麻櫟SPAC界面水分非穩(wěn)態(tài)傳輸過(guò)程的研究.pdf

1、森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對(duì)調(diào)節(jié)氣候、維持水資源平衡具有重要作用。掌握森林個(gè)體和群體水分傳輸特性對(duì)區(qū)域水量平衡的影響是評(píng)價(jià)森林生態(tài)效應(yīng)的重要依據(jù)。以往由于對(duì)植物的內(nèi)在耗水規(guī)律和傳輸過(guò)程缺乏了解，導(dǎo)致現(xiàn)有人工林管理存在很大盲目性，僅停留在經(jīng)驗(yàn)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(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足改善生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)水資源平衡的需求。本文以山東省山地次生林主要樹(shù)種麻櫟(Quercus acu

2、tissima Carr．)為研究對(duì)象，以揭示其SPAC界面，即土壤．植物．大氣連續(xù)體(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，簡(jiǎn)稱SPAC)，水分傳輸特性和耗水規(guī)律為目標(biāo)，進(jìn)而為麻櫟耗水性的評(píng)價(jià)、林分耗水尺度擴(kuò)展、林分結(jié)構(gòu)調(diào)整提供理論和實(shí)踐依據(jù)。 利用盆栽試驗(yàn)研究方法，結(jié)合野外林分環(huán)境下活立木的測(cè)定，利用CIRAS-2光合作用測(cè)定系統(tǒng)和TPS-1蒸騰作用測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定分析了葉片蒸騰及氣孔調(diào)節(jié)作用；利用Dc

3、lta-T全自動(dòng)微型氣象站全天候檢測(cè)林分氣象和土壤生態(tài)環(huán)境因子的時(shí)空變化過(guò)程，利用TDP-30(Thermal Dissipation Probe)樹(shù)干徑流測(cè)定系統(tǒng)連續(xù)測(cè)定分析了單木樹(shù)干邊材木質(zhì)部液流的時(shí)空變化規(guī)律；利用PSψFPRO露點(diǎn)微伏壓計(jì)測(cè)定土壤和葉片水勢(shì)，利用植物水勢(shì)壓力室測(cè)定植物組織水勢(shì)，利用AQUA-TEL-TDR土壤時(shí)域反射儀測(cè)定土壤容積含水量，利用沖洗法(Flashing Method)和自行設(shè)計(jì)的裝備測(cè)定樹(shù)木輸導(dǎo)組織

4、的導(dǎo)水性、栓塞脆弱性和組織、樹(shù)干水容。 本文重點(diǎn)研究了麻櫟苗木的SPAC界面的蒸騰作用、氣孔調(diào)節(jié)：在不同層面上測(cè)定分析了麻櫟水分傳輸過(guò)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(zhì)部水分輸導(dǎo)組織顯微結(jié)構(gòu)和導(dǎo)水性、組織水容、栓塞脆弱性等不同側(cè)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(guò)程和調(diào)節(jié)機(jī)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(shì)隨干旱脅迫加強(qiáng)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫加

5、強(qiáng)，麻櫟土壤、葉片水勢(shì)下降；實(shí)測(cè)了干旱脅迫期間麻櫟葉片的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度變化，以及麻櫟葉片氣孔密度、氣孔開(kāi)度、氣孔長(zhǎng)、短軸日變化規(guī)律：分析了環(huán)境因子對(duì)麻櫟葉片蒸騰速率、氣孔開(kāi)度的影響及其相關(guān)性。 從單木水平上，研究麻櫟樹(shù)干邊材液流時(shí)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(dòng)、液流上升、峰值出現(xiàn)、下降、進(jìn)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(shù)干高度、不同樹(shù)干方位、不同樹(shù)干直徑邊材液流速

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

7、和液流通量的影響存在差異：風(fēng)速較低時(shí)，液流隨風(fēng)速的增加較快，但風(fēng)速達(dá)到1.2 m/s后，風(fēng)速增加對(duì)液流的影響并不明顯。太陽(yáng)輻射和凈輻射對(duì)液流的影響較為顯著，兩者達(dá)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(duì)液流的影響相關(guān)較小。 樹(shù)干高度不同，影響邊材液流的相關(guān)因子有差異，太陽(yáng)凈輻射對(duì)麻櫟樹(shù)干邊材液流的影響最大，成極顯著正相關(guān)，主要決定樹(shù)干下部邊材液流特征；空氣溫度、濕度對(duì)樹(shù)干邊材液流的影響小于太陽(yáng)凈輻射，

8、主要影響樹(shù)干上部邊材液流，空氣溫度與液流成正相關(guān)，與濕度成負(fù)相關(guān)。 基于對(duì)多種曲線模型對(duì)麻櫟液流特征進(jìn)行曲線估計(jì)，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(yàn)證空氣相對(duì)濕度和凈輻射的模擬和求解，對(duì)空氣相對(duì)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(guān)系，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值基本吻合，采用三次方程對(duì)液流通量進(jìn)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(shù)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(dòng)。季節(jié)不同液流速率和液流通量劇烈波動(dòng)期和

10、相對(duì)穩(wěn)定期存在差異，順延時(shí)差分析表現(xiàn)為液流速率和液流通量變幅和變動(dòng)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(guò)程，是一個(gè)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(jié)構(gòu)的差異，包括導(dǎo)管直徑、密度，分布、相對(duì)傳導(dǎo)面積。研究了麻櫟枝條導(dǎo)水特性及枝條水勢(shì)下降過(guò)程木質(zhì)部栓塞過(guò)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(shù)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(shì)值本身與麻櫟樹(shù)干液流特征、蒸騰速率的相關(guān)性較小，但對(duì)土壤一麻櫟系統(tǒng)阻力的影響較大，其中土壤水勢(shì)對(duì)系統(tǒng)阻力的影響最大，為-0.709達(dá)到極顯著水平，根系水勢(shì)的影響次之，相關(guān)系數(shù)為-0.634，葉水勢(shì)對(duì)系統(tǒng)阻力的影響最小，僅為-0.583。 麻櫟樹(shù)干水容時(shí)均值日變化規(guī)律明顯，呈單峰曲線。清晨樹(shù)干水容較小，僅為0.41kg·Mpa<'-1>，隨后樹(shù)干水容開(kāi)始增加，近中午樹(shù)干水容增至1.64 kg·Mpa<'-1>，過(guò)午樹(shù)干水容值緩

12、慢降低，至17：00～18：00時(shí)麻櫟樹(shù)干水容值下降至0.83 kg·Mpa<'-1>。 研究麻櫟樹(shù)干邊材液流瞬態(tài)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)：上、中和下部樹(shù)干邊材液流與太陽(yáng)凈輻射變化的延遲時(shí)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(shù)干邊材液流動(dòng)態(tài)相關(guān)性最好；空氣相對(duì)濕度與樹(shù)干下部邊材液流波動(dòng)之間的時(shí)間差值約90 min，提前160 min后與樹(shù)干上部邊材液流流速的相關(guān)系數(shù)最