阿拉善白刺生長(zhǎng)季葉片尺度耗水特性

趙晨光,孟和巴雅爾,丁積祿

(內(nèi)蒙古阿拉善盟林業(yè)治沙研究所，內(nèi)蒙古 阿拉善 750306)

阿拉善白刺生長(zhǎng)季葉片尺度耗水特性

趙晨光,孟和巴雅爾,丁積祿

(內(nèi)蒙古阿拉善盟林業(yè)治沙研究所，內(nèi)蒙古 阿拉善 750306)

為優(yōu)化水資源的配置，恢復(fù)或重建生態(tài)系統(tǒng)，以便在干旱、半干旱地區(qū)改進(jìn)抗旱節(jié)水造林技術(shù)，對(duì)阿拉善盟白刺群落生長(zhǎng)季葉片尺度耗水特性進(jìn)行測(cè)定了分析。結(jié)果表明：(1)白刺生長(zhǎng)季水分利用效率日變化最高值出現(xiàn)在上午，5、6、9、10月在10:00左右達(dá)最大值，而7、8月在8:00左右達(dá)最大值，最小值出現(xiàn)在早、晚。月變化為9、10月最大，其次7、8月，5、6月最小。其中月均值10月>9月>7月>8月>6月>5月。(2)整體上光合速率上午比較強(qiáng)，而蒸騰速率上午呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在中午達(dá)最大值，下午二者都呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。(3)生長(zhǎng)季各月葉片水勢(shì)與蒸騰速率呈相反趨勢(shì)。(4)白刺蒸騰耗水主要是消耗深50 cm土壤附近的水。

阿拉善；白刺；光合作用；蒸騰作用；葉片水勢(shì)

蒺藜科白刺屬(NitrariaL.)是一個(gè)古老的小屬，屬第三紀(jì)孑遺植物，是亞洲中部荒漠的特有植物成分，是從荒漠草原到荒漠地帶沙地上的重要建群種之一[1]。白刺為阿拉善盟的廣布種，主要分布于湖盆沙地、綠洲外圍沙地、山前平原、鹽漬化沙地等干旱地帶，分布面積達(dá)188.2萬(wàn)hm2[2]。白刺屬植物是在長(zhǎng)期植被演替過(guò)程中保留下來(lái)的穩(wěn)定植物群落[3]，耐干旱、鹽堿、抗風(fēng)蝕沙埋，是荒漠地區(qū)鹽漬土指示植物和典型植被類(lèi)型。

水是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成、發(fā)展和穩(wěn)定的基礎(chǔ)，決定著西北干旱區(qū)綠洲化過(guò)程與荒漠化過(guò)程這兩類(lèi)極具對(duì)立與沖突性的生態(tài)環(huán)境演化過(guò)程[4]。近年來(lái)植被的生態(tài)需水問(wèn)題已成為植被生態(tài)恢復(fù)或重建研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，目前的研究主要從生態(tài)系統(tǒng)自身角度以其需水機(jī)理出發(fā)，針對(duì)不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)的需水理論和計(jì)算方法進(jìn)行探討，側(cè)重于水文學(xué)、環(huán)境學(xué)和生態(tài)學(xué)，特別是植物生態(tài)學(xué)等方面[5]。白刺屬植物作為阿拉善荒漠地帶的主要優(yōu)勢(shì)種和建群種，它的生態(tài)需水問(wèn)題關(guān)系到整個(gè)地區(qū)植被群落的演替過(guò)程和生態(tài)平衡。因此，研究白刺耗水特性對(duì)于當(dāng)?shù)刂参锶郝涮幱诹夹匝h(huán)狀態(tài)，對(duì)水資源的合理配置與實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本文對(duì)阿拉善白刺葉片尺度耗水進(jìn)行測(cè)定。旨在揭示阿拉善白刺群落葉片尺度耗水特性，為進(jìn)一步研究白刺群落生態(tài)需水量奠定基礎(chǔ)，為該區(qū)水資源的優(yōu)化配置和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿拉善盟位于祖國(guó)北疆，地處內(nèi)陸高原，屬極端干旱和干旱荒漠地區(qū)，水資源嚴(yán)重匱乏，氣候干冷酷熱，降水稀少，風(fēng)大沙多。降雨量從東南部的200 mm向西北部遞減至40 mm以下，而蒸發(fā)量則由東南部的2 400 mm向西北部遞增到4 700 mm。這一區(qū)域自然植被較稀疏，覆蓋度1%～15%。植被主要以旱生、超旱生、鹽生和沙生的灌木、半灌木和小半灌木為主，大多數(shù)植物具有耐干旱、耐高溫、耐鹽堿和抗風(fēng)沙的特征。地貌類(lèi)型以沙漠、戈壁、中山、低山丘陵、干燥剝蝕平原、湖盆、起伏灘地等為主，荒漠化面積達(dá)22.38萬(wàn)km2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)白刺群落格局、林齡、長(zhǎng)勢(shì)的調(diào)查，設(shè)置固定樣地。樣地分別布設(shè)在阿拉善左旗、阿拉善右旗以及額濟(jì)納旗。固定樣點(diǎn)布設(shè)采取典型選擇方法，每個(gè)樣地控制面積1 km2，樣方布設(shè)以全盟公益林普查為總體，以樣地布設(shè)為基礎(chǔ)，共設(shè)5個(gè)樣地，每個(gè)樣地5個(gè)重復(fù)。以10 m×10 m樣方調(diào)查植物群落變化、植被蓋度，物種組成及分布格局。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)

