阿拉善白刺生長(zhǎng)季需水量估算

趙晨光，龐德勝，馬扎雅泰

(內(nèi)蒙古阿拉善盟林業(yè)治沙研究所，內(nèi)蒙古 阿拉善 750306)

白刺屬植物是在長(zhǎng)期植被演替過(guò)程中保留下來(lái)的穩(wěn)定植物群落，耐干旱、鹽堿、抗風(fēng)蝕沙埋，是荒漠地區(qū)鹽漬土指示植物和典型植被類型[1，2]。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(dá)188.2萬(wàn) hm2[3-5]。白刺群落是沙漠地區(qū)固定、半固定沙丘向流動(dòng)沙丘的過(guò)渡地帶的建群種，在維持阿拉善脆弱生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和恢復(fù)重建受損生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用[6]。

在阿拉善盟白刺群落調(diào)查研究基礎(chǔ)上，通過(guò)從葉片到單株到群落尺度白刺生態(tài)需水的轉(zhuǎn)化研究，估算不同白刺群落的生態(tài)需水量，為該區(qū)水資源的優(yōu)化配置和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿拉善盟位于祖國(guó)北疆，地處內(nèi)陸高原，屬極端干旱和干旱荒漠地區(qū)，水資源嚴(yán)重匱乏，氣候干冷酷熱，降水稀少，風(fēng)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(fā)量則由東南部的2 400 mm向西北部遞增到4 700 mm。這一區(qū)域自然植被較稀疏，覆蓋度在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(shù)植物具有耐干旱、耐高溫、耐鹽堿和抗風(fēng)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(dá)22.38萬(wàn)km2。

1.2 樣地布設(shè)

根據(jù)白刺群落格局、林齡、長(zhǎng)勢(shì)的調(diào)查，設(shè)置固定樣地。樣地分別布設(shè)在阿拉善左旗、阿拉善右旗以及額濟(jì)納旗。固定樣點(diǎn)布設(shè)采取典型選擇方法，每個(gè)樣地控制面積1 km2，樣方布設(shè)以全盟公益林普查為總體，以樣地布設(shè)為基礎(chǔ)，共設(shè)8個(gè)樣地，每個(gè)樣地5個(gè)重復(fù)。以20 m×20 m樣方調(diào)查植物群落變化、植被蓋度，物種組成及分布格局。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)

1.3.1 白刺光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度的測(cè)定 利用美國(guó)拉哥公司(LI-COR)生產(chǎn)的開(kāi)放式氣體交換LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)，進(jìn)行光合速率(Pn)、蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等生理指標(biāo)的測(cè)定。并同步測(cè)定有關(guān)環(huán)境及植物生理參數(shù)——光量子密度(QNTM)、氣溫(Ta)、相對(duì)濕度(RH)、水汽壓(EAIA)、葉溫(Tl)、氣孔阻力(Rs)等的變化。每個(gè)小區(qū)選擇有代表性的植株3株，每株選擇中上部的枝3處，測(cè)定葉片選擇頂端完整葉片作為測(cè)定葉，于7:00-20:00每1小時(shí)測(cè)定1次，每次3次重復(fù)。測(cè)定時(shí)間是從2012年5—10月，每個(gè)月每個(gè)試驗(yàn)地選擇晴朗的天氣連續(xù)測(cè)定3天。

1.3.2 氣孔導(dǎo)度限制值計(jì)算 氣孔導(dǎo)度限制值Ls(Ls=1-Ci/Co，其中Ci為胞間CO2濃度，Co為周圍大氣環(huán)境中的CO2濃度)

1.3.3 植物水勢(shì)的測(cè)定 葉片水勢(shì)采用WP4露點(diǎn)水勢(shì)儀測(cè)定，試驗(yàn)期間分別選取生長(zhǎng)發(fā)育正常的枝條葉片為樣葉，測(cè)3個(gè)葉樣水勢(shì)值進(jìn)行平均。每月選定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)日測(cè)定一個(gè)日進(jìn)程，水勢(shì)日變化測(cè)定時(shí)間為8:00—18:00，每1 h取樣測(cè)定1次，每次3次重復(fù)，立即進(jìn)行測(cè)定。水分利用效率(WUE)計(jì)算公式為：

