寧南黃土丘陵區(qū)山桃樹(shù)干液流速率及其與氣象因子的關(guān)系

溫淑紅，韓新生,2*，蔡進(jìn)軍，許 浩，馬 璠，萬(wàn)海霞

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所，寧夏防沙治沙與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

【研究意義】蒸散是生態(tài)水文過(guò)程很重要的組分之一，陸地生態(tài)系統(tǒng)中絕大部分蒸散來(lái)自于植被蒸騰。蒸騰是植被體將其內(nèi)部的水分以水蒸氣的形式散失到大氣中去，對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。林木冠層蒸騰主要通過(guò)樹(shù)干木質(zhì)部液流測(cè)得，而樹(shù)干液流是衡量林木蒸騰耗水的重要指標(biāo)，能反映出林木特性和環(huán)境因子對(duì)水分利用的綜合作用。測(cè)定樹(shù)干液流的方法很多，熱擴(kuò)散技術(shù)方法因野外操作簡(jiǎn)便，可連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)定周期可調(diào)節(jié)，時(shí)間分辨率高，對(duì)植被的正常生理活動(dòng)影響小，數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程下載等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1-4]。【前人研究進(jìn)展】目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)林木樹(shù)干液流已有很多研究。買(mǎi)爾當(dāng)·克依木等[5]研究塔里木河中游胡楊樹(shù)干液流，得出氣溫、太陽(yáng)輻射和空氣濕度是影響液流速率的主要?dú)庀笠蜃?；劉瀟瀟等[6]探討黃土高原11種林木樹(shù)干液流的影響因子，其中，太陽(yáng)輻射、水汽壓虧缺、土壤含水率起主要作用；徐丹丹等[7]、李少寧等[8]分別在毛烏素沙地和北京研究得出輻射和氣溫是影響樹(shù)干液流密度的關(guān)鍵氣象因子；而許文豪等[9]分析影響毛烏素沙地旱柳樹(shù)干液流的主要?dú)庀笠蜃訛樗麎禾澣焙蜐撛谡羯ⅲ焕顫嵉萚10]在冀西北山地上觀測(cè)油松和落葉松樹(shù)干液流速率，發(fā)現(xiàn)影響樹(shù)干液流速率的主要?dú)庀笠蜃訛闇囟群蜐穸?；張曉艷等[11]在民勤綠洲荒漠過(guò)渡帶分析得出，空氣溫度、凈輻射和飽和水汽壓差是影響梭梭樹(shù)干液流速率的主要?dú)庀笠蜃?。以上在不同地區(qū)對(duì)不同樹(shù)種的樹(shù)干液流進(jìn)行研究，得到的結(jié)果不完全相同，主要是因各地區(qū)自然地理?xiàng)l件的差異導(dǎo)致主導(dǎo)因子不同、各樹(shù)種的植物學(xué)特性導(dǎo)致的關(guān)鍵作用因子不同、研究的時(shí)空尺度差異導(dǎo)致研究結(jié)果不同。以往的研究主要集中于樹(shù)干液流的時(shí)空變化及環(huán)境因子的作用，但不同樹(shù)種和不同區(qū)域研究結(jié)論差別較大[12-15]。山桃(Amygdalusdavidiana)為寧南黃土丘陵區(qū)退耕還林等生態(tài)修復(fù)工程中主要的樹(shù)種之一，在該區(qū)水土保持、植被固碳、農(nóng)民增收等方面起到關(guān)鍵作用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究選擇國(guó)內(nèi)學(xué)者很少關(guān)注的樹(shù)種山桃為研究對(duì)象，采用TDP技術(shù)對(duì)其進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，并利用氣象站連續(xù)觀測(cè)氣象指標(biāo)，分析樹(shù)干液流的變化規(guī)律及氣象因子對(duì)其的影響，建立氣象因子與液流速率的關(guān)系模型?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為揭示干旱缺水區(qū)植被的耗水特征及水-土資源綜合管理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)固原市彭陽(yáng)縣(105°09′～106°58′E、34°14′～37°04′N(xiāo))，屬于黃土高原腹地，地貌類(lèi)型為梁峁丘陵地，區(qū)內(nèi)梁峁相間，溝壑縱橫，地形破碎。海拔為1544～1826 m，具有典型的溫帶大陸性氣候；年均降水量為406 mm，年均蒸發(fā)量1360.6 mm；年均氣溫7.4 ℃，無(wú)霜期140～160 d。土壤以黑壚土和黃綿土為主，侵蝕較為嚴(yán)重。當(dāng)?shù)刂脖灰圆荼局参餅榛A(chǔ)，主要由百里香(Thymusmongolicus)、本氏針茅(Stipacapillata)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、委陵菜(Potentillachinensis)、糙隱子(Cleistogenessquarrosa)、茭蒿(Incarvilleasinensis)等群落構(gòu)成。該區(qū)進(jìn)行了大面積退耕還林還草工程，人工林以山杏(Armeniacasibirica)、山桃、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等的純林或混交林為主。