1.3.1 葉片水勢(shì)測(cè)定 葉片水勢(shì)采用WP4露點(diǎn)水勢(shì)儀測(cè)定，試驗(yàn)期間分別選取生長(zhǎng)發(fā)育正常的枝條的葉片為葉樣，重復(fù)3次。每月選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)日測(cè)定一個(gè)日進(jìn)程，水勢(shì)日變化測(cè)定是從8:00—18:00，每1 h測(cè)定1次。

1.3.2 光合速率、蒸騰速率的測(cè)定 利用美國(guó)拉哥公司(LI-COR)生產(chǎn)的開(kāi)放式氣體交換LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)，進(jìn)行光合速率(Pn)、蒸騰速率(E)等生理指標(biāo)的測(cè)定。并同步測(cè)定有關(guān)環(huán)境及植物生理參數(shù)——光量子密度(QNTM)、氣溫(Ta)、相對(duì)濕度(RH)、水汽壓(EAIA)、葉溫(Tl)、氣孔阻力(Rs)等的變化。每個(gè)樣方選擇有代表性的植株3株，每株選擇中上部的枝3處，測(cè)定葉片選擇頂端完整葉片作為測(cè)定葉，于7:00—20:00每1 h測(cè)定1次。

1.3.3 氣象因子的測(cè)定 氣象因子的測(cè)定采用澳大利亞ICT公司生產(chǎn)的自動(dòng)微氣象站。主要觀測(cè)項(xiàng)目包括輻射(總輻射、凈輻射、有效輻射)、風(fēng)速風(fēng)向、土壤溫度、土壤熱通量、CO2濃度。所有觀測(cè)項(xiàng)目的傳感器以電纜同室內(nèi)數(shù)據(jù)采集器相連，24 h全天候觀測(cè)，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集器對(duì)以上觀測(cè)項(xiàng)目每10 min記錄一次。

1.3.4 土壤含水量的測(cè)定 采用TRIME-FM管式TDR(時(shí)域反射儀，德國(guó)IMKO公司生產(chǎn))系統(tǒng)測(cè)定土壤體積含水率，每隔5～10 d測(cè)定1次。測(cè)定深度為160 cm，分8個(gè)層次，分別為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140 cm和140～160 cm。用烘干法測(cè)定一次土壤含水量，用于校準(zhǔn)TDR測(cè)定值。具體操作過(guò)程為：將土樣充分混勻,放入鋁盒，重復(fù)3次。立即稱(chēng)鋁盒+鮮土質(zhì)量，然后置于105 ℃下干燥2～3 d，再稱(chēng)鋁盒+干土質(zhì)量，最后以下式計(jì)算：土壤含水量(SWC)=含水質(zhì)量/烘干土質(zhì)量×100%，結(jié)果取平均值。另外，土壤水分探頭埋設(shè)8層，每20 cm為一層，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集器(Zeno3200-A-D)對(duì)以上觀測(cè)項(xiàng)目每30 min記錄一次。

2 結(jié)果與分析

2.1 白刺生長(zhǎng)季水分利用效率變化特征

圖1白刺水分利用效率日變化特征

由圖1可知，白刺的水分利用效率日變化同光合速率日變化類(lèi)似，一天中最高值出現(xiàn)在上午，最小值出現(xiàn)在早、晚。5、6、9、10月變化趨勢(shì)較為一致，在10:00左右達(dá)到最大值，而7、8月水分利用效率在8:00左右達(dá)到最大；由表1可知，9、10月的水分利用效率最大，其次為7、8月，最小為5、6月；其中各月水分利用效率的均值10月>9月>7月>8月>6月>5月，分別為5.70、4.27、2.12、1. 83、1.08、0.84 μmol·mmol-1。