WUE=Pn/E

式中：Pn為光合速率，E為蒸騰速率。

1.3.4 氣象因子的測(cè)定 氣象因子的測(cè)定采用澳大利亞ICT公司生產(chǎn)的自動(dòng)微氣象站。主要觀測(cè)項(xiàng)目包括輻射(總輻射、凈輻射、有效輻射)、風(fēng)速風(fēng)向、土壤溫度、土壤熱通量、CO2濃度。所有觀測(cè)項(xiàng)目的傳感器以電纜同室內(nèi)數(shù)據(jù)采集器相連，24 h全天候觀測(cè)，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集器對(duì)以上觀測(cè)項(xiàng)目每10 min記錄一次。

1.3.5 土壤含水量的測(cè)定 采用TRIME-FM管式TDR(時(shí)域反射儀，德國(guó)IMKO公司生產(chǎn))系統(tǒng)測(cè)定土壤體積含水率，每隔5～10 d測(cè)定1次。測(cè)定深度為160 cm，分8個(gè)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(cè)定一次土壤含水量，用于校準(zhǔn)TDR測(cè)定值。具體操作過(guò)程為：將土樣充分混勻,放入鋁盒，重復(fù)3次。立即稱鋁盒+鮮土重，然后置于105 ℃下烘干2～3 d，再稱鋁盒+干土質(zhì)量，最后以下式計(jì)算：土壤含水量(SWC)=含水質(zhì)量/烘干土質(zhì)量×100%，結(jié)果取平均值。另外，土壤水分探頭埋設(shè)8層，每20 cm為一層，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集器(Zeno3200-A-D)對(duì)以上觀測(cè)項(xiàng)目每30 min記錄一次。

2 結(jié)果與分析

2.1 白刺單株液流晝夜變化規(guī)律

白刺的蒸騰量隨著地徑粗度的不同，表現(xiàn)出明顯的差異，如圖1所示。地徑越粗，蒸騰量越大。從液流變化規(guī)律看，如圖2所示白刺液流從9：00急劇增加，從18: 00以后開(kāi)始下降，日蒸騰表現(xiàn)為多峰型，最高峰出現(xiàn)在15: 00左右。

圖1 白刺單株不同地徑液流速率日變化

2.2 白刺生長(zhǎng)季單木尺度生態(tài)耗水量

如圖3阿拉善盟白刺各月日均耗水量最大的月份為7月，日均液流量為1 154.3 g?cm-2，其次為8月，日均液流量為788.1 g?cm-2，6月份次之，日均液流量為586.7 g?cm-2，最小的為10月，日平均液流量為270.5 g?cm-2。

圖2 連續(xù)3 d白刺單株液流日變化

從白刺單木尺度各月耗水量來(lái)看(圖4)，白刺的單木尺度生態(tài)耗水主要發(fā)生于每年的5—10月，其中6—9月是白刺最主要的耗水季節(jié)，占全年的69.7%。耗水最多出現(xiàn)在7月，為35.8 kg?cm-2，占全年的32%。各月耗水量大小依次為7月>8月>6月>9月>5月>10月。

圖3 白刺單位地徑各月日平均液流量

圖4 白刺生長(zhǎng)季累計(jì)各月單位地徑液流量

2.3 白刺林分耗水量估算

2.3.1 白刺灌叢日液流量與地徑關(guān)系 白刺灌叢的地徑，以0.5 cm為整化基數(shù)，在200株樣木中，0.5 cm地徑74株，占37%，1 cm的120株，占60%，2 cm的6株，占3 %。根據(jù)整化的結(jié)果，選出不同地徑的樣木進(jìn)行平均日液流量的觀測(cè)，利用SPSS軟件建立的日徑流量和地徑的回歸方程為：Y白刺= 989.4X白刺-371.87，R2= 0.894 6；式中：Y白刺代表白刺的日徑流量(g?d-1)，X白刺為白刺的地徑(cm)。

