黄土高原“小老树”形成过程中的水分利用特征及其传输模拟

土壤水分不足与树种选择不当等是造成黄土高原"小老树"大范围分布的主要原因，以往对"小老树"形成机制主要集中在土壤水分特性及其调控上，极少涉及植物水力学特性的影响。为此，本研究采用野外定点监测和室内实验相结合的方法，拟比较研究人工速生树种小叶杨、刺槐和乡土树种白榆、臭椿在随生长年限变化过程中，其水分利用特征的变化及与土壤、植物水力学特性的关系；不同植物组织（根、茎和叶）水分传输效率和抵抗空穴化形成的能力及其与解剖结构的关系；植物水分利用的传输限制模拟，试图揭示人工速生树种"小老树"形成过程中的植物水力生理机制，以为黄土高原植被建设和退化生态系统恢复提供理论参考。

土壤水分不足与树种选择不当是造成黄土高原“小老树“大范围分布的主要原因，以往对”小老树“形成机制的研究主要集中在土壤水分特性及其调控上，极少涉及植物水力学特性的研究。为此，本项目比较研究了速生树种刺槐、小叶杨和乡土树种辽东栎、榆树的水分利用特征、不同组织水分传输效率和抵抗空穴化能力、木质部解剖结构等随生长年限的变化，并利用Sperry水分传输模型模拟了植物水分利用的限制单元和发生水力失败时的临界蒸腾速率Ecrit。结果表明：（1）速生树种刺槐在中低龄时耗水高于乡土树种辽东栎，而在高龄时耗水不如辽东栎。刺槐茎干抵抗空穴化能力弱于辽东栎，解剖结构上刺槐木材密度小、木质部导管密度小，导管直径更大。刺槐中低龄时高的耗水特性和高的水力脆弱性是其土壤严重干旱时出现大量枯稍的主要原因。（2）速生树种刺槐和小叶杨随树龄增加，叶功能特征出现旱化趋势，即比叶质量、叶厚度和叶密度显著增加，叶水势、整株植物水力导度、净光合速率、气孔导度和光合氮利用效率显著下降，用碳同位素技术估算的潜在水分利用效率增加，叶N和P含量亦增加等。与此同时，叶水分传输效率（最大叶水力导度Kmax）亦下降，但P50（叶最大水力导度损失50%时所对应的叶水势）变化不大。叶最大水力导度和抗旱性之间存在一种相互制约的权衡关系，叶水力脆弱性是植物重要耐旱性特征之一。（3）随树龄增加，小叶杨整株水分利用对环境条件敏感性降低，呈现保守化水分利用策略。中龄和高龄小叶杨的单木耗水量差异不大，但高龄小叶杨单位叶面积的耗水量明显降低。（4）水力限制和为构建抵抗栓塞能力强、水分传输距离大的木质部所需碳投资的增加是干旱导致高龄小叶杨形成“小老树”的主要原因，小叶杨“小老树“的主要水分传输限制单元是土根界面，中龄小叶杨的临界蒸腾速率Ecrit和水分传输的安全距离要大于高龄小叶杨，高龄小叶杨可能更易发生水力失败。这些结果初步揭示了“小老树”形成的一些水力生理机制，对黄土高原植被建设和退化生态系统重建中造林树种的选择和低产低效林改造具有一定的理论指导价值。