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Characteristics of canopy stomatal conductance in plantations of three revegetation tree species and its sensitivity to environmental factors.

三种植被恢复树种的冠层气孔导度特征及其对环境因子的敏感性


应用Granier热消散探针,长期监测华南地区荷木、大叶相思和柠檬桉林不同径级样树的树干液流,结合同步观测的气象数据,求算冠层气孔导度(gc),并分析其对环境因子的响应方式及敏感性.结果表明: 不同季节荷木林日间平均gc显著高于大叶相思和柠檬桉(P<0.05)(除3月外).在干季和湿季,gc与光合有效辐射(PAR)呈现对数正相关关系(P<0.001),湿季gc对PAR响应比干季更敏感.gc与水汽压亏缺(VPD)在干湿季均呈现对数负相关关系(P<0.001),同样在湿季表现出更高的敏感性.湿季gc与VPD的偏相关系数高于干季,VPD对气孔行为的调控作用在湿季更为明显.随着土壤含水量的降低,gc对VPD的敏感性下降,荷木和柠檬桉林下降的幅度大于大叶相思林,荷木和柠檬桉林下降的幅度相当.通过综合分析gc对环境因子(PAR和VPD)的敏感性及其对土壤含水量变化的响应规律,发现乡土树种荷木作为植被恢复树种比外来引种的大叶相思和柠檬桉更为适宜.
 

In plantations of three different re-vegetation tree species (Schima superba, Acacia auriculaeformis and Eucalyptus citriodora) in southern China, the stem sap flow of individuals at different DBH classes were monitored using Granier’s thermal dissipation probes. With synchronouslymeasured meteorological data, the canopy stomatal conductance (gc) was determined and the responses of gc to environmental variables were analyzed. We found that daytime mean gc in S. superba forest on average was significantly higher than those of A. auriculaeformis and E. citriodora plantations during a year (except in March). In the three plantations, gc was positively logarithmically correlated with photosynthetically active radiation (PAR) (P<0.001), with a higher sensitivity of gc to PAR during wet season than that of dry season. By contrast, a negative logarithmical correlation between gc and vapor pressure deficit (VPD) was observed, with a higher sensitivity of gc to VPD during the wet season. Additionally, a higher partial correlation coefficient between gc and VPD was observed during wet season, indicating that VPD played a more important role in regulating the behavior of stomata during wet season. In general, the sensitivity of gc to VPD decreased with the decreases of soil water content, but more manifest decreases were found in S. superba and E. citriodora forests than in A. auriculaeformis plantation, while the descend degree in S. superba and E. citriodora forests were equal. Overall, our results demonstrated that the native species S. superba is more suitable for revegetation in southern China than the exotic species A. auriculaeformis and E. citriodora.
 


全 文 :三种植被恢复树种的冠层气孔导度特征
及其对环境因子的敏感性∗
胡彦婷  赵  平∗∗  牛俊峰  孙振伟  朱丽薇
(中国科学院华南植物园中国科学院退化生态系统植被恢复与管理重点实验室, 广州 510650)
摘  要  应用 Granier热消散探针,长期监测华南地区荷木、大叶相思和柠檬桉林不同径级样
树的树干液流,结合同步观测的气象数据,求算冠层气孔导度(gc),并分析其对环境因子的响
应方式及敏感性.结果表明: 不同季节荷木林日间平均 gc显著高于大叶相思和柠檬桉(P
<0.05)(除 3 月外) .在干季和湿季, gc与光合有效辐射 ( PAR)呈现对数正相关关系 ( P
<0.001),湿季 gc对 PAR响应比干季更敏感.gc与水汽压亏缺(VPD)在干湿季均呈现对数负相
关关系(P<0.001),同样在湿季表现出更高的敏感性.湿季 gc与 VPD的偏相关系数高于干季,
VPD对气孔行为的调控作用在湿季更为明显.随着土壤含水量的降低,gc对 VPD 的敏感性下
降,荷木和柠檬桉林下降的幅度大于大叶相思林,荷木和柠檬桉林下降的幅度相当.通过综合
分析 gc对环境因子(PAR和 VPD)的敏感性及其对土壤含水量变化的响应规律,发现乡土树
种荷木作为植被恢复树种比外来引种的大叶相思和柠檬桉更为适宜.
