黄土丘陵区油松、沙棘生长旺盛期树干液流密度特征及其影响因素

使用热扩散探针法(TDP)监测黄土丘陵区2015年7—9月人工林中油松和沙棘树干液流密度(J_s)的动态变化,并通过植物的水分利用生理特征判断2个树种的水分利用类型.结果表明: 油松和沙棘的J_s在降水前后均表现为单峰型日变化特征,油松生长旺盛期的J_s(12.62 mL·m^-2·s^-1)显著高于沙棘(2.60 mL·m^-2·s^-1).2个树种J_s与光合有效辐射、水蒸汽压差、土壤体积含水量(SWC)呈显著正相关.8月和9月降水前后,2个树种的J_s都主要受气象因素影响.9月降水导致SWC对沙棘J_s的解释量增加4.2%,而8月和9月的降水导致SWC对油松J_s的解释量均降低了0.3%.油松中午叶片水势显著高于沙棘且变异系数(7.3%)低于沙棘(11.7%),而沙棘具有较高的叶片气孔导度,因此可以判断出油松属于恒水型植物,沙棘属于变水型植物.     

不同光脉冲方案对光下最大荧光参数及其计算参数的影响

光下最大荧光(F_m′)是植物生理生态研究中的重要参数,一般采用饱和脉冲(RF)方案来估计.然而,光系统Ⅱ(PSⅡ)受体库的反馈调节会影响RF方案对F_m′估计的准确性.为消除PSⅡ受体库反馈调节的影响,根据光脉冲强度(Q′)与叶绿素荧光(F′)的线性关系提出多相脉冲(MPF)方案,估算Q′无穷大时的F′(即F_m′).本研究采用MPF和RF方案分别对苦槠、青冈和乌桕3个树种叶片的叶绿素荧光和气体交换数据进行同步测量,并对两种方案估计的F_m′及其计算参数PSⅡ光化学效率(Φ_PSII)、PSⅡ的电子传递速率(J)、最大电子传递速率(J_max)、叶肉导度(g_m)和叶绿体内CO₂浓度(C_c)等光合参数进行比较,分析两种方案对3个树种叶片6个光合参数的影响.结果表明: 当光合有效辐射(PAR)<200 μmol·m^-2·s^-1时,两种方案对苦槠、青冈和乌桕叶片F_m′、Φ_PSII和J的估计无显著影响;当PAR>200 μmol·m^-2·s^-1时,采用MPF方案获得的苦槠、青冈和乌桕的F_m′分别比RF方案获得的F_m′高3.5%～5.2%、11.7%～18.0%和3.2%～7.1%;当PAR>200 μmol·m^-2·s^-1时,采用MPF方案获得的Φ_PSII、J和J_max分别不同程度地大于RF方案获得的参数,g_m和C_c分别不同程度地小于RF方案获得的参数.说明当PAR较低(<200μmol·m^-2·s^-1)时,MPF与RF方案对植物叶片F_m′、Φ_PSII、J的估计没有显著影响;当PAR较高(≥200μmol·m^-2·s^-1)时,MPF与RF方案对植物叶片F_m′、Φ_PSII、J、J_max、g_m和C_c的估计有显著影响,且RF方案对植物叶片的F_m′、Φ_PSII、J和J_max比MPF方案分别有不同程度的低估,对g_m和C_c则有不同程度的高估.     

