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.

以西南喀斯特地区常见的出露基岩生境为研究对象,针对该类生境典型乔木类植物菜豆树和圆叶乌桕,应用TDP热扩散探针技术,结合遮雨试验,分析了植物树干液流对自然降水和连续干旱的响应特征.结果表明:在生长季不同时期,降水后2树种液流密度较降水前均有一定程度的升高,但始终呈现落叶乔木圆叶乌桕高于半落叶乔木菜豆树的特征;连续2个月遮雨条件下,2树种液流密度均无明显降低的趋势,表明2树种均不依赖受近期降水主导的水源;通过对降水前后及连续干旱条件下2树种液流密度与环境因子的拟合关系研究发现,气象因素差异对水分环境变化条件下植物蒸腾耗水的影响较小.自然降水和短时期的连续干旱并未显著改变2树种的蒸腾耗水特征,这可能与出露基岩生境特殊的水分蓄持环境和乔木类植物依赖相对稳定的深层水源有关.

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.

应用Granier热扩散探针测定民勤绿洲荒漠过渡带梭梭人工林的树干液流,将液流与饱和水汽压差(VPD)和光合有效辐射(PAR)数据分别进行逐行错位分析,探讨树干液流与环境因子之间的时滞效应.结果表明:梭梭日液流速率呈现明显的季节变化,6月平均液流速率最大,8月平均液流速率最小.生长季(5-9月)梭梭树干液流与光合有效辐射、饱和水汽压差存在明显的时滞,树干液流滞后于PAR 80 min,提前于VPD 114 min,且不同月份的时滞长短存在差异.尽管梭梭树干液流在日尺度上更加依赖于PAR的变化,但在白天,树干液流与饱和水汽压差间有更紧密的关系.梭梭生长季树干液流与VPD或PAR之间的时滞与树形因子(袜高、地径、50 cm处直径、枝下高、冠幅)及夜间液流量的相关性均不显著.

降水格局变化是全球气候变化的重要特征之一,未来气候变化下,较为频繁和严峻的干旱将威胁地球中纬度部分地区的森林,但森林植被如何响应季节性干旱胁迫及其机制尚不清楚.北亚热带-暖温带过渡区分布着以锐齿栎(Quercus aliena var.acuteserrata)为优势树种的落叶阔叶林,研究其水分蒸腾代谢过程对干旱的响应是评估气候变化对过渡区天然落叶阔叶林生态系统水碳影响的关键科学问题.在典型的锐齿栎天然林中通过开展模拟穿透雨减少大型野外实验,采用Granier热扩散式探针技术监测锐齿栎树干液流密度的动态变化,研究了不同径级锐齿栎树干液流密度对模拟干旱的响应规律.结果 表明:(1)穿透雨减少对树干液流密度的影响呈现季节变异.在7月份,林内穿透雨减少显著降低了锐齿栎的树干液流密度,但生长季后期的10月份林内穿透雨减少反而使锐齿栎树干液流密度显著升高.(2)不同径级的锐齿栎树干液流密度在生长季内对干旱有不同的响应,特别是小径级的树干液流密度与其他径级有较多的不同.小径级的锐齿栎树干液流密度在5、7月份表现为减雨样地显著小于对照样地,在9、10月份则表现为减雨样地显著大于对照样地.中径级的锐齿栎树干液流密度在5、10月份表现为减雨样地显著大于对照样地,在7月份则表现为减雨样地极显著小于对照样地.大径级的锐齿栎树干液流密度在6、7月份表现为减雨样地显著小于对照样地,在10月份则表现为减雨样地显著大于对照样地.

