干旱和坡向互作对栓皮栎和侧柏生长的影响

用年轮学方法测定了不同坡向的栓皮栎和侧柏的年轮宽度及相应的年树干面积增长量,同时测定了旱季碳稳定同位素比值(δ13C)及不同坡向之间的微气象指标差异,分析了不同坡向两种树木径向生长与旱季降雨量的关系,目的是探索在华北石质山区季节性干旱条件下坡向对栓皮栎和侧柏生长的影响。结果显示阴坡栓皮栎和侧柏年轮和年增加的截面积显著大于阳坡,两个树种都表现出阳坡δ13C值显著(P<0.05)大于阴坡,阳坡栓皮栎δ13C值比阴坡高1.17,而阳坡侧柏的δ13C值比阴坡高0.56。白天,阳坡气温高于阴坡、相对湿度低于阴坡、饱和蒸汽压匮缺高于阴坡。分析显示旱季降雨量和栓皮栎的树干截面积年增长量显著(P<0.05)相关,而旱季的降雨量和侧柏的截面积年生长没有显著关系。结果表明:相对于侧柏,干旱条件更严重的影响到栓皮栎生长和叶片水分利用效率,反映出这两种树木耐旱能力的差异,以及应对干旱策略的不同。华北石质山区的土壤储水能力低,阳坡较大的蒸散加剧了干旱对树木生长的不利影响。

华北山区非主要生长季典型人工林土壤呼吸变化特征

2005年11月至2006年3月,利用Li-8100土壤呼吸自动观测系统及AR-A-ECH土壤温度湿度自动观测系统,观测了华北山区30年生侧柏和25年生栓皮栎林土壤呼吸速率与土壤温度及湿度,分析了非主要生长季土壤呼吸变化特征。结果表明:(1)晴或多云条件下,2种人工林林地土壤呼吸速率都明显高于阴天,但日变化均不明显;整个非主要生长季,土壤呼吸速率(SRR)呈现出明显的日际变化特征;2005年11月至2006年1月,SRR呈显著降低的趋势,在2月份,维持在相对较低水平,进入3月中旬则迅速回升,降雪使SRR均有不同程度的增加;整个非主要生长季,侧柏林地与栓皮栎林地的平均SRR分别为0.61、0.39μmol.m-2.s-1。(2)2种人工林林地地表及地下5、10、15、20 cm深处土壤温度与SRR都存在显著的指数相关关系(p<0.01),且5 cm深处的土壤温度与SRR的相关性最好,侧柏和栓皮栎在该深处的Q10值分别是2.280和1.602;侧柏、栓皮栎林地SRR与土壤含水量分别呈显著的线性相关关系、多项式相关关系(p<0.01)。这2种人工林林地SRR与5 cm深处的土壤温度和土壤含水量均有很好的复相关关系(p<0.01),且比较偏相关系数表明:影响2种林地土壤呼吸速率的最主要土壤环境因子都是土壤温度。

华北低丘山地人工林蒸散的季节变化及环境影响要素

基于2007—2008年涡度相关观测资料,分析了华北低丘山地近30年生栓皮栎-刺槐-侧柏人工林生态系统蒸散的变化特征及其环境影响要素。结果表明,2007—2008年实验区气候较常年偏暖、偏旱。ET表现出单峰季节变化特征,秋冬季节较低,春夏季节(4—9月)蒸散旺盛。全年最高值出现在每年5月份,日峰值出现于13:00左右。2007—2008年平均蒸散量为546.1mm,降水量为354.1 mm,夏季(7—8月)和冬季(12—1月)的日蒸散量分别为2.19 mm/d和0.44 mm/d。温度是驱动ET季节变化的主要环境因子,饱和差也是影响蒸散季节变化的重要环境要素。土壤含水量对ET季节变化的影响并不显著,有近1/3日数的土壤含水量为0.16—0.18 m3/m3,期间日蒸散量平均值为1.0 mm/d。年蒸散量均高于降水量,蒸散量高于降水量的部分来自深层土壤水分的供给。

