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极端干旱区荒漠河岸林的主要任务是维护和改善绿洲生态环境,同时也是保护经济建设的天然屏障,在绿洲的可持续发展中具有重要的作用和地位。胡杨林作为荒漠地带最重要的森林资源,是黑河下游额济纳绿洲自然生态系统的主体,在保护生态安全方面有着不可替代的作用。因此,为了解决极端干旱区荒漠河岸林的水分传输问题,从不同尺度和水平对极端干旱区荒漠河岸胡杨林耗水特性研究,对于认识荒漠地区水循环和水资源分配以及胡杨林水分科学管理和维护生态环境的稳定性均具有重大现实意义。
本论文以先进仪器(自动气象站、SF-300树干液流仪、WP4露点水势仪、LI-6400光合作用仪、TDR土壤水分仪)为观测手段,采取定位观测研究的方法,从叶片、单株和林分三个尺度水平,土壤—根系—树干—叶片垂直方向,研究和认识极端干旱区荒漠河岸林胡杨的耗水特性。为维护区域生态环境的稳定性,实现该地区及全流域经济的持续发展,解决水资源可持续利用的重大决策方面提供重要科学支持作用。主要结论如下:
1.通过对胡杨叶片水分生理特性的研究表明:(1)胡杨蒸腾速率日变化呈单峰型,阔卵叶蒸腾速率大于披针叶;空间变化上表现为从河岸到戈壁日均值逐渐降低;季节变化上表现为5~8月蒸腾速率逐渐升高,8~10月,蒸腾速率下降;(2)胡杨叶片光合速率阳生叶的日平均光合速率比阴生叶高29.65%;胡杨光合速率对光照强度的响应符合Farquhar模型,对CO2浓度升高的响应遵循Michaelis-Menten模型。(3)叶水势日、季节变化曲线呈单峰型,上部的叶水势比下部低,披针叶的比阔卵叶的水势高,这与水分移动的规律相符合。(4)胡杨叶片气孔导度日变化呈现为周期波动曲线。
2.胡杨树干液流特征表现为:(1)不同胸径胡杨树干单位面积液流通量一定;树干液流从形成层以下由外向内依此递减;东西方位的树干液流高于南北方位;不同林龄树干液流表现为15龄>25龄>50龄;日累计流量整个过程呈现直线状。(2)树干液流速率日变化具有明显的昼夜节律性。白天树干液流流速变化曲线呈多峰型。夜间,胡杨同样存在明显的液流,认为主要是由根压引起;胡杨树干液流速率7月份最高,6月、8月份次之,9月份液流速率高于5月份,10月份最小,主要生长期6~8月份胡杨日均蒸腾量占整个生长季的70%以上。(3)影响树干液流的因素中,生物学结构决定液流的潜在能力,土壤供水决定液流的总体水平,而气象因素决定液流的瞬间变动。
3.胡杨林内太阳辐射、气温、土温、风速低于林外对照地,大气相对湿度高于对照地。胡杨群落起到了改变太阳辐射,调节地表、地下温度,缩小温差以及降低风速,提高土壤及大气湿度,减少风力侵蚀等重要生态作用。林地蒸散量的大小取决于下垫面的状况。林地蒸散速率的变化与净辐射变化基本一致;气温、土温、相对湿度、风速、土壤水分是影响林地蒸散量的重要因素;降水不能满足胡杨林地蒸散的需要,蒸散主要来源于地下水。
4.基于水文平衡理论和生态地域理论,建立了林分边材面积的分布模型,提出了实现转换的假设条件,利用边材面积推算了林分的耗水量,实现了从单株到林分尺度上的转换,结果表明利用边材面积推算林分耗水量具有较高的可靠性。
5.通过对胡杨根系的调查和研究表明,胡杨具有庞大的根系,侧根发达,粗大根较少;胡杨输运根系分布存在分形现象;胡杨吸水根根量在水平方向上主要集中在0~350 cm范围内,占0~500cm总根量的91.88%,在垂直方向上主要集中在0~80cm土层内,占0~140cm土层内总量的96.8%。
6.采用改进的Feddes模型,根据测定的根长密度、蒸腾速率、土壤水势建立了胡杨根系吸水模型,通过对胡杨根区土壤水分运动做数值模拟计算分析表明,所建立的胡杨根系吸水模型基本能够反映胡杨根系吸水的实际情况。