銀川市5種典型城市樹(shù)木蒸騰耗水特性及其受主要?dú)庀篁?qū)動(dòng)力的影響1)

李少然 王冕之 宋碩 賈黎明張強(qiáng)華

(省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)(銀川市中山公園)

城市森林具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等效益[1]。城市樹(shù)種的蒸騰作用是城市森林生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)過(guò)程，參與了吸收二氧化碳、改善微氣候、緩解城市熱島效應(yīng)等多種生態(tài)過(guò)程[2-4]。不同于自然演化的林分，城市森林中的樹(shù)種組成可能包括世界不同地區(qū)的栽培品種[5]，擁有不同的蒸騰特性、水力傳導(dǎo)率和對(duì)不同特定環(huán)境區(qū)域氣象因子的適應(yīng)性[6-8]。已有較多研究成果，從不同時(shí)段[9]、不同時(shí)間尺度[10]、不同地點(diǎn)[5]等角度分析了部分城市樹(shù)種的水力學(xué)特征，揭示了太陽(yáng)輻射和飽和水汽壓差對(duì)液流速率的驅(qū)動(dòng)作用。這些研究，為城市綠化節(jié)水型樹(shù)種的選擇和認(rèn)識(shí)城市樹(shù)木水分生理生態(tài)特征提供了參考，對(duì)城市森林科學(xué)水分管理具有重要意義[1，11]。

西北干旱區(qū)域水資源短缺、生態(tài)較脆弱[12]，這些區(qū)域的城市公園森林的水分供給大多來(lái)自于人為灌溉。由于植物的異質(zhì)性，使得城市森林存在自身耗水量不均衡、水資源利用效率低等問(wèn)題[5]。寧夏沿黃河城市帶屬于資源型缺水地區(qū)，城市森林生態(tài)環(huán)境壓力較大，對(duì)水資源利用效率要求較高。針對(duì)寧夏半干旱區(qū)域水資源缺乏現(xiàn)狀，了解寧夏城市公園樹(shù)種的水力學(xué)特征，有助于合理配置城市森林樹(shù)種，進(jìn)而促進(jìn)城市森林的可持續(xù)發(fā)展[9]。但是，關(guān)于對(duì)寧夏城市公園樹(shù)種的蒸騰耗水特征及其與氣象驅(qū)動(dòng)因子關(guān)系的研究較少。

為此，本研究在銀川市“中山公園和森林公園”試驗(yàn)區(qū)域(樣地區(qū)域)，選擇檉柳(Tamarixchinensis)、臭椿(Ailanthusaltissima)、垂柳(Salixbabylonica)、金葉榆(Ulmuspumila)和側(cè)柏(Platycladusorientalis)5種典型城市樹(shù)木為樣木；應(yīng)用熱擴(kuò)散液流探針測(cè)定樹(shù)干液流速率、在中山公園設(shè)置自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象因子(太陽(yáng)總輻射、空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、降雨量)。以日均液流速率、日均耗水量、太陽(yáng)總輻射、飽和水汽壓差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同樹(shù)種間日均耗水的差異性；構(gòu)建液流速率與太陽(yáng)總輻射、飽和水汽壓差之間的回歸模型，評(píng)價(jià)總輻射、飽和水汽壓差對(duì)液流速率的影響；分析銀川市典型城市樹(shù)木蒸騰耗水特性及其受主要?dú)庀篁?qū)動(dòng)力的影響。旨在為寧夏沿黃河城市帶建立城市森林可持續(xù)的水資源管理方式提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

