基于液流技术的岷江上游典型乔木树种水分利用的时空变异性研究

摘要

科学的发展，一靠知识的积累，二靠新技术的引用。液流技术的产生与发展为研究树木水分利用提供了便利，已经被广泛应用到与树木水分利用相关的许多研究领域中。但由于其本身观测尺度较小，自身变异性大，在较大尺度上应用仍然有很多局限性，需要进一步探索变异性产生的自身规律、尺度转换方法，以期为区域水分循环和流域水文过程提供必要的验证手段。本文针对岷江上游地区植被处于恢复期的现状，利用基于热扩散技术原理的液流计Probe-12(Dynamax,USA)于2006年(8月-10月)、2007年(5月-10月)对岷江上游典型林分，原始林-岷江冷杉(Abies faxoniana)、人工林-云杉(Picea asperata)和次生林-红桦(Betula albo-sinensis)，树木(林分)水分利用的时空变异性进行了研究，以期能为退化植被恢复、森林植被水文功能评价、流域生态系统保护以及流域的可持续发展提供理论依据和科学指导。
　　本文主要研究内容：
　　树体蓄水动态变化特征。
　　树木液流空间变异性的影响因素分析。
　　单木蒸腾量上推林分冠层蒸腾量的可靠性分析。
　　不同树种冠层蒸腾量的比较
　　主要结论如下：
　　(1)树干存储水分的消耗与补给是一个动态变化过程：基于热扩散技术的液流测量发现，在观测期内液流在冷杉、云杉、红桦树干木质部最大的传输速率分别是9.4 cm/h、25.0 cm/h、26.0 cm/h。通过比较树干胸高处与枝下高处液流的日变化模式，发现冷杉、云杉、红桦树干自身具有一定的水分存储与释放能力，在蒸腾发生时，由于根系吸收的水分不能被立即传输到叶片，树干本身存储的水分首先被用于缓解蒸腾水分亏缺，同时树体还会得到根系吸收水分的补给，其树干存储水分的消耗与补给是一个动态过程。在观测期内冷杉、云杉、红桦的最大水分释放能力分别是21.54 kg/day、17.78 kg/day、9.14 kg/day，其最大水分存储能力分别是10.54 kg/day、31.78 kg/day、20.23 kg/day。
　　(2)树木液流空间变异性普遍存在：基于液流技术分别对冷杉、云杉、红桦树干不同方位、不同高度的液流速率，以及不同直径的个体之间的液流速率和液流通量进行研究， 发现液流确实在树干不同方位存在差异，冷杉、云杉树干南侧液流速率最大，红桦东侧北侧液流速率最大，液流速率较大的方位，液流每日持续时间也较长。经过统计分析不同方位之间液流速率的关系，发现冷杉树干南侧液流速率的0.70倍可以代表整个树干的平均液流速率，红桦西侧液流速率的0.86倍，云杉东侧液流速率的1.03倍可以代表它们整个树干平均液流速率，且不同方位之间的液流速率呈显著线性相关性。树干不同高度的液流速率之间也有差异，通常在树体水分亏缺比较严重的状态下，紧接着补给树体水分的时候，往往会有下位液流速率大于上位发生，由于树干上位边材厚度小于下位，一搬情况为下位液流速率小于上位。通过对冷杉、云杉和红桦3个树种中不同径级树木的液流的比较，发现胸径较大的个体其液流速率和液流通量也大，并且每日其液流的启动时间较早，停止时间较晚，日持续时间较长。
　　(3)边材厚度影响了林分液流的空间变异性：通过在3种林分尺度上的土壤水分取样测量，然后采用克里格插值法建立了空间土壤含水量表面预测图，由于其水分状态良好，相关性分析表明林分土壤含水量的空间异质性对不同直径树木的液流速率和液流通量没有影响。通过对同一树种不同直径的树木的边材厚度与液流速率和液流通量的关系研究发现，边材厚度与液流通量呈显著正相关性，冷杉、云杉、红桦其相关系数分别为0.77、0.93、0.97，冷杉、云杉边材厚度与液流速率也是显著的正相关性，相关系数分别是0.77、0.44，这说明边材厚度是影响同一地区同一树种树木液流速率和液流通量的根本指标。