关键词  树干液流; 冠层气孔导度; 光合有效辐射; 水汽压亏缺; 土壤含水量
文章编号  1001-9332(2015)09-2623-09  中图分类号  Q945  文献标识码  A
Characteristics of canopy stomatal conductance in plantations of three re⁃vegetation tree spe⁃
cies and its sensitivity to environmental factors. HU Yan⁃ting, ZHAO Ping, NIU Jun⁃feng, SUN
Zhen⁃wei, ZHU Li⁃wei (Key Laboratory of Vegetation Restoration and Management of Degraded
Ecosystems, South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, Chi⁃
na) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(9): 2623-2631.
Abstract: In plantations of three different re⁃vegetation tree species (Schima superba, Acacia auri⁃
culaeformis and Eucalyptus citriodora) in southern China, the stem sap flow of individuals at diffe⁃
rent DBH classes were monitored using Granier’ s thermal dissipation probes. With synchronously⁃
measured meteorological data, the canopy stomatal conductance (gc) was determined and the re⁃
sponses of gc to environmental variables were analyzed. We found that daytime mean gc in S. superba
forest on average was significantly higher than those of A. auriculaeformis and E. citriodora planta⁃
tions du⁃ring a year (except in March). In the three plantations, gc was positively logarithmically
correlated with photosynthetically active radiation (PAR) (P<0.001), with a higher sensitivity of
gc to PAR during wet season than that of dry season. By contrast, a negative logarithmical correla⁃
tion between gc and vapor pressure deficit (VPD) was observed, with a higher sensitivity of gc to
VPD during the wet season. Additionally, a higher partial correlation coefficient between gc and
VPD was observed during wet season, indicating that VPD played a more important role in regula⁃
ting the behavior of stomata during wet season. In general, the sensitivity of gc to VPD decreased
with the decreases of soil water content, but more manifest decreases were found in S. superba and
E. citriodora forests than in A. auriculaeformis plantation, while the descend degree in S. superba
and E. citriodora forests were equal. Overall, our results demonstrated that the native species S. su⁃
perba is more suitable for re⁃vegetation in southern China than the exotic species A. auriculaeformis
and E. citriodora.
Key words: sap flow; canopy stomatal conductance; photosynthetically active radiation; vapor
pressure deficit; soil water content.
∗国家自然科学基金项目(41275169,41030638,31170673)和广东省自然科学基金项目(S2012020010933,2014A030313762)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: zhaoping@ scib.ac.cn
2014⁃12⁃05收稿,2015⁃05⁃接受.
应 用 生 态 学 报  2015年 9月  第 26卷  第 9期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2015, 26(9): 2623-2631
    树木蒸腾是研究退化生态系统植被恢复过程中
森林群落的蒸散及生态系统水量平衡必不可少的内
容[1] .冠层气孔导度 ( canopy stomatal conductance,
gc)调控植被与大气间的水汽交换[2],可在冠层水
平上反映林分蒸腾的状况.树干液流测定技术具有
连续、准确和稳定的特点,为长期监测整树蒸腾提供
了可能[3-5],不少学者将液流的测量值与气象因子
结合,成功地在多种植被类型中进行冠层气孔导度
的分析[6-8] .冠层气孔导度的特征及其对各种环境因
子的响应方式与强度因生态系统空间和时间尺度的
不同而呈现出不一致性[9] .目前,关于不同林型或树
种的冠层气孔导度的研究侧重点不一致,有侧重自
然林与人工林的对比[2],也有关于针叶林与硬叶林
之间差异的报道[10],或者关注不同演替阶段树
种[11]和某些地区的常见树种[12-13]冠层气孔导度的
特征,然而,探讨不同植被恢复树种冠层气孔导度特
征的研究比较少见.