基于冠层塔吊原位测定长白山温带阔叶红松原始林群落主要树种的光合特征

为了更好地理解温带阔叶红松原始林群落主要树种的生理生态学特征,为森林生态系统碳动态的模拟预测提供基础数据,本研究依托中国科学院长白山森林生态系统定位站,首次利用冠层塔吊原位测定了阔叶红松原始林群落4个主要树种成熟大树的CO₂响应曲线,并利用FvCB模型计算了一些重要的光合生理参数.结果表明: 红松的光合速率(A)、最大羧化速率(V_{c max})和气孔导度(g_s)均最小,而其气孔对光合的限制性(L_s)最大.水曲柳、蒙古栎和紫椴这3个阔叶树种的光合特征也存在显著差异.基于叶片面积的V_{c max}大小顺序为:水曲柳(83.2 μmol·m^-2·s^-1)、蒙古栎(89.3 μmol·m^-2·s^-1)>紫椴(68.4 μmol·m^-2·s^-1)、红松(68.8 μmol·m^-2·s^-1)(P<0.05),而基于叶片质量的V_{c max}大小顺序为:水曲柳(1.36 μmol·g^-1·s^-1)>蒙古栎(1.03 μmol·g^-1·s^-1)>紫椴(0.90 μmol·g^-1·s^-1)>红松(0.42 μmol·g^-1·s^-1)(P<0.05).7—9月,水曲柳和蒙古栎的A值显著降低,而紫椴和红松的A值变化不显著;所有树种V_{c max}都随季节发生显著下降.在温带阔叶红松林生态系统碳动态的模拟预测中,应该考虑V_{c max}的季节变化.     

植物气孔导度对CO2响应模型的构建

构建一个普适性的植物叶片气孔导度(g_s)对CO₂浓度响应(g_s-C_a)的模型, 对定量研究植物叶片g_s对CO₂浓度的响应变化尤为必要。该研究运用便携式光合仪(LI-6400)测量了大豆(Glycine max)和小麦(Triticum aestivum)光合作用对CO₂的响应曲线(A_n-C_a), 在比较传统的Michaelis-Menten模型(M-M模型)和叶子飘构建的CO₂响应模型拟合大豆和小麦A_n-C_a效果的基础上, 构建了g_s-C_a响应新模型。然后用新构建的模型拟合大豆和小麦的g_s-C_a曲线, 并将拟合结果与传统模型的拟合结果, 以及与其对应的观测数据进行比较, 以判断所构建模型是否合理。结果显示: 叶子飘构建的A_n-C_a模型可较好地拟合大豆和小麦的A_n-C_a曲线, 确定系数(R²)均高达0.999。M-M模型拟合大豆和小麦的A_n-C_a曲线时的R²虽然也较高, 但在较高CO₂浓度时的拟合曲线偏离观测曲线。因此, 基于叶子飘的A_n-C_a模型构建g_s-C_a模型更为可行。新构建的g_s-C_a模型可较好地拟合大豆和小麦的g_s-C_a曲线, R²分别为0.995和0.994, 而且还可以直接给出最大气孔导度(g_s-max)、最小气孔导度(g_s-min), 以及与g_s-min相对应的CO₂浓度值(C_s-min)。拟合得到大豆和小麦的g_s-max分别为0.686和0.481 mol·m^-2·s^-1, 与其对应的观测值(分别为0.666和0.471 mol·m^-2·s^-1)之间均不存在显著差异; 同样, 拟合得到的大豆和小麦的g_s-min分别为0.271和0.297 mol·m^-2·s^-1, 与其对应的观测值(分别为0.279和0.293 mol·m^-2·s^-1)之间也均不存在显著差异; 此外, 新构建的g_s-C_a模型给出大豆和小麦的C_s-min值分别为741.45和1 112.43 μmol·mol ^-1, 与其对应的观测值(732.78和1 200.34 μmol·mol ^-1)也不存在显著差异。由此可见, 该研究新构建的g_s-C_a模型可作为定量研究植物叶片气孔导度对CO₂浓度变化的有效数学工具。     

