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荒漠河岸林胡杨水分利用过程及适应策略
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荒漠河岸林胡杨水分利用过程及适应策略

作者：司建华//冯超//鱼腾飞//赵春彦
出版社：科学出版社出版时间：2022-10-01
开本： 16开 页数： 216
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荒漠河岸林胡杨水分利用过程及适应策略 版权信息

  • ISBN：9787030734136
  • 条形码：9787030734136 ; 978-7-03-073413-6
  • 装帧：一般胶版纸
  • 册数：暂无
  • 重量：暂无
  • 所属分类：
    农业/林业
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荒漠河岸林胡杨水分利用过程及适应策略 内容简介

本书是基于多年实地观测资料，研究荒漠河岸林胡杨水分利用过程及适应策略的专著。本书将稳定同位素技术、植物生理生态学研究手段、数值模拟方法相结合，系统地研究荒漠河岸林水分利用过程和适应策略。厘清荒漠河岸林胡杨水分利用来源，确定荒漠河岸林水力再分配模式，闸明荒漠河岸林胡杨水分传输机理，明确荒漠河岸林耗水特征，建立胡杨林蒸散发模型，揭示荒漠河岸林水分利用策略和对干旱胁迫的适应机制，为干旱内陆区生态系统恢复与重建提供科学依据。 本书可供地学、生态水文、林学、资源、环境等专业的科研人员和高等院校相关专业师生参考使用。

荒漠河岸林胡杨水分利用过程及适应策略 目录

目录
前言
第1章　植物水分利用研究概述　1
1.1　研究意义　1
1.2　植物水分利用来源　2
1.2.1　植物水分利用研究方法　2
1.2.2　河岸带植物水分利用来源　3
1.2.3　植物夜间水分利用　3
1.3　植物水力再分配　4
1.3.1　水力再分配存在的证据、条件、模式　4
1.3.2　水力再分配的大小及影响因素　5
1.3.3　水力再分配的生态水文效应　6
1.4　植物水分利用效率　7
1.4.1　植物水分利用效率时空变化特征及影响因素　7
1.4.2　植物水分利用效率气孔限制与非气孔限制　8
1.4.3　水分利用效率与干旱忍耐关系研究　9
1.5　植物水分利用策略及对干旱胁迫的适应　9
1.5.1　植物水分利用策略　9
1.5.2　植物对干旱胁迫的适应　11
1.6　本章小结　13
第2章　研究区域概况与研究方法　14
2.1　研究区域概况　14
2.1.1　地理位置　14
2.1.2　气候特征　14
2.1.3　水文水资源　15
2.1.4　土壤与植被　15
2.2　研究方法　16
2.2.1　胡杨水分利用来源研究方法　16
2.2.2　胡杨水力再分配研究方法　18
2.2.3　胡杨水分传输过程研究方法　20
2.2.4　胡杨叶片水分利用效率研究方法　21
2.2.5　胡杨蒸腾耗水及尺度扩展研究方法　22
2.2.6　荒漠河岸胡杨林蒸散发观测与模拟　23
2.2.7　胡杨水分阈值的计算方法　27
2.3　本章小结　27
第3章　荒漠河岸林胡杨水分利用来源　28
3.1　不同物候期胡杨水分利用来源　29
3.1.1　胡杨各潜在水源的年内变化规律　29
3.1.2　胡杨木质部水及各潜在水源氢氧同位素特征　30
3.1.3　胡杨对各潜在水源的利用比例　33
3.2　不同生境条件下胡杨水分利用来源　35
3.3　不同地下水位埋深条件下胡杨水分利用来源　37
3.3.1　胡杨木质部水δ18O的变化及其与不同潜在水源的关系　37
3.3.2　各潜在水源对胡杨水分利用的贡献　39
3.4　本章小结　41
第4章　荒漠河岸林胡杨根系水力再分配　42
4.1　胡杨根系水力再分配证据与模式　43
4.1.1　胡杨根系水力再分配证据　43
4.1.2　胡杨根系水力再分配模式　46
