飽和供水條件下無患子樹干液流特征及其影響因子1)

毛行元

(國家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設計院，杭州,310019)

葛波 成舉榮 凡國華 杜妍 宋金科 莊家堯 張金池

(水土保持與生態(tài)修復實驗室(南京林業(yè)大學 ))

樹干液流是植株內(nèi)部水分向上的運動過程，是林木蒸騰耗水的重要部分[1]，其驅動力是由于葉片蒸騰失水產(chǎn)生的水勢壓差，從而形成根部到冠層的向上的拉力[2-3]，通過對樹干液流不同尺度(每葉、單株、林分)的測量，基于生態(tài)學尺度轉換原理，可以估算出林分或區(qū)域內(nèi)的林木蒸騰耗水總量[4-6]，因此，樹干液流具有重要的研究意義。目前最常用的樹干液流研究方法是Granier發(fā)明的熱擴散法[7]，大量研究表明，樹干液流變化除了與自身樹木學特性有關，與氣象因素也顯著相關，如油松、刺槐、麻櫟的樹干液流與氣溫、太陽輻射呈顯著正相關關系[8-11]，溫度、太陽輻射與飽和水氣壓差是影響樹干液流的主要常見因子[12-14]，風速、降水對樹干液流的影響顯著[15-18]，氣象因子的影響大小與樹種、地理環(huán)境有重要關系[19-21]，因此，對樹干液流進行系統(tǒng)研究有助于林分結構的科學管理。

無患子(SapindusmukorossiGaertn)屬落葉喬木，可入藥止癢、抗癌，具有良好的袪污能力，生物活性多樣，外形美觀，具有很高的經(jīng)濟價值與人文價值，國內(nèi)關于無患子的研究方向主要側重于開花物候特征、皂苷、制備生物柴油工藝。關于無患子的栽培種植技術是當前的熱門話題，關于無患子蒸騰耗水的研究很少[22-23]。國家林業(yè)局將無患子定位為我國重點發(fā)展的生物質(zhì)能源樹種之一，研究無患子生長過程中的影響因子具有現(xiàn)實意義。因此，文中對上海浦東地區(qū)無患子樹干液流進行監(jiān)測、研究，分析其變化特征規(guī)律及影響因素，以期為人工種植的后期管理培育提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上海市浦東新區(qū)川沙地區(qū)園林苗圃基地(121°39′E，31°8′N)，雨熱同期，降水量充足，日照時間長，四季變化明顯，年均氣溫15.5 ℃，平均無霜期227 d，年均降水量1 087.1 mm，土壤為潴育水稻土，屬亞熱帶季風氣候。苗圃實施自動化供水，滴灌為固定式滴灌系統(tǒng)，滴灌方式為地表滴灌，06:00—18:00持續(xù)滴灌供水，最大供水速度為5 000 mL·h-1，苗木供給水分充足。

2 材料與方法

2.1 供試材料

在試驗區(qū)內(nèi)選擇3株無患子標準木作為觀測樣木，3株無患子均樹干通直，冠層分布優(yōu)良，生長狀況良好，樹齡10 a，其胸徑、樹高、冠幅、冠高，樹Ⅰ分別為14.3 cm、5.5 m、3.75 m、2.5 m；樹Ⅱ分別為12.8 cm、5.5 m、3.86 m、2.7 m；樹Ⅲ分別為13.0 cm、5.0 m、3.82 m、2.9 m。

2.2 試驗方法

樹干液流的測定：利用美國Dynamax公司研發(fā)的FLGS-TDP30插針式熱擴散植物莖流計，基于熱擴散技術測量樹干液流速率。在樣木距離地面1.3 m處，用工具刀削掉粗糙樹皮，形成一個4 cm×10 cm大小的矩形空間，將鉆模平放在矩形空間內(nèi)，利用電鉆打出兩個相距4 cm的圓孔，兩個圓孔在一個近似的垂直面上，由于枝葉近地表面，故用距地表處園盤替代胸徑園盤。從4個通過髓心相互垂直方向測量髓心到邊材外緣的距離和髓心到心材外緣的距離，精確到±1 mm。求出平均值，求出邊材橫截面積AS，將TDP兩根熱電偶探針插入邊材圓孔內(nèi)，留出2 mm探針桿在外并用膠泥包裹和泡沫固定，再利用錫箔紙防輻射罩將安裝部位完全包裹覆蓋，最后把探針聯(lián)接主機。機器每隔10 s讀取一次數(shù)據(jù)，考慮到環(huán)境因子的變化瞬息萬變，大尺度的時間跨度會掩蓋環(huán)境因子變化過程對液流的影響，所以采用每1 h內(nèi)對讀取數(shù)據(jù)進行平均并存儲，獲取了2013年7月19日—2014年10月30日樹干液流數(shù)據(jù)。

