基于熱擴(kuò)散技術(shù)的梭梭樹干液流特征研究

李 浩,胡順軍,朱 海,李茜倩

1 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室,烏魯木齊 830011 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

基于熱擴(kuò)散技術(shù)的梭梭樹干液流特征研究

李 浩1,2,胡順軍1,*,朱 海1,2,李茜倩1,2

1 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室,烏魯木齊 830011 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

利用TDP熱擴(kuò)散式莖流計,結(jié)合自動氣象站,對古爾班通古特沙漠南緣原生梭梭的樹干液流及環(huán)境因子進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,分析了梭梭樹干液流對環(huán)境要素的響應(yīng),建立了生長季梭梭樹干液流與環(huán)境因子的關(guān)系,估算出梭梭群落的日、季耗水量。結(jié)果表明：(1)液流速率日變化主要為單峰曲線,夏季偶有出現(xiàn)雙峰曲線,不同季節(jié)間的液流速率大小差異顯著,夏季樹干液流啟動早,峰值出現(xiàn)早,夜間持續(xù)有微弱的液流；(2)梭梭樹干瞬時液流速率與風(fēng)速、凈輻射、空氣溫度、飽和水汽壓虧缺值等因素呈顯著正相關(guān),與實際水汽壓和空氣濕度呈極顯著負(fù)相關(guān),影響梭梭樹干瞬時液流速率變化的關(guān)鍵因子是凈輻射和飽和水汽壓虧缺值是導(dǎo)致樹干液流速率瞬時變化的關(guān)鍵因子；(3)梭梭樹干日均液流速率與凈輻射、空氣溫度、實際水汽壓、土壤含水率和土壤溫度等呈極顯著正相關(guān),與空氣濕度等呈極顯著負(fù)相關(guān),與風(fēng)速相關(guān)性不顯著,影響梭梭日均液流速率變化的關(guān)鍵因子是凈輻射、飽和水汽壓虧缺和空氣溫度。

古爾班通古特沙漠；樹干液流；熱擴(kuò)散莖流計；環(huán)境因子

古爾班通古特沙漠是我國干旱區(qū)唯一以固定、半固定線形沙丘為主的沙漠,其穩(wěn)定狀況直接影響著天山北麓綠洲地區(qū)的生態(tài)安全。由于人類活動和氣候變化的影響,使得荒漠化問題在這一地區(qū)日益嚴(yán)重,梭梭是古爾班通古特沙漠中最主要的植被類型,在防風(fēng)固沙、遏制沙漠對綠洲的入侵中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著綠洲區(qū)地下水過度開采利用,綠洲淺層地下水位下降,綠洲向沙漠側(cè)滲的地下水減少,古爾班通古特沙漠南緣以梭梭為建群種的植物群落已表現(xiàn)出衰退跡象。水分作為干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的最主要最直接的影響因素,其量的大小能否滿足植物生長的需要直接決定了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的發(fā)展,植物的蒸騰作用是水分消耗的主要部分。樹木莖干液流是由蒸騰作用所引起的樹干邊材的液流,其流量占到樹木蒸騰量的90%以上,利用莖流計監(jiān)測樹木莖干液流能反映樹木的蒸騰過程[1- 2]。

對樹干液流特征的研究,一直都是生態(tài)學(xué)研究的主要內(nèi)容之一[3]。在古爾班通古特沙漠邊緣,梭梭作為優(yōu)勢種廣泛分布,梭梭屬于落葉小喬木或大灌木,具有主干短、枝條細(xì)、分枝性強等生物特征。已有學(xué)者采用熱脈沖莖流計和包裹式熱平衡莖流計針對梭梭的樹干液流特征及其與環(huán)境因子間的關(guān)系進(jìn)行了研究,但是熱脈沖式莖流計成本過于昂貴且對液流的響應(yīng)滯后[4],莖熱包裹式莖流計容易對莖干造成傷害[5],而Granier在熱脈沖法的基礎(chǔ)改造的熱擴(kuò)散莖流計可以避免以上的兩種方法的缺點[6- 7],更適宜開展大量的野外監(jiān)測。熱擴(kuò)散探針法可在樹木自然生長條件下連續(xù)測定樹干液流量,基本不破壞樹木正常生長狀態(tài),具有時間分辨率高,準(zhǔn)確度高和易操作等優(yōu)點,已成為目前樹木耗水研究中最常用的研究方法之一[8- 9]。

