阿拉善白刺生長季葉片尺度耗水特性

趙晨光,孟和巴雅爾,丁積祿

(內蒙古阿拉善盟林業治沙研究所，內蒙古 阿拉善 750306)

阿拉善白刺生長季葉片尺度耗水特性

趙晨光,孟和巴雅爾,丁積祿

(內蒙古阿拉善盟林業治沙研究所，內蒙古 阿拉善 750306)

為優化水資源的配置，恢復或重建生態系統，以便在干旱、半干旱地區改進抗旱節水造林技術，對阿拉善盟白刺群落生長季葉片尺度耗水特性進行測定了分析。結果表明：(1)白刺生長季水分利用效率日變化最高值出現在上午，5、6、9、10月在10:00左右達最大值，而7、8月在8:00左右達最大值，最小值出現在早、晚。月變化為9、10月最大，其次7、8月，5、6月最小。其中月均值10月>9月>7月>8月>6月>5月。(2)整體上光合速率上午比較強，而蒸騰速率上午呈現上升趨勢，在中午達最大值，下午二者都呈現遞減趨勢。(3)生長季各月葉片水勢與蒸騰速率呈相反趨勢。(4)白刺蒸騰耗水主要是消耗深50 cm土壤附近的水。

阿拉善；白刺；光合作用；蒸騰作用；葉片水勢

蒺藜科白刺屬(NitrariaL.)是一個古老的小屬，屬第三紀孑遺植物，是亞洲中部荒漠的特有植物成分，是從荒漠草原到荒漠地帶沙地上的重要建群種之一[1]。白刺為阿拉善盟的廣布種，主要分布于湖盆沙地、綠洲外圍沙地、山前平原、鹽漬化沙地等干旱地帶，分布面積達188.2萬hm2[2]。白刺屬植物是在長期植被演替過程中保留下來的穩定植物群落[3]，耐干旱、鹽堿、抗風蝕沙埋，是荒漠地區鹽漬土指示植物和典型植被類型。

水是干旱區生態系統構成、發展和穩定的基礎，決定著西北干旱區綠洲化過程與荒漠化過程這兩類極具對立與沖突性的生態環境演化過程[4]。近年來植被的生態需水問題已成為植被生態恢復或重建研究領域的熱點問題，目前的研究主要從生態系統自身角度以其需水機理出發，針對不同類型生態系統的需水理論和計算方法進行探討，側重于水文學、環境學和生態學，特別是植物生態學等方面[5]。白刺屬植物作為阿拉善荒漠地帶的主要優勢種和建群種，它的生態需水問題關系到整個地區植被群落的演替過程和生態平衡。因此，研究白刺耗水特性對于當地植物群落處于良性循環狀態，對水資源的合理配置與實現生態可持續發展具有重要意義。

本文對阿拉善白刺葉片尺度耗水進行測定。旨在揭示阿拉善白刺群落葉片尺度耗水特性，為進一步研究白刺群落生態需水量奠定基礎，為該區水資源的優化配置和生態系統的恢復與重建提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

阿拉善盟位于祖國北疆，地處內陸高原，屬極端干旱和干旱荒漠地區，水資源嚴重匱乏，氣候干冷酷熱，降水稀少，風大沙多。降雨量從東南部的200 mm向西北部遞減至40 mm以下，而蒸發量則由東南部的2 400 mm向西北部遞增到4 700 mm。這一區域自然植被較稀疏，覆蓋度1%～15%。植被主要以旱生、超旱生、鹽生和沙生的灌木、半灌木和小半灌木為主，大多數植物具有耐干旱、耐高溫、耐鹽堿和抗風沙的特征。地貌類型以沙漠、戈壁、中山、低山丘陵、干燥剝蝕平原、湖盆、起伏灘地等為主，荒漠化面積達22.38萬km2。

1.2 試驗設計

通過對白刺群落格局、林齡、長勢的調查，設置固定樣地。樣地分別布設在阿拉善左旗、阿拉善右旗以及額濟納旗。固定樣點布設采取典型選擇方法，每個樣地控制面積1 km2，樣方布設以全盟公益林普查為總體，以樣地布設為基礎，共設5個樣地，每個樣地5個重復。以10 m×10 m樣方調查植物群落變化、植被蓋度，物種組成及分布格局。