华北石质山区刺槐人工林的土壤呼吸

2006年1—12月,利用Li-8100土壤呼吸自动观测系统及AR5土壤温度湿度自动观测系统观测土壤呼吸速率、土壤温度及湿度,分析华北石质山区35年生刺槐林土壤呼吸速率时间变化规律及其影响机制。结果表明:1)刺槐林土壤呼吸速率日内变化特征不明显,但日际及季节变化明显,全年呈现出单峰变化趋势,且与土壤温度的日际及季节变化趋势基本一致。具体表现为:1—3月土壤呼吸速率较低,日际变化略有波动,从4月开始逐渐上升,直至7月达到最大值,而后开始逐渐下降,直至11月约降低至1—3月时的水平,并保持到12月。全年土壤呼吸速率平均值为2.50μmol·m-2s-1,主要生长季(4—10月)土壤呼吸速率明显高于非主要生长季(1、2、11及12月),二者分别为3.63与0.90μmol·m-2s-1。2)刺槐林地土壤呼吸速率与表层0cm、地下5、10、15和20cm深度处土壤温度都存在极显著的指数相关关系(p<0.01),且与土深20cm处温度的相关性最好。上述不同深度处的Q10值分别是2.20、2.28、2.34、2.40和2.48。3)刺槐林地土壤含水量与土壤呼吸速率的相关关系不明显。

山茱萸光合及水分利用特征对土壤水分胁迫的响应

为给华北低山丘陵区山茱萸栽培与管理提供必要的科学依据,本试验观测了不同土壤水分条件下华北石质山区3年生山茱萸叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔限制值（Ls）、水分利用效率（WUE）等参数的光响应过程,分析了水分胁迫对光合及水分利用特性的影响。结果表明：（1）土壤水分轻度（H1）、中度（H2）和重度胁迫（H3）条件下,山茱萸叶片光饱和点（LSP）比无水分胁迫（对照,CK）时分别低40%、60%和80%,晴天日光合速率最大值比CK分别低20.3%、40.0%和73.1%;（2）蒸腾速率（Tr）随光合有效辐射（PAR）的增加而上升,但重度水分胁迫条件下,上升趋势比较缓慢。对比CK,Tr在H1、H2和H3条件下分别下降了17.06%、34.05%和87.8%;（3）气孔导度（Gs）随着PAR的增加而逐渐上升。对比CK,H1、H2、H3在PAR为0-2 000μmol/（m^2.s）范围内,Gs平均值分别下降了23.26%、46.52%和89.03%。无水分胁迫—中度水分胁迫条件下,气孔限制是影响光合作用的主要原因,而土壤水分严重胁迫条件下,当PAR小于1 000μmol/（m^2.s）时,气孔限制是影响光合作用的主要原因,随后转变为非气孔限制;（4）水分利用效率（WUE）随着光合有效辐射（PAR）的增加迅速上升;当光合有效辐射（PAR）超过600μmol/（m^2.s）以后,水分利用效率（WUE）随着光强增加变化较小,基本维持在较高的水平。

华北低丘山区2种林药复合模式的水分利用

采用稳定碳同位素技术和树干液流法对华北低丘山区3 m×8 m核桃—菘蓝/决明子复合模式不同生长时期的水分利用效率、耗水量和产量等相关指标进行了研究。结果表明,复合模式的土壤含水量分别比单作核桃和单作药用植物高11.86%和21.06%;间作菘蓝水分利用效率在苗期高于单作菘蓝,在其它时期均小于单作菘蓝。间作决明子水分利用效率在各个时期均小于单作决明子;在复合系统中,单位土地面积上核桃与菘蓝的耗水比例是0.70∶1,核桃与决明子的耗水比例是1.79∶1。单作系统耗水量均高于间作系统,其中,单作核桃耗水量比间作核桃高10.90%,单作菘蓝和决明子耗水量分别是间作模式的1.65倍和2.17倍;单位面积土地上复合系统的产量均小于单作系统,而总收入分别是单作核桃和单作药用植物的1.47倍和1.24倍;复合模式的水分产值效率为17.84元·t-1·hm-2,比单作菘蓝和决明子的高24.32%;复合模式的产量土地当量比为1.98,较单作模式增产率达98%。总体上,核桃—菘蓝/决明子复合模式比单作系统耗水量少,水分利用效率提高、水资源获得高效利用,同时具备生产优势和经济优势,该模式进一步完善后可适当推广。研究结果对进一步丰富复合农林业水分生态理论,促进相关学科的发展,具有重要的指导意义。