在我国华南地区,阳生性的荷木(Schima super⁃
ba)是南亚热带退化生态系统植被恢复的良好乡土
树种[14],外来引种的大叶相思(Acacia auriculaefor⁃
mis)和柠檬桉(Eucalyptus citriodora)由于其速生和
适应性强的特点,也常被用作先锋物种来进行植被
重建[15] .相关研究指出,大量使用外来种是目前我
国森林恢复中存在的问题之一[16],乡土种和外来种
作为恢复树种,其适宜性的比较研究有重要的学术
价值和实践指导意义.鉴于此,本研究通过建立荷
木、大叶相思和柠檬桉林树干液流测定系统,长期观
测不同径级样树的树干液流,结合同步观测的气象
数据,计算冠层气孔导度,分析其日变化和季节变化
特征以及对主要环境因子的响应方式及敏感性,以
更好地理解环境因子在冠层水平上对 3种恢复树种
水分利用的影响机理,为该区造林树种水分生理及
恢复树种对区域水量平衡的效应研究提供重要的实
验数据和理论参考.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  试验样地概况
野外观测在中国科学院华南植物园小青山
(23°10′ N,113°21′ E)相邻的荷木、大叶相思和柠
檬桉人工林进行.该地区属典型的南亚热带季风气
候,年均气温 21.4 ℃ ~ 21.9 ℃,最低和最高气温分
别出现在 1月(平均气温 12.4 ℃ ~ 13.5 ℃)和 7—8
月(平均气温 28.0 ℃ ~28.7 ℃).年均降雨量 1696.5
mm,4—9月降水量占全年的 85%左右.全年太阳辐
射较为强烈,年平均太阳辐射值为 4367.2 ~ 4597.3
MJ·m-2 .3 种林分分别种植于 20 世纪 80 年代,现
正值成熟阶段,荷木林、大叶相思林叶和柠檬桉林的
叶面积指数分别为 4.3、2.0 和 2.3,平均高度分别为
12.3、17.6和 20.9 m,单位面积树干胸断面积分别为
29.82、27.58 和 53.37 cm2·m-2,单位样地面积林段
蒸腾的日平均值分别为 5.9~44.2、3.9~13.2和 6.7~
19􀆰 5 mg·m-2·s-1 .样地土壤为棕壤土,pH值约 4.0,
表土(0~20 cm)有机质含量为 15.2~28.2 g·kg-1 .
1􀆰 2  研究方法
1􀆰 2􀆰 1树干液流的测定   在荷木、大叶相思和柠檬
桉林样地选择胸径不同的样树(分别为 21、15 和 15
株),建立 Granier 树干液流测定系统.将一对长 20
mm的 Granier热消散探针在树干北面的胸高处,上
下垂直相隔 10 ~ 15 cm 平行地插入树木的边材,上
探针外缠绕加热丝,通过供应 0.12 A的直流电进行
加热,下探针不加热.两探针间的温度差与树干液流
密度有如下关系[17]:
Js = 119×
ΔTm-ΔT
ΔT
æ
è
ç
ö
ø
÷
1.231
(1)
式中:Js为瞬时液流密度(g·m
-2·s-1),即单位时
间通过单位边材面积的液流量;ΔTm为茎流为 0 时
的温差;ΔT为瞬时温差.通过计算机程序设定数据
采集仪(DL2e)观测频度:每 30 s测读 1 次,每隔 10
min进行平均并自动储存.利用美国杜克大学环境
学院开发的 Baseliner 3. 0 软件将温差数据转化为
液流密度值.
1􀆰 2􀆰 2林分叶面积指数和树形特征的测定  利用美
国 Li⁃Cor公司生产的 Li⁃2000 叶面积指数测定仪,
在每个样地取 5个测定点,测定叶面积指数(LAI),
取平均值.
为避免伤害样树及影响树干液流的测定,在 3
个样地附近另选取 20 棵树木,用皮尺测量胸径
(DBH),同时在胸高处用生长锥钻取直径为 5 mm、
长度为树干胸径 1 / 2 的木芯,确定边材与心材的分
界线,用直尺测量边材厚度,计算边材面积(As),建
立边材面积(As)与胸径(DBH)的关系式:
As = k(DBH) b (2)
式中:k 和 b 为通过非线性回归分析得出的系数.
为了确定调查样方内所有树木的边材面积,对
每个调查样方内树木进行每木调查,用皮尺测量胸
径,以求算各林分的边材总面积.本研究中荷木林调
查样方面积为 1581 m2,大叶相思和柠檬桉林调查
样方面积各为 675 m2 .
4262 应  用  生  态  学  报                                      26卷
1􀆰 2􀆰 3环境因子的监测   借助荷木林内气象观测
塔,将测定冠层上方光合有效辐射( PAR,μmol·
m-2·s-1)传感器( Li⁃Cor Quantum Sensor,美国 Li⁃
Cor公司)、空气温湿度传感器(HC2⁃S3,瑞士 RO⁃
TRONIC公司) 和风速( u,m·s-1)传感器(AN4,
英国 Delta⁃T公司)以及每个林分测量土壤体积含
水量(θ,m3·m-3)的传感器(SM200⁃05,英国 Delta⁃
T公司)与数据采集仪相连,测定频度与树干液流一
致.其中,土壤水分传感器共 3 套,埋入土层深度为
30 cm.水汽压亏缺(VPD,kPa)由气温和湿度经下式
求出:
VPD=ae
bT
T+c( ) (1-RH) (3)
式中:RH为空气湿度;T为温度;常数 a、b 和 c 分别
为 0.611 kPa、17.50和 240.97 ℃ [18] .