2.3.2 白刺灌叢日耗水量估算 利用灌木日徑流量與地徑建立的方程分別算出200株單木的日徑流量后累加，再經(jīng)換算后得出林分日蒸騰量為：白刺灌叢0.065 m3?d- 1。

灌木樹(shù)種白刺以地徑作為空間純量，通過(guò)回歸分析，線形模型R2最高，為0.894 6。以地徑作為純量，計(jì)算白刺灌叢的日蒸騰總量和單株蒸騰量估算值分別為0.065 m3、0.000 4 m3。

2.3.3 研究區(qū)白刺生態(tài)需水面積確定 額濟(jì)納旗白刺群落結(jié)構(gòu)多為白刺單層結(jié)構(gòu)或白刺+紅砂的雙層結(jié)構(gòu)。額濟(jì)納旗國(guó)家級(jí)公益林中白刺面積145.09 km2，本次調(diào)查的20 m×20 m白刺樣地2個(gè)，總面積800 m2。樣地的平均郁閉度為19.00%，平均密度為0.009株?m-2，平均株高為0.20 m，平均地徑為0.96 cm，平均冠幅為349 cm×434 cm，平均新梢生長(zhǎng)量為71.34 g，平均生物量為3.50 kg(表1)。

表1 額濟(jì)納旗白刺群落樣地的生物學(xué)特征

阿拉善左旗白刺群落結(jié)構(gòu)多為白刺+霸王、白刺+沙冬青或白刺單一種。阿拉善左旗國(guó)家級(jí)公益林中白刺面積1 010.51 km2，本次調(diào)查的20 m×20 m白刺樣地30個(gè)，總面積12 000 m2。平均密度為0.035株?m-2，平均高度為36.76 cm，平均冠幅為369.75 cm×361.32 cm，平均地徑為0.84 cm，平均新梢生長(zhǎng)量為12.69 cm，平均蓋度為18.39 %(見(jiàn)表2)。

表2 阿拉善左旗白刺群落樣地的生物學(xué)特征

阿拉善右旗白刺群落多為白刺為單一種或白刺+梭梭或+檸條或+霸王的群落結(jié)構(gòu)，其建群種白刺為蒺藜科白刺屬。阿拉善右旗國(guó)家級(jí)公益林中白刺面積547.26 km2，本次白刺調(diào)查的20 m×20 m樣地10個(gè)，總面積4 000 m2。平均密度為0.028株?m-2，平均高度為44.62 cm， 平均冠幅為383.25 cm×373.07 cm，平均地徑為0.74 cm，平均新梢生長(zhǎng)量為11.29 cm，平均生物量為10.74 kg，平均蓋度為46.58%(表3)。

表3 阿拉善右旗白刺群落樣地的生物學(xué)特征

2.4 白刺需水定額及生長(zhǎng)需水量的估算

2.4.1 白刺生態(tài)需水定額確定 生態(tài)需水可通過(guò)生態(tài)需水定額得到。生態(tài)需水定額是單位時(shí)間內(nèi)單位面積植被的需水量。應(yīng)用單株生態(tài)需水定額的數(shù)據(jù)，計(jì)算出白刺生態(tài)用水定額(表4) 。

表4 白刺生態(tài)需水定額計(jì)算表

2.4.2 阿拉善各旗白刺最大生態(tài)需水量計(jì)算 由于測(cè)定的單株生態(tài)需水量是在充分供水條件下，因此確定的生態(tài)需水定額是植物的最大需水定額。根據(jù)需水定額白刺的實(shí)際面積，用EWUi=Ai×Qi計(jì)算林木最大生態(tài)需水量，式中：EWUi為第i區(qū)域林木的最大生態(tài)需水量(m3)，Ai為第i區(qū)域白刺灌木林的面積(hm2)，Qi為第i區(qū)域林木的生態(tài)需水定額(m3?hm-2)。計(jì)算結(jié)果表明，阿拉善盟白刺的最大生態(tài)需水量為4.34×108m3，其中額濟(jì)納白刺生態(tài)需水最少，為0.11×108m3，占總生態(tài)需水量的2.5%，阿拉善左旗白刺的生態(tài)需水最多，為3.28×108m3，占75.6%，阿拉善右旗白刺的最大生態(tài)需水為0.96×108m3，占總生態(tài)需水量的21.9%。