稳定碳同位素测定水分利用效率——以决明子为例

通过称重法和稳定碳同位素方法对盆栽决明子生长不同时期不同部位(根、茎、叶)的碳同位素组成(δ13C)、碳同位素分辨率(Δ)和水分利用效率(WUE)进行了研究,并分析了它们之间的相关关系,结果表明:决明子不同部位δ13C值表现为根>茎>叶,Δ为根<茎<叶,不同时期方差分析显示只有根部差异显著,茎叶的δ13C值、碳同位素分辨率分别与水分利用效率呈显著的正相关和负相关关系。称重法得出的WUE和不同部位(根、茎、叶)碳同位素测定的水分利用效率(WUER、WUES、WUEL)有显著正线性相关,其中与WUEL相关系数最大为0.86,与WUES、WUER的相关系数分别为0.80和0.82。说明利用稳定碳同位素方法测定决明子水分利用效率具有可行性,尤其是利用叶片测定的水分利用效率得到更为可靠的结果。

华北低丘山地人工林蒸散的控制因子

人工林蒸散的影响机制研究对指导我国林业生态工程建设有重要意义。基于涡度相关技术,对华北低丘山区30年生栓皮栎-刺槐-侧柏人工混交林进行了连续2a的观测,以探讨蒸散的控制因子。结果表明:退耦系数(Ω)与冠层导度的季节动态有很好的一致性。2007、2008年的快速生长季Ω变化范围分别为0.12—0.62、0.08—0.54,平均值分别为0.37、0.23,快速生长季蒸散主要受气孔控制。2008年比2007年偏旱,该年快速生长季的退耦系数、冠层导度和蒸散低于2007年,发生干旱时蒸散主要受气孔限制。气孔对蒸散的限制作用在大气湿度较低时较高,并且这种限制作用在发生干旱时会进一步加剧。快速生长季内辐射是影响蒸散的主要环境因子,辐射资源丰富的年份气孔对蒸散的控制程度更高。

华北石质山区杜仲人工林蒸腾特征及水分供求关系

采用由热扩散树干液流技术测算得到的、周期为2个主要生长季节(4—9月)杜仲人工林蒸腾数据,结合同步观测得到降雨量以及冠层微气象数据,分析了华北石质山区10年生杜仲人工林耗水规律及水分供求关系,旨在为该地区杜仲的发展提供必要的水分生态理论依据。结果表明:(1)杜仲人工林蒸腾量(TR)呈现出明显的日内变化和日际变化特征,在晴天条件下,杜仲人工林蒸腾呈现单峰变化趋势,在多云及阴天条件下,呈现多峰变化趋势;阴天日蒸腾值明显低于晴天及多云日;杜仲蒸腾的日际变化表现为:4—5月逐渐升高,6月份左右达到高峰值,7月份逐渐降低,2005年及2006年4—9月蒸腾总量分别为268.5、212.0 mm,4—9月各月蒸腾总量所占总蒸腾量的比例在2005年分别为12.3%、20.4%、20.2%、18.2%、15.9%和13.0%,在2006年分别为10.6%、21.7%、23.3%、17.4%、14.6%和12.4%;(2)TR与冠层太阳总辐射(Ra)、空气温度、湿度及风速等微气象要素有很好的复相关性(α=0.01),各月影响TR的最主要微气象因子都是Ra;(3)4—9月降雨总量(P)与TR的比值(P/TR)都大于1.0,且除4月份外,各月P/TR也大于或接近于1.0,说明降水可以满足杜仲人工林蒸腾耗水的需要。