树干液流和环境因子的连续监测从 2012 年 12
月至 2014年 12月,以 2013 年 3 月、6 月或 7 月、10
月和 2014年 1月分别代表春、夏、秋、冬 4个季节分
析 gc的特征,期间由于仪器故障和天气原因,会造
成部分时段的数据缺失.
1􀆰 2􀆰 4森林冠层平均气孔导度的计算  本研究中所
有大叶相思和柠檬桉树木的边材厚度均小于 3. 5
cm,采用长 20 mm探针测定的液流值能够较为准确
地反映液流的平均水平,可根据 Granier经验公式计
算的液流密度(Js)和树木的边材面积(As),计算二
者的整树蒸腾(E t,g·s
-1):
E t = Js×As (4)
对于荷木,需要考虑边材液流密度的径向变化,
根据梅婷婷等[19]的研究,内部边材的液流密度约为
外部边材(0~4 cm)的 45%,为了减小误差,对荷木
整树蒸腾(E t,g·s
-1)的计算分为两部分:
E t = Js×A4 cm+Js×(As-A4 cm)×45% (5)
式中:A4 cm为外部边材(0~4 cm)的面积.
林段总蒸腾(Ec,g·s
-1)的计算公式如下:
Ec =∑

i = 1
E i =∑

i = 1
Jsi × Asi (6)
式中:Jsi为林段第 i径级的平均液流密度;Asi为该径
级所有树木的边材总面积;E i则是该径级所有树木
E t之和.本研究将样地全部树木分成 5 个不同径级
(n= 5),胸径(DBH)范围分别为 0~15、15~ 20、20 ~
25、25~30和>30 cm.
单位样地面积的林段总蒸腾(Eg,g·m
-2·s-1)
计算公式如下:
Eg =Ec / Ag (7)
式中:Ag为样地面积.
单位叶面积的林段总蒸腾(EL,g·m
-2·s-1)计
算公式如下:
EL =Ec / (Ag×LAI) (8)
式中:LAI是叶面积指数.
以液流反映的树木蒸腾往往滞后于树冠的实际
蒸腾,采用赵平等[20]的方法,分别计算 3 种树种不
同季节的时滞,根据时滞对用液流计算的树木蒸腾
进行相应地调整.然后应用 Köstner[21]建立的简化公
式计算各林分的冠层平均气孔导度(gc,mm·s
-1).
gc = EL × ρ × gv × [(T + 273) / VPD] (9)
式中:ρ为水密度值(998 kg·m-3);gv为气体常数
(0.462 kPa·m3·K-1·kg-1);T 为空气温度(℃).
为了降低误差,除了分析 gc的日变化外,其他分析
均只选取 VPD>0.6 kPa条件下的数据计算的 gc [22] .
1􀆰 3  数据处理
采用 Microsoft Excel 2010 和 SPSS 19.0 统计分
析软件进行数据处理及分析,使用 Origin 8.6进行制
图,差异显著性分析采用 Duncan检验.
2  结果与分析
2􀆰 1  3种林型冠层气孔导度的日变化
在 2013年 3、7、10月和 2014年 1月(分别代表
春、夏、秋、冬 4个季节)分别选取 3 d晴朗天气的监
测数据,计算和分析 gc的日变化特征(图 1).1、3 和
10月的 gc日变化呈现“单峰”的格局,3 种林型的 gc
达到峰值的时间在 9:00—13:00.7 月,gc的日变化
呈现“双峰”格局,gc在 9:00 附近达到一天的最大
值,中午略为下降,下午出现一个较低的“峰值”,荷
木的此峰值出现在 15:00 左右,大叶相思和柠檬桉
则在 17:00附近.
2􀆰 2  3种林型冠层气孔导度的季节变化
通过分析 3种林型 gc的季节变化特征,发现 gc
值在光辐射充足、水热条件较好的 6 月较高.对 3 种
林型日间(8:00—18:00)平均 gc(图 2)进行分析
(由于日间 gc较高,夜间 gc较低,一般小于 0􀆰 25
mm·s-1,另外夜间环境一般难以满足 VPD>0.6 kPa
的条件,故仅分析日间平均 gc),结果显示,荷木、大
叶相思和柠檬桉 6 月的日间平均 gc分别为(1􀆰 97±
0.16)、(1.30±0.12)和(1.62±0.15) mm·s-1,高于
或显著高于其他月份.