研究地區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)銀川市中山公園和森林公園(37°29′～38°53′N，105°49′～106°53′E，海拔1 010～1 150 m)。該地區(qū)屬于典型的半干旱大陸性氣候，年平均氣溫8.5 ℃，年日照時(shí)間為2 800～3 000 h，年平均降水量200 mm左右，無(wú)霜期185 d左右。森林公園和中山公園試驗(yàn)區(qū)域的樣地管護(hù)水平高，生長(zhǎng)季內(nèi)定期進(jìn)行常規(guī)施肥、補(bǔ)種草和人工除草，樣地區(qū)域水分供應(yīng)充足。在2021年生長(zhǎng)季內(nèi)，日降雨量先增后降，8月份為降雨高峰期，最高日降雨量可達(dá)50.1 mm；日均總輻射和日均空氣溫度也呈先增后降的趨勢(shì)，高峰期分別在6月份和7月份；日均空氣濕度呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。

2 材料與方法

樣木選擇(見(jiàn)表1)：在中山公園和森林公園，選擇檉柳(Tamarixchinensis)、臭椿(Ailanthusaltissima)、垂柳(Salixbabylonica)、金葉榆(Ulmuspumila)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)作為液流監(jiān)測(cè)樹(shù)種，樹(shù)種內(nèi)各樣樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)接近、生長(zhǎng)狀況良好。在生長(zhǎng)季前后各測(cè)定1次胸徑和樹(shù)高，采用胸徑尺測(cè)定胸徑，測(cè)定高度為1.3 m；樹(shù)高采用激光測(cè)高儀、測(cè)距儀測(cè)定。液流監(jiān)測(cè)時(shí)間為2021年6月23日—7月20日，詳見(jiàn)表1。

表1 樣木基本概況

樹(shù)干液流測(cè)定方法：采用依據(jù)熱擴(kuò)散技術(shù)的探針(TDP-30，TDP-50，時(shí)域通科技有限公司，北京，中國(guó))在每株樹(shù)樹(shù)干北側(cè)距離地表1.3 m的高度測(cè)定樹(shù)干液流速率(vd)。探針間距40 mm，使用手鉆在樹(shù)干距地面1.3 m處進(jìn)行打孔安裝。安裝后，在探針根部包裹密封膠泥封堵，外層附反光鋁箔紙進(jìn)行保溫與防水。試驗(yàn)期間，液流速率每30 s測(cè)定1次，然后每10 min取平均值并存入數(shù)據(jù)采集器(時(shí)域通科技有限公司，北京，中國(guó))。

液流速率(vd)和耗水量(V)計(jì)算方法：vd=0.011 9[(Δtm-Δt)/Δt]1.231、V=vd×As。式中，vd為液流速率(單位為cm·s-1)；Δt為加熱探針和受熱探針之間的溫差；Δtm為無(wú)液流條件時(shí)探針間的溫差，監(jiān)測(cè)期間每天計(jì)算1次；As為林木樹(shù)干邊材具有導(dǎo)水功能部分的截面面積(以下簡(jiǎn)稱邊材導(dǎo)水截面面積，單位為cm2)；V為耗水量。

檉柳邊材導(dǎo)水截面面積使用邊材導(dǎo)水截面面積和胸徑擬合公式獲取，其余樹(shù)種通過(guò)生長(zhǎng)錐對(duì)監(jiān)測(cè)樹(shù)種取樣獲取。檉柳胸徑與邊材導(dǎo)水截面面積擬合公式為[13]：S=0.236 6D1.5962；S為檉柳邊材導(dǎo)水截面面積(單位為cm2)，D為胸徑(單位為cm)。

氣象因子測(cè)定方法：在中山公園設(shè)置自動(dòng)氣象站(北京時(shí)域通科技有限公司，北京，中國(guó))實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象因子。測(cè)定的氣象指標(biāo)包括太陽(yáng)總輻射、空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、降雨量，數(shù)據(jù)每10 min記錄采集1次。飽和水汽壓差(DVP，單位為kPa)采用文獻(xiàn)[14]的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：DVP=0.611epx{[17.502Ta/(Ta+240.97)](1-HR)}；Ta為空氣溫度(單位為℃)，HR為空氣相對(duì)濕度(用百分比計(jì)，%)。

數(shù)據(jù)處理：使用SPSS 24.0進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，以確定不同樹(shù)種間日均耗水的差異顯著性(P<0.05)；采用Origin 2022建立液流速率與太陽(yáng)總輻射和飽和水汽壓差之間的回歸模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 5樹(shù)種日均液流速率及耗水特征