1.2 研究方法

地設(shè)置樣地選擇在寧南黃土丘陵區(qū)的中莊小流域。在代表性地點(diǎn)設(shè)置了面積為30 m×30 m的山桃人工林標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地內(nèi)有少數(shù)的山杏生長(zhǎng)，數(shù)量約占林木總數(shù)的5 %左右，且生長(zhǎng)都相對(duì)較弱，在本研究中，忽略林分中的山杏。山桃是2002年前后退耕還林工程栽植的，對(duì)樣地位置標(biāo)定和樣地內(nèi)的山桃林木進(jìn)行測(cè)量(林木密度、樹(shù)高、分枝數(shù)、分枝地徑、冠幅等指標(biāo))，其樣地基本信息和林木的基本特征見(jiàn)表1。

表1 研究林分的樣地信息和林木基本特征

選擇及儀器的安裝選擇2株生長(zhǎng)良好、具有代表性的山桃作為樹(shù)干液流觀測(cè)樣樹(shù)，樣樹(shù)基本特征見(jiàn)表2。

表2 山桃樹(shù)干夜流觀測(cè)樣樹(shù)基本特征

本研究區(qū)的地理環(huán)境條件造成山桃沒(méi)有明顯主干，有多個(gè)分枝，在樣樹(shù)距地約0.5 m處各安裝1組SF-L熱擴(kuò)散探針(德國(guó)Ecomatik公司生產(chǎn))，于2018年生長(zhǎng)季(6月1日至10月31日)期間連續(xù)測(cè)定樹(shù)干液流速率，并由CR1000數(shù)據(jù)采集器每隔 30 min自動(dòng)采集1次數(shù)據(jù)。SF-L樹(shù)干液流測(cè)定儀是基于熱擴(kuò)散原理，它由二個(gè)探針和一個(gè)恒流電源組成。在彭陽(yáng)縣轄區(qū)不同地徑山桃的邊材厚度總體上在 2 cm以下，因此，采用的探針長(zhǎng)度為 2 cm，基本上能覆蓋所測(cè)林木的邊材，插入深度為 3 cm。兩個(gè)探針插入樹(shù)干上下不同部位，兩探針距離為10 cm，上面的探針用恒流加溫，兩個(gè)探針之間形成溫差。水流上升時(shí)，帶走熱量，兩個(gè)探針之間溫差變小。溫差和樹(shù)干流之間具有函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量溫差算出樹(shù)干液流通量。為了防止探針進(jìn)水，在探針與樹(shù)皮的接觸部位涂抹玻璃膠，為避免太陽(yáng)輻射的影響，探頭用鋁箔包裹覆蓋，然后用膠帶纏繞固定，并定期更換膠帶防止鋁箔脫落。

樹(shù)干液流速率的計(jì)算方法樹(shù)干液流速率或稱(chēng)液流通量密度(Sap flow density)的計(jì)算公式為：

式中：Js為樹(shù)干液流速率(mL/cm2/min)；dtmax為無(wú)液流時(shí)的最大溫差(℃)，即最大的dt值；本研究以日為單位，即每天選擇一個(gè)最大值dt；dtact為實(shí)際的dt值(℃)。

氣象條件監(jiān)測(cè)在2018年6月1日至2018年10月31日，利用HOB氣象站連續(xù)觀測(cè)研究地區(qū)的氣象指標(biāo)，主要包括太陽(yáng)輻射(w/m2)、氣溫(℃)、降雨(mm)、空氣相對(duì)濕度(%)、風(fēng)向(°)和風(fēng)速(m/s)等，數(shù)值每30 min采集1次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016和SPSS19.0軟件整理分析數(shù)據(jù)，使用Origin19.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究期間氣象條件