在 6、10和 1月,荷木日间平均 gc显著高于大叶
相思和柠檬桉(P<0.05).在 3 月,荷木、大叶相思和
柠檬桉的日间平均gc分别为(0.97±0.05) 、(1.18±
52629期                胡彦婷等: 三种植被恢复树种的冠层气孔导度特征及其对环境因子的敏感性       
图 1  不同林型冠层气孔导度的日变化
Fig.1  Daily variation of canopy stomatal conductance for different forest types.
Ss: 荷木 Schima superba; Ec: 柠檬桉 Eucalyptus citriodora; Aa: 大叶相思 Acacia auriculaeformis. 下同 The same below.
0.07)和(0􀆰 75±0.03) mm·s-1,呈现为大叶相思>荷
木>柠檬桉的规律(P<0.05).
2􀆰 3  干湿季 3 种林型冠层气孔导度对光合有效辐
射的响应
在湿季(6 月)和干季(10 月)分别选取 2 ~ 3 d
晴朗的天气(VPD 的日变化规律和取值范围相似)
分析 gc对 PAR 的响应(图 3).在干季和湿季,gc与
PAR均呈对数正相关关系(P<0.001),拟合方程为
gc = alnPAR - b .当 PAR<400 μmol·m
-2·s-1时,gc
随着 PAR 的增加迅速增大,当 PAR> 400 μmol·
m-2·s-1后,gc对 PAR的响应强度变弱.无论是在湿
季还是干季,gc对 PAR 的响应均是在 VPD<1 kPa
时更为敏感(表 1),当 VPD从<1 kPa变化到>2 kPa
时, gc对 PAR响应的敏感性(a值)逐渐减弱.
图 2  不同林型日间平均冠层气孔导度的季节差异
Fig.2  Seasonal difference of average canopy stomatal conduc⁃
tance at daytime among different forest types.
不同大写字母表示在同一月份不同林型差异显著,不同小写字母表
示同一林型不同月份差异显著(P<0.05) Different capital letters indi⁃
cated significant differences among different species for a given month,
and different lowercase letters indicate significant differences among dif⁃
ferent months for a given tree species at 0.05 level.
    在 VPD 范围相同的条件下,在湿季荷木 gc对
PAR的敏感性 a 值为 0.38 ~ 0.77,大于大叶相思和
柠檬桉(表 1);在干季同样表现为荷木的敏感性大
于大叶相思和柠檬桉.对比分析干湿季 gc的响应状
况,结果均显示湿季 gc对 PAR响应更为敏感.
2􀆰 4  干湿季 3 种林型冠层气孔导度对水汽压亏缺
的响应
在湿季(6 月)和干季(10 月)分别选取 2 ~ 3 d
晴朗天气(VPD 的日变化规律和取值范围相似)分
析 gc对 VPD 的响应(图 4).在干季和湿季,gc与
VPD均呈对数负相关关系(P<0.001),拟合方程为
gc =gsref-mlnVPD[23], gsref为参比冠层气孔导度,代
表 VPD为 1 kPa 时的冠层气孔导度.在湿季,3 种不
同 PAR范围条件下,gc对 VPD 的敏感性(m 值)差
异不大;而在干季,当 PAR>800 μmol·m-2·s-1时
m值最大,PAR 在 600 ~ 800 μmol·m-2·s-1,m 值
次之,而 PAR 在 400 ~ 600 μmol·m-2·s-1时,m 值
最小.
对比分析干湿季 gc对 VPD的响应状况,3 种林
型均是湿季的 m 值高于干季,湿季 gc对 VPD 响应
更为敏感.在 VPD > 0. 6 kPa 且 PAR > 200 μmol·
m-2·s-1条件下,对 gc 和 VPD 进行偏相关分析
(PAR为控制因子) (表 2),结果也表明湿季 gc和
VPD的偏相关系数高于干季.
2􀆰 5  土壤水分对 3 种林型冠层气孔导度响应水汽
压亏缺的效应
为了探讨 3种林型 gc对 VPD 响应的土壤水分
效应,选取 3个不同土壤水分梯度进行分析(图 5).
