论文摘要
杨树是世界中纬度平原地区栽培面积最大、木材产量最高的速生用材树种之一,也是我国北方速生用材林的主要树种。毛白杨（Poulus tomentosa）因具有速生、丰产的优点,被广泛栽植于我国华北平原地区。毛白杨巨大生长潜力的发挥和林地生产力的提高,其根系吸水功能的充分发挥至关重要。实现根系吸收功能最大化,需明确根系的吸水潜力以及林木采取的水分吸收和利用策略。本文以栽植于我国华北平原的毛白杨人工林为研究对象,在开展根系系统性状及其时空变异特征、根系吸水策略、林冠蒸腾耗水特征以及林地耗水模型预测等研究的基础上,解析了毛白杨人工林“根系分布-根系吸水-林冠耗水”系统过程,综合分析并阐明了毛白杨SPAC系统水分吸收传输利用策略,同时,还实现了浅层土壤水分充足条件下的林冠蒸腾和土壤蒸发的准确预测,为制定毛白杨人工林林地精准水分管理制度提供参考。本文的主要结果和结论如下:（1）对不同林龄和栽植密度的毛白杨人工林细根（≤2 mm）进行连续大量取样,通过测定毛白杨细根根长密度、根表面积密度、根重密度、根平均直径、根组织密度和比根长6个指标,进行不同林分间的对比。结果表明:毛白杨细根集中分布于土壤表层20 cm（根长密度约占25%-44%）,且在70-140 cm深土层中相对富集。林龄和栽植密度的变化不会改变毛白杨细根的垂直分布模式,但会导致其在深土层的富集程度随林龄的增加逐渐增强。林龄和栽植密度的增大引起毛白杨细根水平分布由递减向均匀变化。毛白杨细根形态空间变异性较小,但表现出随林龄变化的时间变异性。在3-7年生林分中,随林龄增加,毛白杨细根中0-0.1 mm的吸收根比例下降、0.2-0.7 rmm的运输根比例增加,根系系统整体的水分传输功能增强。不同林龄间,毛白杨根系的d50（累计50%细根的分布深度）和d90（累计90%细根的分布深度）的变化范围分别为32.3-62.0 cm和118.0-137.0 cm。林龄和栽植密度的变化不会大幅改变毛白杨细根的分布深度,但会对其在不同深度的分布比例产生影响。（2）在地下水位平均变幅为363 cm的环境条件下,从根系系统分布和性状调控角度分析毛白杨根系对长期地下水位波动环境的适应特征。结果表明:毛白杨根系在长期地下水位波动环境下形成的适应策略包括:深根系系统（最大深度270 cm）;在浅土层中分布广泛且密集的水平侧根;具备同时利用深层和浅层土壤资源能力的骨骼根。（3）在自然生长条件下,采用时域反射技术（TDR）对7年生毛白杨林地土壤含水率进行定期监测,利用水量平衡法推算不同空间位置上的根系吸水量,并结合根系形态的空间分布特征,计算根系吸水效率。同时,对生长季内不同时期林木枝条、土壤水和地下水的稳定同位素比率进行测定。结果表明:毛白杨根系吸水速率具有较强的时空变异性。土壤表层含水率较高的时期,表层根系吸水速率也相应升高。尽管深层土壤水分更充足,但毛白杨根系仍优先利用浅层土壤水。其根系在140 cm以上土壤内的吸水量占土壤剖面吸水总量的69%,明显高于深层土壤,且在距树50 cm内和宽行行中央相对占优。毛白杨根系在220-260 cm的深土层中吸收量较低,平均仅为0.0835 m3 cm-3。根长密度表现出与根系总吸水量相似的空间分布特征,垂直方向上均集中在土壤表层10 cm和80-140 cm 土层内。虽然深土层（220-260 cm）中分布的细根仅占整个土壤剖面的3%,但其吸水量占土壤剖面总量的12%,深层（220-260 cm）根系吸水效率是0-140 cm 土层中根系的3倍。因此,毛白杨采取增大深层根系的吸水效率的策略对深层水资源进行吸收利用。毛白杨属于地下水湿生植物,可直接吸收利用地下水资源。其根系对地下水的吸收利用比例随地下水位的升高而增大,试验期间最高可达到81%。（4）利用热扩散探针对毛白杨人工林树干液流进行持续动态监测,分别对白天和夜间液流的季节变化特征进行分析,并将其与林地环境因子进行相关性分析。结果表明:试验期间,毛白杨人工林白天和夜间用水的平均值分别为1.90和0.12 mm d-1,夜间用水的季节动态规律与白天用水不同,且二者均存在年际间变异。