2016-2017年小浪底栓皮栎人工林碳水通量观测数据集

全球变化背景下,人工林在区域碳水循环中的重要作用受到越来越多的关注。栓皮栎(Quercus variabilis)是我国天然分布最广的树种之一,太行山南麓位于我国黄河重点生态区,属我国林业工程重点区域,在该区域开展栓皮栎人工林水碳通量观测研究对我国林业生态工程建设、人工林碳汇功能评估有重要意义。自2005年以来,河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站(简称小浪底站)采用涡度相关通量观测技术,长期开展了栓皮栎人工林碳水通量监测与研究。本数据集为参考中国陆地生态系统通量观测研究网络(China FLUX)质量控制和处理规范整理加工的2016–2017年小浪底站栓皮栎人工林通量和常规气象要素数据,包含生态系统总初级生产力、生态系统呼吸、净生态系统碳交换量、潜热和显热通量及空气温湿度、水汽压、风速、风向、辐射、大气压、降水量、土壤温湿度等气象要素,形成了半小时、日、月和年尺度数据产品。本数据集为人工林生态系统管理、区域碳收支评估提供数据支撑,有助于推动我国野外台站数据共享和数据规范化管理。

光温条件和土壤湿度对栓皮栎幼苗蒸腾潜热和叶温的影响

研究光温条件和土壤湿度对栓皮栎幼苗叶片蒸腾的影响程度,以及太阳辐射、蒸腾和对流换热对叶温形成的贡献。用盆栽遮雨和称量法,控制土壤干旱胁迫水平(体积含水量)为轻度(12.5%~14.5%)、中度(9.5%~11.5%)和重度(5.5%~7.5%),并分别在自然和人工气候箱(温度控制在25~43℃)的环境下测定蒸腾速率和气象因子;用热量分析方法,定量确定各因子对叶温差的贡献。结果表明:1)轻度干旱下,蒸腾速率与正常土壤水分下相近,重度干旱胁迫下蒸腾速率降到1.5 mmol/(m^2·s)以下;2)晴天的蒸腾速率与太阳辐射关系密切,呈正相关,不同土壤水分胁迫下的斜率不同,表明太阳辐射是蒸腾的主导因子;3)多云天时,蒸腾速率与太阳辐射的线性关系明显下降,说明白天蒸腾一旦开始,蒸腾速率不因短时间的太阳辐射下降而降低;4)在3个土壤干旱水平下,气温都不是蒸腾的主导因子。人工气候箱试验条件下,蒸腾速率虽与气温线性关系明显,但蒸腾速率明显小于晴天自然条件下。同时也说明,轻度干旱不影响栓皮栎蒸腾;在静风条件下,太阳辐射是栓皮栎叶温变化的主导因子,可使叶温变化7℃左右,占叶温变化的50%~70%;蒸腾潜热和对流换热项可使叶温变化1~2℃左右,各占叶温变化的10%~20%。本研究为构建栓皮栎的WSI,以及用叶气温差诊断栓皮栎土壤水分提供理论依据。

静风下土壤水分胁迫的栓皮栎幼苗气候空间上限列线

栓皮栎幼苗气候空间上限列线(SLCSUL)是反映高温胁迫温度指标的重要特征。研究选择在典型晴天,控制风速为0.2 m/s以下,测定并分析不同土壤干旱胁迫条件下,栓皮栎幼苗叶气温差随太阳辐射的变化规律,进而确定其气候空间上限列线(SLCSUL)。结果表明:1)太阳辐射对叶气温差起主导作用,晴天、静风条件下,上午叶气温差随太阳辐射强度的增强而增大,呈显著线性相关关系;2)叶气温差与太阳辐射线性相关的斜率均随土壤湿度的增加而降低,并呈显著线性相关;3)中午且严重干旱条件(土壤湿度为5%)下的叶温要比适宜土壤湿度下的叶温提高3℃,说明不同土壤湿度下,栓皮栎幼苗叶温随太阳辐射的变化而变化,与不同风速下叶温变化有相似的规律,不同土壤湿度也形成气候空间列线。该研究丰富了植物气候空间理论,并为农作物等其他植物多因子作用的热胁迫指标的确定提供指导。

栓皮栎实生幼苗生长发育动态特征

为了解栓皮栎幼苗各器官在不同季节的生长动态,以便进一步研究和探讨幼苗生长受阻和死亡的原因,本研究详细跟踪0~3年生栓皮栎幼苗的生命进程,测定幼苗各器官生长量、干物质量以及糖分浓度。结果表明:1)1年生幼苗夏季茎和叶片有明显的生长受阻现象;2)1~2年生幼苗根生长除12月至翌年3月的冬季停止伸长外,一直伸长生长,3年生幼苗根则伸长生长缓慢;3)由种仁干物质消耗和糖分浓度分析可知,1年生幼苗夏季(6月上旬开始)的生长受阻,与种仁剩余量和糖分浓度最低相匹配;4)6月上旬种仁总糖浓度开始低于叶片总糖浓度,此时起种仁不再是植株主要的营养供体;5)2、3年生幼苗从3月中旬开始生长,至7月份生长变缓,没有生长停滞现象;因此,0~3年生栓皮栎幼苗生态策略为保证主根生长,1年生幼苗存在夏季生长受阻现象,这与幼苗抗性最弱(异养自养转换)的时期密切相关,2、3年生幼苗无生长停滞现象。

