北京山区主要造林树种水分利用机制及其生理生态响应研究

Under the background of warm and dry climate in North China, water scarcity has become an important restricting factor for mountainous forests in addition to soil and fragile eco-environment in Beijing. Therefore, it is of great importance to study and determine the water use strategy of the main afforestation species in the mountain area in Beijing. The proposal takes Platycladus orientalis and Quercus variabilis as research subjects. The response process of tree water use to different soil water conditions will be explored employing stable hydrogen and oxygen isotope approach in combination with multivariate statistics and multi-linear compound models. The water use pattern of Platycladus orientalis and Quercus variabilis will be summarized and integrated. With the simultaneous observation of key physical and ecological factors, the process of plant water use and the corresponding changing responses of biophysical characteristics will be studied to investigate the water redistribution in the root system and elucidate plant water use dynamics and processes. The theoretical and practical significance of this research lies in revealing the essential water use dynamics of the two afforestation species. The results will provide sustainable management and maintenance strategy for mountain forest ecosystem in Beijing and lay scientific foundation of adapting mechanism under changing eco-water balance.

在近几十年来华北地区气候暖干化的背景下，在土层瘠薄，生态环境脆弱的北京山区，水分匮乏已成为北京山区森林植被正常生长的重要制约因素，因此研究和确定北京山区主要造林树种水分利用机制显得日益重要，本项目以北京山区主要造林树种侧柏和栓皮栎为研究对象，运用氢氧稳定同位素技术，结合多元统计、多元线性混合模型等手段，定量区分不同土层水分对树木用水的贡献率及其时间变化特征，研究树木水分利用对不同土壤水分条件的响应过程，总结和整合侧柏和栓皮栎的水分利用模式，结合关键生理生态因子的同步测定，研究植物水分利用过程及其生理生态特征变化过程的相互响应，初步探讨植物根系水力再分配过程，阐明植物水分利用机制与过程。本项目的理论和实践意义在于：从本质上揭示2种主要造林树种的水分利用机制，为北京山区森林生态系统的健康经营与维护提供对策以及其在生态水分平衡变化下的适应机制提供科学依据。

北京山区是北京市区的重要生态屏障，在近几十年来华北地区气候暖干化的背景下，在土层瘠薄，生态环境脆弱的北京山区，水分匮乏已成为北京山区森林植被正常生长的重要制约因素，因此研究和确定北京山区主要造林树种水分利用机制显得日益重要。通过北京山区主要造林树种侧柏和栓皮栎样地多点定位观测和野外调查取样，利用氢氧稳定同位素技术，分析大气降水、土壤和枝条等样品的氢氧稳定同位素的时空变化特征，定量研究侧柏和栓皮栎的水分利用来源和模式，通过整合树木关键生理生态因子及其变化特征，揭示侧柏和栓皮栎的水分利用机制，结果表明：（1）研究区大气降水线方程为δ2H = 6.42δ18O-5.91（R² = 0.90，n=52），斜率和截距均小于全球大气降水线，研究区氘盈余d变化表现为冬半年较高，夏半年较低；大气降水δ18O和温度、降水量均呈一定的负相关关系，且具有一定的季节变化特征；（2）土壤水样品的δ18O和δ2H的变化具有一定的规律性，其平均值整体随土壤深度的增加而减小，深层土壤在长时间尺度上保持相对稳定，而上层土壤则受环境因子影响较大。地下水的δ18O和δ2H随时间变化很小，常年保持稳定；（3）植物水样品的则因植物不同而有所差异，侧柏、栓皮栎和林下灌木整体较为接近；（4）两种林分土壤水分对降水响应的敏感区域集中于表层0-30cm；侧柏林下降水在土壤中以“驱替”的形式运移，而栓皮栎林下土壤，在旱季运移方式为“混合扩散”，雨季为“驱替”；（5）在旱季，侧柏对降水的反应较栓皮栎更加敏感，导致两个树种对降水阈值要求的差异，降水阈值最小值9.2mm; 在雨季，由于栓皮栎林内长期积累的枯落物层的影响，导致栓皮栎对降水的响应敏感，并且随着无雨期的延长，其对栓皮栎的贡献率在逐渐减小；（6）侧柏的根系主要根部在0-40 cm处，正是其利用水分的根系活跃期，而旱季由于水分补给的锐减，导致其活性降低，而其根系水力再分配的作用则再次为这一层的土壤提供水分，体现出植被对土壤水分的调控，进而维持植被自身生长。