基于冠層溫度的典型沙生植物土壤水分狀況診斷

何瑩瑩,于明含?,丁國棟,高廣磊,趙媛媛,賽 克

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗室,100083,北京;2.北京林業(yè)大學(xué),林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,100083,北京;3.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,751500,寧夏鹽池)

水是沙生植物生長的最重要限制因子,植物水分狀況的診斷對于調(diào)整植物水分管理、實(shí)現(xiàn)沙生植被的合理經(jīng)營尤為重要,植物冠層溫度(canopy temperature,CT)作為衡量植物水分多寡和有效性的重要指標(biāo),在農(nóng)業(yè)中已被廣泛用于評價作物干旱程度,進(jìn)而為作物的水分管理提供依據(jù)[13]。在植物體的能量平衡中,植物通過太陽輻射接收能量,并通過輻射、潛熱和顯熱等熱交換形式散發(fā)熱量,當(dāng)能量平衡中任何一項發(fā)生改變,植物的冠層溫度隨之改變[46]。影響植物能量平衡的因素除了包括光照強(qiáng)度、空氣溫度、飽和水氣壓差等氣象條件外,土壤含水率、土壤水勢等土壤水分條件也被證明會影響植物冠層能量的平衡,從而引起冠層溫度的改變[78]。

利用植物冠層溫度反映植物所處的土壤水分狀況的研究,以往主要集中在控制氣象條件不變的背景下研究植物冠層溫度與土壤水分的關(guān)系,如在培養(yǎng)箱、溫室中控制光照強(qiáng)度、空氣溫度、空氣濕度等[911];然而,在非控制氣象條件下,如在野外、大田實(shí)驗中,植物冠層溫度是否仍然可以有效反映土壤水分的高低,仍然是未知的問題[1213]。 此外,以往關(guān)于植物冠層溫度的研究主要集中在農(nóng)作物,有關(guān)沙生植物冠層溫度的研究較少,制約了基于冠層溫度的沙生植物水分狀況的評價管理。因此,筆者通過對典型沙生植物在不同土壤水分狀況下冠層溫度的監(jiān)測,分析不同土壤水分條件下植物冠層溫度日變化特征及差異性,探究在非控制氣象條件下植物冠層溫度變化對氣象因子及土壤水分的響應(yīng)規(guī)律,以期為實(shí)現(xiàn)利用植物冠層溫度指示植物所處的土壤水分狀況提供理論依據(jù),從而進(jìn)一步為沙生植被的水分管理提供方法借鑒。

1 研究區(qū)概況

本研究在寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站進(jìn)行。該研究站位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣,地處毛烏素沙地南緣,地理坐標(biāo)為E 107°23′,N 37°48′,海拔約1 354 m,氣候類型屬于典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫為8.1℃,該地區(qū)干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈,年平均降水量為280 mm,年平均蒸發(fā)量在2 100 mm以上,為降水量的近6～7倍;7、8、9月3個月的降水量占全年降水總量的60%～70%。研究區(qū)多風(fēng)且風(fēng)速較大,年均風(fēng)速2.8 m/s,冬季多偏北風(fēng),夏季多偏南風(fēng),土壤主要以風(fēng)沙土為主,其次是灰鈣土和黑壚土[14]。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗布置

本研究采用盆栽法進(jìn)行水分控制實(shí)驗布置。選取半干旱沙區(qū)典型沙生植物檸條(Caragana korshinskii)、沙柳(Salix psammophila)、油蒿(Artemisia ordosica)為實(shí)驗樹種。盆栽幼苗于2015年4月自實(shí)驗站的固定沙地挖取,每種植物挖取40株高30 cm左右長勢基本一致的幼苗進(jìn)行盆栽培養(yǎng),緩苗培養(yǎng)1個月。每盆栽植1株,盆質(zhì)量、大小和形狀一致,盆規(guī)格為高30 cm,盆內(nèi)徑25 cm。

于2015年6月起,將盆栽置于塑料防雨棚下以隔絕降水。測定研究區(qū)野外的土壤含水量,依據(jù)野外土壤田間持水量,將盆栽水分梯度設(shè)置為4個梯度,分別為土壤田間持水量的5% ～20%、20% ～40%、40% ～60%、60% ～100%,即土壤含水率梯度設(shè)置分別為A組(1% ～4%)、B組(4% ～8%)、C組(8% ～12%)、D組(12% ～20%),每個梯度每種植物4個重復(fù)。將每盆稱取過篩、烘干沙土5 kg置于花盆中,然后向沙土中噴灑水至每組設(shè)置的水分梯度上限,并于每天19：00稱量并用花灑補(bǔ)充水分至其設(shè)置的水分梯度上限,以保證每個梯度的土壤含水率在預(yù)期設(shè)置的范圍內(nèi)波動。7月初,按照脅迫梯度控制盆栽水分,在所設(shè)梯度內(nèi)開始測定數(shù)據(jù),直至實(shí)驗結(jié)束。

