【摘要】：楊樹是世界中緯度平原地區(qū)栽培面積最大、木材產(chǎn)量最高的速生用材樹種之一,也是我國(guó)北方速生用材林的主要樹種。毛白楊(Poulus tomentosa)因具有速生、豐產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn),被廣泛栽植于我國(guó)華北平原地區(qū)。毛白楊巨大生長(zhǎng)潛力的發(fā)揮和林地生產(chǎn)力的提高,其根系吸水功能的充分發(fā)揮至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)根系吸收功能最大化,需明確根系的吸水潛力以及林木采取的水分吸收和利用策略。本文以栽植于我國(guó)華北平原的毛白楊人工林為研究對(duì)象,在開展根系系統(tǒng)性狀及其時(shí)空變異特征、根系吸水策略、林冠蒸騰耗水特征以及林地耗水模型預(yù)測(cè)等研究的基礎(chǔ)上,解析了毛白楊人工林“根系分布-根系吸水-林冠耗水”系統(tǒng)過(guò)程,綜合分析并闡明了毛白楊SPAC系統(tǒng)水分吸收傳輸利用策略,同時(shí),還實(shí)現(xiàn)了淺層土壤水分充足條件下的林冠蒸騰和土壤蒸發(fā)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),為制定毛白楊人工林林地精準(zhǔn)水分管理制度提供參考。本文的主要結(jié)果和結(jié)論如下:(1)對(duì)不同林齡和栽植密度的毛白楊人工林細(xì)根(≤2 mm)進(jìn)行連續(xù)大量取樣,通過(guò)測(cè)定毛白楊細(xì)根根長(zhǎng)密度、根表面積密度、根重密度、根平均直徑、根組織密度和比根長(zhǎng)6個(gè)指標(biāo),進(jìn)行不同林分間的對(duì)比。結(jié)果表明:毛白楊細(xì)根集中分布于土壤表層20 cm(根長(zhǎng)密度約占25%-44%),且在70-140 cm深土層中相對(duì)富集。林齡和栽植密度的變化不會(huì)改變毛白楊細(xì)根的垂直分布模式,但會(huì)導(dǎo)致其在深土層的富集程度隨林齡的增加逐漸增強(qiáng)。林齡和栽植密度的增大引起毛白楊細(xì)根水平分布由遞減向均勻變化。毛白楊細(xì)根形態(tài)空間變異性較小,但表現(xiàn)出隨林齡變化的時(shí)間變異性。在3-7年生林分中,隨林齡增加,毛白楊細(xì)根中0-0.1 mm的吸收根比例下降、0.2-0.7 rmm的運(yùn)輸根比例增加,根系系統(tǒng)整體的水分傳輸功能增強(qiáng)。不同林齡間,毛白楊根系的d50(累計(jì)50%細(xì)根的分布深度)和d90(累計(jì)90%細(xì)根的分布深度)的變化范圍分別為32.3-62.0 cm和118.0-137.0 cm。林齡和栽植密度的變化不會(huì)大幅改變毛白楊細(xì)根的分布深度,但會(huì)對(duì)其在不同深度的分布比例產(chǎn)生影響。(2)在地下水位平均變幅為363 cm的環(huán)境條件下,從根系系統(tǒng)分布和性狀調(diào)控角度分析毛白楊根系對(duì)長(zhǎng)期地下水位波動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)特征。結(jié)果表明:毛白楊根系在長(zhǎng)期地下水位波動(dòng)環(huán)境下形成的適應(yīng)策略包括:深根系系統(tǒng)(最大深度270 cm);在淺土層中分布廣泛且密集的水平側(cè)根;具備同時(shí)利用深層和淺層土壤資源能力的骨骼根。(3)在自然生長(zhǎng)條件下,采用時(shí)域反射技術(shù)(TDR)對(duì)7年生毛白楊林地土壤含水率進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),利用水量平衡法推算不同空間位置上的根系吸水量,并結(jié)合根系形態(tài)的空間分布特征,計(jì)算根系吸水效率。同時(shí),對(duì)生長(zhǎng)季內(nèi)不同時(shí)期林木枝條、土壤水和地下水的穩(wěn)定同位素比率進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明:毛白楊根系吸水速率具有較強(qiáng)的時(shí)空變異性。