準噶爾西部人工碳匯林原生荒漠植被梭梭蒸騰耗水研究

夏永輝 梁鳳超 師慶東 張毓?jié)? 張新平 趙福生 呂娜娜

摘要 在克拉瑪依造林碳匯基地外圍，使用包裹式莖流計（Flow4）對梭梭

（Haloxylon persicum Bge.）枝液流動態(tài)進行了監(jiān)測;根據(jù)生物統(tǒng)計結(jié)果選取被測標準枝，標準枝基徑在1～3 cm范圍內(nèi);通過基徑斷面積和被測枝液流計算叢蒸騰耗水量，通過冠幅最為擴展純量，利用叢蒸騰耗水量對灌叢群落耗水量進行了尺度轉(zhuǎn)換。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)化過程中，梭梭液流速率同枝基徑、叢蒸騰耗水量同冠幅具有強相關性;克拉瑪依造林碳匯基地蒸騰耗水量的背景值為3.25 t/（d·hm2）;梭梭液流同太陽輻射、光合有效輻射、風速、空氣濕度、土壤含水率呈極顯著相關，是影響液流變化的主要因子，排列順序為：光合有效輻射>太陽輻射>風速>土壤含水率>空氣濕度;使用主導因子對梭梭液流通量進行擬合，方程為f=0.024PAR+6.859，R2達0.887。

關鍵詞 樹干液流;蒸騰耗水;梭梭;荒漠;包裹式莖流計

中圖分類號 S714.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）33-11755-05

The Research of Transpiration Water-consumption on Original Haloxylon Desert Vegetation around Planted Forest in Arid Region

XIA Yong-hui1， LIANG Feng-chao2， SHI Qing-dong3， ZHANG Xin-ping4* et al

（1. Karamay Vocational College， Karamay， Xinjiang 834000; 2. Urumqi Meteorological Satellite Ground Station， Urumqi， Xinjiang 830011; 3. Key Laboratory of Oasis Ecology of Xinjiang， Institute of Arid Ecology and Environment， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046; 4. Institute of Forestry Ecology of Xinjiang Academy of Forestry Sciences， Urumqi， Xinjiang 830000）

Abstract We measured the sap flow of Haloxylno persicum applying packaged stem sap flow gauge， and choosed normative tress according with 1-3 cm stem base diameter. Through the sectional area of stem base diameter and the sap flow of measurand tress， we calculated clump transpiration of Haloxylno， and obtaining hungriness shrubberys transpiration through scale transfer by crown width standart. Between the rate of Haloxylnos transpiration and the tress stem base diameter have， clump transpiration and crown width all have prominent relativity too. The background value of carbon sink forests transpiration in Karamay is 3.25 t/（d·hm2）. The sap flow of Haloxylno has a very significant relation with solar radiation， photosynthetic available radiation， wind speed， air humidity and soil moisture which are the main factors in influencing sap flow in the level of 0.01. The order is： photosynthetic available radiation>solar radiation>wind speed>soil moisture>air humidity. Fitting equations to sap flow using the dominating factor of photosynthetic available radiation， and the equation is f = 0.024PAR + 6.859， with R2=0.887.

Key words Stem sap flow; Transpiration water-consumption; Haloxylon persicum Bge.; Hungriness; Packaged stem sap flow gauge

基金項目 國家基礎研究重點發(fā)展規(guī)劃項目（2006CB705809-1）。

作者簡介 夏永輝（1965-），男，安徽宿縣人，工程師，碩士，從事自然地理研究。*通訊作者，研究員，從事森林保護研究。

收稿日期 2014-09-19

造林及合理的人工林經(jīng)營都可成為固定大氣中CO2、防止全球氣候變暖的有效途徑[1]，人工林的碳匯作用被認為是減緩全球氣候變化的一種可能機制和較理想的選擇而成為全球變化減緩研究的核心內(nèi)容[2]。通過造林增加森林碳匯量是世界公認最經(jīng)濟有效地解決CO2上升的辦法[3-4]。造林碳匯項目兼具適應和減緩氣候變化、促進可持續(xù)發(fā)展三重功能[5]，具有明顯的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益[6]，從全國林業(yè)生產(chǎn)力布局和“六大工程”的實施情況，特別是保障我國國土生態(tài)安全以及西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設的需要出發(fā)[7]，在干旱區(qū)，實施造林碳匯項目都具有重要意義，對國家和地區(qū)實施林業(yè)計劃有著重要的指導意義。