樹干液流動態(tài)變化受植物生物學(xué)結(jié)構(gòu)、土壤水分、氣象因素影響,生物學(xué)結(jié)構(gòu)決定液流的潛在能力,土壤供水決定液流的總體水平,而氣象因素決定液流的瞬間變動[10]。探究樹干液流特征及其對環(huán)境因子的響應(yīng)是準(zhǔn)確地測算單株樹木的蒸騰耗水量前提,構(gòu)建樹干液流速率與環(huán)境因子的模型影響,可以實現(xiàn)通過環(huán)境指示對單木蒸騰的預(yù)測。本文在對古爾班通古特沙漠南緣不同胸徑梭梭莖干液流速率和環(huán)境因子進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,研究自然條件下梭梭液流變化規(guī)律及其對環(huán)境因子的響應(yīng),構(gòu)建樹干液流速率與環(huán)境因子模型,利用尺度擴(kuò)展的方法推算出梭梭群落的日、季節(jié)蒸騰耗水量,探究梭梭的生態(tài)適應(yīng)能力,為沙丘的治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于古爾班通古特沙漠南緣北沙窩(44°22′N,87°55′E),深入沙漠5 km,距中國科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)站直線距離15 km,距烏魯木齊直線距離80 km,是新疆北部典型的沙漠生態(tài)系統(tǒng),保持著原始的沙漠植被景觀。北沙窩地貌類型以南北走向的樹枝狀沙壟為主,表現(xiàn)為固定沙丘、半固定沙丘,其間廣泛分布著由梭梭、生物結(jié)皮、以及其他沙生植物組成的小喬木群落,梭梭是建群種。平均氣溫7.19℃,極端最高氣溫41.5℃。多年平均降水量128.6 mm,蒸發(fā)量為1746.4 mm。春夏降雨量約占總降水量的2/3,秋季干燥,冬季積雪厚度一般在20 cm以上,積雪覆蓋持續(xù)100—160 d,春季的覆雪融水和春夏季的降雨是維持本區(qū)植被生存的主要水分來源[11]。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料與試驗地選擇

試驗材料為梭梭(Haloxylonammodendron)。梭梭是落葉小喬木或大灌木,耐貧瘠、耐旱性極強,廣泛分布在荒漠地區(qū)的防風(fēng)固沙林種。在北沙窩試驗地選取一塊地勢相對平坦開闊的林地安放波文比氣象觀測系統(tǒng),以波文比為中心拉20 m×20 m左右的梭梭林樣地,自然生長密度0.25 株/m2,平均基徑3.3 cm,平均高度192 cm,平均冠幅199 cm×192 cm,植被蓋度20%—30%。安插探針的6棵樣木距離波文比3—5 m左右,使用游標(biāo)卡尺測得基徑分別為4.55、8.91、8.44、9.55、8.28、6.49 cm。采用植物生長錐對6棵樣木邊材厚度進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)梭梭邊材和心材具有顏色差異,邊材厚度分別為1.1、1.8、1.55、1.95、1.9、1.65 cm。

2.2 莖流計安裝與測定

本試驗選用澳達(dá)植物感應(yīng)儀器公司生產(chǎn)的Plant Sensors PS-TDP8 樹木莖流監(jiān)測系統(tǒng),探針長度2 cm,梭梭邊材厚度較窄,為避免探針插入心材造成的誤差和方位影響,探針統(tǒng)一安裝于樹干北側(cè)基部,插入深度為1 cm,探針距地面20—30 cm。TDP探針用泡沫軟塑料包裹,再包上錫紙和塑料紙,防止熱輻射和雨水的浸入而干擾數(shù)據(jù)。探針通過電纜和數(shù)據(jù)自動采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和儲存,每30 s獲取1次數(shù)據(jù),每30 min進(jìn)行平均并存儲數(shù)據(jù)。

