寧夏河?xùn)|沙區(qū)絲棉木樹干液流晝夜變化及其受氣象因子的影響1)

彭苓 韓磊 韓永貴 柳利利

(寧夏大學(xué)，銀川，750021)

樹干液流可反映樹木體內(nèi)的水分傳輸狀況，是土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)水流路徑中的一個(gè)關(guān)鍵鏈接，是研究樹木耗水特性和水分傳輸機(jī)制的重要指標(biāo)[1]，樹干液流有99.8%以上消耗于蒸騰[2]。大多數(shù)研究者針對樹干液流的研究集中在白天，而針對夜間液流的研究較少[3-4]，夜間液流不僅可以補(bǔ)充因白天蒸騰造成的水分虧缺[5]，還能為樹木器官間呼吸提供氧的傳遞機(jī)制，維持樹木體內(nèi)水分平衡[6]。太陽輻射直接影響植物的光合作用，太陽輻射強(qiáng)度增加，光合作用及蒸騰速率增加[7]，莖干液流速率增加，氣溫是通過影響植物的生理活動(dòng)和植物葉面溫度來影響蒸騰，進(jìn)而影響樹干液流，植物通過加強(qiáng)蒸騰作用來降低葉面溫度，以免高溫灼傷，當(dāng)空氣干燥時(shí)，相對濕度較低，使得空氣水汽壓差變大，水分更容易從植物體散失[8]。溫淑紅等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)，林木夜間液流主要受風(fēng)速影響，而孔喆[10]的研究發(fā)現(xiàn)夜間液流受飽和水汽壓差影響較大，風(fēng)速則抑制夜間液流速率。隨著沙地植被的恢復(fù)和重建，防護(hù)林蒸騰耗水的研究越來越被廣泛關(guān)注。

寧夏河?xùn)|沙區(qū)位于毛烏素沙地西南緣，鄂爾多斯臺(tái)地東北部，西臨黃河，南靠黃土高原[11]，在空間上是我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)最具有過渡性地域特征的沙地[12]，該區(qū)域氣候干旱，生態(tài)脆弱，營建防護(hù)林是最主要的防風(fēng)固沙措施，但受傳統(tǒng)造林理論的局限，隨著林木的逐年生長，林水矛盾日益突出，林地退化問題嚴(yán)重[13]。絲棉木(EuonymusbungeanusMaxim.)抗性強(qiáng)[14]，尤其抗鹽堿、干旱能力較強(qiáng)，在干旱半干旱缺水地區(qū)和鹽堿地造林中廣泛應(yīng)用[15]。而對絲綿木的研究，多以藥用價(jià)值、育苗栽培、光合生理特性為主[16-18]，對絲綿木的蒸騰耗水特性鮮有研究。為了解寧夏河?xùn)|沙區(qū)典型防護(hù)林樹種蒸騰耗水特征，本文以寧夏河?xùn)|沙區(qū)主要造林樹種絲綿木作為研究對象，采用熱擴(kuò)散莖流計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測林木樹干液流，分析樹干液流晝夜變化特征及其影響因素，為揭示林木蒸騰耗水調(diào)控機(jī)理提供依據(jù)，同時(shí)為干旱沙區(qū)防護(hù)林結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)靈武市白芨灘國家級自然保護(hù)區(qū)(105.59°～106.37°E，37.60°～38.01°N)，地處毛烏素沙地西南緣，屬典型的大陸性干旱氣候，氣候特征表現(xiàn)為太陽輻射強(qiáng)、日照充足，降水少、蒸發(fā)強(qiáng)烈。其多年平均氣溫為8.8 ℃，年日照時(shí)間為3 080.2 h，年均降水量為209.7 mm，年均蒸發(fā)量為1 800 mm。降雨主要集中在6—9月，約占年均降水量的72.4%，降水時(shí)空分布不均勻。氣候干旱，植被類型單一，以荒漠草原植被為主[19]，防護(hù)林樹種主要有絲綿木、刺槐(Robiniapseudoacacia)、新疆楊(Populusbolleana)等。

