亚利桑那南部绒毛豆树水分利用策略的变异及其生态水文意义

《Ecohydrology》：Variation in Water-Use Strategies of Prosopis velutina in Southern Arizona

本文系统研究了亚利桑那州圣佩德罗河洪泛区绒毛豆树（Prosopis velutina）在不同水分年份（2022年干冬湿夏 vs 2023年湿冬干夏）的水分利用策略，通过稳定同位素（δ18Oxylem、δ2Hxylem）和叶片水势（Ψleaf）分析，揭示其作为兼性地下水植物（facultative phreatophyte）如何灵活调配浅层土壤水与地下水。研究发现，不同林分（成熟林、稠密幼林、间伐幼林）均呈现相似的双峰降水适应策略，且冬季降水对缓冲夏季干旱具有关键作用。该研究为干旱区 riparian 植被恢复及水资源管理提供了科学依据。

　　

1 引言

绒毛豆树（Prosopis velutina）作为索诺兰和奇瓦瓦沙漠的标志性树种，其独特的二型根系（dimorphic root system）和耐旱生理特性使其在干旱区 riparian 生态系统中扮演关键角色。本研究聚焦河岸台地环境，对比成熟豆树林（bosques）、稠密幼林（dense thicket）及间伐幼林（thinned thicket）的水分利用策略，旨在揭示林分年龄、密度及地下水深度对植物水分来源的影响。近年来，因地下水超采和土地利用变化，豆树林面临退化威胁，而幼林扩张对地下水消耗的潜在影响尚不明确。本文通过两年野外观测，探究三个核心问题：（1）不同林分是否利用不同水源；（2）水分利用模式如何随季节变化；（3）水分获取差异如何影响树木水分胁迫。

2 方法

2.1 研究区概况

研究位于亚利桑那州圣佩德罗河保护区的三链农场（Three Links Farm），该地属半干旱气候，年均降水342±75.5 mm，降水呈双峰模式（冬季降水占21%，夏季季风降水占66%）。设置四种试验样地：临近河岸的成熟林（OG）、稠密幼林（DT）、间伐幼林（TT）及远离河岸的高地林（UL）。地下水埋深介于4.4–10 m（UL样地>27 m）。

2.2 实验设计

每样地设2.43 ha观测区，TT样地于2022年2月实施间伐（移除25%茎干并施用除草剂Imazapyr）。利用Zentra ZL6数据记录仪监测气温、湿度、土壤体积含水量（VWC）及降水，计算蒸汽压亏缺（VPD）。

2.3 叶面积指数

2022年5–7月采用LAI-2000冠层分析仪测定叶面积指数（LAI），结果显示DT样地冠层密度最高（2.17 m²/m²），TT样地最低（0.68 m²/m²）。

2.4 树木水源分析

每样地选取9株不同胸径（5–62.5 cm）个体，每4–8周采集茎干木质部水样，通过低温蒸馏提取水样，利用Picarro L2130i分析δ¹⁸O和δ²H值，并对δ²H_xylem进行-9‰校正以消除根系吸收分馏效应。同步采集土壤水（5、20、50 cm深度）及降水样点，建立当地大气水线（LMWL）。

2.5 叶片水势与蒸散发

生长季（5–10月）测定黎明前（Ψ_PD）和正午（Ψ_MD）叶片水势，使用压力室（Scholander pressure chamber）测量。基于Google Earth Engine地表能量平衡算法（geeSEBAL）估算2019–2023年蒸散发（ET）。

2.6 统计分析

采用混合线性回归模型分析环境因子（气温、湿度、VPD）对Ψ_leaf的影响，并通过ANOVA与Tukey HSD检验比较样地间差异。

3 结果

3.1 站点气候

2022年水年（388 mm降水）为干冬（33 mm）湿夏（317 mm），2023年（227 mm）为湿冬（87 mm）干夏（90 mm）。土壤VWC在DT样地最高（2022年0.20±0.01 m³/m³），OG与TT样地较低（0.13 m³/m³）。2023年冬季降水显著提升深层土壤湿度。

3.2 蒸散发动态

ET总量排序为OG（109.5 cm）≈DT（108.2 cm）>TT（99.1 cm）>UL（42.5 cm）。TT样地间伐后ET从2021年104.3 cm降至2022年83.2 cm，2023年略回升至90.8 cm。

3.3 同位素示踪水源

夏季降水δ¹⁸O值（-4.9±2.2‰）高于冬季（-7.2±2.2‰），地下水最贫化（-9.0±0.4‰）。树木在叶片展开前（5月）木质部水δ¹⁸O富集（反映休眠期蒸发），6月转向贫化值（利用深层水），季风期（7–8月）则富集（吸收浅层土壤水）。样地间差异不显著，但UL样地叶片展开最早，5月即利用新水源。

3.4 叶片水势变化

2022年Ψ_MD从5月（-1.5至-2.3 MPa）持续下降至10月（OG达-3.44 MPa），DT与TT样地季末回升。2023年Ψ_MD在8月达最低（OG：-3.47 MPa），但Ψ_PD降幅小于2022年。回归分析显示，DT与TT样地Ψ_leaf受气温、湿度、VPD显著影响，而OG样地仅湿度有显著相关性，可能与砂质土壤持水性差有关。

4 讨论

4.1 跨样地水源一致性

不同林分均呈现机会主义水源利用策略：旱季依赖地下水/深层土壤水，雨季吸收单峰降水补给的浅层水。幼林与成熟林策略相似，表明幼林具备快速恢复为bosque的潜力。UL样地因地下水埋深过大，树木形态受限，ET值接近降水量，印证其水分获取能力较弱。

4.2 季风期水势持续下降

Ψ_leaf在季风期未缓解反而降低，反映豆树的非等水（anisohydric）策略——优先维持气孔导度以保障碳同化。2023年干旱夏季却出现与2022年相似的Ψ_leaf动态，推测因冬季降水（87 mm）补给了深层土壤水，缓冲了夏季缺水压力。

4.3 蒸散发对间伐的响应

间伐短期内降低ET，但随林下植被蒸腾增加，效应逐渐减弱。OG样地砂质土壤导致Ψ_leaf更低，凸显土壤质地对水分胁迫的调制作用。

5 结论

绒毛豆树通过灵活调配浅层与深层水源适应双峰降水格局，冬季降水对维持生长季水分平衡至关重要。林分年龄与密度对水分策略影响较小，但地下水埋深与土壤性质是关键调控因子。本研究强调河岸豆树林生态修复需统筹降水动态与地下水管理，为干旱区植被-水文耦合研究提供新视角。