干旱胁迫下环境与生理因子对晋西黄土区刺槐人工林树干液流的影响

【目的】探究干旱胁迫对晋西黄土区刺槐人工林蒸腾耗水的影响,揭示干旱胁迫下环境和生理对刺槐蒸腾耗水的调控机制,为晋西黄土区刺槐人工林的经营和水分管理提供理论依据。【方法】以晋西黄土区刺槐人工林为研究对象,通过降雨拦截试验(整个生长季减雨50%),连续监测刺槐的树干液流变化,并同步监测环境因子和水分生理变化,分析环境和水分生理对树干液流的影响。【结果】(1)干旱处理显著降低了刺槐的液流速率(Js),干旱处理下平均Js(0.92 g/(cm^(2)·h))显著低于对照处理下的平均Js(1.87 g/(cm^(2)·h)),但其变化规律相似。(2)干旱处理影响了刺槐的枝、叶相对含水量,且随着干旱处理时间的延长,枝、叶相对含水量降低。不同处理条件下,刺槐枝、叶水势和水容均呈“V”字型变化,干旱处理下的枝、叶片水势(-1.22 MPa、-0.72 MPa)低于对照处理(-1.15 MPa、-0.60 MPa)。干旱处理下枝、叶水容降低,分别为0.52 g/(cm^(3)·MPa)和1.05×10^(-2)g/(cm^(2)·MPa)。(3)刺槐树干液流的变化受气象因子、土壤水分条件和水分生理因子的共同影响,不同处理条件下蒸散的主控因子均为太阳总辐射,干旱处理下枝、叶水容对刺槐树干液流速率的影响减弱,表明相较于干旱处理,对照条件下刺槐更依赖于组织水容储水来满足蒸腾耗水。【结论】研究揭示了干旱胁迫显著降低了刺槐液流速率,但未改变其液流活动规律。刺槐人工林树干液流变化受多种因子的共同影响,主导因子依次为气象因子、土壤水分和水分生理因子。研究结果有助于深入理解干旱条件下人工林的蒸腾耗水过程的变化特征,对评估气候变化条件下黄土区人工林生态系统的稳定性和生态水文过程具有重要意义。

晋西黄土区8种典型林分降雨再分配特征与影响因素

为揭示黄土区冠层降雨再分配的潜在分配特征,本研究以晋西黄土区8种典型林分(油松林、刺槐林、侧柏林、油松-刺槐混交林、侧柏-刺槐混交林、辽东栎林、山杨林和辽东栎-山杨混交林)为研究对象,探究降雨再分配过程并利用增强回归树(BRT)模型量化林分结构和气象环境因子的相对贡献,并根据BRT模型提取的最具影响力的因素进行多元回归,同时利用挖掘数据进行模拟验证预测模型。结果表明:研究区8种典型林分的穿透雨、树干茎流和冠层截留占降雨量的比例分别为24.5%~95.1%、0~13.6%和0.7%~55.7%;产生穿透雨的单次降雨阈值中,针叶林(3.06±1.21 mm)显著高于阔叶林(1.97±0.52 mm),但与针阔混交林无显著差异(3.01±0.98 mm);产生树干茎流的单次降雨阈值中,不同组成林分中无显著差异。BRT模型中,对于穿透雨和树干茎流,林分结构因子的影响占比较小,而对于冠层截留,林分结构因子则占主导地位;降雨量是决定穿透雨和树干茎流最重要的因素;树高是决定冠层截留最重要的因素,降雨量、冠幅面积、胸径和林分密度分列其后。对比一般线性函数和幂函数,本研究建立的BRT预测模型对穿透雨和树干茎流的预测效果有所提升,对冠层截留的预测仍需探究。综上,BRT模型可较好定量化评估林分结构和气象环境因子对降雨再分配各组分的影响,且所建预测模型模拟效果良好,可为制定林木配置优化策略提供科学依据。

晋西黄土区2种典型森林树种夜间液流特征及对环境因子的响应

了解晋西黄土区典型森林树种夜间水分利用对准确评价流域水循环和碳循环至关重要。但目前对于晋西黄土区典型森林树种夜间液流的变化特征及对夜间环境因子的响应尚不明晰。为了探究该地区典型树种的夜间液流分配特征及对环境因子的响应,于2021年6-10月,采用热扩散探针(TDP)对山西省吉县蔡家川小流域刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林和蒙古栎(Quercus mongolica)天然林中树木树干液流、土壤水分和小气候进行连续监测,利用时间序列模型(ARMAX model)区分夜间液流中夜间蒸腾(Tn)和茎干补水(Re)。利用机器学习模型XGboost和SHAP解释框架分析夜间液流量(Q_(Nighttime))与夜间环境因子的关系。结果表明:生长季刺槐和蒙古栎夜间蒸腾量占比(Tn/Q_(Nighttime))分别为73.97%和30.12%,茎干补水占比(Re/Q_(Nighttime))分别为26.03%和69.88%。机器学习XGboost模型结果表明夜间饱和水汽压差(VPD)和夜间土壤水分含量(SWC)是分别影响刺槐和蒙古栎夜间液流的主导因子。VPD、夜间气温(T_(a))、夜间相对湿度(RH)和整日液流量(Q_(Daily))分别达到0.30 kPa、19.84℃、85.3%和339.11 kg·h^(-1)后对刺槐夜间液流起促进作用。VPD达到1.5 kPa后对蒙古栎夜间液流起抑制作用,T_(a)和夜间风速(WS)分别达到23.11℃和0.58 m·s^(-1)后促进蒙古栎夜间液流。SWC对刺槐和蒙古栎夜间液流的影响具有一致性,即SWC在0-12.9%范围内会促进夜间液流。因此构建夜间液流模型时应考虑环境因子的影响。刺槐夜间液流主要用于夜间蒸腾作用,而蒙古栎夜间液流主要用于茎干补水。夜间VPD和SWC分别是影响刺槐和蒙古栎夜间液流的主导因子。该研究揭示了晋西黄土区2种典型树种夜间液流分配特征及与环境因子的响应,这对于准确理解气候变化下黄土区典型森林树种的稳定性具有重要意义。