不同時(shí)間尺度土壤因子與檉柳液流速率關(guān)系的差異

黃雅茹，馬迎賓，李永華，段瑞兵，劉 源，董 雪，韓春霞，郝需婷

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心/內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀(guān)測(cè)研究站，內(nèi)蒙古磴口 015200；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研究所，北京 100091；3.庫(kù)姆塔格荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀(guān)測(cè)研究站，甘肅敦煌 736200；4.甘肅敦煌荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀(guān)測(cè)研究站，甘肅敦煌 736200)

0 引 言

【研究意義】檉柳(TamarixchinensisLour.)是屬于泌鹽植物，具耐干旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙等特點(diǎn)。檉柳是干旱區(qū)防風(fēng)固沙的優(yōu)良樹(shù)種，在保護(hù)生物多樣性具有重要意義[1]。檉柳維持自身生長(zhǎng)需要消耗大量的水分[2]。我國(guó)干旱沙漠區(qū)熱量充足，但水資源供應(yīng)相對(duì)缺乏，檉柳生長(zhǎng)過(guò)程中的水分利用策略是檉柳人工林經(jīng)營(yíng)管理和水分合理利用的重要基礎(chǔ)[3-4]?；哪参餅榱诉m應(yīng)干旱環(huán)境，逐漸形成了特殊的生理特征和耗水機(jī)理，研究荒漠植物耗水特征及其與土壤水分的關(guān)系對(duì)提高干旱區(qū)用水效率，保證荒漠生態(tài)環(huán)境的安全具有重要意義。植物利用根系吸收土壤中的水分，由于蒸發(fā)形成的蒸騰拉力，促進(jìn)了植物木質(zhì)部中液體運(yùn)輸，植物的蒸騰耗水采用樹(shù)干液流表征[5]。樹(shù)干液流采用液流計(jì)監(jiān)測(cè)，體現(xiàn)了樹(shù)體內(nèi)水分動(dòng)態(tài)變化及其生理功能的關(guān)鍵指標(biāo)[6]。熱擴(kuò)散莖流計(jì)更適宜開(kāi)展長(zhǎng)期的、連續(xù)性的野外液流監(jiān)測(cè)[7]。熱擴(kuò)散探針?lè)▋?yōu)點(diǎn)主要是在樹(shù)木自然生長(zhǎng)狀態(tài)下對(duì)樹(shù)干液流連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，具有非常高的時(shí)間分辨率及準(zhǔn)確度，對(duì)植物本身的正常生理活動(dòng)影響較小，已成為目前樹(shù)木耗水研究中最常用研究方法之一[8-9]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植物液流的潛在能力是由生物學(xué)結(jié)構(gòu)決定，液流的瞬間變化是由氣象因素決定，液流總體水平是由土壤供水決定[10]。應(yīng)用該技術(shù)研究了很多樹(shù)種的液流特征[11-15]，主要集中在液流速率的日變化、不同方位的變化、與環(huán)境因子的關(guān)系[16-18]。土壤含水量與液流速率呈正相關(guān)[5,19]，土壤水分的增加會(huì)使樹(shù)干液流的峰值出現(xiàn)時(shí)間推后，旺盛蒸騰時(shí)間延長(zhǎng)[20]，淺層地表土壤溫度對(duì)樹(shù)干液流強(qiáng)度有顯著影響[21]，土壤水分及土壤溫度是驅(qū)動(dòng)植物液流速率的重要因素[22-24]，土壤含水量及土壤溫度的增加或降低能夠顯著影響植物液流速率[25]。不同時(shí)間尺度上土壤溫度、土壤含水率對(duì)液流速率都有影響[15-16,26-28]，大時(shí)間尺度土壤因子可以估算植物的耗水量[13]。目前，關(guān)于檉柳樹(shù)干液流的研究較多，大部分研究集中在檉柳液流速率對(duì)氣象因子的響應(yīng)[11,29-32]、檉柳液流速率與同化枝直徑的關(guān)系[31]、檉柳液流速率的變化規(guī)律[33]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】檉柳樹(shù)干液流與環(huán)境因子關(guān)系的研究主要集中于小時(shí)尺度，有關(guān)日、月尺度下的研究相對(duì)較少，尤其在干旱半干旱地區(qū)液流速率對(duì)環(huán)境變化較為敏感[10]，可以為準(zhǔn)確估算耗水量提供依據(jù)，但土壤含水量、土壤溫度與液流速率的關(guān)系大多都沒(méi)有分層進(jìn)行詳細(xì)分析，且沒(méi)有深入研究不同層次土壤水分及土壤溫度能夠解釋多少的樹(shù)干液流變化，不同層次土壤溫度及土壤含水量對(duì)液流的影響鮮有報(bào)道。尤其是對(duì)于我國(guó)檉柳第3大分布區(qū)的敦煌地區(qū)，一直未見(jiàn)報(bào)道。需研究樹(shù)干液流與土壤因子間是否存在時(shí)間尺度差異?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】分析土壤因子對(duì)庫(kù)姆塔格沙漠東南部檉柳液流速率在小時(shí)、日、月尺度下的差異，找出影響檉柳樹(shù)干液流的主要土壤因子，建立不同時(shí)間尺度上液流速率與土壤因子之間的回歸方程。研究在不同時(shí)間尺度上通過(guò)土壤因子估算檉柳樹(shù)干液流速率的可行性，為該地區(qū)檉柳生理特性的研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