树干补水占夜间液流总量的61%,且夜间液流占全天液流总量的比例在生长季初期和末期显著升高（最高可达0.64）,有助于毛白杨木质部导水率的及时恢复。地下水对毛白杨人工林的夜间用水具有补偿效应:地下水位高于170 cm时,毛白杨对地下水的利用能够帮助减少树干储存水的消耗;当地下水位深于210 cm时,地下水对夜间用水的补给很少,故该时期为毛白杨林地补水的关键期。白天液流与各气象因子间均呈显著正相关关系（P<0.001）,而夜间液流则随着气象因子的增加而降低（P<0.01）。控制毛白杨人工林白天和夜间液流的关键气象因子不同,且均会随着林龄的增加发生改变。除参考作物潜在蒸散量（ET0）外的各单一气象因子中,水气压亏缺（VPD）和光合有效辐射（PAR）分别在2010年和2011年对白天用水的解释程度最高,分别为53.0%和63.8%,而VPD则主要在2011年对夜间用水起控制作用（27.0%）。（5）利用田间实测林冠蒸腾和土壤蒸发数据,基于FAO作物系数法,分别建立毛白杨人工林基础作物系数（Kcb）和土壤蒸发系数与叶面积指数（LAI）及土壤温度间的定量关系,构建林冠蒸腾和土壤蒸发经验预测模型。结果表明:基于LAI数据建立的Kcb模型能够较好地预测土壤水分充足条件下的毛白杨人工林林冠蒸腾,RMAE为16%。但Keb与LAI间的定量关系会随林龄和浅层土壤水分有效性发生改变,且变化主要体现在Kcb饱和值及相应的LAI关键值上。土壤水分充足的滴灌条件下,土壤蒸发在雨季前（4-6月）表现出明显的空间异质性,湿润区的土壤蒸发占全年土壤蒸发总量的66%。构建的L-ww模型（利用水分充足条件下的LAI数据建立的土壤蒸发预测模型）和LT-ww模型（利用水分充足条件下的LAI和20 cm深处土壤温度数据建立的土壤蒸发预测模型）可分别用于预测滴灌条件下毛白杨人工林整个生长季和浅层土壤水分充足的条件下的土壤日蒸发量,相对平均绝对误差（RMAE）分别为 19%和 18%。（6）综上,在对华北平原地下水位波动条件下的毛白杨人工林开展林地水分管理时,应采取以下策略:首先,针对林龄和栽植密度较小的毛白杨林分,应着重在土壤表层20 cm进行少量多次灌溉,且水平灌溉范围以树干周围为主;但在林龄和栽植密度较大的林分中,应对林木平均生长空间内的表层土壤进行全面的林地补水,并加大单次灌溉时长,促进水分向深层土壤的运移。其次,当林地地下水位低于210 cm时,应加大毛白杨林地的灌溉频率和灌溉量;随着地下水位的升高,可相应减少该时期内的灌溉措施。第三,为避免林分耗水对地下水资源的生态可持续产生不利影响,同时防止林分因过度依赖地下水资源造成生态脆弱,可对毛白杨林分浅层土壤进行适当的水分补给,但浅层土壤补水不宜过多。第四,在林地树冠遮阴不完全时,应针对土壤湿润区采取保水措施,减少不必要的林地耗水。最后,在确定毛白杨人工林灌溉量时,可采用本研究中的模型,根据LAI和土壤温度等基础数据估算林冠蒸腾和土壤蒸发耗水量。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 邸楠
导师: 贾黎明,席本野
关键词: 细根形态,根系吸水,林冠蒸腾,林地耗水预测,毛白杨
来源: 北京林业大学
年度: 2019
分类: 基础科学,农业科技
专业: 自然地理学和测绘学,农业基础科学,林业,林业
单位: 北京林业大学
基金: 国家自然科学基金面上项目“水肥耦合对黄泛平原砂地毛白杨水氮吸收与利用的调控机制”(31670625),“浅土层水分梯度下毛白杨对深层土壤水的利用特征与机制”(31872702),国家重点研发计划课题“白杨工业资源材高效培育技术研究”(2016YFD0600403)
分类号: S792.117;S714
DOI: 10.26949/d.cnki.gblyu.2019.000087
总页数: 145
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