興安落葉松樹干液流與太陽輻射的時滯效應(yīng)1)

田原 張秋良 劉璇 張永亮

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010020) (內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站)

樹干液流是測算樹木單株耗水量的重要指標(biāo)，也是土壤-植物-大氣系統(tǒng)(SPAC)水循環(huán)的關(guān)鍵通道。興安落葉松(LarixgmeliniRupr.)是大興安嶺地區(qū)的建群樹種，興安落葉松樹干液流對太陽輻射的響應(yīng)及時滯的研究已經(jīng)取得許多成果[1-6]。但是這些研究成果中，樹干液流對太陽輻射的響應(yīng)有不同觀點，對總輻射(GR)、凈輻射(Rn)、光合有效輻射(PAR)作為樹干液流驅(qū)動因子的報道皆有出現(xiàn)，比較樹干液流響應(yīng)不同輻射因子的文獻(xiàn)較少，考慮樹干液流日變化、時期變化對太陽輻射時滯的報道更為稀少。本文依托內(nèi)蒙古大興安嶺森林國家野外科學(xué)觀測站，于2017年6—10月對興安落葉松樹干液流及相關(guān)太陽輻射進(jìn)行測定，探討興安落葉松樹干液流日變化、時期變化對太陽輻射的時滯效應(yīng)，為探討森林生態(tài)系統(tǒng)的水分運移規(guī)律提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測站內(nèi)，該區(qū)屬于寒溫帶濕潤氣候區(qū)，平均海拔976.5 m，年均氣溫度-5.4 ℃，年均日照時間2 594 h，活動溫度總和1 403 ℃，結(jié)凍期210 d以上，年均降水量500 mm，主要集中在6—9月[7]。該區(qū)森林覆蓋率為75%，喬木以興安落葉松為主，伴生白樺、山楊等。植被5月中旬開始生長，7—8月份為興安落葉松主要的生長時期，9月中旬開始凋落枯萎進(jìn)入生長末期[8]。該區(qū)是我國多年凍土的主要發(fā)育地之一，興安落葉松林與凍土共同維系著寒溫帶針葉林冷濕的環(huán)境條件。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

在興安落葉松天然林內(nèi)設(shè)立一塊25 m×25 m樣地，并對樣地進(jìn)行基本信息調(diào)查。樣地海拔為845.1～853.8 m，南北坡度為4°，東西坡度為1°，樹種組成為興安落葉松純林，共86株，平均胸徑19.6 cm，平均樹高16.6 m。

采用樣地附近的氣象通量觀測塔進(jìn)行輻射因子的測定，儀器均為Campbell公司生產(chǎn)?？傒椛?GR)、凈輻射(Rn)、光合有效輻射(PAR)的觀測儀器分別為CM11、CNR-1、PAR-LITE；CR6數(shù)據(jù)采集器對每半小時獲取的10 Hz/s采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

應(yīng)用Granier熱擴散法[9]測定興安落葉松樹干液流。根據(jù)林分平均胸徑，選取長勢良好、無結(jié)疤的樹木進(jìn)行測量。傳感器安裝在樹干1.5 m高處，面朝北面，傳感器外部包覆鋁質(zhì)泡沫膜，避免傳感器受到降水、太陽輻射的影響。CR1000數(shù)據(jù)采集器每10 min對數(shù)據(jù)記錄1次。

徑流密度：U=0.714×[(ΔTmax-ΔT)/ΔT]1.231。式中：U為徑流密度；ΔT為兩根探針間的溫度差值；ΔTmax為每天夜間溫差的最大值。

樹干液流：F=U×SA。式中：F為徑流量；U為徑流密度；SA為邊材面積。

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

由于當(dāng)?shù)靥厥獾牡乩憝h(huán)境，興安落葉松生長季天亮?xí)r間為凌晨4點左右，以每日03:00—17:00點作為樹干液流的白晝時段，其它時間為夜晚。按觀測時間順序，建立白晝液流密度與不同輻射的數(shù)據(jù)列，按10 min尺度進(jìn)行逐行錯位分析，并采用相關(guān)分析法進(jìn)行線性方程、二次函數(shù)、三次函數(shù)、冪函數(shù)的擬合，當(dāng)調(diào)整系數(shù)(R2)達(dá)到最大值時，對應(yīng)的錯位時間即為樹干液流密度的時滯時間。

采用SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，采用Origin 8.0進(jìn)行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 興安落葉松林樹干液流日變化特征

7—9月份，每月選取3個連續(xù)晴天對興安落葉松樹干液流密度與太陽輻射進(jìn)行對比(見圖1)。由圖1可知，興安落葉松樹干液流密度日變化具有明顯的晝夜變化特征，與GR、Rn、PAR的日變化并不同步。樹木蒸騰對GR、Rn、PAR的響應(yīng)作用于樹冠層，樹冠蒸騰到蒸騰拉力使樹干液流上升的過程產(chǎn)生了時滯。一天中，樹干液流密度的啟動時間比GR、Rn、PAR滯后2.0～3.5 h，峰值滯后0.5～3.0 h，結(jié)束時間滯后3～10 h。每日樹干液流峰值隨GR、Rn、PAR變化不明顯，中午高溫炎熱，興安落葉松具有光合午休現(xiàn)象，氣孔關(guān)閉降低了針葉的蒸散量，從而使樹干液流密度的變化趨于穩(wěn)定。樹干液流密度日變化對GR、Rn、PAR持續(xù)的較大波動響應(yīng)明顯，樹干液流密度變化幅度低于GR、Rn、PAR，這是由于樹干液流響應(yīng)了飽和水汽壓差(VPD)的變化。

