喀納斯自然保護(hù)區(qū)2樹種樹干液流變化特征及其與氣象因子的關(guān)系

劉　端　阿里木·買買提　白志強(qiáng)　王文棟

(1. 新疆林業(yè)科學(xué)院森林生態(tài)研究所，新疆 烏魯木齊 830000; 2. 新疆阿爾泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位研究站，新疆 烏魯木齊 830000)

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喀納斯自然保護(hù)區(qū)2樹種樹干液流變化特征及其與氣象因子的關(guān)系

劉端1,2阿里木·買買提1,2白志強(qiáng)1,2王文棟1,2

(1. 新疆林業(yè)科學(xué)院森林生態(tài)研究所，新疆 烏魯木齊 830000; 2. 新疆阿爾泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位研究站，新疆 烏魯木齊 830000)

采用熱擴(kuò)散式探針法 (TDP) 對(duì)西伯利亞落葉松、疣枝樺的陽生面和陰生面樹干液流進(jìn)行測定，結(jié)合自動(dòng)氣象站同步監(jiān)測光合有效輻射 (PAR)、空氣溫度 (T)、空氣濕度 (RH)、飽和水汽壓、風(fēng)速等氣象因子，分析氣象因子與2樹種樹干液流的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：西伯利亞落葉松和疣枝樺陽生面、陰生面樹干液流日變化均呈明顯的 “晝高夜低” 的典型單峰曲線型變化，且陽生面高于陰生面，樹干液流變化幅度西伯利亞落葉松大于疣枝樺。在生長季節(jié)，西伯利亞落葉松陽生面、陰生面樹干液流月平均值均呈遞減趨勢，其液流平均最大值出現(xiàn)在6月，平均最小值出現(xiàn)在9月。疣枝樺陽生面樹干液流月平均值呈先增后減的趨勢，最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在6月；陰生面樹干液流呈遞增趨勢，最大值出現(xiàn)在9月，最小值出現(xiàn)在6月。相關(guān)分析表明，氣象因子與2樹種樹干液流相關(guān)性大小依次為：氣溫 > 光合有效輻射 > 空氣相對(duì)濕度 > 風(fēng)速 > 水汽壓，氣溫和光有效輻射是影響液流速率的主要因子。

西伯利亞落葉松；疣枝樺；熱擴(kuò)散；樹干液流；氣象因子；自然保護(hù)區(qū)

森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)水分循環(huán)、小氣候方面具有重要功能，其原理之一是通過樹木個(gè)體對(duì)水分運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。樹干液流研究的基礎(chǔ)是了解樹木個(gè)體如何對(duì)外界環(huán)境因子產(chǎn)生一定的響應(yīng)[1]。森林中喬木處于優(yōu)勢地位，其水分利用變化將直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)。樹木的蒸騰耗水一直是全球?qū)W者研究的熱點(diǎn)[2-5]，目前，楊樹 (Populusspp.)、油松 (Pinustabuliformis)、側(cè)柏 (Platycladusorientalis)、紅松 (Pinuskoraiensis)、樟子松 (Pinussylvestrisvar.mongolica)、刺槐 (Rob-iniapseudoacacia)、白榆 (Ulmuspumila)、興安落葉松 (Larixgmelinii)、元寶楓 (Acertruncatum)、白樺 (Betulaplatyphylla) 等樹種都有相關(guān)研究報(bào)道[6]。在研究植物蒸騰方面，熱擴(kuò)散法因其在野外條件下能持續(xù)監(jiān)測高大喬木樹干液流的動(dòng)態(tài)變化,且不影響喬木的正常生長，被認(rèn)為是目前測定喬木蒸騰作用最準(zhǔn)確的方法而被廣泛采用[7-9]。但若不了解樹干液流的空間變異，將會(huì)引起較大的誤差[10]，Tateishi[11]研究日本藍(lán)橡樹 (Quercusglauca) 發(fā)現(xiàn)，如果僅測定一個(gè)方位的樹干液流將會(huì)引起20%的誤差。Delzon[12]在研究不同徑級(jí)松樹 (Pinusspp.) 樹干液流時(shí)得出，假如忽視樹干徑向間的變化，蒸騰耗水將會(huì)被高估4%～47%的結(jié)論。對(duì)于不同方位的樹干液流，我國學(xué)者也進(jìn)行了一定的研究，如史梅娟等[13]分別研究了木荷 (Schimasuperba)、米櫧 (Castanopsiscarlesii) 和杉木 (Cunninghamialanceolata) 3個(gè)樹種的樹干液流速率，王小菲等[14]研究了大葉相思 (Acaciaauriculiformis) 不同季節(jié)樹干液流的動(dòng)態(tài)特征。