2.5 白刺林木實(shí)際生態(tài)需水量估算

在實(shí)際生產(chǎn)中，林木的實(shí)際蒸散量低于充分供水條件下林木的最大蒸散量。因此，需要有一個(gè)土壤供水系數(shù)K來(lái)反映土壤水分狀況對(duì)林木生態(tài)需水的影響。

土壤中能夠被植物吸收的水分稱有效水分。最大的有效水分是田間持水率W1和凋萎含水率W2之差，土壤中實(shí)際有效水分為土壤實(shí)際含水率W和凋萎含水率之差，令A(yù)為：A=(W-W2)/(W1-W2)，則土壤供水系數(shù)K可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：K=ln(A+1)/ln101。根據(jù)上述計(jì)算方法，測(cè)定林木正常生長(zhǎng)條件下，各樹(shù)種的土壤供水系數(shù)分別為：額濟(jì)納旗白刺0.6，阿拉善左旗0.76，阿拉善右旗0.7。

根據(jù)不同樹(shù)種土壤供水系數(shù)，計(jì)算得到白刺的實(shí)際生態(tài)需水定額和實(shí)際生態(tài)需水量(表5)。根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果，可知阿拉善盟白刺的實(shí)際生態(tài)需水量為3.23×108m3。

表5 阿拉善盟白刺實(shí)際生態(tài)需水量

3 討論

白刺各月實(shí)際生態(tài)需水量和多年各月平均降水量對(duì)比分析可知，在生長(zhǎng)季節(jié)，植物的生態(tài)需水和降水量是基本同步的，當(dāng)生態(tài)需水量增加時(shí)，降水量也增加，可緩解植物在高耗水期的生態(tài)需水，但是植物利用天然降水的同時(shí)，大量的水分也通過(guò)土壤蒸發(fā)而無(wú)效散失，從而減少土壤的儲(chǔ)水量。植物的需水量同降水量也不是完全同步，植物的最大需水通常出現(xiàn)在7月，而降水量最大則出現(xiàn)在8月。

對(duì)于天然白刺來(lái)說(shuō)，≥10 mm的天然降水量可滿足其生態(tài)需水量，這也是為什么在地下水不能被利用、地表水無(wú)供給的條件下，白刺能夠演替而逐漸替代其他植物種的原因。

4 結(jié)論

4.1 白刺單株液流晝夜變化規(guī)律

白刺的蒸騰量隨著地徑粗度的不同，表現(xiàn)出明顯的差異，地徑越粗，蒸騰量越大。從液流變化規(guī)律看，白刺液流最高峰出現(xiàn)在15: 00左右。

4.2 白刺生長(zhǎng)季單木尺度生態(tài)耗水量

阿拉善盟白刺各月日均耗水量最大的月份為7月，日平均液流量為1 154.3 g?cm-2，各月耗水量大小分別為7月>8月>6月>9月>5月>10月。

4.3 白刺樹(shù)種林分耗水量估算

以地徑作為純量，計(jì)算出白刺灌叢的日蒸騰總量和單株蒸騰量估算值為: 0.065 m3、0. 000 4 m3。

4.4 白刺需水定額及生長(zhǎng)需水量的估算

阿拉善盟白刺的最大生態(tài)需水量為4.34×108m3，其中額濟(jì)納白刺生態(tài)需水最少，為0.11×108m3，占總生態(tài)需水量的2.5%，阿拉善左旗白刺的生態(tài)需水最多，為3.28×108m3，占75.6%，阿拉善右旗白刺的最大生態(tài)需水為0.96×108m3，占總生態(tài)需水量的21.9%。根據(jù)不同樹(shù)種土壤供水系數(shù)，計(jì)算得到白刺的實(shí)際生態(tài)需水定額和實(shí)際生態(tài)需水量，阿拉善盟白刺的實(shí)際生態(tài)需水量為3.23×108m3。

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