樹干液流速率計算公式參考Granier[24]經(jīng)驗公式：

(1)

FS=JS×AS。

(2)

式中：JS為樹干液流密度，g·cm-2·h-1；ΔTm為晝夜最大溫差，℃；ΔT為瞬時溫差，℃；FS為樹干液流速率，g·h-1；AS為邊材面積，cm2。

環(huán)境因子的測定：在樣木附近開闊空曠地設立Decagon便攜式微氣象站，對各環(huán)境因子進行連續(xù)監(jiān)測，主要監(jiān)測指標有太陽總輻射(S，W·m-1)、氣溫(T，℃)、空氣相對濕度(RH，%)、風速(W，m·s-1)、降水(mm)，獲取了2014年1月—2014年9月逐日氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)步長1 h。

飽和水氣壓差(VP，D)計算公式[25]如下：

(3)

式中：VP，D為飽和水氣壓差，kPa；RH為空氣相對濕度，%；t為氣溫，℃。

綠化三維量(LV，V)簡稱綠量，文中通過測定樹木冠幅直徑(D，m)、冠幅高度(H，m)，將冠層看成圓錐體，通過立體幾何體積估算綠量(LV，V，m3)：

(4)

2.3 數(shù)據(jù)分析

使用微軟Excel 2013軟件對液流數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作，利用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行相關分析與回歸分析，以及線性和非線性多元回歸模型的計算。

3 結果與分析

3.1 典型天氣下樹干液流連日變化特征

選取典型天氣，晴天(天空晴朗無云，太陽不被遮擋)、陰天(天空被云層覆蓋，無太陽，無降雨)、雨天(全天降雨較明顯，液流數(shù)據(jù)較完整)無患子連日樹干液流數(shù)據(jù)，并作出液流速率連日變化過程曲線(圖1、圖2、圖3)。

圖1為選取2014年8月4—7日連續(xù)4 d晴天液流數(shù)據(jù)作出的單位綠量體積液流速率變化過程曲線。從圖1中可以看出，無患子液流呈現(xiàn)“晝高夜低”現(xiàn)象，為單峰曲線，液流啟動時間在05:30左右，啟動后液流速率變化速度較快，較大液流速率持續(xù)時間較長。10：00—12:00樹干液流出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，Salvucci et al.[26]認為，高光強、高溫、干旱脅迫等不利環(huán)境條件下，植物本身氣孔關閉是引發(fā)午休的主要原因。中午太陽輻射強烈，氣溫較高，無患子前期蒸騰耗水較大，林木為補充體內(nèi)水分，使葉片氣孔縮小或暫時關閉，從而達到降低水分消耗，避免由于蒸騰耗水較大產(chǎn)生林木“曬死”，體現(xiàn)了無患子對環(huán)境的適應性。