2.2 指標(biāo)測定

冠層溫度(canopy temperature,CT)的測量：實(shí)驗于2015年7月10日到2015年7月31日開展,選擇晴朗、無風(fēng)或者微風(fēng)(風(fēng)速＜2 m/s)天氣作為典型日,每天06：00—20：00每間隔2 h對每盆盆栽進(jìn)行植物冠層溫度的測定。釆用紅外測溫系統(tǒng)(Ti55,Fluke,Washington,D.C.,USA)測定,紅外發(fā)射率設(shè)為0.95(按照葉片表面粗糙程度確定),背景溫度值設(shè)定為20℃。觀測時以黑色粗糙紙板為背景板襯于被測目標(biāo)植物后,以排除其他物體的反射或輻射干擾,將測溫儀的探測器對向植株冠層,使探測窗口與植株冠層保持20 cm左右的高度,以30°俯角分為4個方向進(jìn)行測定,并取其平均值為1次觀測值。

土壤含水率的測定：土壤含水率用稱量法進(jìn)行確定,本研究中采用質(zhì)量含水率進(jìn)行計算。于每個測定日的傍晚7點(diǎn)進(jìn)行稱量測定,將盆栽整體進(jìn)行稱量,記為濕質(zhì)量,初始苗木質(zhì)量和花盆質(zhì)量于實(shí)驗初期分別進(jìn)行稱量可知。已知盆栽沙土干質(zhì)量為5 kg,故土壤含水率的計算公式為：θ=(濕質(zhì)量-干質(zhì)量-花盆質(zhì)量-苗質(zhì)量)/干質(zhì)量。

除此之外,還需與冠層溫度同步測定空氣濕度(relative humidity,RH)、空氣溫度(ta)、風(fēng)速(v)和太陽輻射(photosynthetically vailable radiation,PAR)等氣象因子：采用 InteliMet Advantage Weather Station(Dynamax Inc,USA)小型輕便的多傳感器便攜式氣象站,置于距離地面1.8 m處記錄。

飽和水汽壓差(vapor pressure deficit,VPD)：是指某一給定空氣溫度時的飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓的差額,是反映空氣濕度的一個參數(shù)。VPD是植被蒸散的主要驅(qū)動因素之一,VPD計算方法如下：

式中：ta為空氣溫度,℃;RH為空氣濕度,%。

2.3 數(shù)據(jù)分析

為了探明在不同水分梯度下的植物冠層溫度日變化規(guī)律,需提取紅外熱圖中的植物部分的數(shù)據(jù)量化冠層溫度的數(shù)值。紅外數(shù)據(jù)提取采用Fluke smartview 3.2(Fluke Corporation：Plymouth,UK)進(jìn)行處理,先剔除背景溫度,將圖像的溫度閾值調(diào)節(jié)至僅顯示目標(biāo)植物區(qū)域,其他背景溫度設(shè)置于閾值之外。然后將圖像溫度數(shù)據(jù)全部導(dǎo)出至Excel,溫度像素點(diǎn)矩陣為320×240。利用Excel的數(shù)據(jù)分析加載模塊的統(tǒng)計直方圖分析,將導(dǎo)出的像素溫度點(diǎn)的值按照已知的植物溫度閾值進(jìn)行篩選并統(tǒng)計,得到不同溫度值占據(jù)的點(diǎn)位數(shù),最終加權(quán)平均可得目標(biāo)植物的平均溫度。

通過相關(guān)性分析探究不同土壤水分條件下,影響植物冠層溫度的主要因素。通過敏感度系數(shù)計算探究不同水分梯度下植物冠層溫度對氣象因子響應(yīng)的敏感性。即通過繪制冠層溫度與氣象因子之間的散點(diǎn)圖,擬合二者之間的線性回歸關(guān)系,用回歸系數(shù)表征了冠層溫度對氣象因子響應(yīng)的敏感度系數(shù)。數(shù)據(jù)分析和作圖主要采用Excel、SPSS軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水分梯度下的植物冠層溫度特征