太行山南麓山区栓皮栎-扁担杆生态系统水分利用策略

分析了太行山南麓低丘山区降水、泉水、地下水、土壤水以及栓皮栎、扁担杆的氢氧稳定同位素特征,结合Iso Source模型确定了栓皮栎和扁担杆水分来源的季节性差异,并对栓皮栎和扁担杆水分利用策略进行分析。结果表明,同一生态系统中的栓皮栎和扁担杆枝条水的δ18O和δD值差别明显。雨季中栓皮栎和扁担杆水分来源较浅,以0—20 cm土壤水分为主,但旱季中栓皮栎和扁担杆水分主要来源均比雨季明显加深,其中栓皮栎主要利用40—60 cm土壤水分,扁担杆则主要利用20—40 cm土壤水分。此外,旱季后期栓皮栎还利用部分泉水,其比例达到了19.6%。二者水分来源的不同,使得栓皮栎与扁担杆在旱季期间能避开用水冲突。旱季中生长在生态系统上层的栓皮栎中午部分气孔关闭,蒸腾速率下降,生长在生态系统下层的扁担杆日均蒸腾速率、气孔导度则分别比栓皮栎下降了46.94%和30.58%。栓皮栎和扁担杆分别采取了深水源及部分气孔关闭和浅水源及低蒸腾耗散的水分利用策略来利用旱季中有限的水分,因而其组成的生态系统表现出较强地适合太行山南麓脆弱环境的生态适应性。

华北石质山区山茱萸人工林蒸腾特征及水分供求关系

于2005年及2006年主要生长季节(4—9月),采用由热扩散植物液流技术测算得到的蒸腾速率数据,结合同步观测得到降雨量,分析华北石质山区15年生山茱萸人工林耗水规律及水分供求关系。结果表明:1)山茱萸人工林蒸腾量呈现出明显的日际变化或月变化特征。表现为4—5月逐渐升高、6月左右达到高峰值、7月以后逐渐降低。2005年及2006年4—9月蒸腾总量分别为265.3和194.9mm,4—9月各月蒸腾总量占蒸腾总量的比例在2005年分别为10.7%、22.3%、21.6%、21.2%、12.9%和11.2%,在2006年分别为16.2%、20.2%、20.3%、17.9%、13.6%和11.2%;2)蒸腾与冠层太阳总辐射、空气温度、湿度及风速等微气象要素有很好的复相关性(α=0.01),偏相关系数表明,各月内影响蒸腾的最主要微气象因子都是冠层太阳总辐射;3)4—9月降雨总量与蒸腾总量的比值(R/Tr)>1.0,且除4月外,其他各月R/Tr也大于或接近于1.0,说明除4月外,降水可以满足山茱萸人工林蒸腾耗水的需要。

基于侧柏液流的测定对Granier原始公式系数进行校正

为研究Granier原始公式计算单株树木蒸腾耗水量的准确性,以侧柏作为研究对象,采用热消散方法测定在15、30、50、70和90 cm水柱高度形成不同压力梯度下的树干液流通量密度,并以称重法作为对照,利用回归分析方法拟合称重法测定的液流通量密度与热消散法测定的树干液流温差系数(K值),进而建立校正公式。结果表明:基于侧柏校正的Granier公式为Fd=0.0115K0.5581(R2=0.8319)。与称重法测定的液流通量密度相比,校正的Granier公式计算的结果略高(6.70±0.02)%,而Granier原始公式计算的则低估(78.53±0.04)%。由此可知,采用校正的Granier公式计算侧柏的液流通量密度具有较高的精度。