不同土壤含水量下侧柏幼树叶片水分利用效率

对植物水分利用效率的研究,可以揭示植物的内在耗水机制,为区域森林生态系统经营与维护提供依据.本研究以侧柏幼树为研究对象,通过室内控制试验设置不同的土壤水分梯度,分别用气体交换法和稳定同位素法对其不同土壤含水量条件下的瞬时水分利用效率(WUE_gs)和短期水分利用效率(WUE_cp)进行研究.结果表明:受气孔导度(g_s)的影响,叶片净光合速率(P_n)和蒸腾速率(T_r)随土壤含水量的增加呈现相同的变化趋势,均在土壤含水量为70%～80%田间持水量(FC)时达到最大值;叶片WUE_gs则在土壤含水量最低(35%～45% FC)时达到最大值(7.26 mmol·m^-2·s^-1).叶片可溶性糖、枝条韧皮部渗出液的δ¹³C都在土壤含水量最低(35%～45% FC)条件下达到最大值,且叶片可溶性糖的δ¹³C明显高于枝条韧皮部渗出液的δ¹³C,未产生明显分馏;而叶片WUE_cp也在土壤含水量最低(35%～45% FC)时达到最大值(7.26 mmol·m^-2·s^-1).相同条件下,叶片WUE_gs和WUE_cp存在一定差异(平均相差0.52 mmol·m^-2·s^-1),WUE_gs时空变异性较大,而WUE_cp更具有代表性.侧柏幼树通过降低生理生态活动和提高水分利用效率来适应干旱的土壤条件.     

库布齐东缘沙漠化逆转过程中土壤呼吸及其温度敏感性变化

为研究沙漠化逆转过程对土壤呼吸速率(R_s)及其温度敏感性(Q₁₀)的影响,在库布齐沙漠东缘选取流动沙地、半固定沙地、藻结皮固定沙地、地衣结皮固定沙地和苔藓结皮固定沙地5个不同逆转阶段,采用静态暗箱-气相色谱法测定不同阶段样地R_s并计算Q₁₀,并同步分析环境因子对R_s的影响。结果表明: 随沙地固定和植被演替,R_s逐渐增大,表现为苔藓结皮固定沙地(0.78 μmol·m^-2·s^-1)>地衣结皮固定沙地(0.67 μmol·m^-2·s^-1)>藻结皮固定沙地(0.46 μmol·m^-2·s^-1)>半固定沙地(0.42 μmol·m^-2·s^-1)>流动沙地(0.29 μmol·m^-2·s^-1),且R_s均为生长季大于非生长季。Q₁₀值规律相反,为流动沙地(3.28)>半固定沙地(2.93)>藻结皮固定沙地(2.54)>地衣结皮固定沙地(1.91)>苔藓结皮固定沙地(1.84),且均为非生长季大于生长季。5个阶段样地R_s与土壤温度均呈显著正相关,但仅流动沙地和半固定沙地R_s与土壤含水量呈正相关,其余3种固定沙地R_s与土壤含水量无相关性。R_s与土壤全氮、有机碳、容重、孔隙度、细菌数量、放线菌数量及真菌数量均显著相关。在沙漠化逆转过程中,土壤碳氮含量及微生物群落数量的增加、土壤质地的改善、植物生物量的积累可显著增强土壤呼吸并降低其温度敏感性,是改变荒漠土壤碳循环格局的主要驱动力,同时也可明显改变水分因子对土壤呼吸的影响程度。     

极端干旱区多枝柽柳叶片气孔导度的环境响应模拟

气孔通过调节植物体水分散失和CO₂吸收在植物适应环境变化和环境胁迫中发挥重要作用。该文在对极端干旱区多枝柽柳(Tamarix ramosissma)叶片气体交换参数观测的基础上, 引入诊断函数f(H)对BWB模型和BBL模型提出的气孔导度(g_s)模型中的空气湿度(h_s或D_s)进行了评价, 并将评价结果引入叶子飘和于强推导出的g_s机理模型。结果表明: (1) BWB和BBL模型对h_s (或D_s)的模拟效果存在很大差异: BWB模型拟合效果较好(R² = 0.5354), BBL模型的结果显著但效果较差(R² = 0.1103)。试验结果显示: 随h_s(或D_s)的增大, g_s呈先增大后减小的趋势, 可用Gauss模型进行拟合, R²分别为0.593和0.258, 说明g_s与h_s的关系要比D_s更密切; (2)叶子飘和于强给出的简化模型(Simple模型)和该文给出的指数模型(Gauss-h模型)均具有较好的模拟效果(R²分别为0.8707和0.8286), η值分别为0.1245和0.0171, 其值均介于0-1之间; (3)模型验证中Gauss-h模型较Simple模型明显低估了观测值, 当观测条件无限趋近于Simple模型的假设时, Simple模型的拟合效果可得到显著提高(R² = 0.9606)。     