如表3所示，太陽(yáng)輻射的月均值、最大值、最小值、極差整體上呈逐漸降低的趨勢(shì)，變異系數(shù)呈“M”型；氣溫的月均值、最大值和最小值基本呈現(xiàn)出先升后降的單峰趨勢(shì)，在8月份達(dá)到最大，極差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)整體呈先將后升的變化特征；空氣相對(duì)濕度的月均值和最小值呈現(xiàn)先升后降的單峰變化趨勢(shì)，最大值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)呈現(xiàn)出先將后升的趨勢(shì)，在8月份達(dá)到最小值；風(fēng)速的月均值、最小值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)呈現(xiàn)出先將后升的變化規(guī)律，最小值基本上都出現(xiàn)在7月份，最大值大致呈現(xiàn)出逐漸升高的變化特征。研究期間的降雨總量為529.8 mm，6-10月份分別為73、188.6、225.8、32.6、9.8 mm。

表3 研究期間(6-10月)主要?dú)庀笾笜?biāo)的統(tǒng)計(jì)特征

在統(tǒng)計(jì)分析中，常用標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)(c.v.)分別表示變異程度大小，標(biāo)準(zhǔn)差反映絕對(duì)變異，變異系數(shù)反映相對(duì)變異大小。從整體上看，變異性的大小順序?yàn)樘?yáng)輻射>風(fēng)速>氣溫>空氣相對(duì)濕度。依據(jù)變異性強(qiáng)弱分級(jí)規(guī)律(c.v.≤10 %為弱變異性；10 %

2.2 樹(shù)干液流速率的動(dòng)態(tài)變化

如圖1所示，樹(shù)干液流速率呈波浪狀變化，但整體上有一個(gè)先升后將的變化趨勢(shì)。最大值出現(xiàn)在6月22日，液流速率為0.1126 mL/cm2/min；最小值出現(xiàn)在10月19日(0.0008 mL/cm2/min)；研究期間平均值為0.0592 mL/cm2/min。平均液流速率(mL/cm2/min)的月際變化為6月(0.0790)>8月(0.0711)>7月(0.0632)>9月(0.0509)>10月(0.0321)；液流速率(mL/cm2/min)極差(最大值-最小值)的月際變化為6月(0.1095)>8月(0.0972)>7月(0.0851)>9月(0.0825)>10月(0.0603)。

圖1 樹(shù)干液流速率的季節(jié)變化特征

如圖2所示，液流速率的日內(nèi)變化主要受氣象條件影響，陰雨天樹(shù)干液流速率都相對(duì)較弱，因此，在每月最后5 d中選擇連續(xù)的兩個(gè)晴天來(lái)分析不同月份樹(shù)干液流速率的日內(nèi)變化。樹(shù)干液流速率的日內(nèi)變化大致可以分為微弱期、上升期、相對(duì)穩(wěn)定期和下降期，9和10月沒(méi)有相對(duì)穩(wěn)定期。

圖2 不同月份液流速率的日內(nèi)變化規(guī)律

不同月份液流速率的啟動(dòng)時(shí)間逐漸推后，6月啟動(dòng)時(shí)間為6:30，7-10月啟動(dòng)時(shí)間為8:30；從6月到8月樹(shù)干液流啟動(dòng)上升到穩(wěn)定期所用時(shí)間差異較小，基本上為2:00；各月份相對(duì)穩(wěn)定期持續(xù)時(shí)間是先增大后減小，下降期持續(xù)時(shí)間的變化與相對(duì)穩(wěn)定期相反，規(guī)律為先減小后變大；9和10月份的日內(nèi)變化為先微弱存在，再增大后減小，9月份的上升期持續(xù)時(shí)間比10月份短，下降期持續(xù)時(shí)間比10月份長(zhǎng)。本研究每月只選取無(wú)降雨的2 d時(shí)間，并不能代表所有天氣條件下樹(shù)干液流速率的變化特征。

2.3 氣象條件對(duì)樹(shù)干液流速率的影響

山桃樹(shù)干液流受到多種氣象因子的影響，首先分析不同天氣條件下山桃樹(shù)干液流日內(nèi)變化的影響因素。選擇2018年8月23日至26日這4 d為研究時(shí)間，兩個(gè)晴天和兩個(gè)陰雨天，并且8月份的樹(shù)干液流速率相對(duì)較高，分析氣象條件對(duì)其的影響相對(duì)較好。