崔木土溝全長(zhǎng)約140 km，崔木土溝徑流的補(bǔ)給主要包括降水、出露泉水、冰雪融水。大龍溝、紅柳溝、七里溝、柳城子溝是崔木土溝上游的主要支流[34-35]。胡楊(Populuseuphratica)、檉柳(TamarixchinensisLour.)、紅砂(Reaumuriasongarica)是研究區(qū)主要物種。研究站點(diǎn)位于崔木土溝，溝道內(nèi)有出露泉水補(bǔ)給，土壤類(lèi)型以棕漠土為主，主要分布在山前洪積扇內(nèi)，其次灰棕漠土、風(fēng)沙土、內(nèi)陸鹽土也有分布。崔木土溝上游山區(qū)多年平均降水量為215.5 mm，年蒸發(fā)量在2 500 mm左右，多年平均氣溫3.9℃；下游多年平均降水量39.9 mm，蒸發(fā)量2 486 mm，多年平均氣溫9.4℃[17]。

選取檉柳平均樹(shù)高為351.8 cm，平均冠幅為552.8 cm×547.4 cm。選5棵檉柳為樣本。數(shù)據(jù)采集開(kāi)始時(shí)間為2018年5月1日，結(jié)束時(shí)間為2018年9月30日。表1

表1 檉柳形態(tài)參數(shù)

1.2 方 法

1.2.1 測(cè)定指標(biāo)

采用Plant Sensors PS-TDP8 樹(shù)木莖流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(澳大利亞)測(cè)定樹(shù)干液流的流速，所有的探針均安裝在樹(shù)干北側(cè)，探針距地面50 cm。用泡沫軟塑料包裹探針，再包上錫紙和塑料紙[36]。探針安裝參照PS-TDP8莖流系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)，數(shù)據(jù)采集儀是CR300S，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為10 min。

土壤含水量(SW)及土壤溫度(ST)的測(cè)定采用5TM土壤溫度與濕度傳感器(Decagon公司)，數(shù)據(jù)采集器采用Em50，探頭安裝土層深度為20、50、100、150和200 cm。不同土層土壤含水量表示為SWC20cm，SWC50cm，SWC100cm，SWC150cm，SWC200cm，不同土層土壤溫度表示為T(mén)s20cm，Ts50cm，Ts100cm，Ts150cm，Ts200cm。每棵檉柳距樹(shù)干1 m處安裝2套，5棵共安裝10套。采用烘干法校正。

1.2.2 液流速率

液流速率計(jì)算公式[36]：

(1)

其中，Vs為樹(shù)干邊材液流速率(cm/h)，△Tm為 24 h 內(nèi)最大探針溫差值，△T為兩探針間的瞬時(shí)溫差值，△T由TDP 兩探針?biāo)敵龅碾妷翰畛越?jīng)驗(yàn)常數(shù)0.04所得。