由圖1可見(jiàn)：各樹(shù)種日均液流速率均呈現(xiàn)“單峰型”。不同樹(shù)種液流啟動(dòng)時(shí)間不同(06:30—08:40)；其中：檉柳和金葉榆液流啟動(dòng)時(shí)間最早，分別為06:40、06:30；垂柳和側(cè)柏液流啟動(dòng)時(shí)間適中，分別為07:20、07:50；而臭椿液流啟動(dòng)時(shí)間最晚，為08:40。這與劉云潔等[15]研究結(jié)果不同，劉云潔等研究結(jié)果表明，臭椿在河北保定市不同水分條件時(shí)液流啟動(dòng)時(shí)間均為07:00左右；而郄怡彬等[16]研究結(jié)果表明，臭椿在北京市液流啟動(dòng)時(shí)間約為08:00[16]；這些研究結(jié)果說(shuō)明，臭椿液流啟動(dòng)時(shí)間在不同地區(qū)存在較大差異。不同樹(shù)種的液流高峰特征也存在較大差異；臭椿和金葉榆的液流高峰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，分別為6.50、8.17 h，液流高峰時(shí)段分別為10:30—17:00、09:20—17:30，液流高峰時(shí)段在上午和下午分布較為均衡；側(cè)柏的液流高峰時(shí)段主要分布在中午和下午，液流高峰時(shí)段為10:50—16:20，持續(xù)時(shí)間為5.50 h；垂柳的液流高峰時(shí)長(zhǎng)較短(4.67 h)，且液流高峰時(shí)段主要分布在下午(15:00—19:40)；檉柳的液流高峰時(shí)段最短(3.33 h)，其液流高峰時(shí)段僅在中午分布(11:20—14:40)。但是，黃雅茹等[17]研究結(jié)果認(rèn)為，檉柳存在明顯的液流“午休”現(xiàn)象，2個(gè)液流日高峰出現(xiàn)在約09:00和19:00；出現(xiàn)研究結(jié)果差異的原因是研究地環(huán)境不同，黃雅茹等研究的檉柳生長(zhǎng)于庫(kù)姆塔格沙漠，高溫、高日照、缺乏降雨(年平均降水量39.9 mm)等氣候原因?qū)е聶f柳出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，以減少植株水分流失。另外，趙自國(guó)等[18]研究結(jié)果認(rèn)為，檉柳“午休”現(xiàn)象隨著地下水礦化程度加深而更加明顯。這些研究結(jié)果說(shuō)明，檉柳的液流速率高峰特征易受環(huán)境影響。因此，臭椿和金葉榆為日均衡耗水型樹(shù)種，側(cè)柏和垂柳為下午耗水高峰型樹(shù)種，而檉柳為中午耗水高峰型樹(shù)種。

圖1 各樹(shù)種日均液流速率特征

由圖1可見(jiàn)：各樹(shù)種日均液流速率峰值也存在較大差異，日均液流速率峰值由大到小依次為側(cè)柏、金葉榆、垂柳、臭椿、檉柳。側(cè)柏的日均液流速率峰值最大，最高可達(dá)14.42×10-4cm·s-1；但韓磊等[19]在寧夏河?xùn)|區(qū)監(jiān)測(cè)側(cè)柏所得液流速率峰值略高于本研究結(jié)果，這主要是因?yàn)槠浔O(jiān)測(cè)時(shí)間為7—9月份，略晚于本研究監(jiān)測(cè)時(shí)期，更高的蒸騰氣候驅(qū)動(dòng)力是造成液流速率峰值存在差異的主要原因。本研究表明，檉柳的日均液流速率峰值最小，最高僅為2.05×10-4cm·s-1。但是，黃雅茹等[17，20]研究認(rèn)為，生長(zhǎng)于庫(kù)姆塔格沙漠的檉柳，在夏季出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象前，液流速率日峰值最高可達(dá)約19.44×10-4cm·s-1；而本研究的檉柳液流速率日峰值約為2.05×10-4cm·s-1；這一差異主要是庫(kù)姆塔格沙漠的蒸騰驅(qū)動(dòng)力高，對(duì)檉柳液流速率的促進(jìn)作用大引起的。此外，馬建新等[21]研究榆樹(shù)液流速率日峰值，高于本研究金葉榆液流速率日峰值，出現(xiàn)差異的主要原因是其試驗(yàn)樹(shù)胸徑(約15 cm)高于本研究所用金葉榆胸徑。