4.2　胡杨根系水力再分配大小及影响因素　47
4.2.1　基于液流速率计算的胡杨根系水力再分配　47
4.2.2　根系水力再分配的影响因子　49
4.3　胡杨根系水力再分配的生态水文效应　50
4.3.1　根系水力再分配的水文效应　51
4.3.2　根系水力再分配的生态效应　53
4.4　本章小结　56
第5章　荒漠河岸林胡杨水分传输过程　58
5.1　胡杨根系吸水过程　58
5.1.1　胡杨吸收根系的分布特征　58
5.1.2　胡杨根系吸水模型建立　61
5.2　胡杨茎干水分传输过程　64
5.2.1　胡杨树干液流时间变化特征　64
5.2.2　胡杨树干液流速率与环境因子的关系　68
5.3　胡杨水力结构特征及耐旱性　70
5.3.1　胡杨水力特性的时间变化和器官分异　.71
5.3.2　胡杨木质部导水率的影响因素　73
5.3.3　胡杨木质部导水率与耐旱性的关系　76
5.4　本章小结　86
第6章　荒漠河岸林胡杨叶片水分利用效率　88
6.1　胡杨水分利用效率日变化特征　88
6.1.1　胡杨气体交换参数及水分利用效率日变化　89
6.1.2　胡杨瞬时水分利用效率的日变化及影响因子　97
6.1.3　胡杨潜在水分利用效率的日变化及影响因子　100
6.2　胡杨水分利用效率季节变化特征　102
6.2.1　生长季胡杨叶片δ13C变化特征　102
6.2.2　胡杨水分利用效率季节变化特征　103
6.2.3　胡杨水分利用效率日、季差异分析　105
6.3　不同林龄胡杨水分利用效率　106
6.4　不同立地条件下胡杨水分利用效率　109
6.5　水分、叶片营养物和渗透物质对胡杨水分利用效率的影响　111
6.5.1　水分条件对胡杨水分利用效率的影响　111
6.5.2　叶片营养物对胡杨水分利用效率的影响　112
6.5.3　叶片生理渗透物对胡杨水分利用效率的影响　113
6.6　本章小结　114
第7章　荒漠河岸林胡杨蒸腾耗水及尺度扩展　116
7.1　荒漠河岸林胡杨日间蒸腾耗水　116
7.1.1　胡杨蒸腾耗水的季节变化　116
7.1.2　典型天气条件下胡杨蒸腾耗水　117
7.1.3　不同光合辐射和水汽压差条件下胡杨蒸腾耗水　117
7.2　荒漠河岸林胡杨夜间蒸腾耗水　118
7.2.1　胡杨夜间蒸腾的发生　118
7.2.2　胡杨夜间蒸腾的数量大小　121
7.2.3　胡杨夜间蒸腾的变化规律　122
7.2.4　胡杨夜间蒸腾的驱动力　125
7.3　荒漠河岸林胡杨蒸腾耗水尺度扩展　128
7.3.1　胡杨蒸腾耗水的空间尺度扩展　128
7.3.2　胡杨蒸腾耗水的时间尺度扩展　129
7.3.3　胡杨蒸腾耗水尺度扩展的误差分析　131
7.4　本章小结　134
第8章　荒漠河岸胡杨林蒸散发观测与模拟　136
8.1　荒漠河岸胡杨林蒸散发与影响因素　137
8.1.1　基于涡度协方差法的胡杨林蒸散发测定　137
8.1.2　基于地下水埋深变化的胡杨林蒸散发估算　142
8.1.3　胡杨林蒸散发的影响因素　144
8.2　基于过程模型的荒漠河岸胡杨林蒸散发模拟　148
8.2.1　模型参数化方案　148
8.2.2　模型模拟精度与敏感性分析　153
8.3　荒漠河岸胡杨林蒸散发组分分割　155
8.4　本章小结　159
第9章　荒漠河岸林胡杨水分适应策略　160
9.1　荒漠河岸林胡杨水分利用策略　160
9.1.1　胡杨树干液流速率的变化　160
9.1.2　胡杨树干液流速率与环境因子之间的时滞　162
9.1.3　胡杨气孔导度和形态的变化　164
9.1.4　胡杨夜间水分利用策略　166
9.2　荒漠河岸林胡杨对干旱胁迫的生理适应　167
9.2.1　胡杨光合作用对干旱胁迫的适应　167
9.2.2　胡杨渗透调节物质对干旱胁迫的适应　171
9.2.3　胡杨膜系统保护酶对干旱胁迫的适应　175
9.2.4　胡杨激素含量对干旱胁迫的适应　179
9.3　荒漠河岸林生态系统对地下水位变化的响应　182
9.3.1　荒漠河岸林生态系统对地下水位变化的响应　182
9.3.2　荒漠河岸林生态系统水均衡分析　185