1.3 數(shù)據(jù)處理

液流數(shù)據(jù)基于零基準(zhǔn)面校準(zhǔn)。采用Excel軟件對(duì)液流速率與土壤因子進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，檉柳日均值采用算術(shù)平均，每個(gè)月選擇連續(xù)的6 d數(shù)據(jù)比較小時(shí)尺度上的液流速率與土壤含水量、土壤溫度的變化。以土壤因子為自變量，進(jìn)行多元線(xiàn)性逐步回歸。采用5～9月液流速率、土壤含水量、土壤溫度的月均值數(shù)據(jù)進(jìn)行月尺度多元線(xiàn)性回歸，采用5～9月液流速率、土壤含水量、土壤溫度日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行日尺度多元線(xiàn)性回歸，采用5～9月液流速率、土壤含水量、土壤溫度的小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行小時(shí)尺度多元線(xiàn)性回歸。采用SPSS 17.0軟件的回歸分析對(duì)液流速率與土壤因子逐步回歸進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 檉柳液流速率及土壤因子的月均值變化

研究表明，檉柳液流速率6月最大，9月最小，土壤含水量、土壤溫度月均值呈先增加后減小趨勢(shì)，7月最大，5月最小。同一月份不同層次變化規(guī)律相同，均為150 cm﹥200 cm﹥100 cm﹥50 cm﹥20 cm。同一層次不同月份變化趨勢(shì)不同，20、50和100 cm層土壤含水量均為7月最大，9月最小，150、200 cm層8月最大，5月最小。同一層次不同月份土壤溫度變化趨勢(shì)不同，20 cm層7月土壤溫度最高，9月最低，50cm層土壤溫度7月最高，5月最低，100、150 cm層均為8月最高，5月最低，200 cm層為9月最高，5月最低。同一月份不同層次變化規(guī)律不同，5月、6月、7月、8月均為20 cm層土壤溫度最高，分別為24.45、31.7、33.24和30.98℃，200 cm層最低，9月為100 cm最高，200 cm最低。圖1

圖1 液流速率與土壤含水量、土壤溫度月均值變化

2.2 檉柳液流及土壤因子的日均值變化

研究表明，檉柳液流速率、土壤含水量、土壤溫度隨著時(shí)間的變化呈先增加后減小的趨勢(shì)。6月檉柳平均液流速率最大，其次為7月，9月平均液流速率最小。6月17日的日平均液流速率最高，為4.640 cm/h，最小日平均液流速率發(fā)生在9月30日，為1.937 cm/h，整個(gè)觀(guān)測(cè)期間日平均液流速率為3.476 cm/h。降雨時(shí)液流速率有明顯的降低，而降雨后液流速率快速升高。150 cm層土壤含水量最高，其次為200 cm層，20 cm層土壤含水量最小，20 cm層土壤含水量波動(dòng)較大，200 cm層波動(dòng)較小。8月平均土壤含水量最高，5月土壤含水量最小。20 cm層、50 cm層土壤溫度波動(dòng)較大，150 cm層、200 cm層土壤溫度波動(dòng)較小，不同土層深度土壤溫度大小順序?yàn)?0 cm﹥50 cm﹥100 cm﹥150 cm﹥200 cm。圖2

圖2 液流速率與土壤含水量、土壤溫度日均值變化

2.3 檉柳液流及土壤因子小時(shí)尺度上變化

研究表明，檉柳液流日變化趨勢(shì)一致，晝夜變化規(guī)律明顯。白天液流速率高于夜間，夜間液流速率較低且變化幅度小，夜間存在微弱液流。150 cm層土壤含水量最高，其次為200 cm層，20 cm層土壤含水量最小，20 cm層土壤含水量波動(dòng)較大。8月平均土壤含水量最高，5月土壤含水量最小。20 cm層、50 cm層土壤溫度波動(dòng)較大，150 cm層、200 cm層土壤溫度波動(dòng)較小，不同土層深度土壤溫度大小順序?yàn)?0 cm﹥50 cm﹥100 cm﹥150 cm﹥200 cm。圖3