降雨对华北石质山地侧柏林土壤温湿度及水分运移的影响

以华北石质山地侧柏林为研究对象,运用氢稳定同位素(δD)技术,结合大气、土壤的温湿度,探讨雨季和旱季降雨对不同深度土壤温湿度动态及水分运移的影响。结果表明:土壤温度在雨季随降雨产生先减小后增大,随土壤深度增加而降低,而旱季初期则随降雨持续减小,且随土壤深度的增加而升高。雨季和旱季,土壤湿度随降雨先增大后减小,且均随土壤深度的增加而下降。雨季前期土壤湿度较低时,中雨可使表、中层土壤湿度增加较多,且该层土壤水δD贫化,即降雨优先补给表、中层土壤;而前期降雨充足时,中雨使下层土壤湿度增加较多,而所有土壤水δD均贫化,即降雨可较快入渗到深层土壤。大雨使所有土层湿度增加且差异较小、δD贫化,即降雨可迅速入渗全部土层。旱季初期,中雨使表层湿度增加较多,即使前期土壤湿度较低时,雨后全部土壤水δD均贫化,即中雨也可较快入渗到深层土壤,进一步补给地下水。表层枯落物水δD值受降雨δD值直接影响,随降雨产生先贫化后富集;而浅层、深层地下水δD值皆较稳定,几乎不受短期降水影响,可为干旱季节植被生长提供重要水源。

华北低山丘陵区冬小麦田土壤呼吸变化规律及其影响机制

利用2005年11月-2006年6月由Li-8100土壤呼吸自动观测系统及AR5土壤温度湿度自动观测系统观测数据，分析了华北低山丘陵区冬小麦田土壤呼吸变化规律及其影响机制。结果表明：（1）冬小麦返青前后的土壤呼吸速率（SRR）在晴或多云天气条件下都要高于阴天，SRR的日变化都表现为单峰变化趋势。（2）冬小麦生育期SRR的日际变化特征为：返青前SRR保持在较低水平，平均为0．63μmol·m^-2·s^-1；返青后SRR迅速增加，至抽穗期达到最大，此后保持稳定，平均为2．18μmol·m^-2·s^-2；收割后SRR降低。整个生育期SRR的平均值为1．28μmol·m^-2·s^-1。（3）冬小麦田浅层土壤温度（包括地表温度、地下5cm、10cm、15cm、20cm土壤温度，P〈0．01）与SRR间都存在显著的指数关系，其中20cm土壤温度与SRR相关性最好，Q10值（5—20℃间气温每增加10℃呼吸增加的倍数）从表层至地下20cm依次为：2．09、2．29、2．39、2．51、2．63；土壤含水量过低对土壤呼吸有抑制，当土壤含水率在20％～30％时，SRR主要受土壤温度影响．与土壤含水量的关系不显著。

侧柏叶温及叶绿素荧光特性对土壤水分胁迫的响应

为了研究土壤水分与植物生长间的关系,以侧柏为材料进行盆栽试验,人工控制土壤水分,设置4个水分梯度(正常供水、轻度水分胁迫、中度水分胁迫、重度水分胁迫),测定其叶温和叶绿素荧光参数。结果表明:随着干旱胁迫的加剧,叶温和非光化学淬灭升高;初始荧光F0总体上表现为逐渐上升的趋势;而最大荧光Fm、可变荧光Fv、PSⅡ最大原初光化学量子效率Fv/Fm、PSⅡ的潜在活性Fv/F0、PSⅡ实际光化学量子效率和表观光合电子传递速率均表现为下降。参数的日变化呈现单峰型曲线:PSⅡ实际光化学量子效率和非光化学淬灭的日变化曲线为凹形,而表观光合电子传递速率日变化曲线为凸形。可知干旱胁迫导致PSⅡ的电子传递效率降低,降低了光能利用率,影响其光合作用。

华北低山丘陵区农林间作系统中小麦根系时空分布及边行效应研究

通过调查小麦-石榴间作系统及单作作物系统中冬小麦根长密度,分析了冬小麦在间作模式下根系的空间变化规律及边行效应.结果表明,在间作系统中,在空间上冬小麦根系主要分布在0～40 cm土壤层,80 cm以下根长密度较小,在垂直方向上随深度的增加符合幂函数衰减规律,呈"T"型分布.在时间上冬小麦吸水根长密度从返青期开始增加,在灌浆期达到峰值,乳熟期略有下降,呈现"低-高-低"的变化趋势.在各个生育时期,不同位置间作小麦吸水根长密度的大小为N80>S80>N160>S160>Center,在水平方向上呈"两边多、中间少"分布趋势.与单作系统相比,Center处的间作小麦根长密度略有下降,但N80,S80,N160和S160间作小麦根长密度明显增加,边行效应明显.灌浆期中单作小麦根长密度等值线明显高于S80,S160,N160和N80的间作小麦,表明在相同的根系等值线条件下,间作小麦根系下扎深度要深于单作小麦,且越靠近石榴下扎深度越深,边行根系生长优势有利于间作冬小麦对有限水资源的竞争.