9.4　荒漠河岸林胡杨水分阈值及分布适宜性　187
9.4.1　水分阈值计算指标筛选　187
9.4.2　胡杨在不同生长阶段的水分阈值　191
9.4.3　黑河下游胡杨分布适宜性　196
9.5　本章小结　198
参考文献　200
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荒漠河岸林胡杨水分利用过程及适应策略 节选

第1章　植物水分利用研究概述 1.1　研究意义 在地球上的干旱与半干旱生态系统大约覆盖了其表面的50%。水分是决定这些生态系统结构与功能的*重要的限制因子。然而，干旱区水资源短缺，年际和年内变化较大，植物在不同的季节与不同的生态系统中究竟如何利用水分，利用哪些水分去获得生存，成为一个人们关注的问题（王平元等，2010），这就需要对干旱区植物水分来源及其水分利用机理进行深入研究（褚建民，2007）。荒漠河岸林是内陆河下游天然绿洲的主体，随着干旱区水文过程干扰的加强，荒漠河岸林的退化成为突出的问题，已引起国内外学术界的高度关注（陈亚宁等，2004；韩路等，2011）。 荒漠河岸林的生长和分布与水分的利用程度紧密相关（李卫红等，2008），一般认为由于地下水位的下降，使荒漠河岸林不能有效地利用到水源，因此不能维持其健康生长（Klaudia and Edmund，2010；Hao et al.，2010），但并非所有的植物仅利用地下水来维持，有研究表明，河岸地带的植物不同程度地利用生长季节的降水、土壤水来维持生存（Thorburn and Walker，1994；Kolb and Hart，1997）。那么，荒漠河岸林究竟是如何获取稳定的水源、利用哪些水分才能够有效地避免或克服可能出现的水分胁迫而获得生存。特别是在水资源匮乏的干旱地区，如何合理配置有限的水资源，以使植物有效吸收利用水分，维护生态环境不致恶化，这些问题的回答都离不开对荒漠河岸林水分来源的研究，以确定荒漠河岸林所利用的水分究竟来自哪儿。在此基础上，另一重要的问题是荒漠河岸林如何利用获取的水分，不同生活型、不同生长阶段、不同生境的荒漠河岸林到底如何利用水分，其过程与特征仍不甚清楚，这就要求我们明确荒漠河岸林水分利用的时空变化特征。 荒漠河岸林沿河道或者水源呈梯度有规律的变化，生态系统过程与植物对水分的利用模式息息相关，植物吸收和利用水分的模式在一定程度上决定了生态系统对环境水分状况发生改变时的响应结果（Patricia et al.，2010）。荒漠地区由于降水稀少，植物受水分胁迫作用严重，在这种情况下，荒漠河岸林如何做出反应、采取何种水分利用策略、是否存在水分竞争等就成为许多生态学家关心的问题（周洪华等，2012）。 在极端干旱条件下，水分利用策略是植物维持健康生长的前提。一般而言，植物主要通过增加水分吸收、减少水分损失、保持膨压、耐干化等策略来抵御胁迫对自身造成的危害，保证其在逆境中健康生长（Levitt，1980）。而且植物在长期干旱胁迫环境下会形成其特有的水分利用策略，主要表现在水分获取方式和水分生理生态特征的差异上。植物除了依靠水分利用策略维持其基本生理活动正常进行外，还往往通过内部生理变化形成强的修复能力，即干旱胁迫的适应。突出表现在光合作用的调整（Galmes et al.，2005；Woo et al.，2008），强的抗氧化能力的启动（何建社等，2018），渗透调节能力的形成等（Machado and Paulsen，2001）。 干旱胁迫的适应性是植物在水分亏缺条件下做出的有利于其生长的响应。由于胁迫时间长短的不同、植物所处生育时期以及植物种对干旱胁迫敏感度的差异，导致不同植物种具有不同的干旱胁迫适应性机制。目前，植物干旱胁迫适应性研究多集中在短期胁迫处理下生理指标的变化上（王海珍等，2017），缺乏长期的观测，而适应性的形成需要经历一个较长的时间周期。因此，需要在更长时间尺度上进行胁迫处理，分析植物各生理参数协同作用下的生长状况，从而探究植物对干旱胁迫的适应性。