隴東黃土高原區(qū)人工刺槐樹干液流特征

費俊娥，焦隴慧，吳賢忠，易娜，袁秀娟，劉俊俊，張曉梅，王安民，趙子龍，張瑞峰，邸利

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730070；2.西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127；3.蘭州城市學院地理與環(huán)境工程學院,甘肅 蘭州 730070；4.甘肅省平?jīng)鍪袥艽h自然資源局，甘肅 平?jīng)?744300；5.甘肅省平?jīng)鍪兴帘３挚茖W研究所，甘肅 平?jīng)?744000；6.甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學學院，甘肅 蘭州 730070)

樹干液流(sap flow)是樹木的蒸騰拉力導致水分損失的過程[1]，占植物根系吸水量的99%以上[2].準確監(jiān)測林木蒸騰，尤其是整株耗水量，在對單株林木到整個林分蒸騰耗水估算的尺度轉(zhuǎn)換中具有重要意義，是森林水文和森林生態(tài)等許多學科的研究熱點之一[3-5].熱探針技術(shù)是在不損傷樹木自然生長的前提下，將加熱傳感器插入木質(zhì)邊材中，利用能量守恒和電熱轉(zhuǎn)換原理測定樹干單位邊材面積液流速率[14].熱探針技術(shù)具有對樣木損傷小、精準度高、可連續(xù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集自動化等優(yōu)勢.近年來，國內(nèi)外許多學者采用熱探針技術(shù)對不同樹種從不同的方面進行了樹干液流研究[6-8].對側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)的研究表明，在生長旺季的晴天條件下樹干液流速率具有明顯的晝夜節(jié)律[9]，呈單峰曲線，而青海云杉(Piceacrassifolia)則呈雙峰性[10].有研究表明，環(huán)境因素是影響樹干液流的主要因素，除了受本身調(diào)節(jié)外，還與氣象條件、土壤環(huán)境等許多因素有關(guān)[11-12].有研究表明[13]，樹干液流與樹木胸徑、邊材面積間存在良好的線性關(guān)系.在陰雨天氣條件下，樹干液流大多處于不規(guī)則的波動狀態(tài)[8].樹干液流季節(jié)變化特征表現(xiàn)為夏季液流速率在啟動和到達峰值時間及液流停止時間均早于春秋季節(jié)[1].

刺槐根系發(fā)達、生長迅速、耐旱、耐貧瘠、成活率高，為我國黃土高原水土保持造林的主要樹種之一[14].黃土高原處于半干旱區(qū)，土壤水分條件是林木生存的主要限制因素，加之降水匱缺導致在營造刺槐林過程中出現(xiàn)土壤干層、水分虧缺、小老樹等問題[15]，縮短了林木的壽命.目前關(guān)于刺槐樹干液流動態(tài)變化特征及其對環(huán)境因素的響應已有許多研究報道，而針對隴東黃土高原區(qū)人工刺槐樹干液流特征的研究還鮮有報道.因此，為探究該區(qū)域刺槐林蒸騰耗水和其林木生長的關(guān)系，本試驗以隴東黃土高原區(qū)甘肅涇川中溝小流域人工刺槐林為研究對象，采用熱擴散探針技術(shù)在整個生長季對其樹干液流進行持續(xù)監(jiān)測，并同時測定氣象因素的變化，對人工刺槐樹干液流速率在不同時間尺度下的變化與氣象因素進行相關(guān)性分析，并運用多元線性回歸的方法分析構(gòu)建刺槐液流速率與環(huán)境因素的多元線性回歸模型，旨在掌握該區(qū)域人工刺槐林水分運移規(guī)律與影響因素的內(nèi)在關(guān)系，為實現(xiàn)由單株蒸騰耗水到林分蒸騰耗水的尺度轉(zhuǎn)換提供理論支持，為該地區(qū)刺槐林蒸騰耗水的準確估計和林地水分的科學管理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于隴東黃土高原中部秦隴交界處，地理坐標為E 107°30′～107°31′，N 35°19′～35°20′，氣候類型為暖溫帶半干旱氣候區(qū).研究區(qū)小流域面積1 207 hm2，海拔930～1 460 m，年日照時數(shù)2 274 h，年平均氣溫10 ℃，年總積溫3 947 ℃，年平均降水量555 mm，大多集中在7～9月，年蒸發(fā)量1 181.6 mm，無霜期174 d，相對濕度69%，年均濕潤度0.7，干燥度0.95～1.23.地形地貌有丘陵溝壑區(qū)、破碎塬區(qū)、河谷川區(qū)，主要以黃土丘陵溝壑區(qū)為主.土壤母質(zhì)以黃土為主，現(xiàn)有林地面積54.2萬hm2，森林覆蓋率達38%.植被類型屬于森林-草地過渡帶，刺槐林面積占林木總面積的92%，樣地立體結(jié)構(gòu)林分少，林下植被主要為灰條(Chenopodiumallbum)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、鐵桿蒿(Artemisavestita)、多花胡枝子(Lespedezafioribunda)和短花針茅(Stipabreviflora)等[16].