华北南部低丘山地刺槐林土壤温度与冠层气温关系的研究

土壤温度是大气与陆地表面水热循环共同作用的结果，受实际气象条件、地形、土壤质地、地表植被类型及冠幅、土壤水分等诸多因素的共同影响，因此，相对于气温，土壤温度的观测和资料获取更加复杂和繁琐。目前，土壤温度资料的获取手段主要为野外实测，包括气象台站的日常观测及基于特定科研需要的试验观测，但目前气象台站的观测数据通常是离散的，在空间上不连续，难以满足生产和研究工作的需求J。

华北低山丘陵区土壤CH_4通量对脉冲降雨的响应

基于箱式—激光法的CH4通量自动观测系统(SF-3000)研究脉冲降雨对华北低山丘陵区刺槐人工林土壤CH4通量连续变化的影响。同步观测试验点地表以下5 cm深度处土壤温度(T5)及其土壤含水量(S5)、林内大气温度(Ta)和相对湿度(HR)以及总辐射(Ra)等气象因子。结果表明:降雨显著抑制了土壤CH4通量,这种抑制作用一般能维持几天左右。在降雨前,刺槐人工林土壤CH4通量的日变化表现出"V"型结构;而在降雨后,却较复杂,呈"W"和"V"型两种结构。在不同降雨强度影响下,土壤CH4通量在不同时期的差异显著,但各气象要素在不同时期差异显著不同。

非生长季刺槐林土壤CH4通量的变化特征及其影响因子

[目的]探讨在非生长季不同天气条件下45年生刺槐林土壤CH4通量的日变化和季节变化特征,并确定其主要影响因子。[方法]2014年10月—2015年4月(非生长季),在华北低山丘陵区黄河小浪底森林生态系统定位研究站,利用基于离轴积分腔输出光谱技术的土壤CH4通量自动观测系统,对土壤CH4通量进行连续观测,同步观测林内大气温度和相对湿度、5 cm深处土壤温度和土壤湿度、林内总辐射以及降雨量,分析各因子间的相互关系并确定影响土壤CH4通量的主要因子。[结果]表明:(1)在非生长季,刺槐人工林土壤为大气CH4重要的汇,变化范围为-0.15^(-2).34 nmol·m^(-2)·s^(-1)。晴天的林地土壤吸收CH4能力(-0.78 nmol·m^(-2)·s^(-1))明显高于阴天(-0.61 nmol·m^(-2)·s^(-1))、降雨或降雪天气(-0.58 nmol·m^(-2)·s^(-1)),而且呈"V"型日际变化特征;在2014年11月—2015年1月,土壤吸收CH4能力逐渐下降,并维持相对较低的水平,直至2015年3月达到最大值(^(-2).34 nmol·m^(-2)·s^(-1));(2)土壤CH4通量与大气温度、5 cm深处土壤温度呈显著负相关,与相对湿度呈正相关;在2015年1月,土壤CH4通量与总辐射呈正相关;(3)在生长末期土壤上冻阶段和冬季土壤冻结阶段,大气温度和相对湿度为影响土壤CH4通量的主要因子;而在生长季初期,主要的影响因子为大气温度和5 cm深处土壤温度。[结论]非生长季刺槐林土壤表现为大气CH4的汇,在非生长季初期土壤吸收CH4的能力最弱,主要受大气温度和相对湿度的影响,而在非生长季末期土壤吸收CH4的能力逐渐增加,主要受大气温度和土壤温度的影响。

多通道土壤呼吸长期自动测量系统的集成与性能测试

全球气候变化已成为公众和科学界关注的热点。CO2作为一种重要的温室气体,其源、汇及通量的精确测定备受重视。全世界范围土壤呼吸高达80．4PgC·a^-1，仅次于海洋释放到大气的CO2通量，