環(huán)境因素對毛烏素沙地旱柳樹干液流的影響分析

許文豪，尹立河，賈伍慧，張 俊，徐丹丹，王曉勇

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

我國干旱、半干旱地區(qū)約占國土面積的50%[1]，這些地區(qū)由于降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源嚴(yán)重短缺，已成為限制社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸。由于水資源開發(fā)強(qiáng)度不斷增大，旱區(qū)植被的可利用水不斷減少，嚴(yán)重影響了地表植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能[2]。因此研究旱區(qū)植被用水對氣象因子和地下水水位變化的響應(yīng)，對于合理開發(fā)利用水資源和預(yù)測水資源開發(fā)條件下的植被長期演化具有重要意義。

在旱區(qū)，植被的用水主要是受氣象條件影響。前人研究表明，在西北干旱半干旱地區(qū)，氣溫、輻射等氣象要素控制著植物的用水量[3～4]。除了受氣象因素影響外，對于依賴地下水的植被，地下水的埋深也是影響植被用水的因素之一。如在西北地區(qū)的黑河地區(qū)，地下水位下降2 m后，楊樹的耗水量減少了60%[5]。

毛烏素沙地位于農(nóng)牧交錯帶，是北方重要的生態(tài)屏障區(qū)。2000年以來隨著生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施，植被生態(tài)明顯好轉(zhuǎn)[6]。旱柳是毛烏素沙地鄉(xiāng)土樹種，是當(dāng)?shù)亓謽I(yè)生態(tài)工程建設(shè)的重要樹種[7]。本文通過氣象因子、地下水水位與旱柳樹干液流的現(xiàn)場監(jiān)測，試圖揭示氣象要素以及地下水水位對旱柳用水的影響，為毛烏素沙地的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與水資源的合理開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市榆陽區(qū)補(bǔ)浪河鄉(xiāng)國土資源部榆林地下水與生態(tài)野外試驗(yàn)站。試驗(yàn)站位于毛烏素沙地東南緣，海拔高度1 250 m。研究區(qū)屬溫帶半干旱區(qū)大陸季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為8.1℃(1957—2016年)，其中1月平均氣溫為-8.6 ℃，7月平均氣溫為23.9 ℃；多年平均降水量340 mm，降水多集中在7—9月，在此期間降水量占全年的70%以上；多年平均蒸發(fā)能力為2 180 mm。研究區(qū)包氣帶類型為風(fēng)積沙，地下水水位埋深約1～1.5 m，地貌為固定和半固定沙丘。研究區(qū)內(nèi)主要植被為沙柳、旱柳等，植被覆蓋率較高。本次試驗(yàn)的旱柳為1980年種植，樹高約8.5 m，胸徑30.3 cm，冠幅5.7 m2。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)采用小型氣象站監(jiān)測。監(jiān)測項目包括空氣溫度(℃)和相對濕度(%)(HMP45C，Vaisala Co.，Helsinki，F(xiàn)inland)、凈輻射(W/m2)(NR-LITE sensor, Kipp&Zonen，Delft，The Netherlands)、風(fēng)速(m/s)(05130-5 RM Young wind monitor, R.M. Young Co.，Michigan，USA)和降雨量(mm/d)(52203 RM Young rain gauge, R.M. Young Co.，Michigan，USA)。水汽壓虧缺(D，kPa)利用以下公式計算：

(1)

式中：T——?dú)鉁兀?/p>

RH——空氣相對濕度；

a、b、c——常數(shù)，分別取值為0.611 kPa、17.502 kPa和240.97 ℃。

潛在蒸散發(fā)(ET0)利用Penman-Monteith公式計算[8]。

土壤含水率采用ECH2O探針和EM50數(shù)據(jù)記錄儀(Decagon Devices Inc，Pullman，Washington，USA)監(jiān)測，監(jiān)測深度為20 cm、40 cm、70 cm和100 cm。研究區(qū)地下水位通過自計水位儀監(jiān)測(Keller DCX-22A，Winterthur，Switzerland)。氣壓記錄儀安裝在觀測孔深度0.5 m位置，可減少由儀器自身溫度差異引起的誤差。監(jiān)測過程中定期進(jìn)行人工測量埋深進(jìn)行校正。氣象要素、土壤含水率和地下水水位監(jiān)測均為每小時一次。

為了監(jiān)測樹干液流量(SF)，在旱柳樹干1.3 m處，用砂紙打磨樹干，將一對Granier熱消散探針(FLGS-TDP XM1000，Dynamax Inc.，USA)相隔10 cm插入到邊材，然后用硅膠將其密封。在探針安裝部位利用鋁箔包裹樹干，以防止太陽輻射和雨水入滲。利用CR1000自動數(shù)據(jù)采集儀(CR1000，Campbell Scientific，Logan，UT，USA)采集數(shù)據(jù)，自動記錄時間間隔為1h。本文選取2017年4月1日—6月30日的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

