在全球气候变化背景下,区域降水格局正在发生改变,对森林生态系统生产力和水文过程将产生重要影响.为揭示降雨量减少对树木蒸腾耗水特征及其响应环境因子的影响,本研究以黄土高原半湿润区主要造林树种刺槐(Robinia pseudoacacia)为对象,在减雨样地林分行间布设人工减雨板减少约47％的降雨输入,采用Granier型热扩散探针测定树干液流动态,并同步监测太阳辐射、空气温度、相对湿度、降雨事件和土壤含水量等环境因子,分析了树干液流对减雨处理及季节性土壤水分变化的响应特征.结果表明:减雨处理显著降低了刺槐液流通量密度标准化值,处理第3年标准化液流通量密度显著低于对照样地;减雨样地刺槐标准化液流日变化峰值时间早于对照样地,表明减雨样地刺槐较早实施了气孔调节,改变了其与气象因子的时滞时间;标准化液流通量密度响应蒸腾驱动因子的拟合方程参数值在样地间呈极显著差异,显示减雨样地刺槐响应气象因子的敏感性有所降低.降雨量的改变不仅影响林地土壤水分状况,还会对刺槐蒸腾耗水及其对环境因子的响应产生影响.

植物水分利用在生态系统水文循环及其生产力中起着重要作用.气候变化下寒温带森林水分胁迫逐渐加剧,对其典型树种水分利用特征的研究有助于理解寒温带森林生态系统的稳定性及可持续性.以大兴安岭北部典型树种兴安落叶松(Larix gmelinii)(L)和白桦(Betula platyphylla)(B)为研究对象,利用稳定同位素技术测定降雨、木质部水和土壤水中氢氧稳定同位素值(δD和818O),揭示不同水源δD和δ18O值的分布特征,并利用多源线性混合模型及树干边材液流通量,分析不同水源对2树种的利用率和利用量,揭示生长季兴安落叶松和白桦生长季水分利用特征变化.结果表明:(1)研究区的大气降雨和土壤水同位素均受蒸发的影响发生了一定程度的分馏,且土壤水同位素分馏程度存在树种间的差异,兴安落叶松分馏程度大于白桦.(2)降雨和蒸发对2个林分土壤含水率和土壤水稳定同位素值在上层土壤(0-10cm)影响强烈,而对中下层影响较小,且各层土壤水稳定同位素值表现出显著差异(P＜0.05).(3)在5月和9月兴安落叶松和白桦主要利用上层土壤水分,对上层土壤水分的利用率分别为 64.7％、61.3％(L);61.5％、66.0％(B),日均利用量分别为 2.00kg/d、1.10kg/d(L);6.74kg/d、2.75kg/d(B).在6-8月兴安落叶松和白桦主要利用下层(20-40cm)土壤水分,对下层土壤水分的利用率分别为44.5％、48.1％、70.3％(L);49.3％、63.6％、74.7％(B),日均利用量分别为 2.58kg/d、2.76kg/d、3.89kg/d(L);12.69kg/d、14.77kg/d、14.19kg/d(B)生长季两树种表现出相似的水分来源,但对各土层土壤水的利用率存在差异,这种差异主要表现在6-8月白桦对下层土壤水的利用率显著大于兴安落叶松.这些发现说明在未来水分胁迫加剧的情况下,兴安落叶松比白桦具有更高的环境适应性.

随着全球气候变化加剧,局部地区温度上升和降水量改变将对区域植被的分布与生长产生重要影响.在黄土高原半湿润及半干旱地区植被恢复中,刺槐(Robinia pseudoacacia)是大面积种植的人工林树种.为探究该树种蒸腾耗水特征对降水量改变及水分条件差异的响应,于2015年4月起,在地处黄土高原半湿润区的陕西省永寿县槐平林场,于35年生刺槐人工林样地中布设了人工截留降雨试验,减少了47.5％的降雨输入.处理当年生长季内,截留降雨处理区0 100 cm土层的平均土壤含水量相对于对照区(23.76％)有明显降低(22.59％).采用Granier热扩散探针对截留降雨处理区和对照区的样树树干液流动态进行连续监测,并同步监测主要气象环境因子(太阳辐射、空气温度和湿度)和林地土壤含水量,分析了截留降雨处理区与对照区树干液流通量密度动态特征及其对环境因子的响应.结果表明:截留降雨输入处理降低了刺槐树干液流通量密度,截留降雨处理期间典型天气的平均液流通量密度(1.64 mL·m-2·s-1)不仅低于同组样树在处理前一年同期的水平(2.42 mL·m-2·s-1),而且远低于试验期间对照区样树的平均水平(3.38 mL·m-2·s-1);同时,截留降雨处理还降低了刺槐液流通量密度对气象因子变化的敏感性,截留降雨处理区样树液流通量密度响应空气水汽压亏缺的拟合方程参数值与对照区样树差异显著.分析可知,降水量水平不仅影响土壤水分状况,而且影响刺槐对气象环境因子响应的敏感性,降水量减少导致的土壤含水量整体降低会使得该区域刺槐蒸腾耗水量下降,显示其对环境因子的适应性,但最终会导致生产力的大幅度降低.