表1 樣地基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 樹干液流與氣象因素測定 2017年于生長季(5～10月)，在涇川縣中溝小流域建立面積為20 m×20 m的樣地，選擇生長良好、不同徑級、樹冠適中、干性通直的刺槐3株作為監(jiān)測木(表2).應用ESTDP熱擴散莖流計(TDP，北京雨根科技公司)對樣木進行連續(xù)監(jiān)測.在樣木樹干被測1.3 m處用小刀沿樹干垂直方向?qū)淦す纬蓛蓚€4 cm×5 cm的矩形，兩探針上下間距為10 cm，利用一定規(guī)格的鉆頭鉆取直徑為1.5 mm的孔洞，插入TDP探針.為了避免太陽直射引起的測量誤差，探針固定好后整個探頭及其鄰近區(qū)域用防輻射鋁箔覆蓋，并用膠帶固定其上下端，然后將覆蓋層的上端與樹皮之間用透明玻璃膠密封，防止環(huán)境溫度變化和雨水滲入對測定結(jié)果的影響.利用英國Grant公司生產(chǎn)的SQ2020型數(shù)據(jù)采集器通過電腦程序進行數(shù)據(jù)下載，數(shù)據(jù)采集時間間隔設定為10 min，從所選擇的整個生長季5月20日～10月28日，共累計監(jiān)測161 d的數(shù)據(jù)，根據(jù)設置的采集間隔，單株樣樹可采集23 184個數(shù)據(jù).本試驗選擇了不同徑級的3株樣樹，樹干液流監(jiān)測總計69 552個數(shù)據(jù).在測定樹干液流的同時，設立AR5自動氣象站(美國AVALON公司生產(chǎn))，采集太陽有效輻射、空氣溫度、風速、空氣相對濕度等數(shù)據(jù)，并同時監(jiān)測L1(0～10)cm、L2(10～20)cm、L3(20～30)cm、L4(30～40)cm、L5(40～80)cm層的土壤溫度等氣象要素，測定頻度與液流測定保持同步，共采集255 024個氣象數(shù)據(jù).

1.2.2 邊材面積的確定 為了避免生長錐取樣對樹木自然生長造成損傷，影響測量數(shù)據(jù)的精確性，在樣木周圍按照樣木樹干徑級大小選取3株刺槐，通過鉆取樹木木芯樣木，取出遂心，可以看到心材、邊材和樹皮，用卷尺測量邊材厚度，計算邊材面積.

表2 被測樣木基本參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

液流速率的計算采用Granier的公式來計算，即：

式中：Vs為瞬時液流(cm·s-1),ΔTm為無液流時加熱探針與參考探針的最大溫差，ΔT為瞬時溫差.

Fs=SA×Vs×3600

式中：Fs為液流通量(g·h-1),SA為胸徑處邊材面積(cm2).

本研究利用生長錐鉆取樣樹木質(zhì)部確定邊材厚度，來計算整個樣樹的邊材面積，其計算公式為[8]：

式中：D為胸徑(cm)，d為樹皮和韌皮部的厚度(cm)，r為新材半徑(cm).

飽和水汽壓差(VPD)由空氣溫度和空氣相對濕度計算得出：

式中：VPD為水汽壓虧缺(kPa),T為空氣溫度(℃)，RH為空氣相對濕度(%).