　　(4)平均木法估算林分冠层蒸腾比较可靠：对冷杉，云杉和红桦分别选取17株、24株、24株样木，其累计液流量作为实际冠层蒸腾量的测量值，采用径阶划分后的边材面积法估算的冠层蒸腾量作为预测值，通过计算预测值与实际测量值之间的均方根误差（RMSE）和相关系数（R）来评估标准木预测林分蒸腾的可靠性，结果表明利用标准木法估算冷杉、云杉、红桦林分冠层蒸腾具有可靠性。同时还分析发现基于径级划分后的简单比例方法估计的冠层蒸腾量与上述边材面积法估算的冠层蒸腾之间的差异极小(相关系数为0.99-1.0)，因此可以采用林分调查中通常采用的径级划分后再选取平均木的方法来估计冠层蒸腾，这省略了统计树木边材面积与直径之间关系的步骤。
　　(5)冠层蒸腾与叶面积指数(LAI)的关系：冷杉原始林、云杉人工林、红桦次生林3个林分最大冠层蒸腾分别是1.69 mm/day、3.17 mm/day、2.08 mm/day；生长季内（2007年6月-9月）3个林分日冠层蒸腾量的变异系数分别是0.46、0.60、0.52，其与群落的稳定性相一致，群落越稳定，其变异系数越小。同时在生长季内，同一树种不同径级之间日液流量的变异系数的差异也与群落的稳定性有关，天然林冷杉和红桦，其不同径级个体之间的变异系数差距较大(冷杉、红桦分别为0.55-0.98、0.50-0.86)，其中幼龄木对环境变化更敏感；人工林云杉不同径级个体之间变异系数相似(0.74-0.77)。
　　冠层叶面积指数最大值(LAImax)的关系为，云杉>冷杉>红桦。通过对季节尺度上的冠层蒸腾变化的估计和LAI测量，发现云杉和红桦冠层LAI与冠层蒸腾的季节变化趋势一致，但冠层蒸腾到达最大值的时间一般会滞后于LAI达到最大值的时间，但其关系研究还需要进一步的深入研究。
　　(6)不同时间尺度上蒸腾与环境因子的关系：季节尺度上（2007年6月-9月）日冠层蒸腾量与大气水汽压亏缺、日平均湿度的关系与月尺度上（2006年8月7-9月1日）树木日液流量与水汽压亏缺、大气湿度的关性一致。季节尺度上日冠层蒸腾量与土壤温度呈显著负相关，月尺度上，树木日液流量与土壤温度没有相关性。降雨会导致树木液流下降，降雨完成后树木液流会增加，对降雨有4天的持续响应时间。冠层蒸腾和水面蒸发呈正相关性。

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表目录

第一章 前言

1.1 引言

1.2 国内外研究现状与评述

1.3 研究内容

1.4 技术路线

第二章 研究区概况和研究方法

2.1研究地概况

2.2 研究方法

第三章 树体蓄水动态变化特征研究

3.1 引言

3.2 树干轴向液流变化特征

3.3 树干蓄水动态变化特征

3.4 结论与讨论

第四章 树木液流空间变异性研究

4.1 引言

4.2 液流空间异质性主要影响因素分析

4.3 标准木预测冠层蒸腾可靠性分析

4.4 影响树木液流空间变异的因素分析

4.5 结论与讨论

第五章 估算冠层蒸腾研究

5.1 引言

5.2 从个体到林分冠层水平蒸腾速率的尺度扩展

5.3冠层蒸腾与LAI的季节变化

5.4 冠层蒸腾与环境因子之间的关系

5.5 LAI与边材的关系

5.6 结论与讨论

第六章 结论与建议

6.1 主要结论

6.2 建议

参考文献

致谢