水分是限制干旱半干旱地區(qū)植被建設和生態(tài)恢復的最關(guān)鍵因素,準確獲取典型植被種類蒸騰耗水特征和水分利用策略是評估生態(tài)水文效應、指導植被物種選擇和優(yōu)化植被配置最基礎、最核心的問題。樹干液流測量是研究植物整株蒸騰和植物-水分關(guān)系最有效的手段,本文(1)開發(fā)了一種適用于灌木等細莖干樹干液流準確測量的外部熱比率莖流計,運用數(shù)值模擬方法分析、校準樹干熱參數(shù)各向異性對一種五針熱脈沖數(shù)字探頭樹干液流和熱參數(shù)的測量誤差并進行實測驗證;(2)以黃土高原北部水蝕風蝕交錯區(qū)“退耕還林(草)”背景下典型植被灌木檸條(Caragana korshinskii)、沙柳(Salix psammophila)和喬木旱柳(Salix matsudana)、小葉楊(Populus simonii)為對象,采用樹干液流法監(jiān)測植物蒸騰,研究植物蒸騰耗水特征和植物蒸騰對氣象要素、土壤水分、土壤和地形等環(huán)境因子的響應規(guī)律。論文得到主要結(jié)果和結(jié)論如下:(1)開發(fā)設計了一種外部熱比率莖流計,經(jīng)驗證適用于莖干直徑15 mm和50 cm3 cm-2 h-1液流密度準確測量。人工導水-稱重法校準試驗表明,莖流計測得熱脈沖速率(Vh)信號和實際液流密度(Vs)極顯著線性相關(guān)(R2= 0.95,P0.001),但是檸條和沙柳由Vh轉(zhuǎn)換成Fs的校準系數(shù)msap具有顯著差異,差異來源于兩種灌木的莖干結(jié)構(gòu)差異,建議實際運用時對不同類型莖干分別校準。野外測試表明,外部熱比率莖流計能夠準確測定低速和逆向液流。分析模擬樹干木質(zhì)部熱參數(shù)各向異性對基于INV-WATFLX算法的五針熱脈沖數(shù)字探頭樹干液流和熱參數(shù)的測量誤差,結(jié)果顯示,不同探頭安裝角度α下各向異性對液流密度的測量誤差-30%～+40%,零液流條件下熱參數(shù)(熱擴散率κ、熱導率λ和熱容量C)測量誤差12%;本研究提出了相應校準模型。野外實測顯示,探頭以15°和30°安裝時,可以準確獲取樹干液流和熱參數(shù);但是以0°安裝時樹干液流低估約30%,可能原因是以0°安裝時探頭其中共平面的三針的插入,阻礙了液流在軸向液流路徑中的傳輸,導致液流低估。但零液流條件下,探頭以0°安裝時可以獲得更穩(wěn)定的熱參數(shù)測量結(jié)果。(2)黃土高原北部水蝕風蝕交錯區(qū)7 a齡沙柳枝干液流密度和整株蒸騰量均顯著高于15 a齡檸條。在2017年7-9月,沙柳平均液流密度8.26 cm3 cm-2 h-1,平均整株蒸騰2.6 kg d-1(或2.22 mm d-1);檸條平均液流密度5.43 cm3 cm-2 h-1,平均整株蒸騰1.92 kg d-1(或0.77 mm d-1)。氣象條件(參考蒸散ET0、太陽輻射Rn和飽和水汽壓虧缺VPZ))是驅(qū)動檸條和沙柳蒸騰的最重要環(huán)境因素,和蒸騰強度具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.01)。對于檸條,單因素ET0可解釋日蒸騰變異91%,Rn可解釋日蒸騰變異83%,VPD可解釋蒸騰變異77%;對于沙柳,單因素ETo可解釋蒸騰變異77%,Rn可解釋蒸騰變異79%,VPD可解釋蒸騰變異61%。偏相關(guān)分析表明,檸條蒸騰和0-100 cm深度土壤含水量無顯著相關(guān)關(guān)系(P0.05),而沙柳蒸騰和0-50 cm深度土壤含水量顯著相關(guān)(P0.05)。根系調(diào)查顯示,沙柳水平根發(fā)達,根系聚集在土壤淺表層,以快速高效吸收當季降水轉(zhuǎn)化的淺層土壤水;檸條細根在淺表土層分布較少,細根根長密度僅是沙柳的1/2,但具有發(fā)達的垂直深根系,可持續(xù)利用深層土壤水分,而避免遭受淺層土壤干旱脅迫的影響。檸條是節(jié)水型耐旱灌木,深層土壤水是重要水分利用來源;沙柳是耗水型植被,主要吸收利用淺層土壤水。鑒于檸條比沙柳更加節(jié)水耐旱和具備更強的抵抗根-土分離能力,因此建議檸條更適用于水蝕風蝕交錯區(qū)的植被恢復。(3)通過對水蝕風蝕交錯區(qū)風沙土坡地和黃綿土壩地約30 a齡人工種植旱柳和小葉楊最長達連續(xù)7年的生長季樹干液流、氣象要素和土壤水分等同步監(jiān)測研究,結(jié)果表明,壩地旱柳和小葉楊生長季平均整株蒸騰分別是46.7和175.2 kg d-1,分別是坡地相同樹種的5.6和4.2倍;整體而言小葉楊整株蒸騰耗水量是旱柳約4倍。氣象要素(ET0、Rn和VPD)是影響旱柳和小葉楊最重要的環(huán)境因子,均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.01)。ETo可解釋坡地旱柳蒸騰變異37%,壩地旱柳蒸騰高達77%,坡地和壩地小葉楊蒸騰變異80%。坡地旱柳蒸騰與0-200 cm深度淺層各層土壤含水量顯著正相關(guān)(P0.05);但對坡地小葉楊和壩地旱柳和小葉楊,蒸騰和淺層土壤含水量沒有一致的相關(guān)關(guān)系。豐水年降水補給風沙土地土壤水分深度達600 cm,而在干旱年僅120 cm;在平水年和干旱年,風沙土地0-600 cm產(chǎn)生土壤水分虧缺,在豐水年得到緩解;淺層和深層土壤水分均是風沙土地樹木重要水分來源。而對于黃綿土地,即使豐水年,補給深度也僅200 cm,壩地旱柳和小葉楊主要消耗淺層地下水。坡地樹木細根在淺層土壤聚集,而在壩地無此現(xiàn)象,是旱柳和小葉楊根系對區(qū)域降水規(guī)律和水分利用策略的適應性。從水資源可持續(xù)性角度考慮,兩種高蒸騰耗水樹種均不適合在黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)廣泛種植。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：S714.7
【部分圖文】：