2.3 環(huán)境因子測定

環(huán)境因子采用全自動波文比綜合觀測系統(tǒng)監(jiān)測,該系統(tǒng)采用新型一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計,可采集空氣溫度Ta(Air temperature)、相對濕度RH(Relative humidity)、風(fēng)速WS(Wind speed)、凈輻射TBB(Net radiation)、實際水汽壓e(Vapor pressure)、土壤溫度Ts(Soil temperature)、土壤含水率SWC(Soil water condition)等信息,飽和水汽壓虧缺VPD(Vapor pressure deficit)由空氣溫度和空氣相對濕度計算求得。設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔時間為10 min,測定時間與TDP同步進(jìn)行,數(shù)據(jù)自動存儲。

2.4 液流速率與林分蒸騰的計算

數(shù)據(jù)采集后,利用澳達(dá)植物感應(yīng)儀器公司提供的分析軟件對原始數(shù)據(jù)處理與計算。液流速率計算公式如下：

(1)

其中,Vs為樹干邊材的液流速率(m/s),ΔTm為24 h內(nèi)最大探針溫差值,ΔT為兩探針間的瞬時溫差值,ΔT由TDP兩探針?biāo)敵龅碾妷翰畛越?jīng)驗常數(shù)0.04所得。林分蒸騰計算公式如下：

As=π(r-rb)2-π(r-rb-rs)2

(2)

As=k×(r)b

(3)

E=Vs×As

(4)

(5)

(6)

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL軟件對各項環(huán)境因子數(shù)據(jù)和梭梭樹干邊材液流速率數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,采用SPSS軟件進(jìn)行多元回歸分析,得到梭梭液流速率與氣象因子及土壤環(huán)境因子之間的統(tǒng)計關(guān)系,采用Origin軟件作圖。SPSS進(jìn)行回歸分析中通徑系數(shù)為直接通徑系數(shù),是用標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)來表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 梭梭樹干液流速率的變化規(guī)律

梭梭樹干邊材液流速率具有明顯的晝夜節(jié)律變化和季節(jié)變化規(guī)律。在春季和秋季,晴朗無云的晴天,梭梭樹干液流的日變化曲線呈典型的“單峰型”；在夏季存在“單峰型”和“雙峰型”兩種變化曲線。梭梭在遭受高溫和干旱脅迫的情況下,液流的峰值會提前出現(xiàn),或者進(jìn)行“午休”出現(xiàn)雙峰波形。這種午休現(xiàn)象通過調(diào)整葉片氣孔的閉合,減小葉片蒸騰速率,避免了過多的蒸騰耗水,從而能夠適應(yīng)高溫、干旱的氣候[12]。樹木邊材液流時空變化特征包括啟動時間、液流峰出現(xiàn)時間、峰值,液流高峰持續(xù)的時間和進(jìn)入低谷的時間等,很好地反應(yīng)了樹木蒸騰耗水特性,受環(huán)境因子的作用,不同季節(jié)間的差異很大。如圖1所示,夏季7月份液流的啟動時間最早,持續(xù)時間最長,峰值最大,日樹干液流量最大,液流啟動在7:00—8:00之間,10:00—11:00左右出現(xiàn)波峰,最大液流速率在0.75—0.85 dm/h之間,0:00左右停止。春季液流啟動時間在8:30—9:00之間,12:30—13:00之間達(dá)到最高值,23:30—0:00之間停止,最大液流速率約為0.5 dm/h。秋季液流啟動時間最晚,峰值最小,啟動時間在9：30—10：00之間,13:30—14:00之間出現(xiàn)峰值,1:00左右停止,最大液流速率約為0.35 dm/h。春季和秋季,在夜間液流基本停止；而在夏季,由于高溫和干旱的脅迫,白天強烈的蒸騰致使樹體水分損失,夜間樹干出現(xiàn)微弱的液流對樹體水分進(jìn)行補充[13]。

圖1 樣樹樹干液流速率不同月份的日變化與不同季節(jié)的連續(xù)日變化Fig.1 The diurnal changein different months and consecutive days change of sap flow velocity in different seasons