而且不同的生理指标对植物干旱适应性形成过程的影响存在差异，需要对可能影响其生长发育的光合作用、蒸腾作用、抗氧化物质、渗透调节物质、激素等进行全面的分析，才可得出较为全面的认识，为植被保育和恢复提供科学依据。 目前相关研究已对植物不同尺度的耗水过程有了深刻的认识，但对荒漠河岸林的水分利用来源、水分利用策略、干旱胁迫的适应机制等基础科学问题的回答仍不令人满意。因此，将稳定同位素、树干液流技术与生态学研究手段相结合，系统和定量地研究荒漠河岸林水分利用来源、根系水力再分配、水分传输、水分利用、水分利用策略和干旱胁迫的适应机制，可丰富和完善对生态系统水循环模式的认识。 1.2　植物水分利用来源 1.2.1　植物水分利用研究方法 目前，国内外主要利用稳定性同位素技术确定不同植物的水分利用方式和策略（Ehleringer et al.，1991a；Dawson，1998；严昌荣和白涛，1998；Rietti Shati et al.，2000；曹燕丽等，2002；Drake and Franks，2003；石辉等，2003；章光新等，2004；孙双峰等，2005；赵良菊等，2008；边俊景等，2009；Huang and Pang，2010；Klaudia and Edmund，2010；王平元等，2010；余绍文等，2011）。由于同位素分馏过程的存在，自然界中的不同水源具有不同的同位素组成，在根系对土壤水分的吸收过程中，稳定氢氧同位素一般不发生分馏（White et al.，1985）。因此，植物木质部水分的同位素组成能反映出植物利用的不同水源的稳定同位素信息。首先，如果不同来源的同位素组成差异显著，即可以通过对比植物木质部水分与各种水源的同位素组成确定植物究竟利用哪些来源的水分（段德玉和欧阳华，2007）。其次，通过测定树干液流来研究植物的水分利用情况，目前利用热技术研究树干液流是*常用的方法有热脉冲技术（HPVR）、热扩散法（TDM）、热平衡法（THBM）。再次，利用植物的各项生理参数，如光合速率、气孔导度、叶片水势、土壤水势、土壤含水量与稳定同位素技术（D、18O、13C等）相结合，分析植物如何利用不同来源的水分及其区分利用策略（Ehleringer et al.，1991a）。通过比较植物茎木质部水分与植物可能利用的不同来源水分氢氧同位素值，利用二项或三项分隔线性混合模型，估算出不同来源水分对植物的相对贡献（White et al.，1985）。 稳定同位素技术为了解植物利用水分动态提供了很好的手段。但它的局限性在于混合模型所能计算的水分来源只能有2个，*多3个，并且要求潜在水源之间具有不同的同位素值。只用稳定同位素数据对解释植物水分利用方式是不够的，只有将稳定同位素技术与液流技术、植物生理生态学方法相结合，才能获得对植物水分利用策略获得一个较为完善的解释（孙慧珍等，2004；孙双峰等，2005）。 1.2.2　河岸带植物水分利用来源 河岸带植物可利用的水源基本有三种：土壤水、地下水和河水。按一般的推测，河岸植物主要利用河流水，然而事实并非如此，有研究表明，生长于河岸带的植物并不吸收或极少利用河水，而是利用地下水。如美国西部河岸林槭树林，只有河岸旁的小树利用河水，成熟的大树很少或几乎不用河水（Dawson and Ehleringer，1991）；对亚利桑那州西部的弗里芒氏杨和古丁氏柳研究发现，这两种植物在生长季节都是在利用地下水而不是河水（Busch et al.，1992）；即使被河水冲刷过的树木也并没有主要利用河流水，如澳大利亚的冲积平原上被河水冲刷的树木汁液同位素组成与附近未被冲击的树木相似，树木利用地下水的比例随表层土壤干燥程度的上升从40%上升到63%（Thorburn and Walker，1993），尤其是离河流比较远的树木（Mensforth et al.，1994）。有一些研究发现，河岸带植物是利用混合的水分来源，水分来源包括地下水、地表径流水以及浅层土壤水。如生长于河流边的桉树可以利用50%的土壤水或地下水，当季节性河流有水时，植物对河水的利用率*高可达到30%（Thorburn and Walker，1994）。