运用Granier热扩散探针法(TDP),于2011年5月对黄土丘陵区延安市南郊公路山辽东栎群落优势种(辽东栎)和3个伴生种(山杏、细裂槭、桃叶卫矛)树干液流进行连续测定,并同步监测气象环境因子(太阳辐射、空气温度和相对湿度)和土壤水分动态,比较分析辽东栎、山杏、细裂槭、桃叶卫矛的树干液流通量密度日变化动态及其对环境因子的响应特征.结果表明,辽东栎、山杏、细裂槭和桃叶卫矛液流通量密度日变化动态特征总体上反映了气象环境因子变化的昼夜规律性,呈单峰或双峰型曲线,但辽东栎与山杏、细裂槭、桃叶卫矛液流通量密度日变化规律存在一定的差异.辽东栎液流启动时间较早,通常在5:00左右,而山杏、细裂槭和桃叶卫矛液流启动时间均晚于辽东栎一个小时以上.辽东栎液流达到峰值的时间也较其它树种早,通常出现在9:00前后;细裂槭、桃叶卫矛和山杏液流通量密度达到峰值的时间分别在10:00、11:00和13:00前后.细裂槭和桃叶卫矛液流通量密度日变化曲线峰值较窄.除此之外,土壤水分状况对伴生种的影响程度要比优势种的大.相关分析表明,树干液流通量密度与太阳辐射和空气水汽压亏缺均呈极显著正相关.优势种与伴生种的液流动态差异可能与树木本身特性以及群落对光能的限制性再分配有关.

树木夜间会维持部分气孔开放,从而能够在一定环境驱动因子的情况下进行夜间蒸腾.夜间液流作为储存水的重要来源,能够补充植物白天的水分亏缺,使其恢复水分储备,对植物生长发育有重要意义.采用TDP热探针法测定了位于八达岭林场的元宝枫树干液流密度,同步监测了主要环境因子,以深入揭示树木夜间蒸腾耗水规律和植被应对环境胁迫的调控机制,为山区植被建设、森林健康经营和挑选节水树种提供理论依据.结果 表明:以0:00为界区分前半夜和后半夜,元宝枫夜间液流速率前半夜较后半夜活跃,且前半夜夜间累积液流量占夜间累积液流量的53.85％-64.10％,而后半夜夜间累积液流量占夜间累积液流量的35.9％-46.15％.5月的夜间累积液流量最大,平均夜间液流通量为5月＞6月＞8月＞9月＞7月.存在水分胁迫的条件下降雨之后夜间液流会增大,而当土壤水分条件较好,土壤水分不再是夜间液流的限制因子时,夜间液流通量并不高.不同树木形态的夜间液流通量有显著差异,在一定范围内,胸径树高冠幅越大的样木,夜间液流通量越大.用于夜间蒸腾的夜间液流通量与饱和水汽压差、温度、空气相对湿度、风速相关,其中夜间蒸腾存在于前半夜,表现为前半夜夜间液流通量与环境因子的相关性相较后半夜相关性较为显著,后半夜则以补水为主,补水量取决于土壤含水量和日蒸腾强度.存在干旱胁迫的条件下,夜间液流既用于夜间蒸腾,又有一部分用来补水;而土壤水分条件好时夜间液流则主要用于补水,此时夜间树干液流与环境因子相关性不高.元宝枫夜间液流通量的日蒸腾贡献率5、6月份大于7、8月份,即干季比湿季贡献率更高.夜间液流通量的日蒸腾贡献率与白天总蒸腾量相关性较高,并与累积太阳辐射成负相关.