1.3 基于White方法的ETG估算

當(dāng)?shù)叵滤@現(xiàn)晝夜波動時(即每天8:00—20:00點(diǎn)地下水埋深逐漸增大，夜間地下水恢復(fù))(圖1a)，可以利用White方法計算地下水蒸散發(fā)量。White方法假定地下水晝夜波動變化是由于植物蒸騰引起的，地下水側(cè)向補(bǔ)給速率恒定，且植物在夜間0—4點(diǎn)的蒸騰量可以忽略不記[9]。前人利用抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算出研究區(qū)內(nèi)給水度為0.12[10]?；赪hite方法的地下水蒸散發(fā)(ETG，mm/d)計算公式如下：

ETG=(24r+Δh)×Sy

(2)

式中：r——0～4點(diǎn)地下水水位上升速率/(m·h-1)；

Δh——24小時內(nèi)地下水位變幅/(m·d-1)；

Sy——含水層給水度。

地下水水位上升速率為0—4點(diǎn)水位曲線擬合直線的斜率(圖1b)，Δh為相鄰兩天地下水位峰值之差。

圖1 研究區(qū)內(nèi)地下水的晝夜變化和white方法計算ETG原理Fig.1 Diurnal variation of water table in the study site (a) and principle of ETG estimation by the white method (b)

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境要素的變化

觀測期內(nèi)各氣象因子均呈明顯的晝夜波動(圖2)。溫度隨時間持續(xù)波動變化，日均溫度呈平緩遞增趨勢(圖2a)。一天中一般早上8:00溫度開始上升，下午14：00—16:00達(dá)到峰值后，溫度逐漸降低。4—6月平均溫度為16.1 ℃，最低溫度-4.5 ℃出現(xiàn)在4月1日，最高溫度32.7 ℃出現(xiàn)在5月27日。相對濕度變幅較大，波動規(guī)律與溫度相反(圖2b)。一般夜間相對濕度較大，白天較低。觀測期內(nèi)平均相對濕度為37.5%，最大相對濕度達(dá)96.3%，最低相對濕度僅為3.7%。凈輻射一般中午12:00—14:00最大，夜晚20:00最小，觀測期內(nèi)平均凈輻射為169.7 W/m2。凈輻射最大值為1 087.0 W/m2，出現(xiàn)在6月28日12：00(圖2c)。水汽壓虧缺呈明顯的晝夜波動，觀測期內(nèi)平均值為1.1 kPa，其中最大值3.6 kPa出現(xiàn)在5月27日17:00，最小值0.02 kPa出現(xiàn)在4月5日7:00(圖2d)。潛在蒸散發(fā)(ET0)同樣呈現(xiàn)晝夜波動，一天內(nèi)一般早上8:00開始上升，至14:00左右到達(dá)峰值，之后ET0下降。觀測期內(nèi)潛在蒸散發(fā)平均值為0.4 mm/h，最大值為1.27 mm/h，出現(xiàn)在6月28日12：00(圖2e)。

圖2 4-7月溫度(a)、相對濕度(b)、凈輻射(c)、水汽壓虧缺(d)及ET0(e)隨時間變化圖Fig.2 Temporal variations in air temperature (a), relative humidity (b) , net radiation (c), vapor pressure deficit (d) and ET0 (e) during April to July

圖3 降水、地下水埋深(a)及土壤含水率(b)隨時間變化圖Fig.3 Variations in precipitation and depth to the water table (a) and Soil moisture (b) with time

4—7月研究區(qū)內(nèi)降水較少，有降雨天數(shù)為17天，占總天數(shù)的18.7%，其中降雨量大于5 mm天數(shù)為7天，占總天數(shù)的7.7%。觀測期內(nèi)平均降雨量為1.0 mm/d，日最大降雨量為24 mm，出現(xiàn)在5月2日(圖3a)。研究區(qū)內(nèi)地下水埋深1.0～1.5 m，4—7月地下水埋深總體上不斷增大，當(dāng)有較大降雨時，由于降雨入滲補(bǔ)給地下水，水位上升(圖3a)。

