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在高海拔林线地区,生长季期间植物光合生产是否普遍存在低温导致的水分/养分胁迫一直是高山林线形成和变化机理研究的争论焦点。最新研究表明,高海拔地区树木生长和碳收获主要出现在土壤尚未完全解冻的生长季早期(夏至日之前)。因此,研究高山林线地区土壤温度、水分的季节动态及其年际波动,特别是关注生长季早期土壤低温的影响,有助于深入理解低温环境对林线树木生理生态(如水分胁迫等)的限制作用,从而为进一步阐明高山林线的形成机理及其对气候变化的响应提供科学依据。 青藏高原东南部具有全球海拔最高的林线。本论文围绕高山林线生长季早期土壤低温是否导致植物的水分胁迫这一科学问题,利用在色季拉山阴坡急尖长苞冷杉林线过渡带(林内,4320m;林外矮灌丛,4390m)连续多年(2006-2012年)监测的地下20cm土壤温度、湿度及其它气象要素数据,并通过沿海拔梯度测定不同生活型植物的叶片露点水势季节动态,旨在回答如下问题:1)在林线过渡带,从亚高山针叶林到低矮灌丛的生活型转变是否会改善生长季早期的土壤低温环境?2)生长季早期的土壤低温是否导致较低的叶露点水势(即低温导致的水分胁迫)?植物生活型的改变是否有利于提高叶片露点水势?主要研究结果如下: 1、在生长季早期,急尖长苞冷杉林线附近的林外比林内升温较早,林外土壤在5月下旬开始升温,而林内土壤则在6月中旬(6月13日±3天)解冻并升温。在冬季,土壤冻结现象在林外与林内存在明显差异,林外土壤无明显冻结现象(>0℃),土壤温度从12月中旬开始趋于稳定,1-4月份月均温在0.2~0.3℃之间,而林内土壤则从12月中旬(12月18日±5天)开始冻结,1-2月份最冷,月均温在-1.5℃左右。与土壤温度类似,林外土壤水分在5月下旬回升,林内在6月初,林内、外土壤水分均在12月中旬下降;生长季期间林外土壤水分略高于林内(40-50%vs.35-40%)。 2、根据气温推算的冷杉林线生长季(连续5天≥4℃的天数)开始于5月20日左右,结束于10月初,将生长季分为早期(夏至日之前)、盛期(夏至日至8月31日)和晚期(9月1日之后),发现在各时期林外土壤温度和水分平均值均高于林内,其中生长季早期林内土壤平均温度仅为0.2℃,而林外可达5.2℃。此外,生长季不同时段中以生长季早期土壤温度年际波动最大,其中,以2009年和2010年为高,主要是由于气温回升(4月)以及积雪融化(4月-5月)提前、净辐射增加,使得土壤温度回升比其他年份提早20多天。统计分析表明,土壤温度滞后于气温约1个月(相关系数为0.91,P<0.01)。 3、在林线过渡带,生长季早期乔木急尖长苞冷杉露点水势为-4.0MPa(海拔4210m)和-4.5 MPa(海拔4320m),灌木薄毛海绵杜鹃分别为-3.1 MPa和-4.6 MPa,远低于生长季盛期(-1.9~-2.5 MPa)和晚期(-2.6~-3.3 MPa)的露点水势。生长季早期冷杉林线(4320m)土壤未完全解冻,早期研究表明低于-3 MPa水势条件下高山林线针叶树种容易形成冻融交替诱发的栓塞,且树木生长季水势低于-2 MPa时容易产生气穴。通过相关分析可知,冷杉和杜鹃露点水势季节变化主要受到土壤温度的影响,而土壤水分的贡献不大,说明生长季早期土壤低温会引起乔木和灌木的水分胁迫。此外,叶片露点水势以草本植物岩白菜最高,灌木薄毛海绵杜鹃其次,乔木急尖长苞冷杉最低,尤其在生长季早期差异最明显。 以上结果表明,在湿润的色季拉山急尖长苞冷杉林线,生长季早期林内土壤未完全解冻,土壤低温可导致植物的水分胁迫,特别是对乔木和灌木。在林线以上地带,从高大乔木到低矮灌木及草本的生活型转变有利于改善土壤温度和水分条件,表明生活型的转变能够有效缓解土壤低温带来的水分胁迫。