圖3 小時(shí)尺度上液流速率與土壤含水量、土壤溫度變化

2.4 不同時(shí)間尺度檉柳液流與土壤因子的回歸模型

研究表明，月尺度下，進(jìn)入的因子只有Ts20cm，與Ts20cm呈正相關(guān)，可以解釋液流速率變化的91.7%，說(shuō)明在月尺度上檉柳液流速率受20 cm層土壤溫度影響最大。日尺度下，進(jìn)入的因子依次為T(mén)s20cm、Ts200cm、SWC50cm、SWC150cm、SWC20cm，Ts20cm，可以單獨(dú)解釋液流速率變化的72.1%，5個(gè)因子共同可以解釋82.9%的液流速率變化，日尺度上對(duì)檉柳液流速率影響最大的是Ts20cm。液流速率與Ts20cm、SWC150cm呈正相關(guān)，與Ts200cm、SWC50cm、SWC20cm呈負(fù)相關(guān)。小時(shí)尺度下，進(jìn)入的因子依次為T(mén)s20cm、SWC200cm、Ts150cm、SWC50cm、Ts100cm、 Ts200cm，小時(shí)尺度上對(duì)液流影響最大的是Ts20cm，第二進(jìn)入因子是SWC200cm，Ts20cm可以解釋液流速率變化的37.6%，6個(gè)因子共同可以解釋55.9%的液流速率變化，后續(xù)進(jìn)入因子解釋量越來(lái)越小。液流速率與Ts20cm、Ts150cm、Ts100cm、Ts150cm呈正相關(guān)，與SWC200cm、SWC50cm呈負(fù)相關(guān)。

隨著時(shí)間尺度的增大，與檉柳樹(shù)干液流顯著相關(guān)的土壤因子個(gè)數(shù)有減少的趨勢(shì)，而對(duì)其解釋程度則有增加的趨勢(shì)，通過(guò)土壤含水量、土壤溫度模擬計(jì)算小時(shí)尺度檉柳液流速率需要的參數(shù)較多，而預(yù)測(cè)檉柳月尺度液流速率需要的參數(shù)最少，預(yù)測(cè)月尺度的可靠性最大，達(dá)到了91.7%。月尺度預(yù)測(cè)較為合適。表2

表2 月、日、小時(shí)尺度下液流速率與土壤因子多元線(xiàn)性回歸

3 討 論

檉柳液流速率晝夜變化明顯，夜間的變化幅度小于白天，由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，氣溫相對(duì)較高，夜間氣溫相對(duì)較低，白天強(qiáng)烈的蒸騰作用使檉柳處于水分失衡狀態(tài)，夜間需要通過(guò)根系吸水來(lái)補(bǔ)充水分，以保證正常生理活動(dòng)[37]。李浩等[36]研究表明，在夏季，植物為了適應(yīng)高溫與干旱環(huán)境，為了補(bǔ)充水分，夜間樹(shù)干保持一定液流來(lái)維持正常生理活動(dòng)。研究中，夜間檉柳維持著一定的液流速率，與李雙等[29]、楊文新等[3]等的研究結(jié)果一致。檉柳夜間液流速率較高，這是由于干旱區(qū)植物存在強(qiáng)烈的蒸騰作用，植物體經(jīng)常在過(guò)度失水的條件下，需要補(bǔ)充大量的水分，而夜間，植物通過(guò)保持一定的液流速率來(lái)補(bǔ)充白天的過(guò)度失水，檉柳耐旱性得到提高。

