黄土高原半干旱区刺槐人工林蒸腾的时空变异及其机理研究

The variation in land surface characters caused by landform, soil property and vegetation distribution has significant influences on the spatiotemporal heterogeneity of land-surface matter and energy fluxes. Vegetation transpiration, as controlling water movement through the soil-vegetation-atmosphere system and the proportional fraction of precipitation to the components of water balance, is the key process in terrestrial water cycling. In-depth study on the spatiotemporal variation of stand level transpiration and its mechanisms in arid and semi-arid region is of significance to the understanding of vegetation and water relations, adaption and long-term sustainability of vegetation, and guiding the practice of ecological construction. The Loess Plateau is characterized as the arid and semi-arid climate, and complex and fragmented terrain. Due to the multi-year of planting, the different-aged plantations are distributing on a variety types of land units. And the vegetation pattern and sustainability show high spatial variability. This study will choose the Yangjuangou watershed as the study area and take the example of Robinia pseudoacacia plantation. By the selection of stands with combined controlling factors and the synchronous observations of stand transpiration, environmental factors and vegetation property parameters, we will examine the effects of two key elements, i.e., landform and stand age affecting the vegetation pattern, on the stand transpiration of the plantations. Finally, we will try to disclose the inner mechanisms of the spatiotemporal variation of stand transpiration. This is hopeful to provide some more theoretical basis for the evaluation of sustainability of the plantations.

地形、土壤属性和植被分布引起的陆地表层特征的变异对地表物质、能量通量的时空异质性有非常显著的影响。植被的蒸腾作用控制着水在土壤-植物-大气内的运动以及从降雨向水量平衡各组分的分配比例，是陆地水分循环中的关键环节。对干旱半干旱地区植被蒸腾特征时空变异特征及其内在机制的深入研究，对于理解植被与水分关系、植被对环境的适应机制和长期可持续性、以及指导生态建设具有重要的意义。黄土高原地区处于干旱半干旱区，地形破碎而复杂。由于退耕还林的不同年份，各种立地单元上分布了不同林龄的人工林，其空间格局和存续特征呈现很高的空间异质性。本研究拟选取羊圈沟小流域为研究区，以刺槐人工林为例，通过条件组合样地的选择以及对林分蒸腾、立地环境因子和植被属性的同步观测，深入研究影响植被格局的两个关键要素-地形和林龄对人工林林分蒸腾的影响，从而揭示其时空变异的内在机制，为不同立地条件下人工林的可持续性评价提供理论依据。

水分是干旱半干旱地区生态系统发展和植被建设的关键生态因子。上世纪末，黄土高原开展了大范围的植被恢复工作，刺槐作为主要树种广泛种植于坡面上，刺槐蒸腾耗水与水资源之间的关系引起普遍关注。黄土高原中部的丘陵沟壑区，地形复杂，空间差异大。已有研究表明，地形是土壤质地、植被属性空间差异的主要影响因素，对能量、水分的空间再分配造成影响；同时，随着人工林林龄的增大，林木生理特征也随之发生变化。地形和林龄如何影响林地的蒸腾，其控制机理是什么，是探索刺槐蒸腾时空差异的内在机制、理解干旱半干旱地区造林与水分的相互作用关系、了解植被对环境的适应机制和长期可持续性的基本问题。本项目立足于地形（坡向）和林龄如何影响林分蒸腾两个方面开展研究。我们选择羊圈沟小流域为研究区，设置了四块不同坡向、不同林龄的刺槐人工林样地，采用基于热扩散原理的插针式液流传感器（TDP）对树干液流进行了长期连续动态观测，同时监测微气象（太阳辐射、空气温度、相对湿度、降雨等）以及土壤水分和植被的生理生态参数。结果表明：1）与普遍观点认为刺槐耗水量较大相比，研究区刺槐耗水量较小（0.14-0.39 mm day-1），林地的主要水分损失并不是蒸腾。日尺度蒸腾量主要受到气象因子的控制，而月尺度和年尺度蒸腾量主要受到叶面积指数（LAI）的控制。而LAI的大小主要与生长季初期土壤水分状况有关，生长季初期土壤水分状况影响了刺槐林的年际LAI，进一步影响蒸腾量。2）成熟林（28年）单株和冠层蒸腾量都大于幼龄林（12年），较大的气孔导度和水力导度是导致成熟林蒸腾量大的原因。成熟林蒸腾速率对降雨的响应比幼龄林更为剧烈，表明幼年刺槐林比成熟刺槐林的生理活力低，可能是因为幼龄林比成熟林对干旱限制更为敏感。3）不同坡向刺槐林蒸腾对比发现，半阳坡（东坡）刺槐林蒸腾量显著大于阳坡（南坡）刺槐林，这主要是由于半阳坡林地的土壤水分条件较好，其冠层导度较大所致。总而言之，不同林龄、不同坡向刺槐林受到环境和林木生理因素的共同作用，其水分利用存在显著的差异。这些人工林蒸腾的时空异质性特征对坡面和小流域尺度的水文过程和产水量动态有重要影响。本研究结果对于评价这一区域植树造林对区域水资源的影响以及植被恢复的持续性具有理论指导作用，值得坚持长期观测，开展深入研究。