退耕还林(草)措施有效地增加了黄土高原地区的植被覆盖度,减小了水土流失,改善了生态环境,但大面积的植树造林也产生了一些负面影响,比如林下土壤干燥化和人工林过早衰败。其原因可能与人工林地的蒸散耗水有关。人工林拦蓄并过度消耗土壤水分,打破固有水分平衡,形成土壤干层,当遭遇严重干旱或水分补给不足时导致人工林衰败死亡。人工林地蒸散耗水过程是生态系统水循环过程的重要环节,也是生态水文过程的重要研究内容,因此研究黄土高原地区代表性人工林地的生态水文过程,深入分析水循环过程特征和规律,对明确该地区林-水相互作用关系和人工林植被的恢复和可持续发展具有重要理论意义。本研究以黄土高原地区主要造林树种刺槐为研究对象,通过野外试验和室内模拟分析的方法,研究了刺槐树干边材木质部导管形态特征及其影响因素,校准了热扩散探针法液流计算经验公式系数,分析了刺槐蒸腾耗水、冠层截留和林地蒸散发特征及其影响因素,并以实测数据为基础校准了Hydrus1-D模型并模拟了林地土壤水分与蒸散发的动态变化过程,同时分析了林地水量平衡特征。所取得的主要结论如下:1.健康生长刺槐(15年林龄)与衰败刺槐(35年林龄)的边材木质部导管等效直径概率分布差异显著(p=0.032)。随林龄增加,也即刺槐由健康生长状态变为衰败状态时,树干边材木质部导管直径变小,导管大小的偏正态分布程度增加,导管的理论水力导度变小。随树高增加,刺槐树干边材木质部导管直径显著减小。健康生长刺槐边材木质部导管渐缩比与树高的拟合公式斜率(0.212,95%CI 0.201–0.287)高于水力优化模型理论最优值0.20,表明健康生长刺槐导管结构最优化分布,水分传输阻力不随树高的增加而增加;衰败刺槐木质部导管渐缩比与树高的拟合公式斜率(0.175,95%CI0.146–0.198)显著小于理论最优值,表明衰败刺槐导管结构非最优化分布,水分传输阻力会随树高的增加而增加,树顶枝条的生长和代谢易受水分胁迫影响。与土壤水分含量和树干胸径相比,树高是决定刺槐树干木质部导管大小变异的直接因素。土壤水分通过影响树高而间接影响树干边材木质部导管的大小。2.根据称重法获得的实测液流通量密度为基础,结合热扩散探针温度系数K,拟合了基于刺槐的热扩散法Granier液流计算公式系数。研究结果表明:拟合公式系数α(0.051g cm s)显著大于(p<0.0001)Granier经验公式系数(0.0119 g cm s),拟合公式指数β(1.18)与Granier经验公式指数(1.231)相差不显著(p>0.05)。应用Granier经验公式计算刺槐蒸腾耗水时,低估刺槐实际蒸腾耗水量达80%,而应用本实验校准的公式进行刺槐蒸腾耗水计算时,低估量仅为3.5%。利用热扩散探针方法测定树木蒸腾耗水时,应充分考虑树干边材厚度与液流探针长度的关系,当液流探针长度大于边材厚度时需采用Clearwater et al(1999)校准方法进行观测温度系数的校准。除此之外,采用热扩散探针方法进行新植物物种液流观测时,需要进行经验公式的实验校准。刺槐树干液流通量密度(SFD)与环境因子的日变化过程存在明显的滞后效应。SFD的日变化滞后于太阳光合有效辐射Rn的日变化约1小时;饱和水汽压差VPD和空气温度T的日变化滞后于Rn的日变化约2小时。2015年和2016年生长季SFD与环境因子的滞后效应相似,但2015年的滞后效应环大于2016年的滞后效应环。日尺度上,潜在蒸散发ET0与蒸腾变量VT是影响刺槐树干SFD变化的主要环境因素,其次为太阳光合有效辐射Rn、空气温度T和饱和水汽压差VPD。土壤水分SWC与SFD之间无显著相关关系(p>0.05)。构建了耦合环境因子ET0和叶面积指数LAI的刺槐树干SFD简化预测模型(SFD(28)21.89ET×LAI(10)59.84),该简化模型可以解释75%的刺槐树干SFD变异。小时尺度上,太阳光合有效辐射Rn是影响刺槐树干SFD变化的主要环境因子,其次为饱和水汽压差VPD和空气温度T。土壤水分SWC与SFD之间无明显相关关系。饱和水汽压差VPD对树干液流速率SFD的影响存在明显阈值效应,2015年VPD的影响阈值为.9KPa,2016年VPD的影响阈值为.6KPa。3.2015和2016年研究时段,刺槐林地穿透降雨量、冠层截留量和树干茎流量分别占林外降雨量的比例为82.1%,16.3%和1.6%;油松林地穿透降雨量、冠层截留量和树干茎流量占林外降雨量的比例分别为75.0%,24.0%和1.0%。刺槐林和油松林的降雨再分配特征差异显著(p<0.05)。与油松林相比,刺槐林可更加高效的增加林地净降雨量(林外降雨-冠层截留量)。人工刺槐林产生穿透降雨和树干茎流的次降雨量阈值分别为1.1mm和2.3 mm;而油松林产生穿透降雨和树
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