3.2 不同季節(jié)樹干液流瞬時速率變化與氣象因子的相關(guān)性

由于試驗地所處的地理環(huán)境限制,淺層地下水埋深9 m左右,150 cm以下的土壤含水率日變化極小、季節(jié)變化不顯著[14],梭梭樹干液流瞬時速率與土壤含水率的相關(guān)性不顯著。因此,梭梭樹干液流速率日變化主要受氣象因素(風(fēng)速、凈輻射、實際水汽壓、飽和水汽壓虧缺值、空氣相對濕度和空氣溫度)的影響。分別在5月、7月和9月3個月份,選擇連續(xù)5個晴天內(nèi)的樹干液流速率數(shù)據(jù)與相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表1和圖2所示。在整個生長季,梭梭樹干液流速率與風(fēng)速、凈輻射、空氣溫度、飽和水汽壓虧缺值等因素呈顯著正相關(guān),與實際水汽壓和空氣濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。,在春季影響梭梭樹干液流速率日變化的主要影響因子是飽和水汽壓虧缺值、空氣溫度和凈輻射,風(fēng)速對液流速率的影響最小；在夏季影響梭梭樹干液流速率日變化的因子是空氣濕度、空氣溫度和凈輻射,風(fēng)速對液流速率的影響最?。辉谇锛居绊懰笏髽涓梢毫魉俾嗜兆兓囊蜃邮秋柡退麎禾澣敝?、凈輻射,實際水汽壓對瞬時液流速率變化的影響最小。由此可見,在整個生長季中,飽和水汽壓虧缺值、空氣溫度和凈輻射是導(dǎo)致樹干瞬時液流速率變化的關(guān)鍵因子。

圖2 梭梭樹干液流速率與主要氣象因子間的關(guān)系Fig.2 The relationship between the meteorological factors and the 30-min averages of stem sap flow of Haloxylon ammodendron a—e分別代表風(fēng)速、空氣濕度、實際水汽壓、空氣溫度和凈輻射

表1 不同季節(jié)梭梭樹干液流速率與氣象因子間的相關(guān)系數(shù)與通徑系數(shù)

**表示在0.01水平上顯著相關(guān)

3.3 梭梭樹干(24 h)日均液流速率變化與環(huán)境因子的相關(guān)性

梭梭樹干液流速率瞬時變化主要受氣象因子的影響,但是更大時間尺度上的變化受樹體自身的生理結(jié)構(gòu)和功能、氣象環(huán)境因子和土壤環(huán)境因子共同作用影響[15- 16]。不同的時間和空間尺度,影響樹木蒸騰耗水的主導(dǎo)因素不同,土壤水分狀況和土壤溫度在以日為單元的時間尺度上對樹干液流速率的變化影響微乎其微,但在以季節(jié)為單位的時間尺度上土壤溫度和土壤水分含量與日均液流速率有顯著的相關(guān)性[17- 18]。因此,在研究梭梭樹干液流速率較大時間尺度上的變化時,需要考慮土壤環(huán)境因子對樹木蒸騰量的影響。

圖3 整個生長季梭梭樹干液流日均速率與主要環(huán)境因子間的關(guān)系Fig.3 The relationship between the main environmental factors and daily average rate of stem sap flow

對生長季內(nèi)30、70 cm和110 cm土壤日均含水率變化進(jìn)行比較分析,結(jié)果如圖3所示。受積雪消融和降雨影響,30 cm和70 cm的土壤含水量在5月初最高,110 cm土壤含水量較低,隨著水分下滲和蒸散發(fā)的進(jìn)行,表層土壤的含水率逐漸減少,深層土壤含水率逐漸增加,不同深度間土壤含水率差異逐漸縮小。進(jìn)入夏季,表層30 cm土壤含水量小于深層的土壤含水率,秋季降雨增多,受雨水和凝結(jié)水的影響,表層土壤的含水率回升,出現(xiàn)第二個峰值。有關(guān)研究表明梭梭根系分布具有分層現(xiàn)象,分為淺層根系和深層根系,深層根系可達(dá)2 m以下[19]。在整個生長季,110 cm深土壤的含水率大體呈先增大后減小的趨勢,與生長季梭梭樹干液流速率的變化趨勢相一致,如表3所示。在春季和秋季110 cm處的日平均土壤含水率與液流速率具有極顯著的正相關(guān)性,在夏季與液流速率相關(guān)性不顯著。在陰雨天,大氣溫度、凈輻射強度降低,空氣相對濕度和水汽壓升高,梭梭樹干液流速率降低,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晴天的液流速率,導(dǎo)致生長季的日均液流速率曲線出現(xiàn)了數(shù)次較大幅度的波動。