不同密度栓皮栎幼苗冠层结构与LAI关系的分析研究

为分析栓皮栎幼苗冠层结构与种植密度的关系,利用LAI-2000植物冠层分析仪、Yaxin-1201植物冠层分析仪和收获法分别测定不同密度下栓皮栎幼苗群体冠层LAI值与群体中不同高度层的LAI值.结果表明:(1)栓皮栎幼苗叶片分布在顶部稀疏,中下部密集,活动面高度在植株高度的1/2处.(2)对于3年龄幼苗50~91株/m2的高种植密度不会制约幼苗生长,因此在栓皮栎苗圃育苗中应当合理密植,以提高苗木产量.(3)Yaxin-1201和LAI-2000植物冠层分析仪测定值与收获法测定值差异不显著(P>0.01).

栓皮栎出苗期的活动温度和积温研究

利用分期播种的试验方法,在人工气候箱和苗圃地两种环境下,采取人工模拟环境和自然环境分别测试栓皮栎出苗期土壤温度及出苗率.依据积温学说进行数据处理,确定了栓皮栎的活动温度和出苗所需的活动积温.结果表明:1)在人工环境中,当设定环境温度为6℃时,栓皮栎种子未发芽;当环境温度提升至8℃时,种子零星发芽;当设定环境温度为10℃与12℃时,其出苗率接近80%,因此确定栓皮栎的活动温度为10℃.2)在人工环境中,出苗率为60%与80%的积温相差较小,平均出苗积温为1000℃·d;在自然环境中,由于受环境影响栓皮栎幼苗出苗整齐性较差,因此以出苗率为60%对应的活动积温1300℃·d作为栓皮栎幼苗出苗活动积温.

荆条灌丛荫庇对栓皮栎幼苗叶片的降温效应研究

为了解干旱半干旱地区生境中现有灌木植物群丛形成的微气候,有效利用荆条灌丛对冠下栓皮栎幼苗的荫庇作用,选择晴朗无风或微风试验条件,用红外热成像仪测定荆条灌丛下和无荆条荫庇对照下的栓皮栎幼苗叶温,并与栓皮栎幼苗叶片高温胁迫指标对比,分析遮阴减少高温胁迫的程度和时间.结果表明:荆条灌丛下与对照下栓皮栎幼苗叶温有明显差异,特别是荆条北1/2栓皮栎幼苗叶温明显低于对照下叶温,且叶温在观测期内变化幅度小;荆条南北栓皮栎叶温也有明显差值,荆条南部12:00时因阳光与枝倾角相近,光线透射,叶温差值最大,夏至日附近表现最明显,超过高温胁迫指标较多,但持续时间短;在荆条庇荫下,或在自然状态下,栓皮栎幼苗叶温与气温的变化趋势相同,但气温整体位于荆条灌丛南北侧叶温之间;自然条件下,栓皮栎叶温超过高温胁迫指标的程度逐渐增加,从春季的1℃左右,增加至夏季的2~3℃,时间从1 h变化到4 h.荆条灌丛下南1/2栓皮栎幼苗叶片中午前后有明显的光斑而出现高于高温胁迫指标的情况,平均高出4.6℃,持续时间1~2 h;荆条荫庇的区域栓皮栎幼苗叶温均低于高温胁迫指标.

作物水分胁迫指数模型中下限温度的参数化:以栓皮栎人工林为例

作物水分胁迫指数(CWSI)模型中的下限温度指水分充足时的冠层温度(T_(c))或冠气温差(dT),对模型量化植被水分状况精度有较大影响。目前,基于数据驱动方法直接估算下限温度已在大田作物中取得成功,但尚未见其在森林生态系统中的适用性报道。本研究以太行山南麓栓皮栎人工林为研究对象,连续同步观测T_(c)和气象数据,评估使用多元线性回归模型和BP神经网络模型估算下限温度的可行性,以及CWSI指示人工林水分状况的精度。结果表明:在不具备灌溉条件的森林生态系统中,将以土壤含水量、风速、净辐射、饱和水汽压差、气温作为输入参数的多元线性回归模型与BP神经网络模型中的土壤水分条件设为饱和,即可获得下限温度;将下限温度与理论公式确定的上限温度结合,对实测T_(c)或dT进行归一化获得CWSI,可实现对栓皮栎人工林水分状况的无损、快速、自动诊断。其中,基于BP神经网络模型确定的水分充足条件下的dT作为下限温度,并与上限温度结合获得CWSI,最适合精准量化人工林水分状况,与实测水分状况之间的决定系数、均方根误差和一致性指数分别为0.81、0.08和0.90。本研究结果可为森林生态系统水分状况的高效、精准监测提供参考方法。