新疆喀納斯自然保護(hù)區(qū)作為我國惟有的西伯利亞山地南泰加林生態(tài)系統(tǒng)的代表，是中國唯一的古北界歐洲-西伯利亞動(dòng)植物分布區(qū)和北冰洋水系-額爾齊斯河最大支流布爾津河的發(fā)源地，因其特殊的地理位置，具備保存完整的植被垂直帶譜，其生態(tài)系統(tǒng)對(duì)北疆乃至新疆的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)均具有重要價(jià)值。本研究選取喀納斯自然保護(hù)區(qū)內(nèi)泰加林主要建群樹種之一的西伯利亞落葉松 (Larixsibirica) 和常見闊葉樹種疣枝樺 (Betulapendula) 為對(duì)象。采用美國生產(chǎn)的FLGS-TDP XM1000插針式熱耗散植物莖流計(jì)對(duì)2樹種陽生面和陰生面樹干液流進(jìn)行監(jiān)測，探究其在生長季樹干液流速率的動(dòng)態(tài)特征以及陽生面和陰生面樹干液流速率是否存在一定的差異，同時(shí)結(jié)合自動(dòng)氣象站,同步連續(xù)監(jiān)測太陽輻射、空氣溫度、空氣相對(duì)濕度等環(huán)境因子，對(duì)其進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，為科學(xué)估算西西伯利亞南泰加林森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散奠定基礎(chǔ)，進(jìn)一步深入研究森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)水分循環(huán)和小氣候方面提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)地概況

研究區(qū)域位于新疆喀納斯國家自然保護(hù)區(qū),地處北緯48°26′18″～48°38′56″，東經(jīng)87°01′45″～87°33′50″，屬大陸性氣候，年平均溫度-0.2 ℃，最高氣溫29.3 ℃，最低氣溫-37.0 ℃，≥ 10 ℃的年活動(dòng)積溫為1 595.4 ℃，無霜期80～100 d，年均日照時(shí)數(shù)為2 157.4 h，年均降水量1.065.4 mm，年均蒸發(fā)量為1 097.0 mm。該研究區(qū)地理位置特殊，因多樣的地貌和水熱組合條件，土壤和植被類型表現(xiàn)出明顯的垂直地帶性。森林群落建群種主要有西伯利亞落葉松、西伯利亞云杉 (Piceaobovata)、西伯利亞紅松 (Pinussibirica)、疣枝樺，伴生樹種主要有歐洲山楊 (Populustremula)、西伯利亞冷杉 (Abiessibirica)、西伯利亞花楸 (Sorbussibirica)、刺薔薇 (Rosaacicularis) 和多刺薔薇 (Rosaspinosissima) 等喬灌木。森林群落主要位于海拔1 300～2 300 m的陰坡半陰坡山地，土壤類型為山地棕色針葉森林土。本文研究的針闊葉林試驗(yàn)地位于喀納斯自然保護(hù)區(qū)新疆阿爾泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站大樣地內(nèi)，選取西伯利亞落葉松和疣枝樺為測定對(duì)象。

2　材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

在試驗(yàn)地內(nèi)選擇長勢良好、胸徑和樹高基本一致且受周圍植物遮擋較少的植株作為樣木，每樹種各選3株標(biāo)準(zhǔn)樣樹，其生長情況見表1。

表1　試驗(yàn)樣木基本概況

2.2測定方法

2014年6—9月，采用Granier熱擴(kuò)散探針法 (TDP) 對(duì)樣木樹干液流進(jìn)行連續(xù)測定。首先刮去樣木探針安裝處的粗皮，TDP-50 mm探針插入樣木胸徑處的木質(zhì)部，并于陽生面和陰生面分別安裝1個(gè)探針，所有傳感器均與數(shù)據(jù)采集儀接口相連，安裝好探針后用鋁箔將探針的外部包住，以防止太陽輻射或雨水等對(duì)探針的影響，接通電源，每隔1 min記錄1次數(shù)據(jù)，10 min平均1次數(shù)據(jù)，12 d收集1次數(shù)據(jù)。根據(jù)Granier建立的經(jīng)驗(yàn)公式將溫差電勢轉(zhuǎn)化為液流速率。

