半干旱城市环境下成熟油松林蒸腾作用的生物物理调控和水分利用策略

作者:吉县站  更新时间:2022-10-17

一、背景介绍:

       城市树木和森林为城市居民提供多种生态系统服务。但在水资源有限的干旱地区,为提供诸多生态服务利益而用水已成为关键问题之一。选择蒸腾速率较低的树种可以减少水分利用的负面影响。然而,目前对城市树木蒸腾作用的潜在变化规律及其生物物理调控机制尚不清楚。本研究的目的是量化和了解半干旱城市环境中林分蒸腾作用的环境和生物因素的控制作用。因此,在2017-2019年的生长季,该研究对中国北方半干旱城市环境下58年生油松(Pinus tabulaeformis)人工林的液流等生理指标进行了监测。结果表明:土壤水分对林分蒸腾起着重要作用。当土壤水分相对充足时,林分蒸腾(Ec)与饱和水汽压差(VPD)和太阳辐射(Rs)呈极显著正相关关系。而在土壤水分胁迫下,Ec显著降低63.1%。叶片气孔关闭导致冠层导度(gc)显著降低了74.3%,并提高了叶片气孔对VPD的敏感性。油松正午叶片水势相对稳定(-2.46 ~ -2.92 MPa),说明气孔在树木受土壤水分胁迫时具有较强的调节能力。本文研究了半干旱区城市树木蒸腾作用的生物物理调控机制和水分利用策略,以更好地理解生态系统服务与城市用水消耗之间的平衡关系,并改进城市森林管理策略。

二、主要结果:

       1. 气象和土壤水分变化

      在2017-2019年生长季,VPDRs、Ws和θ的日平均值分别为1.19 ± 0.52(SD)kPa、18.18 ± 6.31 MJm-2、0.32 ± 0.12 ms-1和0.11 ± 0.05m3 m-3(Fig. 4和Fig. 5),2017年(223 mm)、2018年(322 mm)和2019年(314 mm)生长季的降水量(P)分别占多年平均值的66%、95.2%和92.8%(Fig. 5)。


       2. 林分蒸腾、冠层导度、枝叶水势的变化
       在连续三个生长季内,平均Ec为0.78 ± 0.48 mm day-1(Fig. 4d)。当REW ≥ 0.4时,Ec为1.48 ± 0.22 mm day-1,显著高于0.55 ± 0.24 mmday-1p < 0.001,Fig. 6a)。REW ≥ 0.4条件下的gc显著高于REW < 0.4(p < 0.001,Fig. 6b)。土壤水分有效性下降时,叶片水势(Ψl)和枝条水势值(Ψb)在黎明前和正午保持相对稳定。与无水分胁迫条件相比,黎明前Ψl下降8.5%,正午Ψl下降6.0%。在水分胁迫条件下,黎明前枝条水势(Ψb)降低60.0%,正午枝条水势降低59.1%(Fig. 6c,d)。其中REWRelative Extractable Water(相对可提取水量)。


       3. 林分蒸腾对环境因子的响应

       不同土壤水分条件下,Ec对气象因子的响应不同(Fig. 7)。当REW ≥ 0.4时,EcVPDr2= 0.52,< 0.001)和Rsr2= 0.47,< 0.001)的响应为正相关关系(Fig. 7a,b)。然而,当REW < 0.4时,EcVPDr2 = 0.03,p < 0.05)、Rsr2 = 0.12,< 0.05)呈弱相关(Fig. 7a,b)。REW ≥ 0.4条件下EcVPDEc上升而增加的速度快于REW < 0.4(Fig. 7a,b)。此外,无论REW条件如何,Ec与Ws均无显著相关(Fig. 7c)


       4. 林分蒸腾与水分利用策略的生物调节

      冠层导度与REW显著相关(Fig. 6b),正午gc对ΨlΨb的响应受REW变化的影响(Fig. 8)。当REW ≥ 0.4时,正午gcVPD的敏感性不受ΨlΨb的影响(Fig. 8a,c);当REW < 0.4时,正午gcVPD的敏感性随着Ψlr2 = 0.51,p < 0.05)和Ψbr2= 0.48,< 0.05)的增加而显著增加(Fig. 8b,d)。


三、结论:

      在半干旱区城市环境中,土壤水分有效性和生物控制显著影响树木的蒸腾作用。土壤水分充足时,油松保持较高的蒸腾速率,蒸腾速率随VPD和太阳辐射的增加而增加。在土壤水分胁迫下,由于叶片气孔关闭,林分蒸腾作用显著降低,并与VPD和太阳辐射呈弱相关。叶片气孔对VPD的敏感性随叶片和枝条水势的增加而增大。这些生物物理机制可以促进城市树木在干旱时期的生存。综上,油松是偏等水水分调节行为的物种,叶片水势相对稳定,气孔控制能力强。该研究强调了研究树木水分利用策略以及叶片水势和气孔导度的动态变化的重要性。了解城市环境下树木用水的可能适应机制,有助于管理决策者优化城市林业用水与生态服务之间的权衡。

作者:陈胜楠,张志强     审稿:张会兰     编辑:汪海娇

Reference:

Chen, SN et al., 2022. Biophysical regulations of transpiration and water use strategy in a mature Chinese pine (Pinus tabulaeformis) forest in a semiarid urban environment. Hydrological Processes, 36(2): e14485.



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