1.3 觀測指標

1.3.1 葉片水勢測定 葉片水勢采用WP4露點水勢儀測定，試驗期間分別選取生長發育正常的枝條的葉片為葉樣，重復3次。每月選定一個標準日測定一個日進程，水勢日變化測定是從8:00—18:00，每1 h測定1次。

1.3.2 光合速率、蒸騰速率的測定 利用美國拉哥公司(LI-COR)生產的開放式氣體交換LI-6400便攜式光合作用測定系統，進行光合速率(Pn)、蒸騰速率(E)等生理指標的測定。并同步測定有關環境及植物生理參數——光量子密度(QNTM)、氣溫(Ta)、相對濕度(RH)、水汽壓(EAIA)、葉溫(Tl)、氣孔阻力(Rs)等的變化。每個樣方選擇有代表性的植株3株，每株選擇中上部的枝3處，測定葉片選擇頂端完整葉片作為測定葉，于7:00—20:00每1 h測定1次。

1.3.3 氣象因子的測定 氣象因子的測定采用澳大利亞ICT公司生產的自動微氣象站。主要觀測項目包括輻射(總輻射、凈輻射、有效輻射)、風速風向、土壤溫度、土壤熱通量、CO2濃度。所有觀測項目的傳感器以電纜同室內數據采集器相連，24 h全天候觀測，自動數據采集器對以上觀測項目每10 min記錄一次。

1.3.4 土壤含水量的測定 采用TRIME-FM管式TDR(時域反射儀，德國IMKO公司生產)系統測定土壤體積含水率，每隔5～10 d測定1次。測定深度為160 cm，分8個層次，分別為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140 cm和140～160 cm。用烘干法測定一次土壤含水量，用于校準TDR測定值。具體操作過程為：將土樣充分混勻,放入鋁盒，重復3次。立即稱鋁盒+鮮土質量，然后置于105 ℃下干燥2～3 d，再稱鋁盒+干土質量，最后以下式計算：土壤含水量(SWC)=含水質量/烘干土質量×100%，結果取平均值。另外，土壤水分探頭埋設8層，每20 cm為一層，自動數據采集器(Zeno3200-A-D)對以上觀測項目每30 min記錄一次。

2 結果與分析

2.1 白刺生長季水分利用效率變化特征

圖1白刺水分利用效率日變化特征

由圖1可知，白刺的水分利用效率日變化同光合速率日變化類似，一天中最高值出現在上午，最小值出現在早、晚。5、6、9、10月變化趨勢較為一致，在10:00左右達到最大值，而7、8月水分利用效率在8:00左右達到最大；由表1可知，9、10月的水分利用效率最大，其次為7、8月，最小為5、6月；其中各月水分利用效率的均值10月>9月>7月>8月>6月>5月，分別為5.70、4.27、2.12、1. 83、1.08、0.84 μmol·mmol-1。

表1 水分利用效率描述統計表 μmol·mmol-1

2.2 白刺葉片光合速率與蒸騰速率關系

生長季節各月白刺光合速率與蒸騰速率關系如圖2所示，蒸騰速率最大值滯后于光合速率最大值。5月光合速率最大值出現在8:00—9:00，隨后呈現下降趨勢，在15:00又呈現一個小波峰，隨后持續下降。而蒸騰速率最大值出現在11:00，最小值出現在13:00左右，15:00出現另一個波峰值，隨后呈下降趨勢。通過比較5月光合速率和蒸騰速率關系可知，在11:00以后二者呈現變化趨勢較為相似；6月光合速率變化趨勢在10:00達最大值，隨后呈現下降的趨勢，16:00又出現一個小波峰。而蒸騰速率也呈現雙峰型變化，第一個波峰出現在11:00，滯后于光合速速，而第二個波峰出現在15:00，期間在13:00出現一個波谷，隨后呈現下降的趨勢。可以看出在11:00以后二者的變化趨勢基本一致，僅是第二個波峰出現的時間相差1 h；7月光合速率在10:00出現最大值，而蒸騰速率第一個波峰出現在12:00，滯后于光合速率2 h，光合速率的第二個波峰出現在13:00，蒸騰速率的第二個波峰出現在14:00，隨后二者都呈現下降的趨勢，表現出相同的變化趨勢；8月蒸騰速率的最大值出現滯后于光合速率3 h，12:00以后二者的變化趨勢一致；9月蒸騰速率的最大值出現滯后于光合速率4 h，14:00以后二者的變化趨勢一致；10月蒸騰速率和光合速率二者的變化趨勢一致，均在12:00出現最大值，早晚低中午高。