為了更好地評價干旱區(qū)造林的綜合效益，除了對整個人工林的耗水情況進行估計外，還要對造林前的蒸騰耗水量進行蒸騰估算。在干旱區(qū)，荒漠分布面積最大。梭梭（Haloxylon）是落葉小喬木或大灌木，在我國的分布面積十分廣闊，約占整個荒漠（不包括山地）面積的10%[8]，是中亞荒漠中分布最廣的荒漠植被類型。對梭梭林分蒸騰耗水的研究有助于為碳減排林的綜合效益提供背景數(shù)據(jù)，還可為梭梭林的管理提供基礎數(shù)據(jù)。已有學者對單株梭梭的蒸騰耗水做了大量研究[9-16]，但對林分上蒸騰耗水的研究尚未見報道。這可能與灌木植被生態(tài)特征較復雜，從單株向林分上推比較困難所致。但是，在干旱區(qū)，物種較單一，分布較稀疏，群落生態(tài)學特征相對簡單，所以通過群落統(tǒng)計指標，如冠幅、葉面積指數(shù)等作為純量，可能推算林分蒸騰耗水。岳廣陽等[17]采用基徑總斷面積和葉片密度推算了小葉錦雞蒸騰耗水，取得較好效果;常學向等[9]在成熟梭梭液流的研究中指出梭梭的蒸騰耗水量同基徑、林冠投影面積呈線性相關關系;黨宏忠等[18]運用熱擴散技術對檸條錦雞兒根部液流速率（F_s）進行連續(xù)測定，試驗結(jié)果可例證熱擴散技術在根部測定液流并用來計算灌木樹種單株耗水方法的科學性與優(yōu)越性;孫鵬飛等[19]利用熱脈沖技術對古爾班通古特沙漠生長期原生梭梭的樹干液流耗水特征進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著水分條件的不同，影響樹干液流過程的主導因素有所不同。鑒于此，筆者在克拉瑪依造林減排基地外圍荒漠選擇了1～3 cm徑級的梭梭進行液流觀測，并在群落調(diào)查的基礎上推算了梭梭的林分蒸騰耗水量，以期探討由枝基徑上推荒漠植被蒸騰耗水量計算的可行性。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為克拉瑪依碳減排人工林，位于準格爾盆地西北，地理坐標為84°58′～85°4′E、45°22′～45°31′N，距克拉瑪依市區(qū)約10 km。屬典型的大陸性干旱荒漠氣候，年平均氣溫8.0 ℃，1月份為最冷月，月平均氣溫-16.7 ℃，7月份溫度最高，月平均溫度27.4 ℃;冬季嚴寒，年極端最低溫度可達-35.9 ℃;夏季高溫炎熱，年極端最高氣溫可達42.9 ℃;年降水量多年平均為105.3 mm，從年內(nèi)分布看，6～8月份稍多，冬季無穩(wěn)定積雪，全年蒸發(fā)潛力3 545.0 mm，為年降水量的34倍，無霜期180～220 d;春季多風，全年（主要集中在冬、春兩季）≥5級風的日數(shù)為119.7 d，≥8級風的日數(shù)為45.6 d，最大風速可達42.2 m/s，主風向為西北。植被物種組成主要為藜科的梭梭[Haloxylon ammodendron（C.A.M.） Bge.]、白梭梭（Haloxylon persicum Bge. ），蒺黎科的白刺（Nitraria roborowskii Kom.）、鹽穗木[Halostachys caspica（M.B.）C.A.M.]，以及檉柳科的紅砂[Reaumuria soongorica（Pall.）Maxim]、長穗檉柳（Tamarix elongata Ldb.）、多枝檉柳（Tamarix ramosissima Ldb.）等。土壤類型主要有棕漠土、灰棕漠土[20]。