2 材料與方法

2.1 樹干液流測定

選取4株生長發(fā)育良好、無病蟲害的絲綿木作為研究對象。采用熱擴(kuò)散式莖流計(jì)(SF-L，Ecomatic Ltd.，German)對生長狀況基本一致的絲綿木進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，莖流計(jì)外接太陽能板和12 V膠體電池保證24 h不間斷供電。傳感器分別由2根直徑1.5 mm、長35 mm探針組成。為避免陽光直射引起熱效應(yīng)[20]，探針安裝在樹干北部1.3 m高處，并外裹鋁箔。數(shù)據(jù)采集器(CR-1000，Campbell Scientific Co.Ltd.，USA)與氣象數(shù)據(jù)同步，采用Vantage Pro 2自動(dòng)氣象站(Davis Inc.，USA)每隔15 min自動(dòng)記錄1次數(shù)據(jù)，使用生長錐確定樣木邊材斷面積。

根據(jù)Granier[20]建立的熱擴(kuò)散探針上下探針的溫度差與樹干液流密切相關(guān)的原理,利用兩者關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式將溫度差轉(zhuǎn)換為樹干液流：

(1)

式中：Js為單株樣木液流密度(g·cm-2·s-1)；ΔT是加熱探針和數(shù)據(jù)傳感探針之間的瞬時(shí)溫差(℃)；ΔTmax為1 d中最大的溫度差值(℃)。

表1 樣樹基本信息

2.2 環(huán)境因子

選擇林內(nèi)空曠的平地，在樣地周邊安裝自動(dòng)氣象監(jiān)測站，采用美國Vantage Pro 2自動(dòng)氣象站，每15 min記錄1次太陽輻射(Rs，W·m-2)、氣溫(Ta，℃)、相對濕度(Rh，%)、風(fēng)速(W，m·s-1)、降水量(P，mm)等氣象數(shù)據(jù)，并在試驗(yàn)地布設(shè)雨量筒測定區(qū)域降雨量，檢驗(yàn)自動(dòng)氣象站降雨數(shù)據(jù)。飽和水汽壓(Vpd，kPa)采用大氣溫度和相對濕度實(shí)測值進(jìn)行計(jì)算[21]，計(jì)算公式如下：

(2)

采用時(shí)域反射儀(TDR)每隔7 d測定絲綿木林地土壤含水量，通過烘干法進(jìn)行檢驗(yàn)，每隔10 cm進(jìn)行1次取樣，直到100 cm深度。平均土壤含水量為各層含水量的土層厚度加權(quán)平均值。

(3)

式中:Swc為土壤含水率(%)，m0為烘盒質(zhì)量(g),m2為烘前土樣和烘盒質(zhì)量(g)，m1為烘后土樣和烘盒質(zhì)量(g)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

以太陽輻射≤5 W·m-2對連續(xù)觀測的絲綿木樹干液流數(shù)據(jù)進(jìn)行晝夜區(qū)分[22]， 從20:00—06:00為夜間，06:00—20:00為日間，分析絲綿木樹干液流的晝夜變化規(guī)律，通過氣象數(shù)據(jù)篩選典型晴天進(jìn)行相關(guān)性研究。采用SPSS21.0對液流密度進(jìn)行方差分析，并對樹干液流密度與各環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析；利用Orgin2018進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境因子變化特征

絲綿木樹干液流密度與生長季(5—9月)各氣象因子變化情況如圖1所示。研究期內(nèi)，氣象因子季節(jié)變化較大，降水集中在6和8月，晴天時(shí)間多，溫濕度季節(jié)變化明顯，液流密度季節(jié)性差異大。5、7和9月土壤含水率保持較為穩(wěn)定，6、8月降水量較多，土壤含水率較高，各月平均土壤含水率由大到小依次為6月、8月、7月、5月、9月(表2)。

圖1 絲綿木樹干液流密度與生長季(5—9月)各氣象因子變化情況

表2 不同深度土壤含水率

3.2 樹干液流變化特征

絲綿木樣木液流密度隨太陽輻射變化而變化，樹干液流的日變化呈典型的單峰曲線(圖2)，樹干液流密度隨著太陽輻射的升高而上升，12:00—13:00處達(dá)到峰值，之后隨太陽輻射減小溫度降低而逐步降低，并在20:00后逐步達(dá)到較低水平。此外，液流密度與太陽輻射變化存在時(shí)滯，約30 min。絲綿木前半夜的液流密度普遍高于后半夜(圖3)，說明夜間液流的變化主要存在前半夜。受太陽輻射驅(qū)動(dòng)，樹干液流于清晨06:00左右啟動(dòng)。從表3可知，7月絲綿木液流量最高，6月最低，從液流總量來看，6月與其他各月具有顯著差異，而夜間液流量由大到小表現(xiàn)為8月、6月、7月、5月、9月，其中8月與5、6、7、9月具有明顯差異；各月夜間液流占整日液流比例，由大到小分別為6月、8月、5月、9月、7月，土壤含水率增加夜間液流所占比例增加，夜間液流占整日液流量最高比例可達(dá)22.43%，因此，夜間液流是林木液流活動(dòng)的重要組成部分，在研究中不可忽視。