圖2 5—10月光合速率與蒸騰速率關系對比

2.3 白刺葉片水勢與蒸騰速率關系

白刺生長季節各月葉片水勢與蒸騰速率關系如圖3所示，二者呈現明顯的相反趨勢，即葉片水勢越大，蒸騰速率越小，葉片水勢越小，蒸騰速率越大，即葉片水勢是反應植物葉片吸水的能力，葉片水勢越小，說明植物葉片吸水能力越強，及對應的較大的蒸騰速率，而植物葉片水勢越大，即葉片吸水能力越弱，對應蒸騰速率就較小。

2.4 白刺土壤水分變化與蒸騰速率關系

白刺生長季節各月土壤含水量與蒸騰速率關系如圖4所示，10 cm土壤含水量的整體變化趨勢呈現逐漸增加的趨勢，在16:00左右達到最大值，隨后減小；30 cm土壤含水量也是從早上8:00開始呈現上升的趨勢，但是上升幅度小于10 cm土壤含水量，6、7月波峰出現在16:00左右，其他月波峰值在18:00左右，隨后開始下降；50 cm土壤含水量的變化趨勢表現為，土壤含水量呈現先減小后上升的趨勢。其中50 cm土壤含水量的出現波谷的時間，隨著月份的不同有所差異，5—7月，波谷值出現在13:00左右，8—10月出現在16:00左右。由土壤含水量變化可以看出，10 cm土壤含水量的波動幅度較大，30 cm次之，變化幅度最小的是50 cm土壤含水量。

圖3 葉片水勢與蒸騰速率關系對比

圖4 土壤含水量與蒸騰速率關系對比

3 討論

植物水分利用效率(WUE) 為光合速率與蒸騰速率的比值，表征植物消耗單位水量所產生的同化量，是反映植物對水分的利用水平高低的重要指標。對于處于干旱和半干旱地區的植物，水分利用效率對于維持植物的正常生長具有非常重要的意義。白刺的水分利用效率日變化同光合速率日變化類似，一天中最高值出現在上午，最小值出現在早、晚。水分利用效率5、6、9、10月變化趨勢較為一致，在10:00左右達到最大值，而7、8月水分利用效率在8:00左右達到最大，這可能與不同月份日出時間的差異有關； 9、10月的水分利用效率最大，其次為7、8月，最小為5、6月；其中各月水分利用效率的均值10月>9月>7月>8月>6月>5月。

通過各月光合速率與蒸騰速率二者關系的比較可以看出，雖然光合速率和蒸騰速率的變化模式不同，但是從總體的變化趨勢來講，上午7:00—10:00白刺凈光合速率顯著上升階段，在上午10:00左右達到一日的峰值，此時，白刺蒸騰速率呈現上升趨勢。白刺凈光合速率在10:00—13:00為迅速下降階段，而蒸騰速率繼續上升，在11:00達到最大值后呈現較小的下降趨勢。在13:00以后，凈光合速率呈現平穩下降趨勢，此時，蒸騰速率重新呈現上升趨勢，直至15:00達到第二次峰值后呈現下降趨勢。

白刺生長季節各月葉片水勢與蒸騰速率關系，呈現明顯的相反趨勢，即葉片水勢越大，蒸騰速率越小，葉片水勢越小，蒸騰速率越大，即葉片水勢是反應植物葉片吸水的能力，葉片水勢越小，說明植物葉片吸水能力越強，即對應的較大的蒸騰速率，而植物葉片水勢越大，即葉片吸水能力越弱，對應蒸騰速率就較小。