以生長季內(nèi)5—9月152 d的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對日均液流速率和氣象因子、土壤含水率進(jìn)行相關(guān)性分析。如圖3和表2所示,梭梭日均液流速率與凈輻射、空氣溫度、VPD、實際水汽壓、土壤含水率和土壤溫度等呈極顯著的正相關(guān)性；與空氣濕度等呈極顯著的負(fù)相關(guān)性；而與風(fēng)速的相關(guān)性不顯著。從通徑系數(shù)來看,影響梭梭樹干液流速率季節(jié)變化的關(guān)鍵因子是凈輻射、VPD和空氣溫度。

表2 整個生長季梭梭樹干液流日均速率與環(huán)境因子間的相關(guān)系數(shù)與通徑系數(shù)

表3 日均液流速率與不同深度土壤含水率的相關(guān)系數(shù)

3.4 樹干液流速率的環(huán)境因子影響模型

在長期連續(xù)對梭梭樹干液流速率的系統(tǒng)觀測基礎(chǔ)上,分別以3個季節(jié)中連續(xù)5 d的瞬時樹干液流速率為因變量,以瞬時氣象數(shù)據(jù)為自變量進(jìn)行逐步回歸,得到不同季節(jié)樹干液流速率和氣象因子的回歸方程,如式(7)—(9)所示。以整個生長季的樹干液流速率日均值為因變量,以氣象因子和土壤因子的數(shù)據(jù)日均值為自變量進(jìn)行逐步回歸分析,得到生長季樹干液流速率與環(huán)境因子的回歸方程,如式(10)所示。

春季：

Vs=0.144+0.001TBB-0.005RH+0.212eR2=0.762

(7)

夏季：

Vs=-0.527+0.001TBB-0.221e-0.208VPD+0.053Ta+0.030WsR2=0.794

(8)

秋季：

V=-0.026+0.0003TBB+0.080VPD+0.016WsR2=0.838

(9)

生長季：

V=-0.194+0.009Ta+0.001TBB-0.036VPD+0.022Ws+0.005TsR2=0.750

(10)

式(7)—(9)是不同季節(jié)的瞬時速率回歸方程,式(10)是整個生長季日均速率的回歸方程。其中,Vs為梭梭樹干液流的瞬時速率(dm/h)；V為梭梭樹干液流的日均速率(dm/h)；TBB為凈輻射強度；RH為空氣相對濕度；e為水汽壓；WS為風(fēng)速；VPD為飽和水汽壓虧缺；Ts為土壤溫度。以上4個方程式的F檢驗都達(dá)到了0.01水平上顯著,復(fù)相關(guān)系數(shù)R2均在0.75以上,擬合效果較好。秋季的日耗水模型的模擬效果優(yōu)于春季和夏季,季節(jié)耗水模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)略小于日周期耗水模型。建立日周期模型的數(shù)據(jù)全部選自不同季節(jié)連續(xù)晴天的數(shù)據(jù),不受天氣條件差異的影響,建立季節(jié)耗水模型則受陰雨天氣數(shù)據(jù)的影響,導(dǎo)致季節(jié)模型模擬效果略差于日周期的模型。

3.5 梭梭樹群落的季節(jié)蒸騰耗水量特征

利用熱擴(kuò)散莖流計數(shù)據(jù)依靠尺度擴(kuò)展的方法,計算的除了生長季內(nèi)不同時間的林分耗水總量和蒸騰總量變化情況如圖4和表4所示。整個生長季林分的日蒸騰呈先增大后減小的趨勢,與110 cm深處土壤含水率的變化規(guī)律相一致,從五月上旬的日蒸騰為0.21 mm/d,在六月中旬到達(dá)峰值0.45 mm/d,峰值一直持續(xù)40 d左右,從7月下旬開始下降,九月下旬林分日蒸騰降到0.10 mm/d。從表4可以看出,20 m×20 m的樣方內(nèi)整個生長季的全部耗水量達(dá)到4428.924 L,5月耗水736.361 L、6月耗水1073.685 L、7月耗水1145.842 L、8月耗水9117.580 L、9月耗水511.651 L,152 d的平均耗水量為29.137 L/d。