2 結(jié)果與分析

2.1 典型條件下刺槐樹干液流日變化

分別以2017年5～10月間每個月的晴天、陰天、雨天3 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對象，每個月3 d的數(shù)據(jù)為432個，6個月總計數(shù)據(jù)為2 592.選擇典型天氣時，要避免前后天氣對該天造成的影響，如選擇每月典型晴天時，要保證前幾天是連續(xù)的晴天；雨天天氣盡量選擇降雨量較大且降雨歷時較長的具有代表性的天氣.由圖1-A可知，晴天條件下不同月份刺槐樹干液流日變化均具有明顯的“晝高夜低”的變化趨勢，其樹干液流速率表現(xiàn)為典型的“單峰型”曲線，夜間的液流量較小，液流速率基本穩(wěn)定.隨著空氣溫度從7.07 ℃增加到38.0 ℃，太陽輻射由0增加到1 139.3 W/m2，樹干液流達到峰值49.13 g/h.到達峰值后仍然在峰值附近有較長時間的小幅度波動.各月份刺槐樹干液流啟動時間差異不大，5～9月白天液流均在6:00前后開始啟動，10月份的啟動時間最晚，在11∶30前后開始啟動，這是由于在生長季后期，日出時間晚于生長旺季，太陽輻射減弱和空氣溫度降低所致.到達峰值的時間為10∶00～15∶00，在22∶00左右液流速率逐漸降到最低值并且趨于穩(wěn)定，這可能是由根壓引起的，根壓以主動吸收的方式使水分進入樹木體內(nèi)來補充白天蒸騰耗失的大量水分，從而維持自身的水量平衡[17].由圖1-B可知，在陰天條件下，刺槐的樹干液流速率波動較大，刺槐液流速率表現(xiàn)為“多峰型”曲線，曲線寬幅小于晴天，不同月份的最高峰值低于晴天.啟動時間為7∶30前后，滯后于晴天1 h左右.與晴天液流速率到達峰值的時間相比，9月13日、10月18日較提前，而在5月20日、6月8日、8月19日則滯后，7月24日與晴天無明顯差異.在雨天條件下，刺槐樹干液流速率無明顯規(guī)律，如刺槐樹干液流在10月17日一直在6.35 g/h左右，沒有明顯的波動起伏變化.雨天各月份刺槐液流峰值均小于晴天和陰天.在7∶00～20∶00各月液流量分別占全天的77.22%、84.19%、73.48%、86.53%、89.17%和70.11%，說明不同生長時期的蒸騰耗水均在白天進行.總的來說，在不同天氣條件下，生長旺季的啟動時間早于生長初期和末期，從到達峰值的時間來看，同樣是生長旺季早于生長初期和末期.這些變化與環(huán)境因素的變化都基本吻合.

圖1 不同天氣條件下刺槐液流速率變化Figure 1 Fluid flow rate change of Robinia pseudoacacia under different weather conditions

2.2 刺槐樹干液流月變化及整個生長季特征

選取5～10月刺槐液流數(shù)據(jù)計算出每個月的平均液流速率.由圖2可見，在整個生長季5～10月刺槐樹干液流速率表現(xiàn)為先升高后降低的變化規(guī)律.5月份為旱季，降雨較少，但氣溫較高，太陽輻射較強，5月份降雨量為29.2 mm，占整個生長季降雨的13.27%，沒有足夠的水分來支撐蒸騰作用，因此5月份的液流速率較低.所以在生長季前期，水分是限制液流速率的主要因素.5～10月空氣溫度的增幅為7.07～38 ℃，太陽輻射增幅為0～1 139.3 W/m2，液流速率也急速增強到最高值 ，從5月份的329.70 g/h增加到8月份的652.31 g/h.8月份的降雨量較充沛，為202.85 mm，達到全年降雨量的最高值，且8月份的降雨天數(shù)較分散，因此，8月份具有最好的蒸騰條件，致使刺槐在8月份的蒸騰耗水量最多.10月份進入生長季的后期，刺槐葉片的生理活性下降，加之太陽輻射和氣溫下降，天然降水的頻率和強度減弱，蒸騰作用急劇下降，從9月份的464.70 g/h降至10月份的193.20 g/h.

圖2 刺槐樹干液流月變化Figure 2 Monthly variation of dry liquid flow of Robinia pseudoacaci

2.3 刺槐樹干液流速率與環(huán)境因素的關(guān)系

2.3.1 生長旺季刺槐樹干液流速率的日變化特征與環(huán)境因素的關(guān)系 刺槐耗水量不僅受樹木生理解剖結(jié)構(gòu)和土壤水分供應水平的影響，還受周圍氣象因素的影響[17].本研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)刺槐在8月份蒸騰耗水量最大，因此，為了能夠直觀地顯示刺槐樹干液流與太陽輻射、相對濕度、空氣溫度等多個氣象因素的響應機制，選取8月7～13日的液流數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)為研究對象，期間有兩場降雨，4個連續(xù)晴朗天氣和一個陰天.期間最高溫度為33.3 ℃，最低溫度為13.5 ℃；最大相對濕度達100%，最小為18.77%；水汽壓虧缺最大為4.15 Kpa，最小為0，光合有效輻射最高為835.49 W/m.

