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水分的多寡影响着植物分布格局、生长和形态特征。中国西北干旱区水资源极度匮乏,水分通常是荒漠植物生长最主要的限制因子。长期以来干旱区植物水分关系其对干旱胁迫的适应机制研究是干旱区生态水文领域研究的热点与重点之一。研究干旱区植物的用水特性可以为植被种类的选择、合理布局、经营提供科学依据。积极开展荒漠植物特殊水分利用方式的研究,如叶片吸水研究,更具有生态水文学、生态学的科学价值。 本论文选择干旱区典型荒漠植物多枝柽柳作为研究对象,借助多种先进仪器设备,如Flow32包裹式热平衡茎干液流仪、Psypro露点水势仪、GFS3000光合仪、自动气象站等,在野外和室内开展一系列观测实验,研究和认识荒漠植物柽柳的用水特性,了解柽柳大气水汽吸收的现象、过程及生理响应。主要结论如下: (1)通过比较包裹式热平衡茎干液流仪测定的柽柳茎干液流速率与快速称重法测定的蒸腾速率,评估了热平衡茎干液流仪监测植物耗水的精度,并建立了经验关系。结果表明:在P<0.001水平上,热平衡茎干液流仪监测的液流速率与快速称重法测定值呈极显著线性相关,相关系数R2在0.900以上,线性回归方程的斜率接近于1。与快速称重法相比,热平衡法测定的植物蒸腾速率略微偏高,并分析了产生误差的原因,总体而言,热平衡法是一种监测植物耗水可靠而有效的方法。 (2)在生长季,柽柳茎干液流速率具有明显的昼夜节律性,液流速率日变化过程多呈明显的“双峰型”或“多峰型”曲线,主要受土壤—大气环境因子调控。夜间,柽柳常常维持着较低而稳定的液流速率,夜间蒸腾约占其中的50%。在不同季节、不同天气条件下,早上柽柳枝条液流开始快速上升时间存在差异,一般在6:00~7:30,液流速率最大值在9:30~15:00均有可能出现。同一枝上不同级别的枝液流速率变化也存在一定的规律:越靠近冠层顶部的枝条,其液流启动、出现峰值的时间越早,嫩枝出现第一个峰值时间比主枝的提前0.5 h~1.0 h。在生长季,不同月份和生长状况下柽柳液流平均速率和最大值存在明显差异。液流速率日变化与气象因子密切相关,各气象因子对白天液流速率影响的程度依次为太阳辐射>水汽压差>气温>相对湿度>风速。在不同土壤水分条件下,液流速率对太阳辐射的响应模式不同,干旱期土壤水分低于凋萎系数时,液流速率对各气象因子的响应降低,此时土壤含水量成为影响液流速率的主要因子之一。可以根据柽柳液流速率与气象要素的统计模型预测柽柳液流速率的日变化。 (3)不同径级间茎干液流速率的差异水平与蒸腾强度呈正比。夜间蒸腾接近于零,不同径级间枝条液流速率的差异也降到最小。与茎干直径和横截面积相比,干物质量(叶干重)对柽柳液流速率和液流量的影响更显著,可以用叶干重作为扩展参数获取整株或灌丛尺度的蒸腾量。由于柽柳叶面积与叶干重在P<0.01水平上呈极显著线性相关,相关系数R2超过了0.970,可用柽柳叶干重代替叶面积参数用于植物生理生态等方面的研究。基于柽柳叶干重与植株易测形态参数、液流量的关系,建立了单枝/株叶干重、蒸腾耗水量经验模型,实现了从单枝到单株尺度上的转换。对所建模型进行了验证,结果显示利用叶干重推算单株耗水量具有较高的可信度。 (4)叶片饱和(浸水)实验表明柽柳叶片具有吸水能力。柽柳叶片的微形态结构有利于它们捕获和吸收叶片表面沉积的液态水,甚至高湿空气巾的汽态水。加湿与对照(天然生长)柽柳茎干液流的日变化表明高湿空气和低叶水势有利于叶片吸水的发生。当RH大于85%时,逆向液流首先出现在柽柳嫩枝上,接着在二级枝和主枝上先后出现,表明叶片吸水的水分可以由上向下依次传输。但植物本身的水分亏缺程度、天气状况会直接影响着叶片吸水过程对气象临界值响应变化,例如,短暂降水事件发生后,即便空气湿度<85%,由于叶片表面沉积水分,逆向液流仍可能发生,因而导致植物逆向液流发生的空气湿度临界值不是一个定值。虽然叶片吸水量占蒸腾耗水量的比例较少,但却可以改善植物水分亏缺状态,提高植物的光合速率和蒸腾速率,一定程度上缓解了干旱胁迫。 (5)干旱区降水以小、微降水事件为主,对荒漠植物具有非常重要的意义。小、微降水频率占总降雨次数的比例最高,超过81.3%,小于0.2 mm的微降水缺乏实测资料。柽柳叶片可以直接吸收拦截的雨水,甚至可以对小于1 mm的降水产生响应。柽柳逆向液流速率和逆向液流量不仅与降雨量有关,也与降雨发生的时段和持续时间密切相关。黄昏至次日清晨时段出现的降雨更有利于逆向液流的产生与持续。白天持续的降雨事件使空气湿度在较长一段时间接近或达到饱和,此时白天也可出现连续的逆向液流,并且连续的降雨对逆向液流后续影响时间长。逆向液流占白天液流量的比例较低,但占夜间液流量的比例较高,可以有效地平衡夜间液流。生长季降雨较频繁,因而柽柳逆向液流时有发生,这对荒漠植物的生长繁殖非常重要。