运用Granier热扩散探针法对半干旱黄土丘陵区不同胸径辽东栎进行树干液流测定,并对太阳辐射、空气温湿度、降水量、土壤水分等环境因子进行同步观测,分析不同土壤水分条件下不同胸径辽东栎的树干液流变化特征及其对环境因子的响应.结果表明:辽东栎液流日变化特征总体上与太阳辐射和空气水汽压亏缺呈相同趋势,但液流峰值出现时间早于两个气象环境因子的峰值时间.同一树木个体在土壤水分条件较高时期的树干液流通量高于土壤水分较低时期.在相同土壤水分条件下,大径级样本液流通量显著高于小径级样本.采用指数饱和曲线函数对液流通量与太阳辐射和空气水汽压亏缺以及两因子的综合指标进行拟合,效果良好,可以反映液流通量对气象环境因子的响应规律.不同胸径辽东栎在不同土壤水分条件下的拟合曲线特征和拟合参数差异表明,在土壤水分较高时段,液流通量可快速上升至饱和值;在土壤水分较低时段,液流通量上升缓慢.小径级样本对土壤水分变化的反应更加剧烈.单位空气水汽压亏缺的日液流通量值(日液流通量与空气水汽压亏缺的比值)在两种土壤水分条件下的比值与边材面积呈线性相关,且小径级样本的斜率高于大径级样本,说明小径级样本对土壤水分的变化较为敏感,在土壤含水量较低时段,大径级样本较厚的导水组织对土壤水分供应不足起到了缓冲作用.

运用Granier热扩散探针法,于2016年7-9月对半干旱黄土丘陵区天然次生林树种辽东栎和人工林树种刺槐的树干液流进行连续测定,并同步监测气象因子和土壤含水量,用错位相关法分析液流通量密度与空气水汽压亏缺日变化的时滞长度,研究2个树种不同径级个体在不同土壤水分条件下液流通量密度与蒸腾驱动因子之间的时滞效应.结果表明:辽东栎和刺槐液流通量密度的日变化节律与气象因子显著相关,空气水汽压亏缺峰值的出现较辽东栎树干液流通量密度滞后118.2 min,较刺槐树干液流通量密度滞后39.5 min;而光合有效辐射的峰值通常滞后于辽东栎12.4 min,提前于刺槐68.5 min.液流通量密度和空气水汽压亏缺的时滞长度与树种和土壤含水量显著相关,辽东栎、刺槐在土壤含水量较高时段的时滞长度分别大于土壤含水量较低时段32.2和68.2 min.时滞长度与径级的相关性整体上未达到显著水平,但在土壤含水量较低时段小径级刺槐的时滞长度大于大径级21.4 min,差异达到了显著水平.两树种液流通量密度与空气水汽压亏缺之间的时滞效应反映了对蒸腾驱动因子的敏感性,较好的土壤水分条件有利于液流通量密度提早达到峰值,较低土壤水分会导致树干液流对气象环境因子响应的敏感性降低;刺槐树干液流受土壤水分的影响更显著.