4—7月20～100 cm土壤含水率變化，見圖3b。20 cm深度土壤含水率最低，100 cm深度土壤含水率最高，40 cm和70 cm深度土壤含水率相近。其中，100 cm深度土壤含水率基本處于飽和狀態(tài)，在35%上下小幅波動。70 cm深度土壤含水率在4月份下降明顯，之后趨于平緩；含水率在4月初略高于30%，至6月底約為25%。當(dāng)有強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨出現(xiàn)時，70 cm處的土壤含水率有所增加。40 cm深度土壤含水率在觀測期內(nèi)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，且下降幅度較大；4月初土壤含水率為31%左右，至6月底含水率降至18%左右。觀測期內(nèi)，40 cm深度土壤含水率受降水影響顯著，雨后明顯升高。20 cm深度土壤含水率同樣呈下降趨勢，下降幅度低于40 cm深度；4月初約23%，到6月底降至16%。20 cm深度土壤含水率同樣對大氣降水響應(yīng)明顯，雨后有明顯的上升。

2.2 SF與氣象因子的關(guān)系

4—7月SF與凈輻射(NR)及水汽壓虧缺(VPD)的相關(guān)關(guān)系見圖4。樹干液流與凈輻射及水汽壓虧缺均具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系。隨著凈輻射的增加，樹干液流逐漸增大(R2=0.39，p<0.05)(圖4a)。當(dāng)凈輻射小于100 W/m2時，樹干液流在20 cm/h上下波動；當(dāng)凈輻射大于200 W/m2時，樹干液流上升至60 cm/h左右。由圖4b可以看出，旱柳樹干液流與水汽壓虧缺同樣是正相關(guān)，隨著水汽壓虧缺的增加，樹干液流不斷增大(R2= 0.50，p<0.05)。當(dāng)水汽壓虧缺低于0.5 kPa時，樹干液流基本都小于20 cm/h；當(dāng)水汽壓虧缺大于1.5 kPa時，樹干液流提高到70 cm/h左右。

由圖4c可以看出，隨著氣溫的上升，樹干液流隨之增大(R2=0.24，p<0.05)。當(dāng)氣溫小于10 ℃時，樹干液流平均值為27.5 cm/h；氣溫上升至10～20 ℃時，樹干液流平均值上升至41.1 cm/h；而當(dāng)氣溫大于20 ℃時，樹干液流平均值達(dá)到60.2 cm/h。由圖4d可以看出，樹干液流與風(fēng)速的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，隨著風(fēng)速的增大，樹干液流整體上不斷減小(R2=0.15，p<0.05)。當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s時，樹干液流平均值僅為19.1 cm/h；風(fēng)速在2～3 m/s時，樹干液流上升至39.4 cm/h；當(dāng)風(fēng)速小于2 m/s時，樹干液流平均值達(dá)到49.5 cm/h。

圖4 樹干液流與凈輻射(a)、水汽壓虧缺(b)、氣溫(c)、風(fēng)速(d)、相對濕度(e)、ET0(f)關(guān)系圖Fig.4 Relationship between sap flow and net radiation (a), vapor pressure deficit (b), air temperature (c), wind speed (d), relative humidity (f), and ET0 (f)

4—7月SF與相對濕度(RH)及ET0的相關(guān)分析，見圖4。樹干液流與相對濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)相對濕度逐漸上升時，樹干液流不斷減小(R2=0.30，p<0.05)(圖4e)。當(dāng)相對濕度小于40%時，樹干液流波動明顯；但當(dāng)相對濕度大于40%，樹干液流隨著相對濕度的增大明顯下降。由圖4f可以看出，樹干液流與ET0呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，即隨著ET0的增加，樹干液流明顯變大(R2=0.49，p<0.05)。當(dāng)ET0小于0.1 mm/h時，樹干液流僅在20 cm/h上下小幅波動；ET0在0.1～0.3 mm/h時，樹干液流平均值上升到37.2 cm/h；當(dāng)ET0達(dá)到0.3 mm/h以上時，樹干液流平均值達(dá)到66.3 cm/h。

綜上，樹干液流明顯受到氣象因素的影響。樹干液流與凈輻射、水汽壓虧缺、氣溫及ET0正相關(guān)，其中與水汽壓虧缺和ET0相關(guān)性最強(qiáng)；而與風(fēng)速和相對濕度負(fù)相關(guān)。

2.3 SF與土壤含水率的關(guān)系

圖3表明，20 cm、40 cm、70 cm深度的土壤含水率變化明顯，因此分析了其與樹干液流的相關(guān)性。結(jié)果表明樹干液流與土壤含水率的相關(guān)性不高(圖5)。最大的相關(guān)性是與70 cm深的土壤含水率，但R2也僅是0.18，這表明研究期內(nèi)土壤水不是影響SF的主要因素。