晋西黄土区水肥调控对苹果-玉米间作系统玉米灌浆期穗位叶光合生理特性的影响

以晋西黄土区典型的苹果-玉米间作系统为研究对象,设置了双因素三水平水肥耦合试验,分析不同水肥调控措施下玉米灌浆期穗位叶光合生理特性.本试验根据玉米及苹果适宜的水分和养分条件设置9(3×3)个处理(W₁F₁、W₂F₁、W₃F₁、W₁F₂、W₂F₂、W₃F₂、W₁F₃、W₂F₃、W₃F₃),设置的3个灌溉水平为:田间持水量(Fc)的50％(W₁)、65％(W₂)和85％(W₃), 3个施肥量水平为:N 289 kg·hm^-2+ P₂O₅118 kg·hm^-2+ K₂O 118 kg·hm^-2(F₁)、N 412.4 kg·hm^-2 +P₂O₅168.8 kg·hm^-2 +K₂O 168.8 kg·hm^-2(F₂)、N 537 kg·hm^-2 + P₂O₅ 219 kg·hm^-2 +K₂O 219 kg·hm^-2(F₃),另设一组无水肥补给的空白对照(CK).结果表明: 不同水肥调控方式对光合指标日变化趋势无明显影响,但水肥补给可提高作物净光合速率(P_n)的峰值,降低作物日水分利用效率(WUE)最大值,延长气孔开放时间,影响胞间CO₂浓度(C_i)最低值的出现及维持时间;各处理光合作用的限制因素均为非气孔因素.蒸腾速率(T_r)、气孔导度(g_s)均与距树行距离呈极显著负相关(P<0.01),水分利用效率则与距树行距离呈显著正相关(P<0.05);距树行距离平均每增加1 m, T_r可减少0.56~1.41 mmol·m^-2·s^-1,g_s可减少0.028～0.093 mol·m^-2·s^-1,WUE可增加0.08~1.00 μmol·mmol^-1.灌水施肥可以显著提高净光合速率、蒸腾速率、气孔导度日均值;降低水分利用效率的日均值;W₃F₁拥有最高的净光合速率日均值(10.64 μmol·m^-2·s^-1)、水分利用效率日均值(3.05 μmol·mmol^-1)、气孔导度日均值(0.295 mol·m^-2·s^-1)以及较低的蒸腾速率日均值(4.32 mmol·m^-2·s^-1).多元回归分析结果显示,在拔节-灌浆期内,灌水总量为1300 m³·hm^-2、施肥总量为525 kg·hm^-2时,作物净光合速率最大,理论值为10.32 μmol·m^-2·s^-1.因此,W₃F₁为最利于间作系统作物光合效率改善的水肥调控模式.     

中国漳江口红树植物秋茄茎流特征及其影响因子

利用Granier热消散式探针法对福建漳江口国家级红树林自然保护区内红树植物秋茄的树干茎流密度(SFD)进行1年(2010年10月至2011年10月)的连续监测.结果表明: 季节和树干径级对秋茄树干茎流密度均有显著影响.在夏季,胸径(DBH)为8～10 cm时秋茄树干最外层2 cm处的SFD达到最大,为38.21 g·m^-2·s^-1,这与其他红树物种以及湿地乔木物种的茎流密度相当.不同径级(小、中、大径级分别为2～4、4～8、8～10 cm)秋茄每日整树蒸腾量(即水分日利用量)也呈现明显的季节变化,从冬季到夏季的波动值分别为0.14～0.19、0.94～1.45、1.96～3.43 kg·d^-1.通过整合各个径级秋茄树的日蒸腾量推算得到秋茄林的日蒸腾量,再全年累加计算得到秋茄林年总蒸腾量为100.38 mm,不到当地年降水量的6%.主要环境因子对秋茄林蒸腾速率(E_s)均有极显著影响(P<0.001),其中,光合有效辐射(PAR)和饱和水汽压差(VPD)是E_s最主要的驱动因子,解释了E_s 60%～92%的季节变异,且夏季秋茄E_s 对PAR和VPD的依赖性大于冬季.秋茄E_s与环境因子之间存在明显的时滞现象,需要在解释秋茄林E_s季节变异时加以考虑.     