圖1是不同水分梯度下檸條、油蒿、沙柳冠層正午同一時間點(diǎn)的紅外熱圖,A組檸條、油蒿、沙柳紅外熱圖中高溫面積最大,B組、C組、D組高溫面積逐漸變小、低溫面積逐漸增大。即：在重度土壤干旱脅迫下,植物的紅外熱圖中高溫面積比例變大;在輕度土壤干旱脅迫下低溫面積比例變大。從紅外熱圖的判讀中可以直觀的看出,植物冠層溫度隨著干旱脅迫程度的增加而增加。

圖2是檸條、沙柳、油蒿3種植物各個水分梯度下的7月份的1個典型日(晴朗、無風(fēng)(v＜2 m/s))的平均冠層溫度日變化圖。

圖1 不同水分梯度下植物冠層溫度紅外熱圖Fig.1 Infrared thermal-images of canopy temperature under different water gradients

圖2 不同水分梯度下3種植物冠層溫度日變化曲線Fig.2 Diurnal variation curve of canopy temperature of three plants under different water gradients

圖2 示出,檸條、沙柳、油蒿3種植物,冠層溫度的變化趨勢基本一致。各植物的冠層溫度峰值基本都于12：00 左右出現(xiàn),依次為38.76、38.32、41.74 ℃。各水分處理的日冠層溫度峰值的基本趨勢是A＞B＞C＞D,即隨著土壤含水率的升高植物冠層溫度基本呈降低趨勢,這與植物冠層紅外熱圖表現(xiàn)趨勢一致。

通過不同水分梯度下的植物冠層溫度進(jìn)行方差分析(表1)可見,3種植物在不同水分梯度下相同內(nèi)時間段的冠層溫度存在一定的差異性。檸條、沙柳、油蒿在09：00—12：00時,不同水分梯度下的冠層溫度存在顯著性差異(P＜0.05),即隨著太陽輻射的增強(qiáng),從09：00—12：00不同梯度水分處理的冠層溫度差異性逐漸增強(qiáng),但到14：00后,不同梯度水分處理的冠層溫度差異不顯著。故可知,在09：00—12：00之間,不同水分梯度間的冠層溫度才能表現(xiàn)出顯著的差異,該時間段植物冠層溫度能夠更好的反應(yīng)植物缺水狀況。

表1 各個時刻不同水分梯度的植物冠層溫度的差異性分析Tab.1 Variance analysis of canopy temperature under different water gradients at different monitoring time

3.2 植物冠層溫度對環(huán)境因子的響應(yīng)

基于植物冠層溫度的日尺度數(shù)據(jù),對植物冠層溫度與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)可知：3種植物的冠層溫度均與土壤含水率之間相關(guān)性不顯著;3種植物冠層溫度與飽和水氣壓差因子具有顯著相關(guān)性,此外,檸條、沙蒿的冠層溫度分別于與空氣溫度呈顯著性正相關(guān)(P＜0.05)、與空氣濕度呈顯著性負(fù)相關(guān)(P＜0.05),而且3種植物冠層溫度與氣象因子的相關(guān)系數(shù)大于與冠層溫度與土壤含水率的相關(guān)系數(shù)。

表2 植物冠層溫度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of canopy temperature and environmental factors

3.3 植物冠層溫度對氣象因子的敏感性

選取3個典型日數(shù)據(jù)繪制不同水分梯度檸條冠層溫度隨氣象因子變化的散點(diǎn)圖(圖3),可以發(fā)現(xiàn),不同水分梯度下植物冠層溫度基本是隨著空氣溫度和飽和水氣壓差上升而上升的,隨著空氣濕度的增加而降低。通過線性回歸擬合得到每個水分梯度的冠層溫度與空氣溫度、空氣濕度、飽和水氣壓差的線性方程。從線性回歸方程可以看出,隨著干旱脅迫程度的增大,各水分梯度冠層溫度與空氣濕度、溫度和飽和水氣壓的線性敏感度系數(shù)的絕對值均呈現(xiàn)A＞B＞C＞D,表明檸條隨著干旱脅迫程度的增加其敏感度系數(shù)絕對值也越大,即檸條冠層溫度對ta、RH、VPD的敏感性隨著干旱脅迫程度的增加而升高。

