黄土高原人工林对土壤干层的适应性与生态水文响应

The total area of planted tree and shrub species is around 1800,000 hm2 on the Loess Plateau now and this area will increase quickly with the quickening the step of soil and water conservation. The dry soil layer always exits in the woodland and limits the sustainability of planted tree and shrub species. Therefore, it is very useful to study the ecophysiological characteristics and ecohydrological responses of planted tree and shrub species to their management after the dry soil layer occurred. In this proposal, the planted tree and shrub species such as Locust, Chinese pine, Caragana microphylla, and Seas buckthern are studied. The changes of stomatal conductance, leaf morphology, canopy structure, and root distribution are measured after dry soil layer occurred, while the ecohydrological responses to these changes are monitored. The effects of the thickness and degree of dry soil layer on ecophysiological characteristics and ecohydrological processes are studied, while the differences in ecophysiological characteristics and ecohydrological processes for different climatic regions are evaluated. The changes of ecohydrological processes are parammeterized and used to simulate the dynamical change of dry soil layer for planted tree and shrub species. The results are useful for the managements of planted tree and shrub species.

黄土高原人工林（含灌木林）面积大约180万hm2，并将随着治理进度的加快而增加。土壤干层在人工林地普遍存在，是人工林可持续生长的障碍因子。因此，研究土壤干层出现后人工林的生长发育特征、生理生态适应性和水文响应，对黄土高原人工植被管理具有重要的意义。项目以黄土高原地区典型人工乔木林（刺槐、油松）和灌木林（柠条和沙棘）作为对象，研究土壤干层出现后人工林气孔特性、叶片形态、冠层结构、根系分布等生理生态特征的适应性变化及其叶片蒸腾、根系吸水、群落耗水、冠层截留等生态水文过程的响应，分析土壤干层厚度、强度对人工林生理生态特征和水文过程的影响及其在黄土高原半湿润、半干旱和干旱区的不同表现，量化生理生态特征变化，参数化生态水文过程的响应，预测人工林地土壤干层演变趋势，评价人工林的可持续性。 研究结果可为黄土高原人工植被管理提供科学指导。

项目通过室内人工气候箱模拟实验和野外定位试验，系统监测土壤干层出现后人工刺槐生理生态特征和生态水文过程的变化，研究土壤干层厚度、强度和持续时间对人工刺槐生理生态特征和生态水文过程的可能影响，分析土壤干层出现后人工刺槐生理生态特征的适应性，评价了黄土高原中部人工刺槐可持续生长的风险。项目在如下四个方面取得了进展：（1）基于林分细根面积指数和根系分布系数，揭示了刺槐细根分布对土壤干层适应性及其与环境因子关系；（2）研究了不同干旱条件下刺槐叶片性状（叶片大小、叶脉密度、气孔密度、气孔长度和PV曲线参数）和整株叶面积对土壤干层的适应性调节，并基于生态最优原理确定了刺槐可持续生长的最适叶面积，提出了量化方法；（3）长期观测结果证实植物供应—需求水力学模型可以较好地预测土壤干层出现后刺槐叶片蒸腾速率、叶水势的变化过程，探讨了土壤干层对刺槐水力安全性的潜在影响；（4）利用植物供应-需求水力学原理，改进了Biome-BGC模型中SPAC系统水分传输模块，提高了Biome-BGC模型预测精度，用修改后的模型模拟了黄土高原中部区域尺度刺槐水力安全性的时空动态，确定了黄土高原刺槐干旱致死的年均降水量阈值，定量评价了黄土高原中部气候干旱和土壤干层对刺槐可持续生长的潜在影响。上述研究结果对黄土高原人工刺槐林可持续管理具有重要指导意义。.项目共发表学术论文12篇，其中SCI源刊论文11篇，中科院大类学科1区论文5篇，影响因子大于3.0论文7篇；第一标注论文4篇，第二标注论文8篇。