宁夏六盘山主要树种及典型森林植被的水分利用效率研究

论文摘要

针对我国温带干旱缺水区林水矛盾的问题，本文以六盘山区几种典型森林植被为研究对象，在半湿润气候的香水河小流域和半干旱气候的叠叠沟小流域，采用稳定性碳同位素技术及树木年轮测定仪、树干径向变化记录仪和SF-L树干液流仪等仪器，通过估算典型植被叶片的13C、生物量与生产力以及耗水，研究了六盘山主要森林植被水分利用效率（WUE）的部位、种间、生活型和水分生境等方面的差异及不同时间（年内、年际）的变化规律，同时在个体和林分尺度上分析了主要环境因子对WUE的影响。本研究结果将有助于系统认识森林植被WUE的特征和变化规律，在半干旱地区植被建设中的节水树种选择、树种合理配置和森林经营管理措施制定等方面具有一定的指导意义。本论文的主要结论如下：1.主要树种叶片水平上的水分利用效率华北落叶松、油松、华山松、辽东栎、少脉椴、白桦、沙棘和山桃8个六盘山主要树种的稳定性碳同位素技术研究表明：同一树种的叶片WUE存在冠层部位差异，但各树种表现各异。华北落叶松、白桦和油松表现为：上部＞中部＞下部；而华山松和辽东栎为：下部>上部>中部。香水河小流域各树种叶片的WUE分布范围为3.62～7.09mmol/mol，平均值为5.35（±0.66）mmol/mol；叠叠沟小流域各树种叶片WUE分布范围是10.42～13.14mmol/mol，平均为11.47（±0.88）mmol/mol；香水河小流域各树种叶片WUE的大小顺序为：油松＞山桃＞沙棘＞辽东栎＞华北落叶松＞华山松＞少脉椴＞白桦；不同生活型树木叶片WUE基本上呈现出灌木>小乔木>常绿针叶树>落叶针叶树>落叶阔叶树的变化规律。8个树种叶片WUE在生长季初期较高，而在生长季中、后期较低，但季节变化幅度随树种而异。不同水分生境下的华北落叶松、山桃和沙棘等三种树种叶片WUE都存在着明显的种内个体差异，但总体上呈现出半干旱区主要树种叶片WUE极显著地（P＜0.01）大于半湿润区的趋势。2.主要树种个体水平上的水分利用效率——以华北落叶松为例在生长季内，华北落叶松个体WUE与蒸腾量的变化表现一致，均为先略有升高后下降的变化规律，6月份最高。个体WUE在0.889.73g/kg之间，平均值为3.97g/kg，6月份的WUE最大。除空气湿度外，华北落叶松个体水平的WUE与太阳辐射、降水、温度、风速等气象因子都呈现出正相关关系，但与太阳辐射和潜在蒸发散达到显著性相关。3.典型植被群落水平的水分利用效率1)华北落叶松林的WUETr（生物量增量/蒸腾量）和WUEET（生物量增量/蒸散量）在初期最高，然后持续降低；降水利用效率（RUE）的变化规律是先略有升高后下降。华北落叶松林三种不同表达形式的WUE变化幅度存在差异。其中，WUETr在0.01614.373g·m-2·mm-1变化，均值为5.72g·m-2·mm-1，整个生长季WUETr为6.933g·m-2·mm-1；WUEET在0.00810.718g·m-2·mm-1之间，平均为3.84g·m-2·mm-1，整个生长季WUEET为4.035g·m-2·mm-1；RUE变化幅度是0.0025.126g·m-2·mm-1，均值为1.81g·m-2·mm-1，整个生长季RUE为1.787g·m-2·mm-1。2)华山松林RUE的年际变化表现出“快速上升-缓慢上升-缓慢下降”趋势，但年际之间的波动幅度存在差异；而华北落叶松林和油松林的RUE呈现出波动快速上升的趋势。华北落叶松林和油松林与华山松林的RUE存在极显著差异（P＜0.01），但华北落叶松林和油松林的差异不显著。多年平均RUE(g·m-2·mm-1)的大小依次为：华北落叶松林（1.12）＞油松林（0.97）＞华山松林（0.45）；华北落叶松人工林的RUE年际变异最大（0.54），华山松林次之（0.45），油松林最小（0.41）。三种针叶林的RUE受降水量年内分配格局的影响。华山松天然林的RUE与上年8月降水量呈显著正相关，与当年911月降水量呈显著或极显著负相关；华北落叶松和油松林的RUE与上年9月降水量显著正相关，与当年4月降水量显著负相关，且华北落叶松林的RUE还与当年9月降水量显著正相关。华北落叶松和油松林的RUE与大多月份温度成正比，而华山松林的RUE与大多月份温度成反比。3、6月份温度显著或极显著的影响三种针叶林的RUE，6月温度还影响上年的RUE；华山松与2月月均温和月最高温度呈显著性负相关；华北落叶松林的RUE与4、5月份的温度呈显著正相关，而油松林的RUE与4月温度、5-8月份最低温极显著相关。华山松林的RUE与3月份的湿度极显著正相关，而华北落叶松和油松林的RUE与4月空气湿度显著负相关。4.几点认识1)随年降水量的增加，华山松林的RUE逐渐减小，而华北落叶松林和油松林的RUE均先略有升高后降低；在湿润年份，三种林分的RUE趋向于相同的最小值；而在干旱年份，三种林分也趋向于相同的RUE，但不一定是最大值。2)树木WUE随着研究尺度的扩大呈递减的趋势，这可能与光合产物和水分的无效消耗增多有关。同时，不同尺度影响WUE的关键环境因子不同。因此，在实践生产中要综合分析不同尺度上WUE及其主导环境因子，可能才能做到适地适树的原则。3)沙棘、山桃、油松和华北落叶松等4个人工主要造林树种在干旱条件和湿润条件下都具有较高的叶片WUE，是具有较高的抗旱能力的生态型节水树种，在干旱缺水地区可选为主要的造林树种。同时，不同的水分生境下，灌木和小乔木的WUE均大于乔木的，故干旱缺水区可适当减少乔木比例；树木的WUE具有保守性和变异性，可采取适度的抗旱锻炼等措施提高造林树种的WUE。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景与意义