在全球变化的影响下,中国亚热带地区近几十年降水格局发生了急剧变化.这种变化对亚热带常绿阔叶林植物的生长和森林水分平衡的影响尚不清楚.为此,该研究从植物整树蒸腾角度出发,通过在天然次生林中进行人工隔除降雨模拟降水格局变化,研究降水变化对植物水分利用的影响.试验于2012年9月至2014年12月在广东鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站内的常绿阔叶林内进行,通过林下搭建遮雨棚,截留干季(10月至次年3月)的降雨,并在湿季(次年4至9月)等量返还到样地中,在保证总降水量不变的前提下模拟干季更干、湿季更湿(DD)的降雨格局变化.在此期间对样地内的木荷(Schima superba)与火力楠(Michelia macclurei)树干液流特征进行连续监测.运用独立样本t检验对对照组(AC)两个树种间的平均最大液流通量密度((-)Js)差异性进行分析,并将DD处理下两个树种的(-)Js与AC进行对比,来检验隔除降雨对森林蒸腾的效应.结果 表明:当光合有效辐射(PAR)大于1 100 μmol·m-2·s-1时,对照样地火力楠和木荷的(-)Js分别为(49.5±1.7)和(43.6±2.0) mL·m-2·s-1,且前者表现出对光合有效辐射(PAR)更强的敏感性.截留降雨处理开始后(2012-10),两个树种DD与AC处理的(-)Js比值(DD∶AC)均先减小后增加,其中木荷的比值从处理前的0.74下降到了第1次截留降雨处理期(2012-10至2013-03)的0.68,增加到了第2次截留降雨处理期(2013-10至2014-03)的0.93以及第3次截留降雨处理期(2014-10至2014-11)的1.04;火力楠则从处理前的1.00下降到了第1次截留降雨处理期的0.94,在第2次截留降雨处理期增长到1.06,变化幅度小于木荷.此外,在第3次截留降雨处理期,木荷在相同的水汽压亏缺及PAR下能够保持更高的(-)Js.这些结果表明,短期干旱事件会促使森林蒸腾急剧下降,然而在长期干旱下,植物会通过提高(-)Js来弥补干旱带来的损失,而木荷由于具有较大的(-)Js可塑性,从而使其在干旱条件下维持更高的水分传输速率.

运用DC3型高分辨率树干直径变化记录仪和Granier热扩散探针,对黄土丘陵地区两典型树种辽东栎和刺槐生长季的树干直径微变化和树干液流动态进行连续监测,并同步观测主要环境因子(土壤含水量、太阳辐射、空气温度和相对湿度),分析两树种树干的直径微变化动态特征与蒸腾耗水的关联性及其对环境因子的响应.结果表明:两树种树干直径和液流通量密度呈现明显的昼夜变化规律,直径日最大收缩量与 日均液流通量密度呈显著正相关,树干直径在日尺度上的微变化受当 日蒸腾耗水量的影响.对树干直径日最大收缩量和蒸腾驱动因子进行线性拟合,结果显示,树干直径 日变化量与主要气象环境因子(日均太阳辐射、日均空气水汽压亏缺、整合变量VT)呈显著正相关.回归曲线斜率表明,辽东栎树干直径日变化量大于刺槐,其直径对气象环境因子的敏感度更大.两树种液流通量密度在较高土壤水分时段高于土壤含水量较低时段,在不同土壤水分条件下辽东栎树干直径日最大收缩量差异显著,刺槐未达到显著水平,这些差异可能与两树种蒸腾调节和树干水分补充等用水策略有关.

研究小同土壤水分阈值灌溉下毛白杨(Populustomentosa)生长李蒸腾与环境因子的关系,对于科学制定毛白杨高效水分管理策略至关重要.该研究以毛白杨人工林为研究对象,设置不同灌溉处理:充分灌溉(DF,当滴头正下方20 cm处的土壤水势达到-18 kPa时灌溉)、控水灌溉(DC,当滴头正下方20 cm处的土壤水势达到-45 kPa时灌溉)和无灌溉(CK,空白对照).采用热扩散技术,对毛白杨生长季树干液流通量进行连续观测,并同步监测太阳辐射(SR)、空气温度(Ta)、空气湿度(RH)、土壤体积含水率(SWC)和风速(WS)等环境因子.结果显示:1)不同灌溉处理下毛白杨树干液流通量日变化趋势相似,呈现单峰型,并存在显著的夜间液流活动.灌溉处理不会影响树干液流的启动时间,但会造成树干液流峰值时间出现差异,充分灌溉会使液流峰值到达时间提前.灌溉会增大毛白杨蒸腾量,毛白杨的蒸腾量随着土壤水分灌溉阈值的减小而增大.2)毛白杨树干液流密度与SR和空气水汽压亏缺(VPD))存在明显的时滞现象,树干液流通量变化提前于VPD,而滞后于SR.不同灌溉处理对时滞现象无显著影响.3)3个处理下,蒸腾与VPD)、SR及SWC具有显著正相关关系,与风速具有显著负相关关系,且对气象因子的响应程度不同.综上所述,灌溉能够有效调节人工林水分生理对环境因子的适应过程,但增加灌溉未必会造成蒸腾相应增加.根据林分蒸腾需水和自然降雨的关系,生长季前期(该研究为4-7月)进行灌溉有利于毛白杨人工林水分生理活动的进行.