中国科学院水利部水土保持研究所机构知识库

    黄土高原地区是我国生态恢复和环境保护的重点区域。近年来，随着各项植被恢复措施的实施，植被覆盖度明显提升，生态环境得到了显著改善。同时，植被与水土资源的矛盾也对生态系统的可持续性产生潜在影响。在植被恢复和全球变化背景下，深入解析该区典型森林群落和主要建群种的水分利用特点及其对干旱的适应性具有理论和现实意义。本研究以黄土丘陵区两典型森林群落（辽东栎天然次生林和刺槐人工林）和主要树种（辽东栎、侧柏、山杏、细裂槭、刺槐和杜梨）为研究对象，通过连续多年的林分生长调查、树干液流监测，以及对气象、土壤等环境因子的同步观测，探究了两群落及主要树种在季节尺度和年份尺度上的蒸腾耗水特征，分析了主要树种的树干液流变化动态及其对环境因子的响应；结合对各树种叶部形态学和生理学指标（叶片持水力、比叶面积、黎明前和正午叶水势、叶片稳定碳同位素丰度）的测定分析，揭示了各树种的水分利用特点。主要结论如下：

    （1）供试树种树干液流通量密度的日变化特征总体上与蒸腾驱动因子（太阳辐射和空气水汽压亏缺）呈相同趋势。随着生长季物候变化，各树种的日平均液流通量密度表现为生长季前期（5‒6月）逐渐升高，中期（7‒8月）达到最高值，后期（9‒10月）逐渐下降至较低水平的变化趋势。

生长季6‒9月，各树种单株日蒸腾量与太阳辐射、空气水汽压亏缺和空气温度显著正相关（P<0.05），与空气相对湿度显著负相关（P<0.05）。相较于土壤含水量较低时期，各树种在土壤含水量较高时期的液流通量密度日最大值显著增加（P<0.05），而液流通量密度到达日最大值的时间除刺槐和杜梨显著推迟外（P<0.05），其它树种均无明显变化（P>0.05），说明水分条件的改善能够明显促进蒸腾水平的提高；刺槐和杜梨对土壤水分变化的响应更加剧烈。

    （2）在形态学特征上，比叶面积在树种之间存在显著性差异，各树种比叶面积多年平均值排序为刺槐（18.83 m²/kg）>辽东栎（13.69 m²/kg）>山杏（13.40 m²/kg）>杜梨（12.68 m²/kg）>细裂槭（12.60 m²/kg）>侧柏（5.15 m²/kg）。在生理学特征上，各树种叶片失水速率由高到低分别为刺槐（2.91 %/h）、山杏（1.25 %/h）、辽东栎（1.22 %/h）、细裂槭（1.06 %/h）、杜梨（0.91 %/h）、侧柏（0.42 %/h）。表明侧柏的叶片持水能力最强，刺槐的叶片持水能力最弱，其余树种相近。黎明前叶水势、正午叶水势和蒸腾拉力在树种间和不同月份之间均达到极显著差异（P<0.01），表明同时受树种特性和土壤水分变化的影响。辽东栎和侧柏的蒸腾拉力（分别为0.98‒1.65 MPa和0.55‒1.30 MPa）小于其它树种，说明辽东栎和侧柏对环境因子变化的敏感性较低。叶片稳定碳同位素丰度随着土壤含水量的增加而下降，在树种、月份和年份之间差异极显著（P<0.01），反映了树种间水分利用效率的不同。

    对各树种树干液流变化特征和叶部形态学生理学指标的比较分析表明，侧柏、细裂槭、辽东栎和山杏对空气相对湿度变化的敏感性较强，对土壤水分变化敏感度较低，表现出保守型的水分利用策略；而杜梨和刺槐对空气相对湿度变化的气孔敏感性较低，对土壤水分变化较敏感，水分利用策略趋向于冒险型。

    （3）试验期间（2011‒2019年）研究区年降雨量为418.2‒891.0 mm，年潜在蒸发散为932.5‒1082.6 mm，蒸腾驱动因子（太阳辐射和空气水汽压亏缺等）平均值季节变化规律性基本稳定。辽东栎天然次生林和刺槐人工林日平均土壤含水量的连续多日变化动态相近，年平均土壤含水量与年降雨量为显著正相关关系（P<0.05）。试验期间，辽东栎林分平均胸径和总边材面积分别增加了4.5 cm和1.10 m²/ha；刺槐林分平均胸径和总边材面积分别增加了1.0 cm和0.22 m²/ha。

    （4）2011‒2019年间（除2012年）辽东栎天然次生林生长季的林分乔木层年蒸腾耗水量为51.3‒105.2 mm。辽东栎个体在林分耗水量中占的比例基本保持稳定水平，表明辽东栎林处于稳定的生长阶段。刺槐人工林生长季的林分蒸腾耗水量为57.2‒72.0 mm。

    两典型林分月蒸腾耗水量主要受物候变化和气象因子的影响，与叶面积指数、月平均太阳辐射、月平均空气温度和月总潜在蒸发散之间存在显著正相关关系（P<0.05），与月总降雨量和月平均土壤含水量之间无明显关系（P>0.05）。年尺度上，辽东栎林年蒸腾耗水量与年潜在蒸发散呈显著负相关关系（P<0.05），与前一年的降雨量为显著正相关关系（P<0.05），与当年降雨量和年平均土壤含水量关系不显著（P>0.05）；刺槐人工林年蒸腾耗水量与年平均土壤含水量之间存在显著正相关关系（P<0.05），与年潜在蒸发散、当年降雨量和前一年降雨量无显著相关关系（P>0.05）。

    两林分的蒸腾耗水量在干旱和湿润年份表现出对气象因子不同的响应特征。林分日蒸腾量与太阳辐射和空气温度的关系适用线性方程拟合，与空气水汽压亏缺的关系适用指数饱和曲线拟合。刺槐林中，林分蒸腾量与太阳辐射、空气温度的拟合方程斜率在干旱和湿润年份的差异不显著（P>0.05），林分蒸腾量与空气水汽压亏缺拟合关系的参数b达到显著性差异（P<0.05），而参数a的差异不明显（P>0.05）；辽东栎林中，湿润年份林分蒸腾量与气象因子拟合关系的相关系数（R²）大于干旱年份，拟合关系的相关参数在干旱和湿润年份的差异均达到显著水平（P<0.05）。

    研究结果表明，两林分主要树种的水分利用特点不同，侧柏、辽东栎、山杏和细裂槭倾向于保守性利用水分，而刺槐和杜梨的水分利用方式较为冒险。受长期土壤水分亏缺的影响，刺槐林蒸腾耗水的整体水平、气孔调节能力和生长状况减弱，对环境因子变化的敏感性降低，林分整体呈现水分供求矛盾，应开展适宜的经营管理措施加以调整。辽东栎表现出较强的气孔调节功能；在年份尺度上林分蒸腾耗水与土壤水分条件耦合良好，可以较好地维持林分水分平衡，保持稳定生长。