在潜水埋深达4m以上地区生长的古丁氏柳，在夏季雨期，不吸收浅层土壤水分，仅吸收地下水，但是季节性河流边上的湿生植物在雨季会吸收26%～33%的由降雨补给的浅层土壤水，其他季节主要是吸收地下水；研究还指出，地下水和包气带水分的蒸发可能是环境条件和植物根系水力提升的共同作用（Snyder and Williams，2000）。乔木和灌木较多地利用地下水，而草本植物以地表水为主（赵良菊等，2008）。在旱季，白刺主要利用浅层土壤水，梭梭利用深层土壤水，沙拐枣主要利用地下水（褚建民，2007）。由此可见，河岸带植物的水分利用方式在时间上和空间上并非完全一致，对河岸林怎样进行水分吸收和利用的预测存在困难，但可以确认的是这类树木可能会利用多种水源。厘清荒漠河岸植物利用水分*初来源，可为生长在水分成为限制因子区域建立区域尺度上的模型，估计水分平衡提供思路，可以为河岸林植被恢复和保护提供依据。 1.2.3　植物夜间水分利用 一般人们普遍认为当缺乏光合有效辐射时，夜间叶片气孔是关闭的，因而植物在夜间不存在蒸腾作用，夜间偶尔存在的液流通量也是用于回填补充木质部损失的水分。然而近些年来，对不同物种和生境的研究均观察到夜间蒸腾的存在，而且夜间水分损失相对较高（Dawson et al.，2007；Caird et al.，2007；Howard et al.，2009）。夜间蒸腾量占整日蒸腾量的5%～15%（Benyon，1999；Oren et al.，2001；Scholz et al.，2007；Fisher et al.，2007），在干旱荒漠生态系统下可高达30%～60%（Snyder et al.，2003）。如猕猴桃夜间蒸腾量占整日蒸腾量的19%（Green et al.，1989），巨桉夜间蒸腾量占整日蒸腾量的5%（Benyon，1999）。相比于日间蒸腾，夜间蒸腾受更多不同水平变量的控制，因而更具有复杂性。 夜间蒸腾除了与植物固有的生理因素有关外，还受环境因子的影响，如土壤水分、水汽压差、相对湿度、风速、气温等（司建华等，2014）。有研究认为夜间蒸腾是由于气孔栓塞、叶内生菌等引起的夜间气孔的不完全闭合导致的（Dawson et al.，2007）；也有研究认为叶片和土壤之间的水势梯度驱动了夜间蒸腾（Hinckley，1971）；还有研究认为土壤水分状况与夜间蒸腾关系密切，夜间蒸腾随土壤干旱程度的加强而降低（Bucci et al.，2004）。此外，风速也是影响夜间蒸腾的重要因子，有风的夜晚猕猴桃夜间水分损失能占整日蒸腾的30%（Green et al.，1989）。在不同生态系统下，水汽压差和植物蒸腾速率之间呈显著的正相关关系，表明水汽压差对夜间蒸腾的发生起重要作用（Fisher et al.，2007）。Hogg和Hurdle（1997）的研究发现水汽压差和风速可解释68%的夜间蒸腾变异性，但也有研究发现夜间蒸腾与水汽压差的相关性并不高（Rosado et al.，2012），说明还有其他一些因素，如风、雾、云量、叶片能量平衡、土壤水分状况等影响植物夜间蒸腾（司建华等，2014）。 夜间蒸腾是植物有效的水分利用策略之一。一般认为植物水势与植物根部土壤水势在夜间是平衡的，但持续的夜间蒸腾会导致黎明前水势的不平衡，这种现象在许多物种上均得到了证实（Donovan et al.，1999）。植物根从湿润土壤层吸收水分或因土壤干旱而损失水分，当气孔开放且大气状况允许夜间蒸腾发生时，通过根部损失的水分将会增加干旱层土壤的水分数量，进而影响植物水势。并且夜间蒸腾能够减少树木整夜的水势回升（Donovan et al.，2001），使得叶片水势低于土壤水势。有研究还发现夜间蒸腾的发生可以提高营养成分在树木木质部的运输，促进氮、磷、钾等矿物质营养通过土壤溶液流直接进入到植物根附近（McDonald et al.，2002）。还有研究发现夜间蒸腾促进植物营养获取，如纸桦木在夜间蒸腾过程中会向边材薄壁

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