Js=0.011 9K1.213

(1)

K=(dTm-dT)/dT

(2)

式中：Js為液流速率 (cm/h);K是量綱為1的參數(shù)； dTm為上下探針之間的晝夜最大溫差； dT為上下探針之間瞬時(shí)溫差。

該公式是Granier對(duì)多種樹木經(jīng)過多年研究總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式，適用于任何樹種。

利用AMS-1000自動(dòng)氣象站同步監(jiān)測氣溫、太陽有效輻射、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、水汽壓等。

2.3數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Spss 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析及處理。

3　結(jié)果與分析

3.1樹干液流速率日變化規(guī)律

西伯利亞落葉松和疣枝樺晴天樹干液流速率變化見圖1?？梢钥闯?二者的日變化趨勢均呈 “晝高夜低” 的典型單峰曲線，液流速率晝夜變化顯著，白天達(dá)到峰值時(shí)有一定幅度的波動(dòng)，形成由多個(gè)小峰組成的 “高峰平臺(tái)”，但夜間變化不明顯。2樹種樹干液流速率和啟動(dòng)時(shí)間均表現(xiàn)為陽生面高于、早于陰生面，且西伯利亞落葉松液流速率變化幅度大于疣枝樺。

圖1試驗(yàn)樣木樹干液流速率日變化規(guī)律

Fig.1Daily variation of stem sap flow velocity of sample trees

從00:00—09:10，西伯利亞落葉松陽生面和陰生面樹干液流一直處于低水平，分別維持在0.001～0.272 cm/h和0.011～0.357 cm/h，隨著光有效輻射的增大，液流開始上升，分別在13:45、15:29、16:09、17:47、19:47出現(xiàn)峰值，形成多個(gè)波峰，并于15:29同期達(dá)到全天最大峰值，分別為23.840 cm/h和21.280 cm/h。至19:47時(shí)，液流開始逐漸降低，22:39后 (光合有效輻射基本為0) 其液流很小，分別為1.952 cm/h和1.719 cm/h，00:00以后液流更低但并不為0，夜間液流主要是補(bǔ)充因白天蒸騰消耗的水分[15]。西伯利亞落葉松陽生面樹干液流開啟時(shí)間是09:33，而陰生面夜間樹干液流一直處于較低水平，在光合作用開始后，氣孔張開，其液流直接上升。樹干液流速率陽生面高于陰生面，最高峰時(shí)相差2.56 cm/h，高出8.90%。

從00:00—10:00，疣枝樺樹干液流同樣處于低水平狀態(tài)，陽生面和陰生面基本維持在0.003～0.600 cm/h和0.010～0.639 cm/h，之后液流降至0，滯后于太陽有效輻射。在11:02和11:10時(shí)液流開始啟動(dòng)，陽生面早于陰生面約8 min，且于14:37、14:38、15:29、18:17、19:09、19:55出現(xiàn)峰值，14:37時(shí)為陽生面全天最大峰值 (18.170 cm/h)，14:38時(shí)為陰生面全天最大峰值 (10.550 cm/h)，19:55之后液流開始快速下降，21:22—00:00，陽生面液流速率為0.391～0.015 cm/h，但不為0，而陰生面此階段為0，至凌晨才有輕微液流。樹干液流速率陽生面高于陰生面，最高峰時(shí)相差7.62 cm/h，高出48.45%。

3.2樹干液流速率月變化規(guī)律

樹木在生長季期間，隨著本身的生長過程以及外界環(huán)境的變化，不同月份之間樹干液流速率會(huì)有一定的差異。圖2是6—9月期間，2樹種陽生面和陰生面樹干液流速率月平均值?？梢钥闯觯何鞑麃喡淙~松陽生面、陰生面樹干液流速率最大月平均值均出現(xiàn)在6月，分別為7.530、6.253 cm/h；最小值月份均出現(xiàn)在9月，分別為0.747、0.704 cm/h；6—9月樹干液流變化幅度較大。疣枝樺陽生面樹干液流月平均值呈先增后減的趨勢，最大和最小月平均值分別出現(xiàn)在8月 (3.824 cm/h) 和6月 (2.572 cm/h)；陰生面樹干液流呈遞增趨勢，最大月平均值出現(xiàn)在9月 (2.577 cm/h)，最小月平均值出現(xiàn)在6月 (1.355 cm/h)；生長季期間樹干液流變化幅度不大。

