黄土高原典型人工林水碳权衡及主要影响因素研究

摘要

黄土高原地处黄河中游，是典型的生态环境脆弱区，为应对区域内生态退化的问题，该地区开展了一系列的生态修复工作，尤以退耕还林最为典型。然而，受黄土高原地区干旱半干旱气候的影响，人工林面积的扩大，在增加当地碳储量的同时，加重了水资源的负担，人工林固碳与水资源稀缺之间的矛盾也日益凸显。因此，探究干旱半干旱地区人工林地的水碳权衡过程及影响因素的对于综合评估退耕还林的生态环境效益，以及加强人工林生态系统科学管理具有重要的意义。
　　本文选择黄土高原羊圈沟小流域作为研究区，常见人工造林树种刺槐作为研究对象，从林龄和坡向角度出发，探究了叶片尺度影响植物水碳权衡的内在调控因子和外在环境因子。分析结果显示，影响植物叶片尺度水碳权衡的主要内在调控因子有光合生理特性、叶属性和叶片水分特征。植物的水碳权衡过程是光合固碳与蒸腾耗水过程的权衡，光合作用受气孔导度（gs）和胞间CO2浓度（Ci）的共同限制，而蒸腾作用主要受到 gs的制约。叶片养分元素与植物水碳权衡过程的关系密切，同时基于面积尺度的养分元素含量与光合生理指标之间的关系更为显著。持水力较弱的叶片其gs和Ci值较大，进而促进了植物叶片的蒸腾作用导致了水分利用效率（WUE）的下降。野外自然条件下，小流域尺度影响植物水碳权衡的主要外界环境因子是光照强度和大气湿度。环境因子对植物水碳权衡的影响主要通过调节内在控制因子实现，一定范围内光照强度和大气湿度的提高会导致气孔导度和胞间CO2浓度的上升以及叶片饱和蒸汽压亏缺（VpdL）的下降，进而造成光合速率和蒸腾速率的提高，最终导致了WUE的变化。
　　随着林龄的增加植物叶属性和主要生理生态指标会随之发生变化，这种变化一方面是环境对植物的影响，另一方面也是植物对外界环境适应性的表现。不同林龄植物对养分元素吸收和保存方式也存在较大差异。本文研究结果表明，羊圈沟小流域不同林龄刺槐表现出不同生长特点：12年生刺槐处于生长旺盛期，其气孔导度大、CO2供应能力强，促进了光合固碳和蒸腾耗水过程，而这一过程导致WUE下降。28年生刺槐处于生长稳定期，气孔导度低，CO2供应能力弱于生长旺盛期的刺槐，因此胞间 CO2浓度低，进而导致了光合固碳能力与蒸腾作用的减弱，同时提高了叶片的WUE。此外，林木在生长发育的不同阶段会采取不同的水分利用策略以适应环境，维持自身的水碳平衡获取最大的固碳效益。
　　坡向是造成林地环境条件差异的重要因素。干旱半干旱地区，阳坡较高的平均气温和偏低的大气相对湿度，容易造成水分的大量消耗，不利于刺槐的生长发育，因此，与阳坡相比，半阳坡的微环境条件更适合刺槐的生长发育。

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第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 植物水碳权衡的研究进展

1.2.1 各尺度WUE的研究方法

1.2.2 WUE的主要影响因素

1.2.3 干旱胁迫对植物水碳权衡的影响

1.2.4目前研究中存在的问题

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究对象

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究步骤和技术路线

第二章 研究区与研究方法

2.1 研究区概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 气候特征

2.1.3 植被特征

2.1.4 土壤

2.1.5 社会经济条件及退耕还林现状

2.2 研究方法

2.2.1 样地信息采集

2.2.2 树芯样品采集

2.2.3 土壤样品采集及测定

2.2.4 叶片光合生理指标及环境因子的测定

2.2.5 叶片样品的采集及测定

2.3 数据处理方法

2.3.1 土壤数据处理

2.3.2 主要生理生态指标的分析

2.3.3 叶属性数据分析

2.3.4 叶片持水力数据分析

第三章 结果与分析

3.1 不同样地土壤与植被状况

3.1.1 样地基本信息与植被状况

3.1.2 不同样地土壤养分差异和水分差异

3.2 不同林龄及坡向光合及主要生理生态指标变化分析

3.2.1 不同林龄和坡向光合及生理指标

3.2.2 水碳过程及主要生理指标相关性分析

3.2.3外界环境因子与主要生理指标相关性分析

3.3 不同林龄与坡向叶属性分析

3.3.1 不同林龄与坡向叶属性差异分析

3.3.2 叶属性间的相关性分析

3.3.3叶属性与主要生理生态指标相关性分析

3.4 不同林龄与坡向叶片持水力分析

3.4.1 不同林龄与坡向叶片持水力差异

3.4.2 叶片持水力与主要生理生态指标相关性分析

第四章 讨论

4.1 水碳权衡内在调控因子探究

4.1.1光合生理指标与植物水碳权衡的关系

4.1.2叶属性与植物水碳权衡的关系

4.1.3叶片持水力与植物水碳权衡的关系

4.1.4不同林龄叶属性和光合生理指标的差异

4.2水碳权衡外在环境因子探究

4.2.1坡向对刺槐林地环境因子的影响

4.2.2外界环境因子对植物水碳权衡的影响

4.2.3不同环境背景条件下植物叶属性和光合生理指标的差异

第五章 结论与问题

5.1 主要结论

5.2 存在问题与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果