结果表明,随着土壤水分的降低,gc对水汽压亏损的
敏感性(m值)和参比冠层气孔导度(gsref)均逐渐降
6262 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 3  干湿季 3种林型冠层气孔导度对光合有效辐射的响应
Fig.3  Response of canopy stomatal conductance to photosynthetically active radiation (PAR) during dry and wet seasons for three
forest types.
表 1  干湿季 3种林型冠层气孔导度与光合有效辐射的相关性分析
Table 1  Correlation analysis of canopy stomatal conductance and photosynthetically active radiation during dry and wet sea⁃
sons for three forest types
林型
Forest type
湿季 Wet season
VPD1 VPD2 VPD3 VPD4
干季 Dry season
VPD1 VPD2 VPD3 VPD4
荷木 a 0.77 0.49 0.38 0.38 0.58 0.45 0.39 0.36
S. superba b 1.65 0.68 0.84 1.30 1.14 1.05 0.99 1.09
r2 0.81 0.73 0.65 0.61 0.92 0.93 0.90 0.78
大叶相思 a 0.45 0.28 0.19 0.16 0.30 0.24 0.19 0.11
A. auriculaeformis b 0.63 0.23 0.06 0.16 0.29 0.39 0.32 0.07
r2 0.82 0.77 0.60 0.43 0.83 0.94 0.92 0.66
柠檬桉 a 0.56 0.38 0.34 0.37 0.40 0.38 0.32 0.28
E. citriodora b 0.84 0.47 0.74 1.38 0.06 0.68 0.78 0.85
r2 0.70 0.74 0.53 0.59 0.79 0.89 0.87 0.77
VPD1、VPD2、VPD3和 VP4分别代表 VPD<1 kPa,1~1.5 kPa,1.5~2.0 kPa和>2.0 kPa. gc与 PAR的拟合方程为: gc =alnPAR-b,a和 b为通过非
线性回归分析得出的系数,r为相关系数 VPD1, VPD2, VPD3, VPD4 represented the VPD range as follows: <1 kPa, 1-1.5 kPa, 1.5-2.0 kPa and
>2.0 kPa. The a and b were coefficients obtained by non⁃linear regression analysis as the following equation form: gc =a×lnPAR-b, gc =a×lnPAR-b. The
letter r stood for the Pearson correlation coefficient.
72629期                胡彦婷等: 三种植被恢复树种的冠层气孔导度特征及其对环境因子的敏感性       
图 4  干湿季 3种林型冠层气孔导度对空气水汽压亏缺的响应
Fig.4  Response of canopy stomatal conductance to vapor pressure deficit during dry and wet seasons for three forest types.
PAR1、PAR2 和 PAR3 分别代表 PAR范围为:400~600、600~800和>800 μmol·m-2·s-1 PAR1, PAR2, PAR3 denoted the following PAR range:
400-600, 600-800, >800 μmol·m-2·s-1 .
表 2  干湿季 3种林型冠层气孔导度与空气水汽压亏缺的偏相关分析
Table 2  Partial correlation analysis of canopy stomatal conductance and vapor pressure deficit during dry and wet season
for three forest types
林型
Forest type
偏相关系数
Partial correlation coefficient
Ⅰ Ⅱ
P值 P value
Ⅰ Ⅱ
自由度 df
Ⅰ Ⅱ
荷木 S. superba 0.784 0.596 <0.001 <0.001 994 1885
大叶相思 A. auriculaeformis 0.793 0.728 <0.001 <0.001 912 1669
柠檬桉 E. citriodora 0.766 0.687 <0.001 <0.001 912 1669
Ⅰ: 湿季 Wet season; Ⅱ: 干季 Dry season.
低,在土壤水分条件较好的情况下,gc对 VPD 的响
应更敏感.
3种林型 m值随土壤水分降低而下降的幅度不
一致,当土壤水分从 0.36~0.38 m3·m-3降到 0.19~
0.23 m3·m-3时,荷木和柠檬桉的 m 值分别下降
73%~84%和 64%~87%,大叶相思降低 26%~45%.
3  讨    论
3􀆰 1  3种林型冠层气孔导度特征及其差异性
在 6、10和 1月,荷木日间平均 gc显著高于大叶
相思和柠檬桉(P<0.05),柠檬桉略高于大叶相思.
