重庆缙云山针阔混交林水分传输特征及对环境因子的响应机制

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森林生态系统水分传输是维持森林水分和能量平衡,探索区域水文循环及气候变化的重要环节。重庆缙云山是三峡库区尾端重要的生态屏障区,然而该地区森林生态系统水分传输特征及对环境因子的响应机制尚不明确。为解决以上问题,本研究运用热扩散探针技术和涡度相关技术,探索了缙云山针阔混交林4个尺度(树木体内部、单株、林分、林地)上的水分传输特征。通过对树干木质部不同深度的液流通量密度建立数量关系,实现了水分传输在树木体内部—单株—林分—林地的转化,并运用涡度相关技术验证了尺度转化结果的准确性。通过对各尺度水分传输特征的分析,构建了缙云山针阔混交林水分传输体系,明晰了水分传输动态分配过程。最后在传统气象因子的基础上,增加了能量和生态竞争力两方面影响因素,探索不同尺度水分传输界面对多种环境因子的响应机制。主要结论如下:(1)树木体内部水分传输主要发生在白天,液流通量密度日变化特征表现为中午高,早晚低,呈倒U型。夜间液流通量密度微弱但不为零;雨季和伏旱季是树木水分传输最为强烈的时期;伏旱季由于树木出现“光合午休”,导致液流通量密度在午间出现低谷;在树干木质部不同深度处,树木体内部液流通量密度有明显差异,三个树种在树干木质部径向上的液流通量密度分布均表现为单峰式分布;三个树种导水能力表现为马尾松>四川山矾>杉木。(2)基于树干木质部液流通量密度径向分布差异,经过尺度转化得到单株尺度蒸腾量。单株蒸腾量日变化呈倒U型分布,与树木体内部液流通量密度日变化趋势一致;单株蒸腾量月变化表现为正弦波式分布格局,蒸腾主要发生在4月~10月;单株蒸腾量季节变化表现为伏旱季>雨季>旱季;单株蒸腾量个体间差异显著。仅有胸径可以解释部分个体间蒸腾量差异。(3)基于树干木质部液流通量密度径向分布差异,经过尺度转化得到的林分尺度蒸腾量为812.44mm,占降雨量的26.78%;在日尺度上,林分蒸腾变化过程滞后于降雨变化过程;在月尺度上,林分蒸腾量变化趋势与降雨量一致;在季节尺度上,林分蒸腾量表现为伏旱季>雨季>旱季;林内三个树种蒸腾贡献率随时间变化。4月~8月,马尾松为林分蒸腾的主要贡献树种,12月~3月,四川山矾为林分蒸腾主要贡献树种。(4)基于涡度相关法得到的林地蒸散发量比基于树干液流尺度转化得到的林地蒸散发量高13.86%,相差不大,二者日变化趋势一致,呈显著线性相关关系(R2为0.64),说明基于树干液流尺度转化的结果准确可靠;基于树干液流尺度转化的林地蒸散发量为1115.83mm,占降雨量的64.37%。雨季林地水分总体呈输入状态,伏旱季和旱季林地水分总体呈消耗状态;林地蒸散发以树木蒸腾为主,其次为林冠层蒸发,最后为林地枯落物及土壤层蒸发;不同季节林地水分传输分配情况有明显差异,雨季林地蒸散发主要以林冠截留蒸发为主,旱季林分蒸腾和林下层蒸发成为林地蒸散发的主要贡献部分,伏旱季,仅有林分蒸腾是林地蒸散发的主要贡献部分。(5)水分传输对影响因子的响应机制在不同尺度上有明显差异。在树木体内部尺度上,树木个体空间结构和竞争力是影响液流通量密度(Fd)的重要生态环境因子。PAR和VPD是控制Fd的主要气象因子,Ta、RH和Vwind是控制Fd的次要气象因子;在单株尺度上,树木个体空间结构和竞争力是影响单株蒸腾量(Q)的重要生态环境因子。Q随PAR和Ta的增加呈线性增长趋势,随VPD的增加呈对数增长趋势,随RH的增加呈线性减少趋势。竞争力是影响Q对PAR响应程度、导致Q个体间差异的原因;在林分尺度上,林分蒸腾(Et)随PAR、VPD、Ta的增大呈上升趋势,随RH的增大呈下降趋势,与Vwind没有相关性,但存在临界状态。不同季节,Et对气象因子的响应程度表现为雨季>伏旱季>旱季。林分蒸腾量与土壤含水量无相关性,主要是因为二者变化过程存在时滞效应;在林地尺度上,总能量(Rn)、蒸发率(LE/Rn)和波文比(β)是控制林地蒸散发(ET)的重要因素;雨季控制ET的主要气象因子为VPD和Ta,伏旱季为PAR、VPD和RH,旱季为PAR和Ta;ET峰值与土壤含水量峰值同期出现,并随着土壤含水量的下降而下降。伏旱季,ET仅与70cm 土层含水量相关,说明伏旱季的水分亏缺导致ET只能来源于植物根系从深层土壤中吸收的存储水分。
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