1.2 方法

1.2.1

標準木選擇。

選擇生長健康的梭梭為標準木，第1分枝的光滑處作為測量點。以測量點的直徑基礎，徑級為0.5 cm，每個徑級選擇1～2株（表1）。在研究區(qū)邊緣，向東南（梭梭林深處方向）每200 m做一個10 m×10 m的樣方，共10個，主要調(diào)查梭梭的冠幅、高度、基徑和基徑數(shù)目。在梭梭林深處做一個100 m×100 m的樣方，主要調(diào)查梭梭的冠幅和高度。

表1 準噶爾西部原生荒漠植被梭梭樣木采樣信息

在人工林外圍北方（盛行風向）1 000 m處架設Habo氣象站對土著植被的氣象因素進行觀測。該氣象站主要觀測了太陽輻射、光合有效輻射、空氣溫度、空氣濕度、空氣相對溫度、土壤濕度、風速、風向和降雨量等。

1.2.2

樹干液流的觀測方法。試驗開始于2009年7月10日，結(jié)束于2010年8月10日。應用Flow4-DL包裹式莖流計（美國Dynamax公司）和傳感器對梭梭的枝液流進行連續(xù)觀測。在樹干胸徑1.3 m處刮去死皮，并用砂紙磨平，涂上油菜籽油，安裝傳感器，然后包上防輻射墊。數(shù)據(jù)自動記錄步長為0.5 h，主要使用SGB9、SGB13、SGB19和SGB25 4種型號的傳感器（表2）。

1.2.3

數(shù)據(jù)分析方法。在對標準木的觀測期間，每次觀測的前2 d的數(shù)據(jù)作為儀器和植株生理的未平衡狀態(tài)而剔除，選擇連續(xù)晴天的數(shù)據(jù)用來分析。由于儀器的測量原理，每天要進行一次調(diào)零，調(diào)零時依據(jù)前一天的測量結(jié)果，天氣變化較小時儀器自動計算的結(jié)果較好，天氣變化較大時儀器計算的結(jié)果并不可信。根據(jù)儀器觀測原理進行重計算，并運用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行回歸分析，使用OriginPro 8作圖。

表2 Flow4-DL傳感器信息

2 結(jié)果與分析

2.1 梭梭液流的日變化

選擇2010年7月15、21、22日3個晴天日，對不同直徑梭梭在不同時間點的液流作圖。測定期間天氣晴朗，空氣溫度為11～21 ℃，3級以下微風，日出時間7：00，日落時間19：00。圖1表明，不同直徑梭梭液流均呈多峰值變化，這與孫鵬森等對油松、王華田等對油松和側(cè)柏、熊偉等對華北落葉松、常學向等對荒漠梭梭的研究[9，21-23]結(jié)論相似。白天徑流大于夜晚，啟動時間為5：00，結(jié)束時間為20：00，在10：00～17：00達到峰值，并出現(xiàn)波動。侯天偵等[24]對分布在新疆甘家湖區(qū)的梭梭生理生態(tài)研究表明，氣孔清晨時微開，中午最熱時關閉，傍晚時又全部開放。直徑不同，液流通量也有較大差異，直徑大的液流高，更易受到環(huán)境條件變化的影響，峰值的波動幅度大。液流在夜間差別不是很大，液流通量較大時差值也較大。峰值時出現(xiàn)小幅波動，并隨徑級的增大而增大。

圖1 梭梭液流日變化

2.2 梭梭雨天液流的變化

2009年8月31日枝直徑為1.6 cm的梭梭在連續(xù)降水的情況下液流同環(huán)境因子的變化見圖2。降水2 h前，空氣濕度快速上升，空氣溫度小幅降低，液流通量和光合有效輻射正常變化，比晴天時略小。降雨前2 h，液流通量和光合有效輻射開始降低。降雨時空氣濕度達到80%以上，空氣溫度降到最低，液流通量和光合有效輻射降至最低，比晴天減少。降雨過后2 h，空氣濕度開始下降，空氣溫度開始上升，液流通量和光合有效輻射快速上升至正常水平。

圖2 雨天梭梭檉柳液流通量同環(huán)境因子的變化

雨天的日液流通量小于晴天。有降水的天氣，梭梭日液流通量為443.45 g/h，相對于晴天液流通量（460.75 g/h）減少3.77%。

8月31日雨天和9月4日晴天的液流通量差異量（圖3）表明，白天，雨天液流通量相對于晴天減小。15：00降水時晴天下的液流通量同雨天的差異最大，相差25.99 g/h，液流差異占晴天的51.17%。夜晚，雨天液流通量相對晴天增大，特別是在有降水時液流增大幅度最大。液流通量在7：00出現(xiàn)降水，由于白天液流還未啟動，雨天的液流通量大于晴天，增加了317.76%。