圖2 絲綿木液流密度與太陽輻射變化

圖3 絲綿木夜間液流密度均值變化

表3 絲綿木各月液流量變化

3.3 環(huán)境因子對樹干液流的影響

3.3.1 晝夜液流與環(huán)境因子的關(guān)系

如表4所示，為絲綿木晝夜液流密度與氣象因子的Pearson相關(guān)分析，日間液流密度與Rs、Ta、Rh、Vpd均表現(xiàn)極顯著相關(guān)性，而夜間液流密度僅與Ta存在極顯著相關(guān)，說明影響日間液流的主要因素是Rs、Ta、Rh、Vpd，夜間液流受Ta的影響較大。

表4 絲綿木晝夜液流密度與氣象因子的Pearson關(guān)系

3.3.2 日間液流對環(huán)境因子的響應(yīng)

如圖4、圖5所示，絲綿木日間液流密度與Rs和Vpd關(guān)系，Rs和Vpd呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。Rs增大，液流密度隨之增大，增速隨Rs增加而減?。灰毫髅芏入SVpd增大而增大，并在1.7 kPa左右達(dá)到峰值，超過1.7 kPa時(shí)，液流密度回落并趨于穩(wěn)定。

圖4 絲綿木日間液流密度與Rs的關(guān)系

圖5 絲綿木日間液流密度與Vpd的關(guān)系

3.3.3 夜間液流對環(huán)境因子的響應(yīng)

在夜間影響因素中，根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)的最優(yōu)相關(guān)結(jié)果，選擇Ta按1 ℃一個(gè)組別，分別對夜間液流進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示，不同Ta組別下，夜間液流的總體均值顯著地不同，說明在不同溫度水平下，夜間液流具有明顯差異；從圖6可以看出，夜間液流與Ta呈現(xiàn)明顯正相關(guān)關(guān)系，夜間液流隨溫度升高而增大。

表5 夜間液流密度與Ta的方差分析

圖6 夜間液流與Ta的關(guān)系

4 結(jié)論與討論

樹干液流是研究樹木蒸騰過程、水分狀況及估算單株耗水量的有力工具[23]，樹干液流受大氣環(huán)境因素、生理生化特征、土壤水分環(huán)境等因素影響，呈現(xiàn)不同的晝夜變化節(jié)律。生長季絲綿木樹干液流液在白天和夜間表現(xiàn)出較大的差別，白天液流速率呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，夜間液流表現(xiàn)為前半夜較后半夜活躍，前半夜液流速率呈明顯的下降趨勢，后半夜則趨于平穩(wěn)并在黎明前(06:00)開始啟動(dòng)。此外，樹干液流啟動(dòng)時(shí)間與大氣環(huán)境因子存在時(shí)滯效應(yīng)[24-25]，本研究發(fā)現(xiàn)，絲綿木樹干液流啟動(dòng)時(shí)間、峰值時(shí)間與太陽輻射存在時(shí)滯現(xiàn)象，約30 min。謝恒星等[26]研究發(fā)現(xiàn)，槐樹樹干液流較太陽總輻射和光合有效輻射滯后10 min，較風(fēng)速滯后20 min，王華等[27]在研究北京常見樹種生長季時(shí)滯效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，樹干液流的變化與太陽輻射和飽和水汽壓差顯著相關(guān)且樹干液流均滯后于太陽輻射、提前于飽和水汽壓差，時(shí)滯時(shí)間在10～70 min；田原等[28]發(fā)現(xiàn)興安落葉松(Larixgmelini)的樹干液流與太陽輻射存在140～150 min滯后；而李雯雯等[29]研究結(jié)果表明，日尺度液流變化與環(huán)境因子的響應(yīng)不存在時(shí)滯情況。王慧梅等[30]認(rèn)為，液流時(shí)滯產(chǎn)生原因是當(dāng)前樹干液流密度的高低并不是由當(dāng)前環(huán)境因子所直接決定，很可能受之前的環(huán)境因子或現(xiàn)存環(huán)境因子對之后的樹干液流密度的明顯影響，某一時(shí)刻的樹干液流是受之前環(huán)境因子的相互影響，從而產(chǎn)生時(shí)滯現(xiàn)象，不同樹種對環(huán)境因子變化的響應(yīng)方式上的差異直接導(dǎo)致了液流速率格局的差異[31]。

