麻櫟SPAC界面水分非穩(wěn)態(tài)傳輸過程的研究.pdf

1、森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對調節(jié)氣候、維持水資源平衡具有重要作用。掌握森林個體和群體水分傳輸特性對區(qū)域水量平衡的影響是評價森林生態(tài)效應的重要依據(jù)。以往由于對植物的內在耗水規(guī)律和傳輸過程缺乏了解，導致現(xiàn)有人工林管理存在很大盲目性，僅停留在經(jīng)驗管理的粗放水平上，致使自然生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和要求之間以及水資源供需之間矛盾突出，森林資源數(shù)量和質量遠遠不能滿足改善生態(tài)環(huán)境、調節(jié)水資源平衡的需求。本文以山東省山地次生林主要樹種麻櫟(Quercus acu

2、tissima Carr．)為研究對象，以揭示其SPAC界面，即土壤．植物．大氣連續(xù)體(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，簡稱SPAC)，水分傳輸特性和耗水規(guī)律為目標，進而為麻櫟耗水性的評價、林分耗水尺度擴展、林分結構調整提供理論和實踐依據(jù)。 利用盆栽試驗研究方法，結合野外林分環(huán)境下活立木的測定，利用CIRAS-2光合作用測定系統(tǒng)和TPS-1蒸騰作用測定系統(tǒng)測定分析了葉片蒸騰及氣孔調節(jié)作用；利用Dc

3、lta-T全自動微型氣象站全天候檢測林分氣象和土壤生態(tài)環(huán)境因子的時空變化過程，利用TDP-30(Thermal Dissipation Probe)樹干徑流測定系統(tǒng)連續(xù)測定分析了單木樹干邊材木質部液流的時空變化規(guī)律；利用PSψFPRO露點微伏壓計測定土壤和葉片水勢，利用植物水勢壓力室測定植物組織水勢，利用AQUA-TEL-TDR土壤時域反射儀測定土壤容積含水量，利用沖洗法(Flashing Method)和自行設計的裝備測定樹木輸導組織

4、的導水性、栓塞脆弱性和組織、樹干水容。 本文重點研究了麻櫟苗木的SPAC界面的蒸騰作用、氣孔調節(jié)：在不同層面上測定分析了麻櫟水分傳輸過程、空變異規(guī)律、液流特性及其主要影響因子；從葉片氣孔特征及麻櫟木質部水分輸導組織顯微結構和導水性、組織水容、栓塞脆弱性等不同側面研究并揭示了麻櫟自身存在的SPAC界面水分傳輸非穩(wěn)態(tài)過程和調節(jié)機制：研究了人工控制條件下，麻櫟盆栽苗木的SPAC界面土壤、葉片水勢隨干旱脅迫加強的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫加

5、強，麻櫟土壤、葉片水勢下降；實測了干旱脅迫期間麻櫟葉片的蒸騰速率和氣孔導度變化，以及麻櫟葉片氣孔密度、氣孔開度、氣孔長、短軸日變化規(guī)律：分析了環(huán)境因子對麻櫟葉片蒸騰速率、氣孔開度的影響及其相關性。 從單木水平上，研究麻櫟樹干邊材液流時空變異規(guī)律，邊材液流的日變化和季節(jié)變化，日變化具有“啟動、液流上升、峰值出現(xiàn)、下降、進入低谷”等特征，季節(jié)變化表現(xiàn)在液流速率夏季>春季>秋季。比較了不同樹干高度、不同樹干方位、不同樹干直徑邊材液流速

6、率、液流通量的差異，統(tǒng)計分析了麻櫟不同直徑一天中各時段輸水量動態(tài)。分析不同季節(jié)貯水量變化發(fā)現(xiàn)，春季樹干貯水量變化較大，樹干水分增加，有連日積累現(xiàn)象：秋季樹干貯水量變化不大，樹干水分相對穩(wěn)定。春季樹干相對補水時間每日約為20h，秋季約10～12 h。 結合林分內部環(huán)境因子動態(tài)變化，分析了環(huán)境因子對麻櫟單木邊材液流的影響。不同深度土壤溫度、相對濕度在不同季節(jié)對麻櫟邊材液流速率和通量的影響不同；空氣溫度和相對濕度對麻櫟樹干邊材液流速率

