摘要
黄土高原地区林草植被建设在一定程度上缓解了该区域的水土流失，但同时也造成了河川径流量的减少和部分地区土壤水分的亏缺，进而影响流域的用水安全和生态安全。人工林建设是该区域退耕还林等生态工程的重要方式，不同类型人工林的土壤-植物-大气连续体（SPAC）水分传输过程与耗水机制及其尺度效应仍不明晰，不利于人工林的培育和管理。本研究选取晋西黄土区典型植物幼苗:刺槐（Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabuliformis）和高羊茅（Festucaelata)进行土柱栽培试验，在生长季（6-8月）分别设置100、200、300、400、500和600mm灌水量梯度模拟不同水文年以研究不同幼苗的耗水机制;利用液流探针和水分原位监测探讨了干旱胁迫条件下20年生刺槐耗水特征和影响因素;通过单株、径流小区、集水区尺度的原位监测量化了刺槐林地的蒸散规律与尺度效应。主要结论如下: （1）在灌水量从100增加至600mm时，刺槐、油松幼苗、高羊茅耗水量分别为190-648、196-620、187-625 mm,水分亏缺量区间分别为-34-90、-41-96 和 24-91 mm，随灌水量的增加，耗水量与灌水量的比值先减小后增加，其值分别为0.91-1.90、0.92-1.96、1.04-1.87。三种植物蒸腾与土壤水分（SWC）在灌水量≤200 mm时的关系较灌水量≥300 mm时更为密切，而在灌水量≥300mm时受太阳辐射（Ra）等气象因子影响更为显著。在≤200 mm灌水量下，刺槐光合参数和干物质量显著降低。总体上油松较刺槐具有更高的水分利用效率、更强地抵御长期极端干旱条件的能力。 （2）利用液流法直接测定生长季内刺槐日均蒸腾量为0.61 mm/d,而经过降雨遮蔽处理后（干旱胁迫）蒸腾量显著减小至0.43 mm/d。干旱胁迫造成刺槐液流通量提前约1小时（日尺度）和提前约1个月（月尺度）达到峰值，说明干旱胁迫造成刺槐耗水策略更加保守。通过土层水分变化发现正常水文年刺槐蒸腾耗水35％、51％、14％来源于0-50 cm、50-100cm、100-200cm 土层，而干旱胁迫下仅有36％、42％、22％的蒸腾耗水来源于0-50 cm、50-100cm、100-200cm 土层，显著增加了深层土壤水分的利用。基于刺槐根系分布、土壤水分动态和同位素变化，验证了邵明安根系概化吸水模型在刺槐根系吸水中的适用性。 （3）采用5个枯落物盖度梯度（0、0.6、0.9、1.2和1.8kg/m2）布设野外原位观测试验，当枯落物盖度由0增加至1.8 kg/m2时，油松人工林0-200 cm 土层储水增加量分别为3％、8％、7％、8％、10％,说明当＞0.6kg/m2时枯落物覆盖对土壤水分影响较小。在降雨量为＜10mm、10-50mm、＞50mm时，次降雨入渗深度随盖度增加分别增加至20cm、50 cm、80cm 土层，入渗量分别增加了-203％-38％、37％-88％、-7％-150％。基于土壤水分动态和水量平衡法，油松人工林年均耗水量为514.30mm,与降水量接近。 （4）基于原位观测和水量平衡原理，在径流小区尺度上发现刺槐林（无灌草）日均蒸散（ET）、土壤蒸发（E）和刺槐蒸腾（TT）量分别为3.00、0.76、2.24mm/d,刺槐林（有灌草）日均ET、E、植被群落蒸腾（TTotal）分别为2.99、0.60、2.39mm/d,说明林下植被蒸腾占比较小;在集水区尺度上，刺槐林日均ET、E、TTotal分别为3.05、0.38、2.67mm/d。与径流小区相比，集水区尺度上的土壤蒸发和林地蒸腾分别低于和高于径流小区结果。采用水量平衡法测得的刺槐单株蒸腾显著高于液流法的0.61 mm/d,对Grainer公式校正系数为2.875。基于校正后的液流法和胸径分布，径流小区和集水区尺度上刺槐占总蒸腾比例分别为77％和72％,而刺槐蒸腾占蒸散的比例均为65％。 本研究阐明了刺槐和油松在不同水文条件下的耗水机制，初步揭示了从单株到集水区尺度的耗水规律，为黄土区植被建设和人工林生态系统稳定发展提供了理论依据。
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