圖1 興安落葉松林樹干液流密度與太陽輻射連續(xù)日變化

3.2 興安落葉松林樹干液流日變化對輻射響應(yīng)的時滯性

采用錯位分析法分別進(jìn)行樹干液流密度日變化隨著GR、Rn、PAR變化的擬合(見表1)。由表1可知，線性方程的擬合程度較差，三次、二次函數(shù)的擬合程度僅次于冪函數(shù)，二者時滯時間與相關(guān)系數(shù)均呈單峰曲線。冪函數(shù)擬合有兩個峰值，滯后60 min時出現(xiàn)一個低峰，滯后140、150 min出現(xiàn)高峰，隨后擬合相關(guān)系數(shù)持續(xù)下降，樹干液流對Rn的時滯為140 min，對GR、PAR的時滯為150 min。

不同擬合均以冪函數(shù)的擬合相關(guān)系數(shù)最高，樹干液流密度和Rn擬合相關(guān)系數(shù)最高，擬合程度較好，樹干液流對Rn時滯性稍低于對GR、PAR的時滯性(見表2)。

表1 興安落葉松樹干液流與太陽輻射相關(guān)性分析的R2值

表2 興安落葉松樹干液流隨太陽輻射變化的曲線擬合

注:表中F樹干液流，xGR表示太陽總輻射量，xRn表示太陽凈輻射量，xPAR表示光合有效輻射量。

3.3 興安落葉松林樹干液流時期變化特征

由圖2可知，樹干液流量時期變化與GR、Rn、PAR對比，未發(fā)現(xiàn)直觀的液流量隨太陽輻射變化的特征。進(jìn)行相關(guān)分析后，發(fā)現(xiàn)日樹干液流量與GR、PAR相關(guān)性為弱相關(guān)，均只能解釋很少一部分樹干液流量的變化。液流量與GR、PAR的R2分別為0.059、0.043，Rn與液流量相關(guān)性不顯著(P>0.05)。日尺度進(jìn)行逐行錯位分析和相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，樹干液流量與前后3天的GR、Rn、PAR的相關(guān)性均達(dá)不到顯著性水平(P>0.05)。樹干液流量與GR、Rn、PAR無時滯效應(yīng)。這可能是由于一天中的樹干液流啟動、高峰、結(jié)束時間都滯后于GR、Rn、PAR，日尺度的統(tǒng)計消除了這種時滯效應(yīng)。

圖2 興安落葉松林樹干液流量時期變化

4 結(jié)論與討論

興安落葉松樹干液流日變化響應(yīng)GR、Rn、PAR的變化，采用Rn作為樹干液流日變化的驅(qū)動因子進(jìn)行研究取得了較好效果。趙春彥等[10]、孫龍等[11]、涂潔等[12]、韓輝等[13]、王華等[14]的研究結(jié)果已經(jīng)表明樹干液流響應(yīng)太陽輻射的變化，與本研究結(jié)果一致。王文杰等[1]、池波等[2]、王慧梅等[3]等研究結(jié)果表明液流對PAR響應(yīng)顯著，劉家霖等[4-5]研究結(jié)果表明液流對Rn響應(yīng)顯著，王翠等[6]研究結(jié)果表明液流對GR響應(yīng)顯著。本研究表明興安落葉松樹干液流對Rn響應(yīng)顯著，Rn擬合程度優(yōu)于GR、PAR；GR、Rn、PAR是組間差異的顯著因子，響應(yīng)及時滯不同，但GR、Rn、PAR與樹干液流擬合的相關(guān)系數(shù)基本相同。

樹干液流日變化對GR、Rn、PAR的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)，考慮時滯因素可以提升響應(yīng)的相關(guān)性。徐丹丹等[15]通過研究發(fā)現(xiàn)毛烏素沙地旱柳和小葉楊樹干液流與Rn在小時尺度不存在時滯現(xiàn)象；徐軍亮等[16]認(rèn)為油松樹干液流與GR進(jìn)行比較，在啟動、高峰、停止時間進(jìn)程特征量間表現(xiàn)出定量相關(guān)，與本研究結(jié)果不一致。原因是樹干液流日變化對GR、Rn、PAR的響應(yīng)是不同步進(jìn)行的，響應(yīng)存在140～150 min滯后，另一個原因是采用的方法不同。徐丹丹等[15]只對7月份典型天氣1 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行了直觀比較分析，徐軍亮等[16]則采用了啟動、峰值、結(jié)束時間進(jìn)行了特征量定義，然后進(jìn)行特征量的比較。王慧梅等[3]研究結(jié)果表明興安落葉松樹干液流日變化相對PAR滯后0.5～1.0 h，本研究結(jié)果得出滯后150 min，造成該現(xiàn)象的原因是由于數(shù)據(jù)錯位分析時，采用的時間間隔不一樣(其采用30 min間隔，本論文采用的10 min)，另一個原因是所采用的興安落葉松林的林分起源不同。

樹干液流量生長季的變化與GR的相關(guān)性高于Rn、PAR，樹干液流量與GR、Rn、PAR的時滯效應(yīng)不顯著。李雯雯等[17]研究結(jié)果表明日尺度液流變化與環(huán)境因子的響應(yīng)不存在時滯情況，與本研究結(jié)果一致。池波等[2]研究結(jié)果表明興安落葉松樹干液流主要響應(yīng)因子為太陽輻射與飽和水汽壓差(VPD)。本研究在日尺度的樹干液流量對太陽輻射的響應(yīng)并沒有剔除飽和水汽壓差(VPD)，液流量對飽和水汽壓差(VPD)響應(yīng)剔除后，樹干液流對于太陽輻射的響應(yīng)是否存在時滯性有待進(jìn)一步研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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