如圖3所示，隨著太陽(yáng)輻射的增加，樹(shù)干液流速率同步提高，并且增高與降低的幅度和時(shí)間也基本吻合，因此，太陽(yáng)輻射是影響山杏樹(shù)干液流速率的主導(dǎo)因子和主要?dú)庀髼l件，是樹(shù)干液流速率啟動(dòng)時(shí)的氣象因子。隨著氣溫的升高，樹(shù)干液流速率也逐步提高，且增高與降低的幅度和時(shí)間也大致吻合，但是氣溫與樹(shù)干液流速率的同步性略低于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。溫度仍然是影響速干液流速率的主要?dú)庀髼l件。樹(shù)干液流速率與空氣相對(duì)濕度呈相反的變化趨勢(shì)，空氣相對(duì)濕度降低，樹(shù)干液流速率提高；空氣相對(duì)濕度增加，樹(shù)干液流速率降低。空氣相對(duì)濕度與樹(shù)干液流速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間大致相同，所以，空氣相對(duì)濕度對(duì)樹(shù)干液流速率的變化規(guī)律也起到很重要的作用。風(fēng)速的變化特征存在瞬時(shí)的波動(dòng)性，但總體上變化趨勢(shì)與樹(shù)干液流速率相似，但對(duì)樹(shù)干液流速率的作用弱于太陽(yáng)輻射和氣溫。按照作用大小和影響強(qiáng)弱，首先為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，接著為氣溫，再為空氣相對(duì)濕度，最弱的為風(fēng)速。

圖3 典型晴天和陰雨天日內(nèi)尺度上氣象因子與樹(shù)干液流的關(guān)系

從表4可知，除空氣相對(duì)濕度外，其余各氣象因子均與樹(shù)干液流速率極顯著(P<0.01)相關(guān)；在各月，氣溫與樹(shù)干液流速率呈顯著(P<0.05)正相關(guān)；除9月外的其他月份，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與樹(shù)干液流速率呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)；空氣相對(duì)濕度在7和8月份與樹(shù)干液流速率呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)；風(fēng)速在不同月份與樹(shù)干液流速率的相關(guān)性不顯著(P>0.05)。從相關(guān)顯著性和相關(guān)系數(shù)來(lái)看，影響山杏樹(shù)干液流日均值的主要?dú)庀笠蜃訛樘?yáng)輻射和氣溫，空氣相對(duì)濕度和風(fēng)速作用相對(duì)較弱。

表4 研究期間和各月份主要?dú)庀笾笜?biāo)與山桃樹(shù)干液流速率的相關(guān)分析

由表5所示，對(duì)以上山桃液流速率影響因子的逐步回歸分析，建立山桃不同月份和研究期間樹(shù)干液流速率與主要?dú)庀笠蜃拥幕貧w模型。

表5 山桃日均樹(shù)干液流速率與主要?dú)庀笠蜃拥幕貧w模型

4 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)山桃的樹(shù)干液流速率在典型晴天主要呈單峰型曲線(xiàn)，陰雨天呈雙峰型或多峰型，與其他區(qū)域不同樹(shù)種的研究結(jié)論相似[16-22]，但也存在差異，主要表現(xiàn)為啟動(dòng)、峰值、下降的時(shí)間不盡相同，李廣德等[23-24]發(fā)現(xiàn)毛白楊和國(guó)槐在晴天樹(shù)干液流速率呈雙峰型，液流速率白天比晚上高，因?yàn)榘滋焯?yáng)輻射較強(qiáng)、空氣溫度較高、空氣濕度較低，液流速率相對(duì)較高，夜間的液流速率微弱，可能是由于夜間蒸騰[25]和根壓作用彌補(bǔ)樹(shù)體內(nèi)白天消耗掉的水分以維持水分平衡，這是植物適應(yīng)干旱環(huán)境的一種內(nèi)在保護(hù)機(jī)制[26]。以往在不同地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)晴天、陰雨天各樹(shù)種的樹(shù)干液流速率的日內(nèi)變化存在差異，啟動(dòng)和降低的時(shí)間也不盡相同，可能是因不同區(qū)域日升日落時(shí)間及太陽(yáng)輻射強(qiáng)弱的日內(nèi)變化差異引起的，各樹(shù)種的植物學(xué)和生理生化特性(氣孔行為、同化方式等)差異也是原因之一。