为了评估Granier经验公式在树干液流测定中的适用性,以毛白杨为对象,利用热扩散式探针法(TDP)测定树木的液流速率,以整树称重法进行同步测定,对比分析Granier经验公式在毛白杨树干液流测定中是否存在误差,并对整树称重法测定的蒸腾速率与热扩散法测定的温差系数K进行幂指数回归拟合,建立校正的Granier公式.结果 表明:与整树称重法测定的蒸腾速率相比,通过Granier经验公式计算的液流速率低估了67.7％;建立了毛白杨的Granier校正公式Fa=0.0135K0.6952(R2=0.77),校正后Granier公式的计算结果与整树称重法测定的蒸腾速率相比仅降低了3.4％,具有较好的一致性.因此,采用Granier经验公式计算毛白杨树干液流速率需进行校正.

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.

2019 年 4 月 1 日—10 月 31 日,利用Granier热扩散探针监测银杏树干液流密度的动态变化,并同步观测环境因子的变化,分析银杏蒸腾耗水规律及其对环境因子的响应.结果表明:(1)银杏树干液流启动于 4 月 10 日左右,结束于 10 月 20 日左右,前后历时 194 天左右,树干液流密度表现为晴天>阴天>雨天,晴天条件下树干液流密度日变化呈典型的单宽峰曲线,阴天或雨天条件下,由于太阳辐射的波动,树干液流日内变化波动较大.(2)生长季内单株日蒸腾耗水量均值为(6.16±3.32)kg·d-1,4-10 月的单株日蒸腾耗水量分别为(2.40±1.50)、(7.64±1.35)、(7.78±2.03)、(8.34±2.35)、(8.38±3.05)、(6.64±2.03)、(2.39±1.89)kg·d-1;监测时间内,林分蒸腾耗水总量为 244.81 mm,小于降雨总量(534.86 mm),但季节性供水不足问题依然存在,6 月最为严重.(3)不同时间尺度条件下,影响树干液流的生态因子发生显著变化,小时尺度上,影响液流速率的关键因子为征能量水平的太阳总辐射(Rs)和综合反映空气温度和空气湿度的饱和水汽压差(VPD),而月尺度上,银杏单株日蒸腾耗水量月变化主要与气孔导度、土壤温度呈现极显著正相关.(4)环境因子与树干液流密度相关程度存在季节性差异,Rs和VPD在生长旺盛期与树干液流密度相关性最高,生长初期相关性最低;土壤湿度在生长季初期对树干液流形成极显著胁迫.

热扩散探针(TDP)在林木蒸腾研究中应用极广,其测定数据的计算精度直接影响对林木和林分耗水的精准定量.Granier原始公式(Fd=0.0119K1.231,Fd为液流速率(cm·s-1),K为温差系数)是计算TDP测定数据的标准方法,但其准确性备受质疑.为系统了解Granier原始公式的适用性和明确对其校正的必要性,该研究以毛白杨(Populus tomentosa)为实验材料,采用室内茎段法和整树容器法,针对不同型号的TDP探针评估Granier原始公式的精度,并对比不同方法校正公式的应用效果.与茎段法实测值相比,Granier原始公式计算的液流速率平均低估52.3％-61.4％.通过茎段法和整树容器法得到的校正公式分别为Fd=0.0362K1.870和Fd=0.0105K0.976;且一种方法下得到的校正公式,在其他方法条件下应用时存在较大偏差.与Granier原始公式相比,整树容器法校正公式计算的大田生长状态下的7株林木的平均液流速率没有显著变化,但茎段法和其他研究中得到的毛白杨校正公式的计算结果均显著变大.以整树容器法做对比,Granier原始公式的精度明显高于其他校正公式,其相对平均绝对误差和均方根误差分别为10％和0.000 5 cm·s-1.此外,校正公式的系数在不同林木间存在较大差异,但其数值与导水边材中探针长度所占比例呈显著负相关关系.综上,利用TDP测定液流时,可能有必要对Granier原始公式进行校正,但不同方法校正公式的应用效果差异巨大,表明以往研究中得到的校正公式具有很大局限性.同时,该研究未找到充足证据支撑"有必要采用校正公式以精确估算毛白杨液流速率"的观点,尤其是考虑到整树容器法校正公式对大田栽植的毛白杨的液流速率估算结果与Granier原始公式并无显著差异,因此建议继续对该树种延用Granier原始公式.