若冠层气孔导度较小,表明林分对蒸腾施加了较强
的气孔控制[2],大叶相思 gc处于较低水平,反映其
强烈的气孔控制.根据本研究中计算 gc的方法,gc的
大小与单位叶面积上的边材面积(α)和液流平均值
(Js)相关.荷木林的日间平均 gc分别为大叶相思和
柠檬桉的 1.51~1.90和 1.10 ~ 1.29 倍,经计算,荷木
林 α值分别为大叶相思和柠檬桉的 1.53和 0.95倍,
日间平均gc和α值的不一致的比例关系反映荷木
8262 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 5  不同土壤水分条件 3种林型冠层气孔导度对空气水汽压亏缺的响应
Fig.5  Response of canopy stomatal conductance to vapor pressure deficit under different soil water conditions for three forest types.
对于荷木林,θ1、θ2和 θ3分别代表土壤水分平均含量为 0.36、0.29和 0.24 m3·m-3,对于大叶相思和柠檬桉,θ1、θ2和 θ3分别代表 0.38、0.33、0.19
m3·m-3 .PAR1、PAR 2和 PAR 3分别代表 PAR范围为:400~600、600~800和>800 μmol·m-2·s-1 θ1, θ2 and θ3 represented the soil water content
of 0.36, 0.29 and 0.24 m3·m-3 for S. superba plantation, while they represented that of 0.38, 0.33 and 0.19 m3·m-3 for E. citriodora and A. auriculae⁃
formis plantation. PAR1, PAR2, PAR3 denoted the following PAR range: 400-600, 600-800 and >800 μmol·m-2·s-1 .
林 gc大于大叶相思是由 α和 Js共同作用所致,而荷
木林 gc高于柠檬桉则是由于二者 Js的差异引起.通
过类似的分析,柠檬桉 gc高于大叶相思主要是因为
大叶相思单位面积上的边材面积(3􀆰 79 cm2·m-2)
小于柠檬桉(6.08 cm2·m-2).
3月的大叶相思林 gc在 3种林型中处于较高水
平,日间平均 gc显著高于荷木和柠檬桉(P<0.05),3
月的土壤含水量 ( θ)处于较低水平 ( 0. 23 ~ 0􀆰 30
m3·m-3),大叶相思仍然具有较高的 gc,荷木和柠
檬桉的 gc相应地降低,从一定程度上反映大叶相思
gc对土壤水分的响应不如荷木和柠檬桉敏感.在 3
种树种中,大叶相思根系较浅,10 年生大叶相思的
根系主要分布在 0.4 m 以上的土层[24],25年生荷木
根系分布约 0.7~0.8 m[25],3年生桉树根系主要分布
在0~0.6 m土层[26],大叶相思根系深度小于荷木和柠
檬桉,这种生物特性导致在土壤水分不足时大叶相思
的根部吸水更易受到影响[27] .综合以上分析,与荷木
和柠檬桉相比,土壤水分对大叶相思更为重要.
3􀆰 2  干湿季冠层气孔导度对环境因子的响应方式
及敏感性
光辐射是描述森林冠层气孔行为的重要环境因
子[12] .为了对 gc与 PAR进行回归分析,Pataki 等[12]
和赵平等[8]分别采用 G =Rn / (Rn+a)(其中 Rn为净
辐射,W·m-2)和 G = aPAR / (b+PAR),两个拟合方
程均为随着自变量的变大,曲线上对应点的斜率变
小,表明当光辐射达到某一个值时,gc趋于“饱和”.
本研究采用函数 gc = alnPAR-b,亦为随着自变量的
变大,曲线上对应点的斜率变小的方程,gc同样出现
达到 “饱和”的现象. Schäfer[28] 对 3 种山地橡树
(Quercus prinus、Q. velutina 和 Q. coccinea)的研究显
示,光通量密度在 0 ~ 2000 μmol·m-2·s-1范围内
gc尚未达到饱和,需要更大的光通量密度才能达到.
由此可见,不同物种的 gc达到“饱和”时所对应的辐
射强度存在差异,并在一定程度上反映不同物种的
光合水平达到饱和所对应的辐射强度的差异,即光
饱和点的差异.本研究中采用函数 gc = alnPAR-b 中
的系数 a值越大,则在 PAR 值相同的条件下,曲线
上对应点的斜率(a / PAR)也越大,反映 gc达到“饱
和”时所对应的光照强度相应地较大,光饱和点也
较大,荷木林拟合函数的 a值较大,反映其较高的光
饱和点以及较宽的对光的利用范围.