由圖3可知，空氣溫度的日變化與液流速率的日變化規(guī)律一致，也呈“單峰型”變化趨勢，但由于空氣比熱容的存在，其變化稍滯后于太陽輻射.太陽輻射和空氣溫度是影響空氣相對濕度的主要因素，相對濕度的變化趨勢與之截然相反，比如在雨天條件下，相對濕度達到了100%，而刺槐液流速率受空氣溫度和太陽輻射的影響明顯減小，這表明空氣相對濕度是抑制刺槐液流速率的因素之一.當降雨強度和頻度增大，持續(xù)時間越長，空氣溫度越低則相對濕度就越大，這將降低葉片氣孔內(nèi)外的蒸氣壓梯度，使得樹干液流速率放緩.水汽壓虧缺也受太陽輻射與氣溫的影響呈波動起伏的變化，但水汽壓虧缺略滯后于太陽輻射2～3 h.刺槐樹干液流也隨著風速的變化而變化，具體表現(xiàn)為刺槐樹干液流速率隨著風速的增加而升高，這是因為風速使葉片內(nèi)外的水汽壓差增大，液流速度明顯升高.

將連續(xù)7 d內(nèi)測定的刺槐樹干液流速率與氣象因素進行Pearson相關(guān)分析，分析結(jié)果見表3.在生長旺季刺槐白天樹干液流速率與空氣溫度、太陽有效輻射、水汽壓虧缺、風速呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與相對濕度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系.單個環(huán)境因素對白天液流速率的影響大小依次為：溫度(0.839)>相對濕度(-0.747)>太陽輻射(0.721)>水汽壓虧缺(0.718)>風速(0.260).刺槐夜間液流速率與空氣溫度、水汽壓虧缺具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，與相對濕度具有極顯著負相關(guān)關(guān)系，與風速呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與太陽輻射未達到顯著相關(guān)，單個環(huán)境因素對夜間液流速率的影響大小依次為：水汽壓虧缺(0.615)>空氣溫度(0.608)>相對濕度(-0.505)>風速(0.048).

圖3 刺槐樹干液流速率與氣象因素的關(guān)系Figure 3 Relationship between trunk sap flow rate and meteorological factors in Robinia pseudoacaci

表3 生長旺季樹干液流速率與氣象因素的Pearson分析

2.3.2 典型天氣條件下刺槐樹干液流速率與環(huán)境因素的關(guān)系 為了進一步揭示液流速率與環(huán)境因素之間的關(guān)系，選取整個生長季典型天氣條件下的液流速率與環(huán)境因素數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析.由表4可以看出，不同天氣條件下，刺槐樹干液流速率與環(huán)境因素的關(guān)系也呈現(xiàn)差異.在晴天與陰天條件下，樹干液流與相對濕度均呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01),晴天除風速外樹干液流與其他環(huán)境因素均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與風速相關(guān)系數(shù)為0.091，陰天與風速呈負相關(guān)關(guān)系(P>0.05)，其相關(guān)系數(shù)為-0.13.雨天條件下只有空氣溫度與樹干液流呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與其他環(huán)境因素相關(guān)性不顯著.

表4 不同天氣條件下樹干液流速率與氣象因素的Pearson分析

2.3.3 刺槐樹干液流速率與環(huán)境因素的回歸分析 為了更明確地說明氣象因素對刺槐樹干液流速率的影響，以樹干液流速率(Vs)為因變量，以不同時間尺度下的相對濕度(RH)、空氣溫度(T)、水汽壓虧缺(VPD)、太陽輻射(PAR)、降雨(R)和風速(Vw)等環(huán)境因素為自變量,利用SPSS多元線性統(tǒng)計回歸方法，建立回歸模型(表5).在不同時間尺度下，對每個方程的回歸系數(shù)進行檢驗，各自變量系數(shù)顯著性錯誤率均較低，除了雨天條件下的回歸模型，其他R2都在較高水平.說明液流速率與環(huán)境因素之間存在較強的線性關(guān)系，回歸方程可以較好地揭示其變化規(guī)律.