用同樣的方法繪制油蒿、沙柳冠層溫度與氣象因子之間的散點(diǎn)圖,擬合二者之間的線性回歸關(guān)系,匯總不同水分梯度下油蒿、沙柳冠層溫度與ta、RH、VPD敏感度系數(shù),結(jié)果如表3。

由表3可知,不同水分梯度脅迫下沙柳、油蒿冠層溫度基本是與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與空氣溫度、飽和水氣壓差呈正相關(guān),這與檸條的趨勢表現(xiàn)為一致。通過線性回歸擬合得到擬合直線以及每個水分梯度的冠層溫度與ta、RH、VPD的線性方程。從方程的敏感度系數(shù)中可以看出,隨著干旱脅迫程度的增大,沙柳各水分梯度的冠層溫度與RH、ta、VPD的敏感度系數(shù)的絕對值大小為A＞B＞C＞D,結(jié)果表明隨著干旱脅迫程度增大其敏感度系數(shù)也越大,即冠層溫度對ta、RH、VPD的敏感性越高。且隨著干旱脅迫程度的增大,油蒿各水分梯度冠層溫度與ta、RH、VPD的敏感度系數(shù)的絕對值大小依次為A＞B＞C＞D,隨著干旱脅迫程度增大其敏感度系數(shù)也越大,油蒿冠層溫度對ta、RH、VPD的敏感性越高。

圖3 不同水分梯度下檸條冠層溫度與t a、RH、VPD的關(guān)系Fig.3 Correlations between canopy temperature and t a、RH、VPD under different different water gradients of Caragana korshinskii

表3 不同水分梯度下油蒿、沙柳冠層溫度與t a、RH、VPD的回歸系數(shù)Tab.3 Regression coefficients between canopy temperature and t a,RH,VPD of Artemisia ordosica and Salix psammophila under different water gradients

4 結(jié)論與討論

筆者研究結(jié)果表明：在同一監(jiān)測時間,即氣象條件背景相同情況下,正午的植物冠層溫度的高低可以直接反映植物所處的土壤含水率的高低(圖1),這一結(jié)果與以往諸多研究的結(jié)論一致[1517]。 如梁銀麗等[18]通過對小麥、玉米等旱田作物的研究指出,午后隨著土壤水分的降低,植物冠層溫度的變化更加明顯。孫宏勇等[19]對不同灌水處理的冬小麥冠層溫度研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤含水率較低時,植物冠層溫度較高,反之,植物冠層較低,植物冠層溫度可以用來指示冬小麥的供水狀況。以上研究均這與本研究結(jié)果基本一致,即通過對比同一時間點(diǎn)的植物冠層溫度,可以直接判定植物所處的土壤水分狀況。

在日尺度范圍內(nèi),冠層溫度受到氣象因子改變的影響而發(fā)生改變(圖2),通過相關(guān)性分析(表2)表明氣象因子對冠層溫度的影響更為顯著,因此植物冠層溫度的高低受到氣象因子、土壤水分的共同影響。本研究通過計算不同土壤水分條件下植物冠層溫度與氣象因子響應(yīng)的敏感度,發(fā)現(xiàn)隨著土壤含水率的下降,檸條、油蒿、沙柳冠層溫度對氣象因子響應(yīng)的敏感度上升(圖3和表3)。究其原因是由于較低的土壤含水率造成植物葉片氣孔關(guān)閉,蒸騰散熱作用停止,即植物失去通過氣孔調(diào)節(jié)葉溫的能力,故較低的土壤含水率下,葉溫的變化更依賴于氣象因子的改變,表現(xiàn)為植物冠層溫度對氣象因子敏感度上升[2022]。張明艷等[23]在葉綠素?zé)晒鈪?shù)對環(huán)境因子的敏感性的研究中,也證明了土壤水分條件的改變會影響葉綠素?zé)晒鈪?shù)對氣象因子的敏感性,與本研究具有相似的結(jié)論。所以本研究結(jié)果表明,基于日尺度上多時間點(diǎn)的冠層溫度數(shù)據(jù),建立冠層溫度數(shù)據(jù)對氣象因子響應(yīng)的敏感度系數(shù),也可以判定植物所處的土壤水分狀況。

筆者從單一時間點(diǎn)和日變化2個時間尺度探究了植物冠層溫度對于土壤含水率的響應(yīng)規(guī)律,證明了利用植物冠層溫度可以實(shí)現(xiàn)對于植物所處的土壤水分狀況的判定,為大田植被的水分管理提供了一種新的、便捷有效的途徑。