Schäfer[28]研究发现,在干旱前,gc与光通量密
度呈现正相关关系,而在干旱期间,gc对光通量密度
的增高未显示响应关系.本研究中,干湿季 gc和 PAR
均显著相关(P<0.001),湿季 gc对 PAR 更为敏感,
干季敏感性减弱.干季 gc和 PAR 仍然存在较好的相
关性,说明研究中干季环境的水分条件尚未达到胁
迫水平,而干季 gc对 PAR 敏感性减弱,则反映干季
的水分条件、尤其是土壤水分的供应下降对 gc已产
生了一定的限制作用.
Oren等[23]认为,无论是个体还是林分,若在较
低的 VPD条件下(VPD≤1 kPa)有较高的气孔导
度,则其对 VPD的敏感性较大.Ewers 等[10]也指出,
参比 gsref较高的树种,其 m值也相应较高;由于较高
的 gsref意味着较高的碳吸收,较高的 m 值则意味着
当增加相同的 VPD值时,碳吸收减少的幅度大,gsref
92629期                胡彦婷等: 三种植被恢复树种的冠层气孔导度特征及其对环境因子的敏感性       
与 m之间存在着权衡关系.在土壤水分条件较好时,
荷木 gsref值最大,m值也相应地较大,反映出较高的
碳吸收,同时 VPD 的变化对碳同化的影响也较大.
分析不同土壤水分条件下 gc对 VPD的响应,发现 m
值随着土壤水分的降低逐渐降低,荷木和柠檬桉林
m值下降的幅度高于大叶相思林,说明荷木和柠檬
桉林 gc对土壤水分的响应更敏感,对气孔的控制较
灵敏,可避免过多的水分丧失.
对大量物种研究显示,表示 gc对 VPD敏感性的
m和 gsref值均保持斜率为 0.6 的线性关系[11,13,29
-30] .
本研究中,当土壤水分条件良好的情况下,m 和 gsref
值的比例维持在 0.6左右,当土壤水分含量较低时,
m和 gsref的比值略低于 0.6.Ewers 等[10]研究结果也
表明,仅在较佳的环境条件下,m 和 gsref的比值才为
0.6.叶片气孔的开闭受叶片水势变化的影响,通过
叶片水势可调控 m和 gsref的比值维持在 0.6[11] .Oren
等[23]认为,在以下几种情况下,m和 gsref的比值会小
于 0.6:1)树种允许最小叶片水势随着 VPD 的增加
而下降;2)VPD 的变化范围增加;3)边界层导度与
气孔导度的比值(γ)较高.由于本研究是在 VPD 的
变化范围相同而土壤条件不一致的情况下进行分
析,因而排除第一和第二种情况.边界层导度(gbl)
的计算公式为:gbl = 304. 4 × u / dL ,u 为平均风速
(m·s-1);dL为叶片长度(m) [31] .据观测,3 个土壤
水分条件下 (0. 36 ~ 0. 38、0. 29 ~ 0. 32、0. 19 ~ 0􀆰 23
m3·m-3),日平均风速分别为 0. 68、 0. 77、 0􀆰 58
m·s-1,三者之间不存在显著性差异,且 dL在 3个土
壤条件下变化不大,故边界层导度间不存在显著性
差异,在土壤水分含量较低时,由于气孔导度较低,
故在此条件下 γ较高,进而表现出 m 和 gsref的比值
略低于 0.6.
4  结    论
利用树干液流测定技术,监测华南地区荷木、大
叶相思和柠檬桉林样树的树干液流,结合同步观测
的气象数据,分析 gc及其对环境因子的响应.在夏、
秋、冬季,荷木林日间平均 gc高于大叶相思和柠檬
桉,反映荷木全年在较长的时间内存在较高的碳吸
收.荷木 gc达到饱和时所对应的光照强度较大,说明
其具有较高的光饱和点及较宽的对光的利用范围.
荷木和柠檬桉林 gc对 θ 的响应更敏感,能够灵敏地
控制气孔,避免过多的水分丧失.综合分析 gc对环境
因子的敏感性及敏感性随 θ 的变化规律,乡土树种
荷木更适合作为植被恢复树种.
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作者简介  胡彦婷,女,1990 年生,硕士研究生.主要从事植
物生理生态研究.E⁃mail: 838849449@ qq.com
责任编辑  杨  弘
13629期                胡彦婷等: 三种植被恢复树种的冠层气孔导度特征及其对环境因子的敏感性