黄土丘陵区油松和沙棘水分来源及其对降雨的响应

摘要

黄土丘陵半干旱区降雨少而蒸发量大，降雨是该地区植被恢复的主要限制因子，植物的存活和生长都与降雨的可利用性密切相关。由于前期造林过程中没有全面考虑该地区水分供应与植物耗水的关系，随着人工林耗水量的增加，林分成活率、保存率和生长率普遍较低，并形成大面积的小老树。为评价该地区人工林对水分利用的稳定性，需要开展人工林水分来源，以及人工林耗水对环境因子(特别是降雨)响应方面的研究。混交林因其较高的水土保持效益，被广泛用于黄土丘陵区的退耕还林，而关于混交造林是否改变了植物用水策略方面的的报道仍然较少。 以黄土丘陵区纯林油松、纯林沙棘、油松-沙棘混交林为研究对象，于 2015—2016年 6—10 月，利用自动气象观测站、热扩散式探针(TDP)和土壤水分采集系统(EM50-ECH2O)，观测得到样地气象因子(降雨、光合有效辐射(PAR)、水汽压亏缺(VPD))、样木树干液流(Fd)和林地土壤水分(SWC)数据。经过超真空提取装置和同位素质谱分析仪，分析得到降水、栓化枝和土壤水样(SW)中的 δD/δ18O 同位素比值。采用方差分析、回归分析、偏相关分析、Threshold-Delay(T-D)模型和Isosource模型，探究了林地SWC、油松和沙棘的水分来源及其Fd对降雨的响应，主要取得如下结果： (1)连续小降雨(<5 mm)后，林地0-20 cm土壤水分(SWC0-20)明显上升，而单次小降雨后SWC0-20仍持续降低，说明SWC对降雨的响应有累加效应。>5 mm降雨后，林地不同层SWC呈先上升后降低的变化趋势，且后期(7 d)降雨不都能促进SWC上升，说明降雨对林地SWC的影响存在阈值区间。>5 mm降雨后，各林地SWC0-20和沙棘纯林SWC20-50明显上升；>10 mm降雨后，混交林SWC20-50和沙棘纯林SWC50-100明显上升；>15 mm降雨后，油松纯林20-150 cm和混交林50-150cm SWC明显上升。油松纯林0-50 cm，沙棘纯林和混交林20-100 cm SWC与降雨有显著相关性，表层SWC大部分蒸散返回大气，所以，降雨在油松、沙棘纯林和混交林的入渗层分别为20-50 cm、20-100 cm和20-100 cm。林地SWC与降雨关系的大小顺序，总体表现为混交林>沙棘纯林>油松纯林。 (2)纯林油松栓化枝水样中氢氧稳定同位素(δD/δ18O)的范围为-65.77~-49.50 ‰和-9.28~-6.60 ‰，与中层(20-100 cm)(-68.57~-51.24 ‰和-7.04~-8.96 ‰)SW相似；纯林沙棘栓化枝水样范围为-66.33~-50.33 ‰和-8.95~5.98 ‰，与浅层(0-20 cm)(-58.42~-46.02 ‰和-7.34~-4.86 ‰)和中层(-60.77~-54.14 ‰和-8.79~-7.06 ‰)SW相似；混交林中油松栓化枝水样中δD/δ18O比值范围为-67.51~-49.44 ‰和-9.68~-5.80 ‰，与浅层(-57.44~-37.33‰和-9.22~-3.51 ‰)和中层(-64.79~-34.07 ‰和-10.89~-6.76 ‰)SW相似；沙棘栓化枝水样范围为-66.90~-37.97 ‰和-9.68~-5.79 ‰，与中层(-74.41~-50.04 ‰和-10.89~-6.76 ‰)SW相似。纯林油松栓化枝水样中δD与δ18O的关系(R2=0.90)接近本地降水线(R2=0.94)，而纯林沙棘栓化枝水样(R2=0.54)接近浅(R2=0.48)、中(R2=0.42)和深层(R2=0.50)SW；混交林中油松(R2=0.65)和沙棘(R2=0.70)都接近深层(R2=0.64)SW。0.1-9.9 mm降雨后，两树种主要利用浅层SW；>10 mm降雨后利用浅层SW。 (3)随着雨量逐级递增，纯林油松Fd的最大变化量逐渐上升，而纯林沙棘和混交林中油松和沙棘Fd都先上升后降低。1-5 mm降雨后，纯林油松和混交林中沙棘Fd逐渐升高，纯林沙棘和混交林中油松Fd逐渐降低。能使纯林、混交林中油松和沙棘Fd产生显著上升的最小降雨阈值(RL)分别为4.1 mm、3.3 mm、6.4 mm和1.9 mm，滞后时间(Time lag,τ)为1.43d、1.06d、1.96d和1.67 d。与纯林油松、沙棘比较，混交林中油松和沙棘的RL值分别增加56.10 %和降低42.42 %，τ值增加37.06 %和57.55 %。降雨前、后纯林、混交林中油松Fd峰值出现在10:30—13:00(58.5 %)，纯林沙棘出现在10:00—11:30 (41.5 %)和12:30—14:30(18.5 %)；混交林中沙棘出现在10:30—13:00(50 %)和16:00—17:00(27 %)。沙棘Fd在前期SWC充足时，主要受前期SWC影响；在前期SWC不足时，主要受本次降雨影响；油松Fd则仅受本次降雨影响。降雨后PAR对混交林中两树种Fd的影响，VPD 对混交林中油松 Fd的影响都减弱，对沙棘 Fd的影响却增强；纯林、混交林中油松、沙棘Fd都受到SWC的影响，降雨后，林地SWC0-20对混交林中油松Fd的影响较小，却成为影响沙棘Fd变化的主导因子。 研究发现，>5 mm降雨后，混交林0-150 cm土壤剖面SWC均明显上升，且SWC与降雨的关系极显著。0.1-9.9 mm降雨后，油松和沙棘主要吸收深层SW；>10 mm降雨后，主要吸收浅层SW。与纯林油松、沙棘比较，能引起混交林中油松和沙棘Fd显著上升的RL分别增加56.10 %和降低42.42 %。综合可知，两树种已适应当地的气候环境，并形成不同的用水策略。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1选题依据

1.2相关研究进展

1.3存在的不足

1.4研究目标

1.5研究内容

1.6技术路线

第二章 研究区概况及方法概述

2.1研究区概况

2.2数据采集

2.3数据处理

第三章 黄土丘陵区油松和沙棘林地土壤水分对降雨的响应

3.1引言

3.2结果与分析

3.3讨论

3.4小结

第四章 黄土丘陵区油松和沙棘的水分来源研究

4.1引言

4.2结果与分析

4.3讨论

4.4小结

第五章 黄土丘陵区油松和沙棘树干液流对降雨的响应

5.1引言

5.2结果与分析

5.3 讨论

5.4 小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2创新点

6.3不足与展望

参考文献

致谢

作者简介