表5 刺槐樹干液流速率與環(huán)境因子的回歸模型

3 討論

林木的樹干液流速率日變化總趨勢呈現(xiàn)為白天高夜間低的規(guī)律性，這種變化在晴天條件下更加明顯.對側(cè)柏[9]、華北落葉松[18]、栓皮櫟[19]等研究結(jié)果表明，液流速率與太陽輻射的日變化保持一致，但滯后于太陽輻射1 h左右，夜間液流速率很小，但不為零，這可能與夜間的根壓作用有關(guān).刺槐林液流速率的變化進程特征具有時間尺度差異，在不同的天氣條件下(晴天、陰天和雨天)，刺槐液流速率日變化差異表現(xiàn)明顯，如液流啟動、到達峰值、液流降低的時間差異.林平等[10]對油松和栓皮櫟的研究中指出，在整個生長季，陰雨天氣下的液流速率明顯低于晴天，雨天條件下，液流速率無明顯的變化規(guī)律，表現(xiàn)為急劇的起伏變動且液流速率保持在較低的水平.于占輝等[9]對黃土高原半干旱區(qū)側(cè)柏，劉彬彬等[18]對六盤山疊疊溝小流域華北落葉松樹干液流研究結(jié)果均認為，在晴天條件下，樹干液流的啟動時間、到達峰值時間較早，降低時間較晚，持續(xù)時間較長，呈“早上啟動-中午到達峰值-其后下降”的單峰型曲線；曹文強等[20]對山西太岳山遼東櫟夏季樹干液流通量的研究也得到同樣結(jié)果.相對生長季而言，聶立水等[6]在對油松、栓皮櫟樹干液流速率比較后發(fā)現(xiàn)，這兩樹種的液流速率具有明顯的季節(jié)變化，4～5月份受水分脅迫的影響其液流速率較低，7～8月份具備良好的蒸騰耗水條件，其液流速率最大.本研究的人工刺槐林在不同時間尺度下的日變化和季節(jié)變化與以上研究結(jié)果相一致，但與聶立水等[6]的油松白天沒有樹干液流的研究結(jié)果有出入，這可能是不同樹種在不同區(qū)域適應不同環(huán)境變化的方式有差異所致.

大量研究表明，環(huán)境因素對樹干液流速率的變化具有顯著的影響.王小菲等[21]指出，光合有效輻射對山合歡樹干液流速率的影響最大，其次是水汽壓虧缺、大氣溫度和相對濕度；Kim等[22]認為，樹干液流速率的變化與風速有不容忽視的關(guān)系.本研究通過相關(guān)性分析得到，刺槐白天樹干液流速率與空氣溫度、太陽有效輻射、水汽壓虧缺、風速呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與相對濕度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，刺槐夜間液流速率與空氣溫度、水汽壓虧缺具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，與相對濕度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，與風速呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與太陽輻射未達到顯著相關(guān).通過多元線性回歸，得出了不同時間尺度下樹干液流速率和環(huán)境因素的回歸模型.本文僅對研究區(qū)域人工刺槐液流與氣象環(huán)境要素之間的關(guān)系作了初步的研究，然而影響整個林分蒸騰耗水的機制復雜，包括土壤水分、胸徑大小與液流之間的關(guān)系等，因此，未來還需加強該區(qū)域林分蒸騰耗水監(jiān)測，以便更加深入和全面地認識影響樹干蒸騰的影響機制.

4 結(jié)論

研究區(qū)內(nèi)刺槐林樹干液流日變化存在“晝高夜低”的現(xiàn)象，且樹干液流速率在晴天呈“單峰型”變化，陰天呈“多峰型”變化，雨天呈不規(guī)則波動；刺槐樹干液流速率在整個生長季均值呈“低-高-低”的變化，以10月份的液流速率最小(193.19 g/h)，8月份的液流速率最大(652.31g/h).單個環(huán)境因素對白天樹干液流速率的影響大小為：溫度(0.839)>相對濕度(-0.747)>太陽輻射(0.721)>水汽壓虧缺(0.718)>風速(0.260)；對夜間樹干液流速率的影響大小為：水汽壓虧缺(0.615)>空氣溫度(0.608)>相對濕度(-0.505)>風速(0.048).