表1 水分利用效率描述統(tǒng)計(jì)表 μmol·mmol-1

2.2 白刺葉片光合速率與蒸騰速率關(guān)系

生長(zhǎng)季節(jié)各月白刺光合速率與蒸騰速率關(guān)系如圖2所示，蒸騰速率最大值滯后于光合速率最大值。5月光合速率最大值出現(xiàn)在8:00—9:00，隨后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在15:00又呈現(xiàn)一個(gè)小波峰，隨后持續(xù)下降。而蒸騰速率最大值出現(xiàn)在11:00，最小值出現(xiàn)在13:00左右，15:00出現(xiàn)另一個(gè)波峰值，隨后呈下降趨勢(shì)。通過(guò)比較5月光合速率和蒸騰速率關(guān)系可知，在11:00以后二者呈現(xiàn)變化趨勢(shì)較為相似；6月光合速率變化趨勢(shì)在10:00達(dá)最大值，隨后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，16:00又出現(xiàn)一個(gè)小波峰。而蒸騰速率也呈現(xiàn)雙峰型變化，第一個(gè)波峰出現(xiàn)在11:00，滯后于光合速速，而第二個(gè)波峰出現(xiàn)在15:00，期間在13:00出現(xiàn)一個(gè)波谷，隨后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)?？梢钥闯鲈?1:00以后二者的變化趨勢(shì)基本一致，僅是第二個(gè)波峰出現(xiàn)的時(shí)間相差1 h；7月光合速率在10:00出現(xiàn)最大值，而蒸騰速率第一個(gè)波峰出現(xiàn)在12:00，滯后于光合速率2 h，光合速率的第二個(gè)波峰出現(xiàn)在13:00，蒸騰速率的第二個(gè)波峰出現(xiàn)在14:00，隨后二者都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)；8月蒸騰速率的最大值出現(xiàn)滯后于光合速率3 h，12:00以后二者的變化趨勢(shì)一致；9月蒸騰速率的最大值出現(xiàn)滯后于光合速率4 h，14:00以后二者的變化趨勢(shì)一致；10月蒸騰速率和光合速率二者的變化趨勢(shì)一致，均在12:00出現(xiàn)最大值，早晚低中午高。

圖2 5—10月光合速率與蒸騰速率關(guān)系對(duì)比

2.3 白刺葉片水勢(shì)與蒸騰速率關(guān)系

白刺生長(zhǎng)季節(jié)各月葉片水勢(shì)與蒸騰速率關(guān)系如圖3所示，二者呈現(xiàn)明顯的相反趨勢(shì)，即葉片水勢(shì)越大，蒸騰速率越小，葉片水勢(shì)越小，蒸騰速率越大，即葉片水勢(shì)是反應(yīng)植物葉片吸水的能力，葉片水勢(shì)越小，說(shuō)明植物葉片吸水能力越強(qiáng)，及對(duì)應(yīng)的較大的蒸騰速率，而植物葉片水勢(shì)越大，即葉片吸水能力越弱，對(duì)應(yīng)蒸騰速率就較小。

2.4 白刺土壤水分變化與蒸騰速率關(guān)系

白刺生長(zhǎng)季節(jié)各月土壤含水量與蒸騰速率關(guān)系如圖4所示，10 cm土壤含水量的整體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，在16:00左右達(dá)到最大值，隨后減小；30 cm土壤含水量也是從早上8:00開(kāi)始呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但是上升幅度小于10 cm土壤含水量，6、7月波峰出現(xiàn)在16:00左右，其他月波峰值在18:00左右，隨后開(kāi)始下降；50 cm土壤含水量的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為，土壤含水量呈現(xiàn)先減小后上升的趨勢(shì)。其中50 cm土壤含水量的出現(xiàn)波谷的時(shí)間，隨著月份的不同有所差異，5—7月，波谷值出現(xiàn)在13:00左右，8—10月出現(xiàn)在16:00左右。由土壤含水量變化可以看出，10 cm土壤含水量的波動(dòng)幅度較大，30 cm次之，變化幅度最小的是50 cm土壤含水量。

圖3 葉片水勢(shì)與蒸騰速率關(guān)系對(duì)比

圖4 土壤含水量與蒸騰速率關(guān)系對(duì)比

3 討論

植物水分利用效率(WUE) 為光合速率與蒸騰速率的比值，表征植物消耗單位水量所產(chǎn)生的同化量，是反映植物對(duì)水分的利用水平高低的重要指標(biāo)。對(duì)于處于干旱和半干旱地區(qū)的植物，水分利用效率對(duì)于維持植物的正常生長(zhǎng)具有非常重要的意義。白刺的水分利用效率日變化同光合速率日變化類(lèi)似，一天中最高值出現(xiàn)在上午，最小值出現(xiàn)在早、晚。水分利用效率5、6、9、10月變化趨勢(shì)較為一致，在10:00左右達(dá)到最大值，而7、8月水分利用效率在8:00左右達(dá)到最大，這可能與不同月份日出時(shí)間的差異有關(guān)； 9、10月的水分利用效率最大，其次為7、8月，最小為5、6月；其中各月水分利用效率的均值10月>9月>7月>8月>6月>5月。