土壤表層含水率較高的時(shí)期,表層根系吸水速率也相應(yīng)升高。盡管深層土壤水分更充足,但毛白楊根系仍優(yōu)先利用淺層土壤水。其根系在140 cm以上土壤內(nèi)的吸水量占土壤剖面吸水總量的69%,明顯高于深層土壤,且在距樹50 cm內(nèi)和寬行行中央相對(duì)占優(yōu)。毛白楊根系在220-260 cm的深土層中吸收量較低,平均僅為0.0835 m3 cm-3。根長(zhǎng)密度表現(xiàn)出與根系總吸水量相似的空間分布特征,垂直方向上均集中在土壤表層10 cm和80-140 cm 土層內(nèi)。雖然深土層(220-260 cm)中分布的細(xì)根僅占整個(gè)土壤剖面的3%,但其吸水量占土壤剖面總量的12%,深層(220-260 cm)根系吸水效率是0-140 cm 土層中根系的3倍。因此,毛白楊采取增大深層根系的吸水效率的策略對(duì)深層水資源進(jìn)行吸收利用。毛白楊屬于地下水濕生植物,可直接吸收利用地下水資源。其根系對(duì)地下水的吸收利用比例隨地下水位的升高而增大,試驗(yàn)期間最高可達(dá)到81%。(4)利用熱擴(kuò)散探針對(duì)毛白楊人工林樹干液流進(jìn)行持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),分別對(duì)白天和夜間液流的季節(jié)變化特征進(jìn)行分析,并將其與林地環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明:試驗(yàn)期間,毛白楊人工林白天和夜間用水的平均值分別為1.90和0.12 mm d-1,夜間用水的季節(jié)動(dòng)態(tài)規(guī)律與白天用水不同,且二者均存在年際間變異。樹干補(bǔ)水占夜間液流總量的61%,且夜間液流占全天液流總量的比例在生長(zhǎng)季初期和末期顯著升高(最高可達(dá)0.64),有助于毛白楊木質(zhì)部導(dǎo)水率的及時(shí)恢復(fù)。地下水對(duì)毛白楊人工林的夜間用水具有補(bǔ)償效應(yīng):地下水位高于170 cm時(shí),毛白楊對(duì)地下水的利用能夠幫助減少樹干儲(chǔ)存水的消耗;當(dāng)?shù)叵滤簧钣?10 cm時(shí),地下水對(duì)夜間用水的補(bǔ)給很少,故該時(shí)期為毛白楊林地補(bǔ)水的關(guān)鍵期。白天液流與各氣象因子間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.001),而夜間液流則隨著氣象因子的增加而降低(P0.01)�？刂泼讞钊斯ち职滋旌鸵归g液流的關(guān)鍵氣象因子不同,且均會(huì)隨著林齡的增加發(fā)生改變。除參考作物潛在蒸散量(ET0)外的各單一氣象因子中,水氣壓虧缺(VPD)和光合有效輻射(PAR)分別在2010年和2011年對(duì)白天用水的解釋程度最高,分別為53.0%和63.8%,而VPD則主要在2011年對(duì)夜間用水起控制作用(27.0%)。(5)利用田間實(shí)測(cè)林冠蒸騰和土壤蒸發(fā)數(shù)據(jù),基于FAO作物系數(shù)法,分別建立毛白楊人工林基礎(chǔ)作物系數(shù)(Kcb)和土壤蒸發(fā)系數(shù)與葉面積指數(shù)(LAI)及土壤溫度間的定量關(guān)系,構(gòu)建林冠蒸騰和土壤蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明:基于LAI數(shù)據(jù)建立的Kcb模型能夠較好地預(yù)測(cè)土壤水分充足條件下的毛白楊人工林林冠蒸騰,RMAE為16%。但Keb與LAI間的定量關(guān)系會(huì)隨林齡和淺層土壤水分有效性發(fā)生改變,且變化主要體現(xiàn)在Kcb飽和值及相應(yīng)的LAI關(guān)鍵值上。土壤水分充足的滴灌條件下,土壤蒸發(fā)在雨季前(4-6月)表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性,濕潤(rùn)區(qū)的土壤蒸發(fā)占全年土壤蒸發(fā)總量的66%。