圖1 晴天單位綠量體積液流速率連日變化

圖2為選取2014年8月17—20日(降雨量分別為42.8、39.2、19.6、57.2 mm)連續(xù)4 d雨天液流數(shù)據(jù)作出的單位體積綠量液流速率變化過程曲線。從圖2中可以看出，雨天樹干液流速率晝高夜低，呈單峰曲線，于08：00左右開始啟動，較晴天啟動時刻出現(xiàn)明顯滯后現(xiàn)象，峰值出現(xiàn)在12:00左右。從圖2中可以看出，樹干液流速率與降雨量呈現(xiàn)負相關，降雨量越大液流速率越低。其中，8月17—20日無患子樹干液流日總量分別為2 040.026、4 771.754、282.271、248.171 g，降雨量最少的17日液流量沒有上升反而下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因為前期降雨充分與降雨強度大對樹干液流影響很大，劉鑫等[27]指出這種現(xiàn)象在夏季產(chǎn)生的影響最明顯、持續(xù)時間高達3 d，前期降雨越充分、降雨量越大、持續(xù)時間越長，對液流速率影響持續(xù)時間就越長，因為隨著持續(xù)降雨，降雨強度越來越大，空氣越來越濕潤，林木內(nèi)部水分子很難透過葉表面氣孔進入到大氣中，為維持植株內(nèi)部水分平衡防止出現(xiàn)“淹死”現(xiàn)象，林木根部降低吸水或短暫停止吸水。

圖2 雨天單位綠量體積液流速率連日變化

圖3為2014年8月15—16日陰天單位綠量體積樹干液流速率連日變化過程曲線。分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，陰天樹干液流速率整體呈現(xiàn)先快后慢的單峰曲線，啟動時間在06:00左右，18:00左右液流停止，09:30—10:00時間段內(nèi)出現(xiàn)峰值，峰值過后液流速率下降緩慢，15:30左右液流速率下降較快，中途出現(xiàn)持續(xù)1.0～1.5 h短暫的液流“回升”現(xiàn)象，這要是因為夜間氣溫下降較快，地表溫度受地面輻射影響下降緩慢，從而使根到冠層的水勢差變大，造成液流速率的短暫回升。

從圖1、圖2與圖3中發(fā)現(xiàn)，液流總量由大到小的排序為晴天、陰天、雨天，夜間也有液流產(chǎn)生，尤其晴天時夜間液流最明顯、液流量最大，這主要是因為林木在白天時由于蒸騰耗水形成根—冠層的水勢差，這水勢梯度變成液流拉力，當氣孔突然變小或關閉時，水分受液流拉力影響加速進入樹干形成液流慣性力，而這種慣性力不會隨著氣孔的變化驟然減小或消失，它還會維持一段時間，這段時間內(nèi)土壤水仍然會從根部進入到樹干形成液流，由于無患子生物活性較強，在夜間仍然會進行一定程度的蒸騰作用，為補償夜間蒸騰耗水，無患子會依舊吸收水從而形成夜間液流現(xiàn)象。

圖3 陰天單位綠量體積液流速率連日變化

3.2 樹干液流季節(jié)月變化特征

圖4為通過2013年7月份—2014年10月份無患子樹干液流量月總量、2013年11月份—2014年9月份的月降雨總量，繪制成的液流月累計量變化趨勢圖。從圖4中可以看出，2013年與2014年在相同季節(jié)內(nèi)的變化趨勢相同，在高溫季節(jié)8月份都呈下降狀態(tài)，之后液流活動加劇達到峰值。2013年7—12月份液流月累計量呈單峰曲線，在10月份達到最大值1 163.57 kg，最小值在12月份，為34.70 kg，9月份液流月累積量為92.40 kg。2014年1—10月份，冬季(1—3月份)液流月累積量遠低于夏季(7—9月份)，其中冬季液流月，累計量最高為3月份的5.83 kg，2月份液流總量最低，為2.97 kg，無患子樹干液流夏季月液流量在8月份達到最低，為492.02 kg。無患子抽葉期(3—4月份)液流總量為55.78 kg，盛花期(5—6月份)液流總量為396.58 kg，初果期(7月份)液流總量為791.09 kg，盛果期(8—10月份)液流總量3 623.97 kg，無患子樹干液流70%發(fā)生在盛果期。

圖4 樹干液流月累計總量

由圖5可知，冬季液流日累計量較小，均值在240 g以下，隨著時間的變化，液流總量呈現(xiàn)U型變化，總體變化幅度較小，3月份后液流總量增加速率開始明顯加快，出現(xiàn)29 d“零液流”現(xiàn)象，這是因為無患子屬于落葉樹種，冬季溫度較低時樹干液流幾乎停滯流動，隨著氣溫上升，樹木復綠，液流總量開始增多。