50 cm的土壤含水量與蒸騰速率呈現相反的變化趨勢，這主要是由于10 cm土壤層溫度變化大于下層土壤溫度，因此蒸發作用較下層強烈，水分由下層到上層運動作用較為強烈，因此10、30 cm土壤含水量呈現先增加后減小的趨勢，土壤水是由下層向上層運動，進而50 cm處土壤含水量呈現先減小后增加的趨勢，且50 cm的土壤含水量與蒸騰速率呈現相反的變化趨勢，也說明白刺蒸騰耗水也主要是消耗的這一層附近的水，這正好與白刺根系分布情況較為一致，白刺分布的毛細根主要在30 cm以下的土層中。

4 結論

4.1 白刺生長季水分利用效率日變化最高值出現在上午，最小值出現在早、晚，5、6、9、10月在10:00左右達到最大值，而7、8月在8:00左右達到最大值。月變化9、10月最大，其次為7、8月，最小為5、6月。其中各月均值10月>9月>7月>8月>6月>5月。

4.2 整體上光合速率上午比較強，而蒸騰速率上午是呈現上升的趨勢，在中午達到最大值。下午二者都呈現遞減的趨勢，即光合減弱，蒸騰減弱。

4.3 白刺生長季節各月葉片水勢與蒸騰速率呈現明顯的相反趨勢。

4.4 白刺蒸騰耗水主要是消耗深度50 cm土壤附近的水。

[1] 時永杰. 白刺[J]. 中獸醫醫藥雜志,2003(S1):715-722

[2] 趙克昌. 白刺屬灌木在黃土丘陵區荒山造林試驗[J]. 干旱區資源與環境,1991(2):41-45

[3] 寧寶山,閆好原,高承兵,等.石羊河流域下游白刺平茬復壯試驗研究[J]. 甘肅林業科技，2015(1)：38-41

[4] 郭普,王鏡泉,陳體恭,等.荒漠灌木白刺資源開發利用研究[J]. 甘肅農業大學學報，1993(2)：205-207

[5] 李昌龍,李茂哉,汪杰,等.綠洲邊緣白刺林退化植被恢復與重建技術研究[J]. 干旱區資源與環境，2005(1)：167-171

TheCharacteristicsofWaterConsumptionofBladeScaleforNitrariatangutoruminAlxaLeague

Zhao Chenguang,Meng Hebayaer,Ding Jilu

(Forestry Research Institute, Alxa League, Inner Mongolia, Alxa 750306,China)

In order to optimize the allocation of water resources and to restore and reconstruct the ecosystem, so as to improve the drought-resistant and water-saving afforestation technology in arid and semi arid areas.The characteristics of water consumption at the blade scale ofNitrariatangutorumcommunity in Alxa League were analyzed. Result shows that: 1) The diurnal variation of water use efficiency in the growth season is the highest in the morning and the lowest in the morning and evening, the trend of change reach the maximum value at 10:00 in May,June, September and October; water use efficiency in the 8:00 or so in July and in August reach the maximum. The water use efficiency ofNitrariatangutorumis the highest in September and October, followed by July and August, and the minimum is May and June. The descending of monthly water use efficiency is October> September> July> August > June> May. 2) The overall photosynthetic rate is relatively strong in the morning, while the transpiration rate is increasing in the morning, and the plant transpiration rate reach the maximum at noon. Both in the afternoon show a decreasing trend, that is, photosynthesis weaken, transpiration weaken. 3) The relationship between leaf water potential and transpiration rate during the growing season is significant. 4)Transpiration water consumption ofNitrariatangutorumis mainly in the depth of 50 cm soil layer.

Alxa;Nitrariatangutorum;photosynthesis;transpiration;leaf water potential

1005-5215(2017)10-0046-05

2017-09-11

趙晨光(1986-)，男，遼寧法庫人，碩士，現從事森林生態及荒漠化防治研究，Email:18648330471@163.com

S793.9

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.10.015