表4 生長季不同時期林分的蒸騰耗水量的變化

圖4 生長季的林分日蒸騰與110 cm土壤含水率的的動態(tài)變化Fig.4 The dynamic changes of transpiration and soil moisture content at 110 cm depth

4 結(jié)論與討論

梭梭樹干液流速率的日變化曲線主要呈單峰型,夏季偶有雙峰型,夜間液流微弱,晝夜差異顯著；梭梭樹干液流的日變化格型和最高峰值有明顯的季節(jié)差異,夏季液流啟動時間、峰值出現(xiàn)時間較早。曹曉明[11]、丁訪軍[20]、龔道枝[21]等的研究結(jié)果表明,樹干液流變化存在明顯的晝夜節(jié)律,不同季節(jié)液流差異顯著,夏季的蒸騰速率大于春季和秋季,與本研究結(jié)果相一致。孫鵬飛等[22]在古爾班通古特沙漠南緣基于熱脈沖技術(shù)對梭梭樹干液流的研究結(jié)果表明,5—9月份液流量晝夜變化不顯著,液流變化曲線呈平緩波動的多峰型,液流量逐日降低,與本研究結(jié)果不符。孫鵬飛等的試驗區(qū)域地下水埋深大于16 m,梭梭根系不能直接利用地下淺水,而本試驗區(qū)域地下淺水位在9 m左右,梭梭可能直接利用地下淺水,不同的土壤水分條件和不同的樹干液流監(jiān)測方法可能導(dǎo)致了梭梭樹干液流變化規(guī)律的差異。梭梭在不同的水分脅迫條件下,液流速率變化格局存在差異,但都能正常生長,說明梭梭能適應(yīng)不同的水分環(huán)境,耐干旱脅迫能力強。

梭梭樹干液流速率的瞬時變化主要受凈輻射、空氣溫度和VPD的影響,不同季節(jié)樹干液流速率對氣象因子的響應(yīng)有一定的差異。梭梭樹干瞬時液流速率與風(fēng)速、凈輻射、飽和水汽壓虧缺值、空氣溫度等因素呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與實際水汽壓和空氣濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。梭梭樹干日均液流速率的變化主要受凈輻射、VPD和空氣溫度的影響,與凈輻射、空氣溫度、VPD、實際水汽壓、土壤含水率和土壤溫度等呈極顯著的正相關(guān)性,與空氣濕度等呈極顯著的負(fù)相關(guān)性；而與風(fēng)速的相關(guān)性不顯著。不同的時間和空間尺度,不同的環(huán)境條件下影響樹木蒸騰耗水的主導(dǎo)因素不同,證實了樹木蒸騰耗水影響和調(diào)控機(jī)制的復(fù)雜性和相對性[23]。

不同季節(jié)的多元線性回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.764以上,可以較好地模擬梭梭樹干邊材液流速率與氣象因子的響應(yīng)特征；生長季日均液流速率的模型復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.75,可以較好地模擬某一季度或生長季的耗水量。日均液流速率模型是以日平均氣象資料為基礎(chǔ),可以忽略具體天氣波動的干擾,但是減少了模型建立的數(shù)據(jù)樣本,降低了模擬的準(zhǔn)確度。因此,構(gòu)建一套普遍適用的比較系統(tǒng)和科學(xué)的樹木蒸騰耗水調(diào)控機(jī)制,需要考慮在不同時間尺度上對環(huán)境因子和液流速率的關(guān)系進(jìn)行模擬。