影響植物液流速率的環(huán)境因子主要有太陽(yáng)總輻射、空氣相對(duì)濕度、土壤含水量、空氣溫度[38-40]。大量文獻(xiàn)表明樹(shù)木的生物學(xué)結(jié)構(gòu)、土壤供水是影響液流速率變化的主要因素，而周?chē)鷼庀笠蜃右矔?huì)制約液流速率，液流總體水平是由土壤供水決定，液流的潛在能力是由生物學(xué)結(jié)構(gòu)決定，液流的瞬間變化是由氣象因素決定[41-43]。研究表明，在一定干旱脅迫下，土壤含水量將是檉柳耗水的主要限制因子，土壤水分是林下植被和林分生存的重要條件[44]，降水是土壤水分的主要補(bǔ)給，土壤水分是檉柳進(jìn)行光合作用及蒸騰作用的主要來(lái)源，而庫(kù)姆塔格沙漠是極干旱區(qū)，檉柳需要吸收地下水來(lái)維持自身正常的生命活動(dòng)。土壤含水量與檉柳液流存在緊密的聯(lián)系，是影響檉柳液流的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)土壤因子對(duì)檉柳的液流影響存在時(shí)間尺度上的差異，月尺度下，進(jìn)入的因子只有Ts20cm，單獨(dú)可以解釋液流速率變化的91.7%。研究結(jié)果與任啟文等[15]的結(jié)果一致，他認(rèn)為月尺度下影響樹(shù)干液流速率變化的最大的是20 cm處土壤溫度(Ts20cm)。日尺度下，進(jìn)入的土壤因子依次為T(mén)s20cm、Ts200cm、SWC50cm、SWC150cm、SWC20cm，日尺度下對(duì)檉柳液流速率影響最大的是Ts20cm。劉鑫[45]認(rèn)為土壤溫度是影響杉木日均液流速率的重要環(huán)境因子。郝少榮等[13]研究表明土壤溫度、空氣溫度和太陽(yáng)輻射在日尺度下對(duì)液流變化影響最大，與研究結(jié)果一致，日尺度下土壤溫度對(duì)液流速率影響最大。研究發(fā)現(xiàn)，小時(shí)尺度上對(duì)液流影響最大的也是Ts20cm，第二進(jìn)入因子是SWC200cm。趙天宇等[27]研究表明影響液流速率的主要環(huán)境因素具有時(shí)間尺度差異，小時(shí)尺度下，相關(guān)性較大的環(huán)境因子主要是空氣溫度、10 cm深處的土壤溫度。姚依強(qiáng)等[14]研究結(jié)果顯示，小時(shí)尺度下VPD、土壤溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和空氣相對(duì)濕度對(duì)液流速率起關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間尺度的增大，與樹(shù)干液流顯著相關(guān)的氣象因子個(gè)數(shù)有減少的趨勢(shì)，而對(duì)其解釋程度則有增加的趨勢(shì)，此結(jié)果與吳鵬等[16]研究結(jié)果一致。

不同時(shí)間尺度20 cm處土壤溫度是影響檉柳液流的主要土壤因子。郝少榮等[13]研究表明，30 cm處土壤溫度能解釋沙柳液流87.9%的變化，喬木相比灌木，其主要吸水根系對(duì)土壤溫度變化的分辨率較高，因?yàn)橥寥罍囟葧?huì)直接影響植被的根系活性，根細(xì)胞的呼吸作用、根壓及原生質(zhì)粘度隨溫度變化而變化，進(jìn)而影響根部吸水及水分的通過(guò)。土壤溫度影響植物根系的吸水，液流速率受根系吸水限制。土壤溫度增加，植物根系吸水能力增加，根系周?chē)寥浪逐ば詼p小，根部的酶活性提高，根系吸水能力增加，液流速率也增加[46]。

4 結(jié) 論

4.1月尺度下，進(jìn)入的因子只有Ts20cm，可以解釋液流速率變化的91.7%，說(shuō)明在月尺度上檉柳液流速率受20 cm層土壤溫度影響最大。日尺度下，Ts20 cm可以單獨(dú)解釋液流速率變化的72.1%，日尺度上對(duì)檉柳液流速率影響最大的是Ts20 cm。小時(shí)尺度下，Ts20 cm可以解釋液流速率變化的37.6%，對(duì)液流影響最大的是Ts20 cm。不同尺度下， 20 cm 層土壤溫度對(duì)檉柳液流速率變化影響最大，隨著時(shí)間尺度的擴(kuò)大，與檉柳樹(shù)干液流顯著相關(guān)的土壤因子個(gè)數(shù)有減少的趨勢(shì)，而對(duì)其解釋程度則有增加的趨勢(shì)。

4.2土壤因子模擬計(jì)算小時(shí)尺度檉柳液流速率需要的參數(shù)較多，預(yù)測(cè)月尺度液流速率需要的參數(shù)最少，可靠性最大，達(dá)到了91.7%。能夠較好地解釋檉柳液流速率變化，月尺度預(yù)測(cè)檉柳液流速率更加準(zhǔn)確。