絲綿木樹干液流晝夜差異顯著，日間液流是夜間液流的3～9倍，夜間液流占全天液流量的10%～22%，夜間液流不可忽視。張婕等[4]在研究北京山區(qū)元寶楓夜間液流活動(dòng)特征及影響中發(fā)現(xiàn)，夜間液流月平均貢獻(xiàn)率為12%，趙春彥等[1]則發(fā)現(xiàn)胡楊(Populuseuphratica)夜間液流占整日累計(jì)液流量的比例為26.2%～45.7%。在某些特定環(huán)境下，夜間液流所占的比例甚至更高[32]。越來越多研究表明，夜間液流一部分用于夜間蒸騰，一些植物不僅在白天維持著較高的蒸騰作用，在夜晚也保持著較高的氣孔導(dǎo)度和氣孔蒸騰[33]；也有研究認(rèn)為，林木夜間液流用于補(bǔ)充木質(zhì)部白天蒸騰引起的木質(zhì)部水分虧缺，這主要是由于樹木存在的水容調(diào)節(jié)能力，使樹體能夠在夜間補(bǔ)充白天的蒸騰失水，避免樹木體內(nèi)產(chǎn)生氣穴和栓塞[34]。此外，絲綿木夜間液流季節(jié)差異明顯，由大到下依次為6月、8月、7月、5月、9月，絲綿木作為直根系樹種[35]，對水分敏感性強(qiáng)，在土壤含水率較高的月份(6月)，有利于植物通過夜間液流補(bǔ)給日間耗水。

環(huán)境因子雖對樹木的樹干液流有著極其重要的影響，但樹種差異性同樣是液流變化不可忽視的重要因子之一[36]。李雙等[37]對干旱區(qū)雨養(yǎng)多枝檉柳(Tamarixramosissima)液流對環(huán)境因子的響應(yīng)研究表明，太陽輻射是影響檉柳白天液流速率的主導(dǎo)因子，溫淑紅等[9]則發(fā)現(xiàn)太陽輻射和氣溫對山桃(Amygdalusdavidiana)樹干液流的影響較大，其次是空氣相對濕度和風(fēng)速。本研究發(fā)現(xiàn)絲綿木日間樹干液流與太陽輻射、溫度、飽和水汽壓差呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與大氣相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。太陽輻射作為蒸騰作用的主要驅(qū)動(dòng)力，決定植物葉片氣孔的張開程度，無論在何種時(shí)間尺度上，太陽輻射和大氣溫度都是影響樹干液流的主要環(huán)境因子[38-39]。王志超等[40]研究得出尾葉桉(Eucalyptusurophylla)無論是旱季還是雨季，其夜間液流密度均與夜間飽和水汽壓差呈極顯著正相關(guān)，而王艷兵等[41]發(fā)現(xiàn)華北落葉松夜間樹干液流與飽和水汽壓差并不相關(guān)。本研究結(jié)果表明，絲綿木夜間液流密度與大氣溫度具有顯著的相關(guān)性，夜間液流隨溫度升高而升高，在不同溫度水平下具有顯著差異。在氣候變化背景下，夜間溫度、降雨量等環(huán)境條件的變化將會(huì)影響到夜間液流過程以及夜間液流在蒸騰與莖干儲(chǔ)水間的分配[32]，使得植物蒸騰對水量平衡影響的不確定性也更大。地區(qū)和樹種對樹干液流分布規(guī)律及其與氣象因子的關(guān)系影響很大[42]，系統(tǒng)研究氣象因子與樹干液流的關(guān)系對于量化林木蒸騰耗水、闡釋林木蒸騰調(diào)控機(jī)制意義重大。