圖3 梭梭液流通量在晴天和雨天的差異量變化

2.3 梭梭不同基徑液流的關系

選擇晴天時的液流速率同胸徑作散點圖。圖4表明，枝直徑在1.0～3.0 cm范圍內(nèi)隨著枝直徑的增大，液流速率從17.90 cm/h逐漸減小到9.08 cm/h，梭梭的蒸騰耗水能力減弱，抗旱能力增大。對圖4分別使用線性函數(shù)、一元二次函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)進行擬合（表3），公式均通過0.001顯著水平上的檢驗。梭梭液流速率同胸徑具有強相關性，R2達到0.733 4，可使用指數(shù)函數(shù)進行擬合，見公式1。由于標準木的枝直徑變化范圍為1.0～3.0 cm，所以公式1僅說明梭梭枝直徑在1.0～3.0 cm范圍內(nèi)的變化情況，對于其他的枝直徑并不適合。

圖4 梭梭液流速率同直徑的關系

表3 對梭梭枝基徑和液流速率關系的擬合函數(shù)

注：y為液流速率（cm/h）;x為測量點的枯直徑（cm）。

2.4 梭梭叢蒸騰耗水同冠幅的關系

利用公式1計算梭梭叢內(nèi)所有的枝液流速率，再結(jié)合枝的截面積（Si）計算整叢的蒸騰耗水量（Qsi）。叢蒸騰耗水公式為：

Qsi=∑ni=1（250.428 8e-x0.301 9+8.562 6）×Si （公式2）

Si=πd2ci4 （公式3）

式中，dci為第i個枝、徑級為c的基徑（cm）;n為梭梭叢中的總分枝數(shù);Qsi為第i個枝的液流通量（g/h）;Si為第i個枝的截面積（cm2）。

經(jīng)過公式2對樣方內(nèi)梭梭蒸騰耗水量的計算，并統(tǒng)計每一叢的枝數(shù)、累積截面積、平均胸徑和冠幅。圖5～8表明，當?shù)厮笏罅值墓诜饕性?～6 m2，枝的數(shù)量主要分布在1～16個，平均胸徑主要分布在0.3～3.0 cm，截面積主要分布在0～60 cm2。枝數(shù)量、平均胸徑、累積截面積均隨著冠幅的增大呈增大趨勢。由于在林分蒸騰耗水量的計算過程中枝截面積是轉(zhuǎn)化純量，所以林分累積枝截面積的分布情況直接決定了林分蒸騰耗水量的分布。故圖7和圖8變化趨勢一致。對圖8利用線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)進行擬合。表4表明，梭梭叢蒸騰耗水量同冠幅具有較好的線性關系，使用冪函數(shù)進行擬合，具有強相關。

圖5 梭梭冠幅同叢分枝數(shù)量的關系

圖6 梭梭冠幅同平均胸徑的關系

圖7 梭梭冠幅同累積截面積的關系

圖8 梭梭冠幅同蒸騰耗水量的關系

表4 梭梭叢蒸騰耗水量同冠幅的關系

2.5 梭梭林分蒸騰耗水量

由液流數(shù)據(jù)和樣方調(diào)查中基徑和叢的數(shù)據(jù)，計算出樣方內(nèi)梭梭每一叢的液流量。再由叢液流量結(jié)合樣方內(nèi)冠幅和叢數(shù)，通過擬合方程計算出樣方內(nèi)所有液流總流。

利用公式4和梭梭的冠幅數(shù)據(jù)計算梭梭蒸騰耗水，并統(tǒng)計每一個樣方內(nèi)叢累積冠幅和叢數(shù)。表5表明，由于不同地點梭梭生長的差異性，導致林分蒸騰耗水在1.30～6.56 t/（d·hm2）范圍內(nèi)變化?？死斠涝炝痔紖R基地蒸騰耗水量的背景值為3.25 t/（d·hm2）。