圖5 樹干液流與深度土壤含水率關(guān)系圖Fig.5 Relationship between sap flow and soil moisture

2.4 SF與地下水的關(guān)系

研究區(qū)地下水埋深晝夜波動明顯，植物蒸騰是地下水的主要排泄方式，因而旱柳樹干液流與地下水關(guān)系密切。旱柳樹干液流與地下水埋深(DWT)的關(guān)系見圖6，兩者關(guān)系曲線為拋物線，隨著地下水埋深的減小，即地下水位的增大，樹干液流先增大，后隨之減小(R2= 0.96，p<0.1)。當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.25 m時，樹干液流隨著埋深減小而增大；當(dāng)埋深小于1.25 m時，樹干液流隨埋深減小而減小。

在計算ETG過程中，給水度作為重要參數(shù)，其不確定性會對ETG的計算結(jié)果造成影響，但不會影響ETG與樹干液流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計關(guān)系。地下水蒸散發(fā)量(ETG)與樹干液流關(guān)系見圖7。ETG和SF基本呈線性關(guān)系，當(dāng)SF逐漸增大時，ETG隨之不斷增大(R2= 0.29，p=0.11)。當(dāng)SF小于20 cm/h時，平均ETG為3.6 mm/d；當(dāng)SF上升至大于60 cm/h時，平均ETG增大至5.1 mm/d。

圖6 樹干液流與地下水埋深關(guān)系圖Fig.6 Relationship between sap flow and depth to the water table

圖7 ETG與樹干液流關(guān)系圖Fig.7 Relationship between ETG and sap flow

3 討論

3.1 氣象因素

氣象因素作為樹木蒸騰的主要驅(qū)動力，往往與樹干液流具有較好的相關(guān)關(guān)系。但由于各地的立地條件、樹木種類與氣象條件的不同，氣象因子與樹干液流的相關(guān)也不盡相同。本次研究表明，VPD是影響樹干液流最主要的氣象因子，這和其他眾多的研究結(jié)論是一致的。如半干旱區(qū)的樟子松[11]、濕潤地區(qū)的馬尾松[12]以及濕潤地區(qū)的杉木等[13]。樹干液流除了和VPD具有明顯的相關(guān)關(guān)系外，前人研究也表明輻射、相對溫度和氣溫也是重要的影響因素，這也和本次的研究結(jié)論是一致的[14-15]。關(guān)于風(fēng)速與樹干液流的關(guān)系，目前有兩種不同的觀點(diǎn)。本次研究表明兩者具有一定的相關(guān)性，與有些前人的研究結(jié)論一致[16～17]；但有些學(xué)者認(rèn)為，兩者之間沒有相關(guān)性[18]。

3.2 土壤含水率

在干旱-半干旱地區(qū)，土壤水是植被生長的重要供水水源。有前人研究表明，植被樹干液流與土壤含水率具有顯著的相關(guān)性[19]。本次研究結(jié)果表明，土壤含水率不是影響植被樹干液流的主要因素。這是由于研究區(qū)內(nèi)土壤水已充分供應(yīng)植被生長所需用水造成的。當(dāng)土壤含水率較低，不能滿足植被的吸收利用時，土壤含水率是影響樹干液流的重要因素；當(dāng)土壤含水率較高，可以滿足植被生長所需的水量時，土壤含水率不再是影響植被生長的限制因素。

3.3 地下水水位

對于依賴地下水的植被(如本次研究的旱柳)，地下水是植被用水的重要水源。在依賴地下水的植被分布區(qū)，地下水動態(tài)會呈現(xiàn)圖1所示的晝夜波動[20～21]。本次研究表明，水位埋深在1.25 m時，植被樹干液流最大。據(jù)前人研究表明，研究區(qū)內(nèi)旱柳根系延伸于地下1.35 m處[22]。當(dāng)?shù)叵滤裆钶^小時，部分根系浸泡于地下水中，由于處于缺氧狀態(tài)抑制植被的蒸騰[23]。埋深為1.25 m時最有利于植被的蒸騰，之后隨著地下水水位下降，植被蒸騰量也隨之減少，這與前人的觀測結(jié)果是一致的。如在黑河流域，地下水下降5 m后，楊樹的蒸散量下降了約60%[24]；在美國的歐文斯河谷區(qū)，水位下降也導(dǎo)致了河岸邊楊樹的蒸騰量急劇下降[25]。

4 結(jié)論

(1)氣象因素對毛烏素沙地旱柳的樹干液流影響明顯。其中，影響旱柳樹干液流最主要的氣象因素是水汽壓虧缺和潛在蒸散發(fā)量，旱柳樹干液流與兩因素之間均呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)旱柳樹干液流與土壤含水率的相關(guān)性較低，表明研究區(qū)內(nèi)土壤水對旱柳樹干液流的影響不明顯。

(3)研究表明，研究區(qū)內(nèi)隨著水位埋深的增大，旱柳耗水先增大后減小，當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.25 m時，旱柳樹干液流最大。旱柳樹干液流與地下水埋深之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，表明地下水是旱柳重要的用水水源。

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