西北干旱区荒漠河岸林生态系统多尺度水分利用效率及尺度转换方法研究

The multi-scale data of water use efficiency (WUE) and environmental factors of the Desert Riparian forest （Populus euphratica Oliv）ecosystem in Northwest arid region were obtained by using the eddy covariance technique, sap flow techniques, dendrometer, leaf-scale gas-exchange technique and isotope technique. Here, we will systemically study: (1) the potential water sources and their contribution rates for Populus euphratica Oliv. in different habits to evaluate the plant water use strategy under various environmental stress; (2) the spatio-temporal characteristics of WUE at different scales and its environment driving forces to reveal the drought stress adaptability of Populus euphratica Oliv.; (3) the quantitative relations of WUE at different scales and the mechanistic correlations of the physiological processes among different scales to develop a mechanistic model for scale conversion of WUE at different scales. We hope that this study will improve our understanding of the influences of environmental stress on the growth of Populus euphratica Oliv. and its drought stress adaptability, and will be helpful to reveal the interaction mechanism of eco-hydrological processes at different scales. Also, it is excepted that this study will enrich and develop the contents of arid-region physiological plant ecology, environmental ecology and forest hydrology in theory and practice, and will provide the theoretical supports for the socio-economic sustainable development and reasonable managements of water resources.

本项目以西北干旱区河岸林胡杨为研究对象，通过综合应用涡度相关技术、树干液流技术、树干径向生长记录仪、叶片气体交换技术和同位素技术，获得多尺度水分利用效率与环境因素观测数据，系统研究：（1）不同生境河岸林水分来源及贡献比率，揭示环境胁迫条件下河岸林水分利用策略；（2）不同尺度水分利用效率的时空变化规律及环境驱动因素，揭示河岸林干旱适应机制；（3）不同尺度水分利用效率的数量关系，揭示不同尺度生态-水文过程相互作用机制，构建不同尺度水分利用效率相互转化机理模型。通过本项目的实施，有助于深入理解不同环境胁迫条件对河岸林生长的影响及其对干旱胁迫的适应机制，有助于揭示不同尺度生态-水文过程的相互作用机制；在理论上及实践上丰富和发展干旱区植物生理生态学、环境生态学及森林水文学的内容，以期为维护区域生态环境的稳定，实现区域社会经济的可持续发展和水资源的合理利用提供理论依据。

我国西北干旱荒漠生态系统是全球最脆弱的生态系统之一，在全球气候变化的大背景下，首先我们对荒漠生态系统最基本的光合/蒸腾作用（水分利用效率）、水分来源等一系列过程进行深入了解，以应对气候变化带来的影响。因此本项目以西北干旱区荒漠河岸胡杨为研究对象，通过综合应用涡度相关技术、树干茎流技术、叶片气体交换技术和稳定同位素技术，获得了不同尺度的水分利用效率或水-碳交换通量的观测数据以及环境因素的观测数据，进行了以下几方面的研究：（1）通过δ18O研究了不同地下水埋深河岸胡杨林的水分利用策略，并利用多元混合模型分别计算了胡杨各个不同水源的贡献比例。揭示了胡杨有效的高水分利用效率的地下水埋深范围为2.5-4.0m；（2）研究了不同尺度的水分利用效率的时空特征和数量关系，发现在叶片尺度上，水分利用效率在生长季各月的日变化各不相同，主要是受气孔限制值(Ls)温度、光合有效辐射和叶内外的水汽压差；其次，在月时间尺度上，叶片的水分利用效率用叶片δ13C变化特征研究，整个生长季各月潜在水分利用效率(WUEL)在85.03-70.32 umolCO2•mmol-1H2O之间变化，其影响因素主要是胡杨叶片的营养物状况、土壤水分等；在冠层尺度上，CO2/H2O通量特征季节变化变化明显，；其主要影响因子是温度、水分和净辐射；（3）通过对影响光合蒸腾的因素和机制的研究，建立了以气孔导度为衔接点的光合-蒸腾耦合模型，能够很好的模拟胡杨光合和蒸腾速率；极大的减少了野外观测的工作量,预测不同气候条件下的光合/蒸腾模式。通过以上研究说明，荒漠河岸林胡杨属于高水分利用的型的植物，具有较高的光合蒸腾作用，促进自身的生长，同时在干旱、缺水条件下，既可通过根部吸收不同深度的土壤水分，也能通过提高水分利用效率来维持正常的生理和生存需要。这为维护生态环境稳定和合理利用水资源提供了理论依据。