7、和液流通量的影響存在差異：風速較低時，液流隨風速的增加較快，但風速達到1.2 m/s后，風速增加對液流的影響并不明顯。太陽輻射和凈輻射對液流的影響較為顯著，兩者達到極顯著水平，是影響液流的主要環(huán)境因子。大氣飽和水汽壓虧缺VPD，對液流的影響相關較小。 樹干高度不同，影響邊材液流的相關因子有差異，太陽凈輻射對麻櫟樹干邊材液流的影響最大，成極顯著正相關，主要決定樹干下部邊材液流特征；空氣溫度、濕度對樹干邊材液流的影響小于太陽凈輻射，

8、主要影響樹干上部邊材液流，空氣溫度與液流成正相關，與濕度成負相關。 基于對多種曲線模型對麻櫟液流特征進行曲線估計，分別建立了各環(huán)境因子的模擬曲線方程，方程的有效性存在差異。驗證空氣相對濕度和凈輻射的模擬和求解，對空氣相對濕度采用三次方程y=0.00415-8.0E-05×RHa+3.3E-09×RHa<'3>模擬液流速率，存在一定誤差，采用y=0.0045-8.0E-05×RHa+3.3E-09×RHa<'3>模擬液流通量，效果

9、較好。采用方程y=0.0002+2.2E-06×TBB-3.0E-09×TBB<'2>+3.1E-12×TBB<'3>模擬凈輻射與液流速率的關系，預測值和實測值基本吻合，采用三次方程對液流通量進行模擬，模擬效果也較好，方程為y=21.7665+0.2030×TBB-0.0003×TBB<'2>+2.7E-07×TBB<'3>。 不同季節(jié)麻櫟樹干不同高度邊材液流速率、液流通量均存在非穩(wěn)態(tài)流動。季節(jié)不同液流速率和液流通量劇烈波動期和

10、相對穩(wěn)定期存在差異，順延時差分析表現(xiàn)為液流速率和液流通量變幅和變動頻率差別較大，但在總體上，麻櫟液流特征順延差異非穩(wěn)態(tài)過程，是一個白天成倒“V”型，夜晚“V”型曲線。 比較了麻櫟根、枝條、葉片顯微結構的差異，包括導管直徑、密度，分布、相對傳導面積。研究了麻櫟枝條導水特性及枝條水勢下降過程木質部栓塞過程，比較了不同季節(jié)麻櫟枝條的栓塞脆弱性。研究了麻櫟不同季節(jié)苗木枝條水容特征和樹干水容、水分傳輸阻力日變化及影響因子，發(fā)現(xiàn)SPAC界面

11、水勢值本身與麻櫟樹干液流特征、蒸騰速率的相關性較小，但對土壤一麻櫟系統(tǒng)阻力的影響較大，其中土壤水勢對系統(tǒng)阻力的影響最大，為-0.709達到極顯著水平，根系水勢的影響次之，相關系數(shù)為-0.634，葉水勢對系統(tǒng)阻力的影響最小，僅為-0.583。 麻櫟樹干水容時均值日變化規(guī)律明顯，呈單峰曲線。清晨樹干水容較小，僅為0.41kg·Mpa<'-1>，隨后樹干水容開始增加，近中午樹干水容增至1.64 kg·Mpa<'-1>，過午樹干水容值緩

12、慢降低，至17：00～18：00時麻櫟樹干水容值下降至0.83 kg·Mpa<'-1>。 研究麻櫟樹干邊材液流瞬態(tài)效應發(fā)現(xiàn)：上、中和下部樹干邊材液流與太陽凈輻射變化的延遲時間分為80 min、20 min和30 min；空氣溫度分別提前60 min、130 min、110min后分別與樹干邊材液流動態(tài)相關性最好；空氣相對濕度與樹干下部邊材液流波動之間的時間差值約90 min，提前160 min后與樹干上部邊材液流流速的相關系數(shù)最