往還將低于－１００?ＭＰａ，而這種情形在干旱半干旱地區(qū)則十分常見。一般而言，??從土壤至葉片水勢降低較少，約１．０?ＭＰａ甚至更少，而從葉片至大氣水勢降低??可達數(shù)十ＭＰａ甚至高達１００?ＭＰａ，如圖１．１中的示例。因此，ＳＰＡＣ系統(tǒng)中水??分傳輸?shù)闹饕枇Υ嬖谟谌~片－大氣系統(tǒng)之間，蒸騰拉力是植物吸水的主要動力。??也就是說，通過ＳＰＡＣ系統(tǒng)水流通量主要取決于調(diào)節(jié)蒸騰的因素，包含蒸騰所??需的能量供應。然而，植物蒸騰對土壤水分條件非常敏感，植物能夠針對土壤??水分條件對蒸騰進行生理調(diào)控，改變蒸騰途徑中的水流阻力。例如，根部存在??感受缺水的感受器，缺水時將合稱大量脫落酸，并隨木質(zhì)部液流轉(zhuǎn)移至葉片保??衛(wèi)細胞，隨后液泡水勢升高促使水分外流，導致氣孔開度減小或關(guān)閉，蒸騰減??弱，避免植物水分過度散失。??５??

２．２．１．１外部熱比率莖流計設計??外部熱比率莖流計主要由柔性隔熱薄板基．座、加熱元件和兩個感溫元件構(gòu)??成，如圖２．１所示？隔熱薄板由一面帶錫箔紙的可卷曲的多孔聚乙烯薄板構(gòu)成。??采用一個微小的圓形高溫陶瓷加熱片（厚１．２?ｍｍ，直徑４?ｍｍ，電阻１２?作??加熱元件〇感溫元件由銅－康銅熱電偶（３０?ＡＷＧ，?ＯＭＥＧＡ?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?Ｉｎｃ．，??Ｓｔａｍｆｏｒｄ，?ＵＳＡ）焊接而成＊兩個感溫元．件對稱地分布在距離加熱元件１０?ｍｍ的??２４??

?第二章利獨丹部熱比率樹＿流＿暈技術(shù)ｆ？究梓條和沙柳蒙騰耗水特征?＾??截面積測纛誤差非常敏感，然而準確測定細小莖于有效“邊材”橫截面積非常困??難。細莖千中，熱從導水部分到非導水部分的傳輸較快，因此使用整個橫截面??積也可以防止因ｗｓｔｅｍ導致的測算誤差。??鮮有研宄關(guān)注環(huán)境溫度變化對熱脈沖法測定樹液流的影響。研宄顯示，??環(huán)境溫度變化可以引起起過４０％的樹千液流測定誤差（Ｖａｎｄｅｇｅｈｕｃｌｉｔｅ?ｅｔ?ａｌ．，??２０１５）Ｄ然而，這些誤差可以通過ｉ｜量熱脈沖釋放前感溫元件的溫度變化，計算??因環(huán)境溫度改變引起的環(huán)境溫度變化率，在處理溫度－時間曲線時做一個溫度校??準消除其影響。溫度校準遵從Ｖａｎｄｅｇｅｈｕｃｈｔｅｅｔａｌ．?（２０１５）所用的方法。??ｎ?：??
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本文編號：2844201