:(1)生长季内青海云杉日蒸腾量随月份变化呈先增高后降低的趋势;各月蒸腾量占潜在蒸散量的比例为7月(79.68％)＞8月(72.71％)＞6月(72.53％》 ＞5月(67.08％)＞9月(66.48％)＞10月(64.29％);(2)树干液流对气象因子的滞后时间为0.5 h;(3)不同月份云杉冠层整体气孔阻力(rsT)与空气相对湿度(RH)呈正相关关系,与大气温度(T)、饱和水汽压差(VPD)呈负相关关系;(4)应用所建立的多因素回归模型结合Penman-Monteith方程对青海云杉蒸腾量进行模拟验证,累计平均相对误差为14.381％,平均绝对误差为0.160 mm,均方根误差为0.2.综上所述,Penman-Monteith方程在林分冠层尺度上有较好适用性根据所建立的多因素回归模型并结合Penman-Monteith方程,可以利用饱和水汽压差、温度和空气相对湿度三个气象因子较好地模拟日蒸腾过程.

黄土高原地区植被建设已达到土壤水分承载力的阈值,需要对现有林分进行结构优化并提升其生态功能.不合理的林分密度是导致黄土丘陵区刺槐林土壤干化、生长衰退的主要原因之一.疏伐可以优化林分结构,并能够通过控制蒸腾耗水来调控土壤水分,是促进刺槐林可持续生长的有效手段.疏伐对黄土丘陵区刺槐林蒸腾有何影响,目前并不清楚.研究基于树干液流法估算了4个不同疏伐强度(样地1:52％、样地2:48％、样地3:35％、样地4:未疏伐)下刺槐单株尺度的液流速率与林分尺度的日平均蒸腾量,并分析了不同时间尺度下液流速率与环境因子的关系,以阐明疏伐对黄土丘陵区刺槐林蒸腾的影响.结果 表明:(1)单株尺度刺槐蒸腾速率(即液流速率)随疏伐强度减小(林分密度增大)呈现下降趋势(样地1:0.53 kg cm-2d-1、样地2:0.41 kg cm-2 d-1、样地3:0.31 kg cm-2 d-1、样地4:0.33 kg cm-2 d-1);(2)观测期林分尺度日平均蒸腾量随疏伐强度减小呈现上升趋势(样地1:0.90 mm/d、样地2:1.18 mm/d、样地3:1.04mm/d、样地4:1.44 mm/d);(3)在半小时尺度与日尺度上,各样地液流速率与环境因子的关系没有显著差异,半小时尺度单株液流速率均与太阳辐射相关性最高(相关系数0.883-0.908),液流速率日变化过程与环境因子日变化过程存在时滞现象;日尺度单株液流速率与饱和水汽压亏缺相关性最高(相关系数0.843-0.913),样地间日尺度单株液流速率的差异性随着饱和水汽压亏缺增大而增大.研究结果初步反映了疏伐导致的林分密度变化对刺槐蒸腾的影响,将为黄土丘陵区刺槐林的结构改造、功能提升和土壤水分调控提供理论支持.