梭梭樹干液流速率變化和個體蒸騰的研究是一個熱點問題,但對于梭梭的生態(tài)適應(yīng)性、群落衰退原因的探討而言,群落的日、季節(jié)、年蒸騰耗水量更值得研究。梭梭個體耗水量測定和尺度轉(zhuǎn)換過程中的空間純量的選擇,是決定能否準(zhǔn)確估算梭梭群落耗水量的關(guān)鍵。根據(jù)植物特征選擇合適的個體耗水測量工具和對經(jīng)驗系數(shù)的校正有利于更加精確的測定個體的耗水量,選擇合適的純量能提高試驗的可操作性和尺度擴(kuò)展結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文以熱擴(kuò)散莖流計作為工具,測定梭梭個體的蒸騰量,采用尺度擴(kuò)展的方法以樹干基徑為純量,推算出試驗樣方內(nèi)梭梭的林分日均蒸騰量是0.35 mm/d,整個研究期間總蒸騰量是53.35 mm。在梭梭的生長期間,古爾班通古特沙漠南緣高溫干旱,降雨量小且蒸發(fā)強,但梭梭群落的日均蒸騰量較小,僅達(dá)到0.35 mm/d,可見梭梭對干旱高溫的沙漠環(huán)境具有較強的生態(tài)適應(yīng)能力。

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CharacterizationofstemsapflowHaloxylonammodendronbyusingthermaldissipationtechnology

LI Hao1,2, HU Shunjun1,*, ZHU Hai1,2, LI Xiqian1,2

1StateKeyLaboratoryofDesertandOasis,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

The transpiration water consumption of Haloxylon ammodendron is an important physiological index, which is greatly influenced by many environmental factors. We accurately measured the transpiration water consumption of the individual trees by investigating their sap-flow characteristics in response to various environmental factors. We predicted the transpiration of a single tree with the help of the environmental indicators by building a sap-flow model and environmental factors. Combined with the automatic weather stations, a thermal dissipation probe (TDP) was used to continuously measure the sap-flow dynamics and environmental factors ofH.ammodendronin the southern marginal zone of the Gurbantunggut Desert, China. The response of sap-flow velocity to the environmental factors was analyzed, and a relationship was established between the stem sap flow and environmental factors during the growing season ofH.ammodendron. The results showed that: (1) the change of sap-flow velocity mainly presented a single-peak curve, or occasionally, a double-peak curve in summer. The amplitudes of daily variation and sap-flow peak were relatively greater in summer than in spring and autumn, and presented a significant difference with the sap-flow velocity during different seasons. In summer, the initial and peak sap-flows were observed earlier in the day, but a weak sap-flow was observed at night. (2) In the growingseason, the net radiation, air temperature, and saturated vapor pressure deficit were the key factors leading to the instantaneous changes in sap flow. The instantaneous sap-flow ofH.ammodendronwas positively correlated with wind speed, net radiation, saturated vapor pressure deficit, and air temperature, and negatively correlated with actual water vapor pressure and air humidity. (3) The key factors affecting the seasonal change in sap-flow velocity included net radiation, saturated vapor pressure deficit, and air temperature. The daily average flow rate was positively correlated with net radiation, air temperature, saturated vapor pressure deficit, actual water vapor pressure, soil water content, and soil temperature, and negatively correlated with air humidity. (4) The daily transpiration first showed an increasing trend, and then decreased during the whole growing season. In early May, the daily transpiration was 0.21 mm/d, and in the middle of June, it showed a peak-value, which lasted for forty days. The daily transpiration began to decline in late July until it reached a value of 0.10 mm/d. In H.ammodendron study samples, the daily transpiration was 0.35 mm/d and the total transpiration during the entire study period was 53.35 mm, suggesting strong ecological adaptability ofH.ammodendronto drought conditions. In the study area, where the ecological environment was harsh because of high temperature and little rain, the water consumption ofH.ammodendronwas very low, making it the first choice to be used as the ecological restoration and reconstruction shrub in an arid land.

Gurbantunggut Desert; stem sap flow; TDP(thermal dissipation probe); environmental factors

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2013CB429902)；國家自然科學(xué)基金面上項目(41671032)

2016- 08- 30; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xjhushunjun@aliyun.com

10.5846/stxb201608301764

李浩,胡順軍,朱海,李茜倩.基于熱擴(kuò)散技術(shù)的梭梭樹干液流特征研究.生態(tài)學(xué)報,2017,37(21):7187- 7196.

Li H, Hu S J, Zhu H, Li X Q.Characterization of stem sapflowHaloxylonammodendronby using thermal dissipation technology.Acta Ecologica Sinica,2017,37(21):7187- 7196.