圖2試驗(yàn)樣木樹干液流速率月變化規(guī)律

Fig.2Monthly variation of stem sap flow velocity of sample trees

在生長初期 (6月)，2樹種陽生面、陰生面樹干液流速率表現(xiàn)為西伯利亞落葉松明顯高于疣枝樺，陽生面樹干液流前者與后者相差4.953 cm/h，陰生面樹干液流前者與后者相差3.676 cm/h。 至生長后期 (9月) 液流速率呈相反狀態(tài)，西伯利亞落葉松明顯低于疣枝樺，陽生面樹干液流前者與后者相差3.077 cm/h，陰生面樹干液流前者與后者相差1.873 cm/h。

3.3樹干液流與氣象因子的相關(guān)性分析

試驗(yàn)樣木樹干液流與氣象因子的相關(guān)性分析結(jié)果見表2。

表2　試驗(yàn)樣木樹干液流與氣象因子的相關(guān)性

注:**表示在0.01水平上 (雙側(cè)) 為極顯著；*表示在0.05水平上 (雙側(cè)) 為顯著。

從表2可以看出，2樹種樹干液流與氣象因子相關(guān)性較高，其相關(guān)程度絕對(duì)值排序?yàn)椋簹鉁?> 光合有效輻射 > 空氣相對(duì)濕度 > 風(fēng)速 > 水汽壓；且與氣溫、光合有效輻射、風(fēng)速呈極顯著正相關(guān) (P< 0.01)，與空氣相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān) (P< 0.01)。2樹種與水汽壓差的相關(guān)性存在差異，表現(xiàn)出西伯利亞落葉松和疣枝樺樹干液流與水汽壓分別為極顯著正相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān) (P< 0.01)。

4　結(jié)論與討論

2種針闊葉樹種西伯利亞落葉松、疣枝樺陽生面和陰生面樹干液流速率日變化均呈明顯的 “晝高夜低” 的曲線型變化。這是由于白天樹木蒸騰量大，大量水分通過根系以被動(dòng)方式吸入植株體內(nèi)，夜間樹木存在微弱流量主要是由根壓引起，水分以主動(dòng)方式進(jìn)入樹體補(bǔ)充白天蒸騰失水，恢復(fù)水分平衡[15]。這與王文杰[10]對(duì)興安落葉松、曹云[16]對(duì)杜仲 (Eucommiaulmoides)、 黃德衛(wèi)等[17]對(duì)鼎山湖針闊葉林的研究結(jié)果一致。2樹種不同方位樹干液流速率和啟動(dòng)存在一定的差異，陽生面樹干液流啟動(dòng)早于陰生面，液流水平高于陰生面。本研究與王小菲等[14]對(duì)大葉相思的研究有相似結(jié)論。而與史梅娟[13]等對(duì)木荷、米櫧和杉木3樹種中木荷和米櫧的研究結(jié)果有所不同，與杉木結(jié)果相一致，而木荷和米櫧表現(xiàn)為陽生面小于陰生面。出現(xiàn)這種差異主要與樹木自身特性、徑向變化差異有關(guān)[18]。蘇芳莉發(fā)現(xiàn)[19]，光照因子驅(qū)動(dòng)液流啟動(dòng)，冠幅分布也是影響樹干液流速率的重要因素。

在樹木生長期 (6—9)，2樹種液流速率均為陽生面大于陰生面，其中：西伯利亞落葉松樹干液流速率陽生面、陰生面月平均值呈遞減趨勢，液流變化幅度大；而疣枝樺樹干液流速率陽生面呈先增后減的趨勢，陰生面呈逐漸遞增趨勢，液流變化幅度不大。在生長初期 (6月)，2樹種陽生面、陰生面樹干液流速率表現(xiàn)為西伯利亞落葉松明顯高于疣枝樺；在生長末期 (9月) 卻與之相反。于萌萌等[6]對(duì)長白山闊葉紅松林內(nèi)3樹種樹干液流的研究結(jié)果是：液流速率呈現(xiàn)先增后減趨勢， 6月最低，8月最大，這與西伯利亞落葉松樹干液流速率月變化不同，與疣枝樺的研究結(jié)果有相似之處。