不同樹(shù)種日均耗水特征存在顯著差異，日均耗水量由大到小依次為垂柳((3.62±0.18)L·d-1)、側(cè)柏((3.01±0.08)L·d-1)、金葉榆((1.78±0.08)L·d-1)、臭椿((1.31±0.05)L·d-1)、檉柳((0.44±0.02)L·d-1)。垂柳是日均耗水量最大的樹(shù)種，顯著高于其他4個(gè)樹(shù)種。檉柳的日均耗水量最低，但其日均耗水量與臭椿和金葉榆沒(méi)有顯著差異。本研究臭椿和金葉榆日耗水量分別為(1.31±0.05)、(1.78±0.08)L·d-1；但是，劉云潔等[15]研究認(rèn)為，臭椿在飽和供水條件時(shí)日均耗水量可達(dá)約15L·d-1，遠(yuǎn)高于本研究臭椿日均耗水量。這一差異，主要由兩個(gè)原因?qū)е拢阂环矫?，劉云潔等[15]試驗(yàn)所用臭椿胸徑更大(約14 cm)，使得其擁有更多可供導(dǎo)水的邊材導(dǎo)水截面面積；另一方面，由于氣候條件的差異，其臭椿液流速率遠(yuǎn)高于本研究臭椿液流速率，在飽和供水條件下液流日速率峰值可達(dá)約40×10-4cm·s-1。整體看，垂柳和側(cè)柏的蒸騰耗水能力較強(qiáng)，臭椿和金葉榆蒸騰耗水能力適中，而檉柳蒸騰耗水能力較弱。

3.2 總輻射和飽和水汽壓差對(duì)液流速率的影響

由圖2可見(jiàn)：各樹(shù)種的液流速率與總輻射和飽和水汽壓差的回歸模型均達(dá)到極顯著水平，表明總輻射和飽和水汽壓差都極顯著影響了5個(gè)樹(shù)種的液流速率(P<0.01)。5個(gè)樹(shù)種的液流速率都呈現(xiàn)隨著總輻射的升高而快速升高，隨后逐漸平穩(wěn)甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。根據(jù)回歸模型，檉柳、臭椿、垂柳、金葉榆、側(cè)柏的液流速率隨總輻射升高而快速升高的閾值，分別為716、626、574、621、673 W·m-2；在達(dá)到閾值前，各樹(shù)種對(duì)太陽(yáng)輻射的敏感程度較高；達(dá)到閾值后，太陽(yáng)輻射不再成為其液流速率的主要限制因子，此時(shí)太陽(yáng)輻射對(duì)液流速率的促進(jìn)作用較小，表明太陽(yáng)輻射對(duì)液流速率影響的敏感性隨總輻射和液流速率的升高而逐漸降低。其中，垂柳的液流速率隨總輻射升高而快速升高的閾值最低，臭椿、金葉榆、側(cè)柏居中，而檉柳最高；說(shuō)明在本研究區(qū)域中的5個(gè)樹(shù)種，檉柳的液流速率更容易受到總輻射的限制，而垂柳則相反。