• 1.1.2 项目来源与经费支持
• 1.2 国内外研究现状与评述
• 1.2.1 叶片水平的水分利用效率研究进展
• 1.2.2 个体水平的水分利用效率研究进展
• 1.2.3 群落水平的水分利用效率研究进展
• 1.2.4 水分利用效率的影响因素
• 1.2.5 存在的问题和展望
• 1.3 研究目标和主要内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要内容
• 1.4 研究技术路线
• 第二章 研究区自然概况与试验方法
• 2.1 研究区自然概况
• 2.1.1 六盘山试验区自然概况
• 2.1.2 小流域自然概况
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 试验设计
• 2.2.2 样地调查
• 2.2.3 叶片水分利用效率的测定
• 2.2.4 个体水分利用效率的测定
• 2.2.5 群落水分利用效率的测定
• 2.2.6 气象因子的测定
• 第三章 六盘山区典型植被的特征
• 3.1 典型植被群落的总体描述
• 3.2 各种典型植被的群落特征
• 3.3 小结
• 第四章 六盘山区主要树种叶片水分利用效率特征分析
• 4.1 主要树种叶片稳定碳同位素组成时空变化特征
• 4.1.1 主要树种叶片 13C 的冠层部位差异
• 4.1.2 主要树种叶片 13C 的种间和生活型差异
• 4.1.3 主要树种叶片 13C 的季节变化
• 4.1.4 主要树种叶片 13C 的生境差异
• 4.2 主要树种叶片水分利用效率时空变化特征
• 4.2.1 主要树种水分利用效率的冠层部位差异
• 4.2.2 主要树种水分利用效率的种间和生活型差异
• 4.2.3 主要树种水分利用效率的季节变化
• 4.2.4 主要树种水分利用效率的生境差异
• 4.3 讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 六盘山区主要树种个体水分利用效率及其对环境因子的响应——以华北落叶松为例
• 5.1 华北落叶松样树初级净生产力的季节变化
• 5.1.1 树干径向生长的季节变化
• 5.1.2 样树初级净生产力的季节变化
• 5.2 华北落叶松样树蒸腾的季节变化
• 5.2.1 树干液流的季节变化
• 5.2.2 样树蒸腾的季节变化
• 5.3 华北落叶松的个体水分利用效率
• 5.4 华北落叶松个体水分利用效率对环境因子的响应
• 5.5 讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 六盘山区典型群落水分利用效率及对气候的响应
• 6.1 泾源县多年（1960-2010 年）气象因子分析
• 6.2 三个主要针叶树种的年轮宽度变化
• 6.2.1 树干径向生长的年际变化
• 6.2.2 年轮宽度指数序列分析
• 6.3 三种典型针叶林生物量和生产力的年际动态及对气候的响应
• 6.3.1 三种典型针叶树生物量和初级净生产力的年际动态
• 6.3.2 三种典型针叶林生物量和初级净生产力的年际动态
• 6.3.3 三种典型针叶林初级净生产力对气候的响应
• 6.4 典型群落水分利用效率的年内动态——以华北落叶松林为例
• 6.5 三种典型针叶林的降水利用效率及对气候变化的响应
• 6.5.1 三种典型针叶林的降水利用效率的年际动态
• 6.5.2 三种典型针叶林降水利用效率随年降水量的变化
• 6.5.3 三种典型针叶林的降水利用效率对气候的响应
• 6.6 讨论
• 6.6.1 针叶林的生物量与初级净生产力
• 6.6.2 针叶林初级净生产力对气候响应
• 6.6.3 针叶林降水利用效率随年降水量的变化
• 6.6.4 针叶林的降水利用效率及其影响因素
• 6.7 本章小结
• 第七章 讨论与主要结论
• 7.1 讨论
• 7.1.1 水分利用效率研究方法的探讨
• 7.1.2 不同研究层次上水分利用效率的讨论
• 7.1.3 本研究结果对林业生产的意义
• 7.2 结论
• 7.2.1 主要树种叶片水平水分利用效率时空变化特征
• 7.2.2 主要树种个体水平水分利用效率变化特征——以华北落叶松为例
• 7.2.3 主要典型植被林分水平水分利用效率变化特征
• 7.2.4 方法的对比与研究的实践意义
• 7.3 展望
• 参考文献
• 在读期间学术研究
• 致谢