张北地区衰败与未衰败小叶杨水分利用差异特征

摘要

三北防护林是京津冀地区重要的生态屏障，近十年，张北县4/5的杨树防护林出现衰败现象，近1/3的小叶杨（Populus simonii carr）濒临死亡或枯死，导致小叶杨防护林生态功能下降。本文于2015年-2016年期间，在主要生长季（5-9月）测定衰败和未衰败小叶杨的稳定氢氧同位素、树干液流速率、稳定碳同位素等参数，从水分来源、强度和效率等方面，分析了衰败与未衰败小叶杨水分利用的差异特征，从水分的角度，为探究小叶杨衰败过程提供理论依据。结果表明， (1)主要生长季，衰败小叶杨主要利用0-30cm的浅层土壤水分，而未衰败小叶杨主要利用30-80cm的中深层土壤水分。对于地下水和＞80cm的深层土壤水分利用，未衰败和衰败小叶杨差异不明显。随着雨季的来临，衰败和未衰败小叶杨对于0-30cm的浅层土壤水分利用都增加，对于地下水和＞80cm的深层地下水利用不随季节的变化而变化。 (2)2015及2016年生长季，未衰败和衰败小叶杨蒸腾耗水的时间变化趋势基本一致，液流速率峰值和蒸腾耗水总量随着季节均呈现先增大后减小的变化趋势，二者蒸腾耗水速率日内变化呈同步性趋势。但绝对量有所差异，未衰败小叶杨蒸腾耗水量始终大于衰败小叶杨，两者差值的变化幅度表现为晴天＞阴天＞雨天。相关性来说，衰败小叶杨液流速率与相对空气湿度呈极显著负相关(p＜0.01)，与土壤湿度、光合有效辐射、风速和空气温度均呈极显著正相关(p＜0.01)，未衰败小叶杨与土壤湿度呈显著相关(p＜0.05)，与相对空气湿度成极显著负相关(p＜0.01)，与其他3个因子均呈极显著正相关关系(p＜0.01)。从回归来看，未衰败小叶杨的R2为0.71，是衰败小叶杨R2值的3.6倍，表明相对空气湿度对未衰败小叶杨液流的响应大于衰败小叶杨。 (3)相同年龄小叶杨的直径随着衰败程度增加而下降，衰败小叶杨树轮的δ13C值变化与未衰败小叶杨明显不同。衰败与未衰败小叶杨iWUE（内在水分利用效率）值从1997年开始出现差异但小显著，2002年后其差异达到显著水平，连续多年的ΔiWUE为正值可能是衰败与未衰败小叶杨产生分化的重要原因。衰败和未衰败小叶杨iWUE与降雨量、相对湿度和ET0(p)相关关系均不显著，但与温度和地下水埋深成极显著的线性关系。 (4)从自身条件来看，衰败与未衰败小叶杨水分来源不同，衰败小叶杨由于水分来源较浅，遭受的干旱胁迫严重，使导管栓塞和水分运输困难。未衰败小叶杨水分利用来源较深，深层土壤中含水量高且变化相对稳定，能为小叶杨生长提供持续的水源。小叶杨采取相应的生理适应机制，衰败小叶杨通过减少蒸腾来降低水分散失，采取部分落叶和枯梢的策略来避免水力学失败，随着落叶和枯梢增加，小叶杨不可避免的出现衰败。但因衰败小叶杨水分来源较浅，减少蒸腾并不能阻止林分水分状况进一步恶化。 从外部环境来看，1997年极端干旱事件是小叶杨林衰败的起点，随后种植高耗水的蔬菜导致对地下水的过度使用，加剧干旱持续时间和强度进而加速小叶杨防护林的衰败和死亡。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究目的及意义

1．2国内外研究进展

1．2．1稳定氢氧同位素技术的相关研究及应用

1．2．2植物蒸腾的相关研究进展

1．2．3年轮稳定同位素的相关研究

1．2．4稳定碳同位素在植物水分利用效率应用技术研究

1．2．5稳定碳同位素与环境因子的响应关系

1．3研究主要内容

1．3．1未衰败与衰败小叶杨水分来源差异

1．3．2未衰败与衰败小叶杨蒸腾强度差异

1．3．3未衰败与衰败小叶杨水分利用效率的差异

1．4重点解决的问题

1．5项目支持

1．6技术路线

第二章材料与方法

2．1研究区概况

2．2研究方法

2．2．1水分来源研究方法

2．2．2水分蒸腾强度研究方法

2．2．3水分利用效率研究方法

第三章衰败与未衰败小叶杨利用水分来源差异

3．1前言

3．2结果和分析

3．2．2主要生长季小叶杨水分来源差异

3．3讨论

3．4小结

第四章衰败与未衰败小叶杨水分利用强度差异

4．1前言

4．2结果和分析

4．2．1衰败与未衰败小叶杨液流速率的差异

4．2．2衰败与未衰败小叶杨蒸腾耗水量差异

4．2．3衰败和末衰败小叶杨液流速率与环境因子间的关系

4．3讨论

4．3．1衰败与未衰败小叶杨树干液流速率差异

4．3．2衰败与未衰败小叶杨蒸腾耗水量的差异

4．3．3衰败和未衰败小叶杨与环境因子间的关系

4．4小结

第五章小叶杨水分利用效率特征差异

5．1前言

5．2结果与分析

5．2．1气象因子和ET0(P)变化

5．2．2小叶杨生长和衰败状况

5．2．3树轮中δ13C值差异

5．2．4 iWUE差异

5．2．5 iWUE与生长状况和环境因子的关联

5．2．6农田耗水对地下水埋深及小叶杨iWUE的影响

5．3讨论

5．3．1衰败与未衰败小叶杨BAI和iWUE差异

5．3．2小叶杨对环境因子变化的响应

5．3．3土地利用方式改变加剧小叶杨衰败

5．4小结

第六章结论、创新点及展望

6．1结论

6．1．1衰败与未衰败小叶杨水分来源差异

6．1．2衰败与未衰败小叶杨树干液流差异

6．1．3小叶杨水分利用效率差异

6．2本文创新点

6．3展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