構(gòu)建的L-ww模型(利用水分充足條件下的LAI數(shù)據(jù)建立的土壤蒸發(fā)預(yù)測(cè)模型)和LT-ww模型(利用水分充足條件下的LAI和20 cm深處土壤溫度數(shù)據(jù)建立的土壤蒸發(fā)預(yù)測(cè)模型)可分別用于預(yù)測(cè)滴灌條件下毛白楊人工林整個(gè)生長(zhǎng)季和淺層土壤水分充足的條件下的土壤日蒸發(fā)量,相對(duì)平均絕對(duì)誤差(RMAE)分別為 19%和 18%。(6)綜上,在對(duì)華北平原地下水位波動(dòng)條件下的毛白楊人工林開展林地水分管理時(shí),應(yīng)采取以下策略:首先,針對(duì)林齡和栽植密度較小的毛白楊林分,應(yīng)著重在土壤表層20 cm進(jìn)行少量多次灌溉,且水平灌溉范圍以樹干周圍為主;但在林齡和栽植密度較大的林分中,應(yīng)對(duì)林木平均生長(zhǎng)空間內(nèi)的表層土壤進(jìn)行全面的林地補(bǔ)水,并加大單次灌溉時(shí)長(zhǎng),促進(jìn)水分向深層土壤的運(yùn)移。其次,當(dāng)林地地下水位低于210 cm時(shí),應(yīng)加大毛白楊林地的灌溉頻率和灌溉量;隨著地下水位的升高,可相應(yīng)減少該時(shí)期內(nèi)的灌溉措施。第三,為避免林分耗水對(duì)地下水資源的生態(tài)可持續(xù)產(chǎn)生不利影響,同時(shí)防止林分因過(guò)度依賴地下水資源造成生態(tài)脆弱,可對(duì)毛白楊林分淺層土壤進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃盅a(bǔ)給,但淺層土壤補(bǔ)水不宜過(guò)多。第四,在林地樹冠遮陰不完全時(shí),應(yīng)針對(duì)土壤濕潤(rùn)區(qū)采取保水措施,減少不必要的林地耗水。最后,在確定毛白楊人工林灌溉量時(shí),可采用本研究中的模型,根據(jù)LAI和土壤溫度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)估算林冠蒸騰和土壤蒸發(fā)耗水量。
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第二章研究地概況、研究對(duì)象、研究方法及技術(shù)路線逡逑１．研究地概況逡逑研究地位于華北平原山東省聊城市高唐縣（３６°５８＇Ｎ，１１６°１４玉）（圖２－１），屬逡逑黃泛沖積平原，地勢(shì)平坦，平均海拔２７米。該地區(qū)氣候類型屬暖溫帶半千旱大陸性逡逑季風(fēng)氣候，四季冷暖干濕分明，季節(jié)性變化顯著。春季多風(fēng)少雨，夏季高溫濕潤(rùn)，逡逑秋季晴朗涼爽，，冬季寒冷干燥。年均氣溫１３．２邋°Ｃ，最高氣溫４１．２邋°Ｃ，最低氣溫－逡逑２０．８邋°Ｃ。年均降水量５４５邋ｍｍ，集中于夏季７、８月份，年均蒸發(fā)量１８８０邋＿，年均逡逑相對(duì)濕度７４％，全年日照總時(shí)數(shù)２６５１．９ｈ，無(wú)霜期２０４天。試驗(yàn)地土壤為第四級(jí)沖逡逑積土發(fā)育而來(lái)，有潮土、風(fēng)沙土和鹽土三類，其中潮土為主。土壤質(zhì)地主要為粉土，逡逑ｐＨ值８．１，呈堿性。試驗(yàn)地不同深度土壤類型及其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表２－１和２－２。逡逑ＡｃＴａＨａ逡逑？逡逑蘭薩克斯坦逡逑蒙古逡逑吉爾吉斯逡逑斯坦逡逑}0坦邐現(xiàn)邐朝鮮逡逑？邋＇Ｉ逡逑Ｔ邐韓國(guó)逡逑中國(guó)逡逑Ｊｅｗ邋Ｄｅｌｈｉ逡逑？逡逑Ｎｅｐａｔ逡逑＇＇不丹

ｔｅｗｅｎｔｏＫｉ）根萌苗，苗木平均胸徑２邋ｃｍ，平均苗高２．５邋ｍ。造林前，采用機(jī)械穴狀逡逑整地，栽植穴直徑１．２邋ｍ，穴深１邋ｍ。林木栽植前，于栽植穴底部施用復(fù)合肥，之后逡逑回填少量表土進(jìn)行覆蓋。試驗(yàn)林共包含３個(gè)林分，各林分相對(duì)位置和面積如圖２－２逡逑所示，各林分具體的栽植及管理情況如下。逡逑林分Ｉ：該林分栽植于２００５年春季，面積為３．９邋ｈｍ２，采用寬窄行栽植模式，選逡逑取南北向?yàn)樾蟹较?
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S792.117;S714


本文編號(hào)：2628844