表5 不同樣方內(nèi)梭梭林分蒸騰耗水量

2.6 梭梭液流量與環(huán)境因子

2009年9月4日直徑為1.6 cm的梭梭液流通量和環(huán)境因子日變化（表6）表明，梭梭同太陽輻射、光合有效輻射、風速、空氣濕度、土壤含水率在0.01水平上極顯著相關，是影響液流變化的主要因子。相關系數(shù)是度量2個隨機變量間關聯(lián)程度的量，相關系數(shù)越大，2個變量之間的關系越密切。相關系數(shù)越大，外界因子對液流通量的影響越大，根據(jù)相關系數(shù)，影響梭梭液流通量大小的排列順序為：光合有效輻射>太陽輻射>風速>土壤含水率>空氣濕度。

表6 梭梭液流通量同環(huán)境因子的相關性

注：**表示在0.01 水平（雙側(cè)）上顯著相關。

對影響梭梭液流的主要影響因子[太陽輻射（SR）、光合有效輻射（PAR）、風速（GS）、空氣濕度（RH）、土壤含水率（WC）]進行進入回歸分析，方程為f=0.017PAR-0.02SR+2.834GS-104.038WC+0.20RH+12.533，R2達到0.920。選用多個對液流通量極顯著相關的影響因子可對液流通量進行擬合，方程可以解釋液流通量變化的程度超過90%，擬合效果較好。

對影響梭梭液流的主要影響因子（太陽輻射、光合有效輻射、風速、空氣濕度、土壤含水率）進行逐步回歸分析，方程為f=0.024PAR+6.859，R2達0.887?？梢?，風速、空氣濕度、土壤含水率被剔除，說明即使環(huán)境因子對梭梭液流影響達到極顯著相關，也可能不是影響植物液流的主導影響因子。光合有效輻射被保留下來，擬合方程均達到顯著強相關水平。多個環(huán)境因子和主導環(huán)境因子均可對液流通量進行擬合，前者的擬合效果優(yōu)于后者，但后者的方程較簡單，使用方便。所以使用主導因子對液流通量進行擬合。

分別使用一元一次函數(shù)、一元二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、Logistic函數(shù)對梭梭液流通量進行擬合（表7）。一元一次函數(shù)和一元二次函數(shù)的R2值大于指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、Logistic函數(shù)，使用一元一次函數(shù)和一元二次函數(shù)對液流通量的擬合效果最好;一元一次函數(shù)和一元二次函數(shù)的R2值較接近，因此選擇方程相對簡單的一元一次函數(shù)。梭梭的擬合方程為f=0.024PAR+6.859。

表7 梭梭PAR因子對液流通量擬合方程的相關系數(shù)

3 結(jié)論

梭梭液流日變化過程呈多峰值變化，啟動時間為5：00，結(jié)束時間為20：00，在10：00～17：00達到峰值，并出現(xiàn)波動。枝直徑從1.0～3.0 cm，隨著枝直徑的增大，液流速率從17.90 cm/h逐漸減小到9.08 cm/h。梭梭的蒸騰耗水能力在減弱。梭梭液流速率同胸徑具有強相關性，可以使用指數(shù)函數(shù)進行擬合。

雨日的日液流通量小于晴天。有降水的天氣下，梭梭日液流通量分別為443.45 g/h，相對于晴天液流通量（460.75 g/h）減少了3.77%。

叢蒸騰耗水量與冠幅也具有較好的生態(tài)學統(tǒng)計含義，達到極顯著相關，可用冪函數(shù)進行擬合。將冠幅作為轉(zhuǎn)換純量，計算了林分的蒸騰耗水量，不同地點梭梭生長的差異性導致林分蒸騰耗水在1.30～6.56 t/（d·hm2）變化，克拉瑪依造林碳匯基地蒸騰耗水量的背景值為3.25 t/（d·hm2）。

梭梭同太陽輻射、光合有效輻射、風速、空氣濕度、土壤含水率在0.01水平上極顯著相關，是影響液流變化的主要因子，排列順序為：光合有效輻射>太陽輻射>風速>土壤含水率>空氣濕度。使用主導因子對梭梭液流通量進行擬合，方程為f=0.024PAR+6.859，R2達0.887。

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