北京松山天然落叶阔叶林生态系统净碳交换特征及其影响因子

森林生态系统在陆地碳循环过程中发挥着重要作用,关于温带落叶阔叶林生态系统碳平衡过程影响机制的讨论尚未统一。本研究于2019年对北京松山典型落叶阔叶林生态系统的净碳交换量(NEE)及空气温度(T_a)、土壤温度(T_s)、光合有效辐射(PAR)、饱和水气压差(VPD)、土壤含水量(SWC)、降雨量(P)等环境因子进行原位连续监测,分析松山落叶阔叶林生态系统净碳交换特征及其对环境因子的响应。结果表明: 在日尺度上,NEE生长季(5—10月)各月平均日变化均呈“U”字形变化,日间为碳汇,夜间为碳源。其他月份NEE均为正值,变化平缓,表现为碳源。在季节尺度上,NEE呈单峰曲线变化规律,全年NEE为-111 g C·m^-2·a^-1,生态系统呼吸总量(R_e)为555 g C·m^-2·a^-1,总生态系统生产力(GEP)为666 g C·m^-2·a^-1。碳吸收与释放量分别在6月与11月达到最大值。PAR是影响日间净碳交换量(NEE_d)的主导因子,二者关系符合Michaelis-Menten模型,VPD是间接影响NEE_d的主导因子,最适宜日间净碳交换的VPD范围为1～1.5 kPa。土壤温度是影响夜间净碳交换量(NEE_n)的主导因子,SWC是NEE_n的限制因子,SWC过高或过低均会对NEE_n产生抑制,最适值为0.28 m³·m^-3。     

基于树轮δ13C的北京山区侧柏水分利用效率

树木水分利用效率特征存在地域及树种差异,北京山区作为华北土石山区典型森林生态系统,其主要树种侧柏水分利用效率(WUE)长期变化的研究未见报道.本研究通过测定侧柏树轮稳定碳同位素值(δ¹³C),计算年均水分利用效率(WUE_i),分析其长期变化趋势及对环境条件变化的响应,并结合树轮宽度,探究侧柏WUE_i与净固碳量的关系.结果表明: 1918—2013年期间,北京山区年均气温呈逐渐升高趋势,年降水量波动较大.在此期间,侧柏树轮δ¹³C逐渐减小,WUE_i呈逐渐增大趋势.侧柏WUE_i对气温变化的响应最为敏感,呈显著正相关关系,且WUE_i对气温升高的响应敏感性大于气温降低.侧柏WUE_i与年降水量的相关性不明显,该地区降水量不是影响侧柏WUE_i的主要因素.侧柏去趋势树轮宽度值呈现先上升后下降趋势,近20年下降趋势明显.结合WUE_i与环境因子的相关性分析,认为气温升高导致气孔导度(g_s)降低,蒸腾量减少,同时增加了呼吸损耗,结果导致WUE_i升高,但侧柏净固碳量减少,生长减缓.     