樹(shù)干液流是能夠反映樹(shù)木體內(nèi)水分運(yùn)輸狀況的一個(gè)重要參數(shù)，其受眾多環(huán)境因子的影響，如太陽(yáng)輻射、空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、土壤水分等因素，這些因子都隨著季節(jié)、日周期和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件而發(fā)生變化，不同尺度上各因子對(duì)樹(shù)干液流的影響不同。徐世琴等[27]分析得出風(fēng)速能夠影響植物冠層邊界層導(dǎo)度，故風(fēng)速與樹(shù)干液流的相關(guān)性最大；本研究表明，在研究期間(季節(jié)尺度上)氣溫、太陽(yáng)輻射和風(fēng)速與山桃樹(shù)干液流速率呈極顯著正相關(guān)，與空氣相對(duì)濕度相關(guān)性不顯著，說(shuō)明在研究期間氣溫和太陽(yáng)輻射對(duì)日均液流速率的驅(qū)動(dòng)作用最強(qiáng)。張璇等[28]對(duì)縉云山典型樹(shù)種樹(shù)干液流速率的研究顯示，氣象因子的綜合影響力依次為太陽(yáng)輻射、水汽壓虧缺、風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度、溫度，與本研究結(jié)論不同。本研究顯示在不同時(shí)間尺度上，各氣象因子的作用存在差異，在6和10月，影響樹(shù)干液流的氣象因子主要為太陽(yáng)輻射和氣溫，在7和8月主要為太陽(yáng)輻射、氣溫和空氣相對(duì)濕度，9月份主要為氣溫；在日內(nèi)尺度上，各氣象因子的作用強(qiáng)弱依次為太陽(yáng)輻射、氣溫、空氣相對(duì)濕度和風(fēng)速。

區(qū)域不同、樹(shù)種不同、尺度不同，影響樹(shù)干液流速率的氣象因子存在差異，原因可能如下：①地理位置的不同直接導(dǎo)致太陽(yáng)輻射、氣溫、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速等存在明顯的空間差異；②氣象因子雖對(duì)林木樹(shù)干液流有著極其重要的作用，但各樹(shù)種的特性同樣是液流變化不可忽略的原因之一；研究的時(shí)間尺度不同，導(dǎo)致影響樹(shù)干液流的主要因子不同，晝夜尺度上太陽(yáng)輻射與水汽壓虧缺是主要影響因子[29]，小時(shí)尺度上與水汽壓虧缺密切相關(guān)，太陽(yáng)輻射影響較小[30]。

太陽(yáng)輻射是影響蒸騰作用和光合作用的主要?dú)庀笠蜃?，其可以直接或間接影響溫度和濕度的變化。太陽(yáng)輻射強(qiáng)時(shí)氣溫會(huì)升高，隨葉片溫度增加，植被以蒸騰來(lái)降低溫度，葉片氣孔導(dǎo)度會(huì)變大，蒸騰速率加快，當(dāng)氣溫超過(guò)32 ℃時(shí)，葉片氣孔阻力增大，水勢(shì)下降，氣孔導(dǎo)度變小，蒸騰減弱[31]。空氣濕度影響植物葉片和大氣之間的水汽壓差，一般情況下，葉片有巨大的內(nèi)表面，而且葉肉細(xì)胞間隙中的水汽濃度大體上接近飽和，故空氣濕度小時(shí)葉片和大氣之間的水汽壓差會(huì)變大，蒸騰速率加快，相反，蒸騰速率則下降。雖不同時(shí)間尺度上影響樹(shù)干液流的氣象因子存在差異，但多數(shù)研究顯示，太陽(yáng)輻射、氣溫風(fēng)速與樹(shù)干液流呈正相關(guān)，空氣相對(duì)濕度與其呈負(fù)相關(guān)，這就說(shuō)明，樹(shù)干液流速率隨太陽(yáng)輻射、氣溫和風(fēng)速等因子的增加而加快，隨空氣相對(duì)濕度的增加而減弱，而本研究在日均尺度上分析得出樹(shù)干液流與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，在小時(shí)尺度上樹(shù)干液流與風(fēng)速變化趨勢(shì)相同，可能是因?yàn)榍缣鞐l件下日均風(fēng)速較小，陰雨天時(shí)日均風(fēng)速較大導(dǎo)致的。

5 結(jié) 論

寧南黃土丘陵區(qū)山桃人工林樹(shù)干液流的季節(jié)變化特征呈波浪狀，但有明顯先升后將的過(guò)程；日變化特征：晴天為單峰型曲線(xiàn)，陰雨天為雙峰或多峰曲線(xiàn)。樹(shù)干液流的啟動(dòng)時(shí)間隨著生長(zhǎng)季的推進(jìn)逐漸延遲，在不同時(shí)間尺度上，太陽(yáng)輻射和氣溫對(duì)樹(shù)干液流的影響較大，其次是空氣相對(duì)濕度和風(fēng)速。建立山桃日均樹(shù)干液流速率與氣象因子的回歸模型，可以預(yù)測(cè)林木樹(shù)干液流速率。