通過(guò)各月光合速率與蒸騰速率二者關(guān)系的比較可以看出，雖然光合速率和蒸騰速率的變化模式不同，但是從總體的變化趨勢(shì)來(lái)講，上午7:00—10:00白刺凈光合速率顯著上升階段，在上午10:00左右達(dá)到一日的峰值，此時(shí)，白刺蒸騰速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。白刺凈光合速率在10:00—13:00為迅速下降階段，而蒸騰速率繼續(xù)上升，在11:00達(dá)到最大值后呈現(xiàn)較小的下降趨勢(shì)。在13:00以后，凈光合速率呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)，此時(shí)，蒸騰速率重新呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，直至15:00達(dá)到第二次峰值后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

白刺生長(zhǎng)季節(jié)各月葉片水勢(shì)與蒸騰速率關(guān)系，呈現(xiàn)明顯的相反趨勢(shì)，即葉片水勢(shì)越大，蒸騰速率越小，葉片水勢(shì)越小，蒸騰速率越大，即葉片水勢(shì)是反應(yīng)植物葉片吸水的能力，葉片水勢(shì)越小，說(shuō)明植物葉片吸水能力越強(qiáng)，即對(duì)應(yīng)的較大的蒸騰速率，而植物葉片水勢(shì)越大，即葉片吸水能力越弱，對(duì)應(yīng)蒸騰速率就較小。

50 cm的土壤含水量與蒸騰速率呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，這主要是由于10 cm土壤層溫度變化大于下層土壤溫度，因此蒸發(fā)作用較下層強(qiáng)烈，水分由下層到上層運(yùn)動(dòng)作用較為強(qiáng)烈，因此10、30 cm土壤含水量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，土壤水是由下層向上層運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而50 cm處土壤含水量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，且50 cm的土壤含水量與蒸騰速率呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，也說(shuō)明白刺蒸騰耗水也主要是消耗的這一層附近的水，這正好與白刺根系分布情況較為一致，白刺分布的毛細(xì)根主要在30 cm以下的土層中。

4 結(jié)論

4.1 白刺生長(zhǎng)季水分利用效率日變化最高值出現(xiàn)在上午，最小值出現(xiàn)在早、晚，5、6、9、10月在10:00左右達(dá)到最大值，而7、8月在8:00左右達(dá)到最大值。月變化9、10月最大，其次為7、8月，最小為5、6月。其中各月均值10月>9月>7月>8月>6月>5月。

4.2 整體上光合速率上午比較強(qiáng)，而蒸騰速率上午是呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在中午達(dá)到最大值。下午二者都呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，即光合減弱，蒸騰減弱。

4.3 白刺生長(zhǎng)季節(jié)各月葉片水勢(shì)與蒸騰速率呈現(xiàn)明顯的相反趨勢(shì)。

4.4 白刺蒸騰耗水主要是消耗深度50 cm土壤附近的水。

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TheCharacteristicsofWaterConsumptionofBladeScaleforNitrariatangutoruminAlxaLeague

Zhao Chenguang,Meng Hebayaer,Ding Jilu

(Forestry Research Institute, Alxa League, Inner Mongolia, Alxa 750306,China)

In order to optimize the allocation of water resources and to restore and reconstruct the ecosystem, so as to improve the drought-resistant and water-saving afforestation technology in arid and semi arid areas.The characteristics of water consumption at the blade scale ofNitrariatangutorumcommunity in Alxa League were analyzed. Result shows that: 1) The diurnal variation of water use efficiency in the growth season is the highest in the morning and the lowest in the morning and evening, the trend of change reach the maximum value at 10:00 in May,June, September and October; water use efficiency in the 8:00 or so in July and in August reach the maximum. The water use efficiency ofNitrariatangutorumis the highest in September and October, followed by July and August, and the minimum is May and June. The descending of monthly water use efficiency is October> September> July> August > June> May. 2) The overall photosynthetic rate is relatively strong in the morning, while the transpiration rate is increasing in the morning, and the plant transpiration rate reach the maximum at noon. Both in the afternoon show a decreasing trend, that is, photosynthesis weaken, transpiration weaken. 3) The relationship between leaf water potential and transpiration rate during the growing season is significant. 4)Transpiration water consumption ofNitrariatangutorumis mainly in the depth of 50 cm soil layer.

Alxa;Nitrariatangutorum;photosynthesis;transpiration;leaf water potential

1005-5215(2017)10-0046-05

2017-09-11

趙晨光(1986-)，男，遼寧法庫(kù)人，碩士，現(xiàn)從事森林生態(tài)及荒漠化防治研究，Email:18648330471@163.com

S793.9

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.10.015