温度和水分对科尔沁草甸湿地净生态系统碳交换量的影响

基于涡度相关和波文比气象土壤监测系统,研究了2016年科尔沁草甸湿地生态系统生长季5—9月CO₂通量的动态变化特征,分析了温度、水分等环境因子与其的响应关系.结果表明:生长季累计净生态系统碳交换量(NEE)为-766.18 g CO₂·m^-2,总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸量(R_e)分别为3379.89和2613.71 g CO₂·m^-2,R_e/GPP为77.3%,表现为明显的碳汇.NEE各月平均日变化呈单峰“U”型曲线,其中5—7月和8月中旬表现为吸收CO₂,8月后半月和9月表现为释放CO₂.日间NEE与光合有效辐射(PAR)呈显著的直角双曲线关系,同时受饱和水汽压差(VPD)、土壤含水量(SWC)和气温(T_a)等环境要素调控.回归关系表明,日间NEE达到最大时,VPD和SWC值分别为1.75 kPa和35.5%,而NEE随T_a增加逐渐增大,当T_a达到最大时,并未对NEE产生抑制作用;夜间NEE随土壤温度(T_s)呈指数趋势上升.在整个生长季,生态系统呼吸的温度敏感性指数(Q₁₀)为2.4,且SWC越高,Q₁₀越小,夜间NEE受T_s和SWC共同调控.     

Sap flow characteristics and its responses to precipitation in Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis plantations

Aim In the loess hilly region, drought stress frequently occurs during the late spring and early summer as a result of insufficient water supply and asynchronous changes between temperature and precipitation. Our objective was to quantify the characteristics of water-consumption through transpirations and their responses to precipitation in the dominant plantations in this region. Methods Thermal dissipation probe (TDP) was used to measure the sap flow density (F_d) of Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis from April through October in 2009 in Ansai National Ecological Experimental Station. Environmental variables, including meteorological factors and soil water content, were simultaneously measured. Important findings The diurnal variation of F_d exhibited a single-peak curve during the growing season of R. pseudoacacia and P. orientalis. The maximum F_d was three times greater in R. pseudoacacia (0.12068 m³·m^-2·h^-1) than that in P. orientalis (0.03737 m³·m^-2·h^-1). Except in the rapid-growth season (July to August), the F_d of these two species during the post-precipitation period were significantly higher than that during the pre-precipitation period. The F_d of P. orientalis and R. pseudoacacia was well fitted with transpiration (VT), an integrated index calculated from both vapor pressure deficit (VPD) and solar radiation (R_s), using an exponential saturation function. Generally, F_d increased in response to rising VT, while these values tended to be stable when VT reached about 50 kPa (W·m^-2)^1/2. Furthermore, R. pseudoacacia showed more sensitive to precipitation (p < 0.001) than P. orientalis, according to different hydraulic conductance model coefficients (fitting parameter b) between pre- and post-precipitation periods. Therefore, R. pseudoacacia could be considered as a precipitation-sensitive species, while P. orientalisasa precipitation-insensitive species. Through analyzing the different responses of plantation species to precipitation in the loess hilly region, this study provides a scientific basis for the local plantation management from the aspect of tree water use during ecological restoration.     

基于树轮δ13C的北京山区侧柏水分利用效率

树木水分利用效率特征存在地域及树种差异,北京山区作为华北土石山区典型森林生态系统,其主要树种侧柏水分利用效率(WUE)长期变化的研究未见报道.本研究通过测定侧柏树轮稳定碳同位素值(δ¹³C),计算年均水分利用效率(WUE_i),分析其长期变化趋势及对环境条件变化的响应,并结合树轮宽度,探究侧柏WUE_i与净固碳量的关系.结果表明: 1918—2013年期间,北京山区年均气温呈逐渐升高趋势,年降水量波动较大.在此期间,侧柏树轮δ¹³C逐渐减小,WUE_i呈逐渐增大趋势.侧柏WUE_i对气温变化的响应最为敏感,呈显著正相关关系,且WUE_i对气温升高的响应敏感性大于气温降低.侧柏WUE_i与年降水量的相关性不明显,该地区降水量不是影响侧柏WUE_i的主要因素.侧柏去趋势树轮宽度值呈现先上升后下降趋势,近20年下降趋势明显.结合WUE_i与环境因子的相关性分析,认为气温升高导致气孔导度(g_s)降低,蒸腾量减少,同时增加了呼吸损耗,结果导致WUE_i升高,但侧柏净固碳量减少,生长减缓.