氣象因子對(duì)樹干液流的影響是變動(dòng)的，外界氣象因子的變化對(duì)樹干液流的影響可以在樹體內(nèi)部的液流上得到響應(yīng)，因此，在研究樹干液流規(guī)律時(shí)，有關(guān)樹干液流與氣象因子關(guān)系的問題就顯得尤為重要，樹干液流速率除了受自身生物學(xué)結(jié)構(gòu)、土壤供水水平影響，還受到氣象因子的制約[20]。本研究結(jié)果表明，2樹種的樹干液流與氣溫、光合有效輻射、風(fēng)速呈極顯著正相關(guān) (P< 0.01)，與空氣相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān) (P< 0.01)，氣溫、光合有效輻射是影響液流速率的主要驅(qū)動(dòng)因子。這與劉明國[21]對(duì)遼西油松樹干液流的研究結(jié)果一致,而池波等[22]發(fā)現(xiàn)，影響興安落葉松樹干液流速率大小的環(huán)境因子依次為：水汽壓差 > 大氣溫度 > 光有效輻射 > 相對(duì)濕度；劉彩鳳等[23]研究表明，對(duì)刺槐樹干液流速率影響最大的因子是光有效輻射，其次為水汽壓、空氣相對(duì)濕度、溫度和風(fēng)速。王瑞輝等[24]、徐軍亮等[25]的研究指出,不僅氣象因子影響著樹干液流速率，土壤因子對(duì)其也有重要影響。本文僅對(duì)2種針闊葉樹種樹干液流在生長季作了初步的探究，如要更加深入全面了解樹干液流特性及其與環(huán)境因子的關(guān)系，還需進(jìn)一步作長期的監(jiān)測和研究。

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(責(zé)任編輯趙粉俠)

Characteristic of Stem Sap Flow of Two Tree Species and Analysis with Meteorological Factors in Kanas National Nature Reserve

Liu Duan1,2, Alim Mamati1,2, Bai Zhiqiang1,2, Wang Wendong1,2

(1. Research Institute of Forest Ecology, Xinjiang Academy of Forestry Sciences, Urumqi Xinjiang 830000, China; 2. The National Locate Research Station of Altai Forest Ecosystems, Urumqi Xinjiang 830000, China)

Stem sap flow velocities ofLarixsibiricaandBetulapendulawere measured by using thermal dissipation probe method on sunny side and shade side.At the same time, the correlation between meteorological factors and the stem sap flow of two tree species was analyzed according to the related environmental factors that include photosynthetically active radiation (PAR), air temperature (T), ralative air humidity (RH), saturation vapour pressure and wind velocity were recorded continuously by using automatic weather station. The results were as follows: the diurnal variation of stem sap flow onLarixsibiricaandBetulapenduladisplayed a typical single-peaked curve in the sunny side and the shade side, the sunny side was higher than that of the shade side. The variation range ofLarixsibiricawas higher thanBetulapendula. During the growing season, the monthly average of stem sap flow forLarixsibiricashowed decrease tendency with its maximum appearing in June and minimum in September. The monthly average of stem sap flow forBetulapendulaon the sunny side was firstly increased and then decreased, with its maximum appearing in August and minimum in June. The monthly average of stem sap flow forBetulapendulaon the shade side showed increase tendency, with its maximum appearing in September and minimum in June. Correlation coefficients declined following the order of air temperature, PAR, RH, wind velocity and saturation vapour pressure. That is, sap flow of the two species were mainly affected by air temperature and photosynthetically active radiation.

Larixsibirica,Betulapendula, thermal dissipation probe, stem sap flow, meteorological factors, nature reserve

10. 11929/j. issn. 2095-1914. 2016. 05. 007

2016-01-29

2013年新疆財(cái)政林業(yè)科技專項(xiàng) (xjlk2013 [001]) 資助。

S718.51

A

2095-1914(2016)05-0039-06

第1作者：劉端 (1966—)，女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。研究方向：森林生態(tài)。 Email: 309912601@qq.com。