由圖2可見(jiàn)：飽和水汽壓差與5個(gè)樹(shù)種的液流速率均呈正相關(guān)。檉柳的液流速率隨著飽和水汽壓差的增大而升高，在飽和水汽壓差達(dá)到5.4 kPa后逐漸平穩(wěn)。然而，臭椿的液流速率隨著飽和水汽壓差的增大而緩慢增大，隨后迅速增大，表明飽和水汽壓差對(duì)臭椿的液流速率的促進(jìn)作用隨著飽和水汽壓差的增大而逐漸增大。垂柳、金葉榆、側(cè)柏的液流速率受飽和水汽壓差的影響相對(duì)一致，均表現(xiàn)為隨著飽和水汽壓差增大而逐漸增大，且增長(zhǎng)速率由大到小依次為側(cè)柏、垂柳、金葉榆。

此外，由圖2中的回歸模型可見(jiàn)：檉柳、臭椿、金葉榆、側(cè)柏的液流速率，與總輻射的決定系數(shù)(R2)高于與飽和水汽壓差的決定系數(shù)；而垂柳則相反。表明太陽(yáng)輻射對(duì)檉柳、臭椿、金葉榆、側(cè)柏液流速率的影響，比飽和水汽壓差對(duì)其的影響更大；而飽和水汽壓差對(duì)垂柳液流速率的影響，比太陽(yáng)輻射對(duì)其的影響更大。

圖2 液流速率隨總輻射和飽和水汽壓差提升的變化

總輻射和飽和水汽壓差是液流速率的主要?dú)庀篁?qū)動(dòng)因子，但總輻射和飽和水汽壓差對(duì)不同樹(shù)種液流速率影響不同。本研究表明，與另外4個(gè)樹(shù)種不同，垂柳的液流速率與飽和水汽壓差的相關(guān)性高于總輻射。但是，同一樹(shù)種在不同立地條件時(shí)受氣象因子的影響不同，劉云潔等[15]對(duì)河北臭椿樹(shù)干液流速率和太陽(yáng)輻射與飽和水汽壓差進(jìn)行了相關(guān)性分析，研究表明，液流速率與飽和水汽壓差的相關(guān)性高于太陽(yáng)輻射，且土壤水分條件也會(huì)改變其他環(huán)境因子對(duì)液流速率的影響。這些研究結(jié)果表明，樹(shù)種自身的生物學(xué)特性是其受氣象因子影響的主要決定因素，而立地條件也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響。不同樹(shù)種的水力傳導(dǎo)率不同[7]，太陽(yáng)輻射和飽和水汽壓差對(duì)不同樹(shù)種的影響也不同，這些結(jié)果有助于了解銀川市城市森林樹(shù)種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

銀川土壤水分較為充分條件下，5種典型城市樹(shù)木日均液流速率均呈現(xiàn)“單峰型”。各樹(shù)種日均液流速率特征存在較大差異，液流啟動(dòng)時(shí)間從06:30至08:40不等，液流速率高峰持續(xù)時(shí)間從3.33 h至8.17 h不等，液流速率峰值由大到小依次為側(cè)柏、金葉榆、垂柳、臭椿、檉柳，日均耗水量由大到小依次為垂柳、側(cè)柏、金葉榆、臭椿、檉柳?？傮w看，側(cè)柏和垂柳蒸騰耗水能力較強(qiáng)，為下午耗水高峰型樹(shù)種；臭椿和金葉榆蒸騰耗水能力適中，為均衡耗水型樹(shù)種；而檉柳蒸騰耗水能力較弱，為中午耗水高峰型樹(shù)種。5個(gè)樹(shù)種的液流速率都呈現(xiàn)出隨著總輻射的升高而快速升高，隨后逐漸平穩(wěn)甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)；飽和水汽壓差，與檉柳和臭椿呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式正相關(guān)關(guān)系，與垂柳、金葉榆、側(cè)柏呈現(xiàn)一元線性正相關(guān)關(guān)系。太陽(yáng)輻射對(duì)檉柳、臭椿、金葉榆、側(cè)柏液流速率的影響，比飽和水汽壓差對(duì)其的影響更大；而飽和水汽壓差對(duì)垂柳液流速率的影響，比太陽(yáng)輻射對(duì)其的影響更大。