圖5 冬季樹干液流日累計量

由圖6可知，夏季液流日累計量從7月份到8月上旬平緩上升，8月下旬到9月液流日累計量變化幅度較大，9月份有全天出現(xiàn)“零液流”現(xiàn)象，這主要是因為，8月下旬—9月份為雨季，受地理位置和亞熱帶季風氣候影響，雨熱同期，陰雨天氣較多，夏季陣發(fā)性強降雨較頻繁，出現(xiàn)連日強降雨天氣，導致無患子暫時關閉氣孔，停止樹干液流活動維持體內(nèi)水平衡。

圖6 夏季樹干液流日累計量

3.3 環(huán)境因素對樹干液流的影響

樹干液流作為林木蒸騰耗水的主要水分供給，是一個復雜的過程，包含了流體力學、葉片生物學特性，從生態(tài)學觀點出發(fā)，液流除了與本身樹木學特性有關外，與周圍環(huán)境因素有著密切聯(lián)系。為研究樹干液流與環(huán)境要素之間的關系，利用SPSS22.0將數(shù)據(jù)進行有效性篩選、剔除，對樹干液流與環(huán)境因子進行相關分析，并得到相關性系數(shù)。從6月份隨機選取4 d的液流速率與同步的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制日變化過程曲線圖(圖7)。

液流速率和空氣相對濕度(P=-0.770** )、溫度(P=-0.704** )、飽和水氣壓差(P=0.785** )、太陽輻射(P=0.825** )、風速(P=0.653** )均顯著相關。無患子液流速率與空氣相對濕度呈負相關，與溫度、飽和水氣壓差、太陽輻射、風速呈正相關，顯著性由大到小的排序為S、VP，D、RH、T、W。從圖7中可以看出，樹干液流除與氣溫、飽和水氣壓差、太陽輻射、風速的相隨變動相同，與相對濕度相隨變動相反，變化啟動時間具同步性，但氣象要素的峰值時刻與樹干液流相比存在明顯的滯后現(xiàn)象，樹干液流峰值要比氣象要素提前1 h左右。

通過計算無患子樹干液流與環(huán)境因子Pearson線性相關性系數(shù)可知，二者均線性關系較強，因此，利用樹干液流速率及相應的同步氣象資料，通過SPSS22.0軟件，將樹干液流速率(F，kg·h-1)作為因變量，以環(huán)境因子相對濕度(RH，%)、溫度(T，℃)、飽和水氣壓差(VP，D，kPa)、太陽輻射(S，kW·m-2)、風速(W，m·s-1)為自變量，采用多項式逐步法進行多元線性回歸分析，以5%～10%為置信區(qū)間，結果顯示，溫度主導因子、太陽輻射、飽和水氣壓差、相對濕度為重要因子，其中風速為剔除變量，獲得擬合方程為F=0.169T+6.020VP，D+0.104RH+0.081S-11.403(R=0.847)。

圖7 4 d液流速率與環(huán)境因子連日變化曲線

4 結論與討論

無患子樹干液流速率晝高夜低，液流速率均呈單峰曲線，這與馬欽彥等[28]研究油松所得出的液流變化規(guī)律基本一致。晴天液流速率和液流量遠超陰雨天。晴天無患子樹干液流“午休”現(xiàn)象明顯，夜間液流量較陰雨天高，啟動時間比陰天早30 min左右，無患子樹干液流速率雨天明顯較小，液流持續(xù)時間較短，在連續(xù)強降雨情況下，因為前期降水較充分，降雨對未來的液流速率有較大影響。整體來說，不同天氣的液流由大到小的順序為晴天、陰天、雨天，這與陳志鋼等[29]對油茶春梢不同天氣液流大小的研究結果一致。

無患子液流量主要集中在夏季，冬季液流量非常小，月際變化曲線呈雙峰曲線，峰值分別出現(xiàn)在盛花期和盛果期，其中盛果期液流總量占生長季液流總量的70%。無患子花落后結果之前，液流量明顯下降，說明無患子生理活動對水分需求巨大。冬季無患子液流日累計量變化趨勢平緩，夏季日累計量波動幅度較大，陣發(fā)性強降雨促使樹干液流忽大忽小無規(guī)律運動。

圖8 樹干液流速率與環(huán)境因子散點圖