寧南黃土丘陵區山桃樹干液流速率及其與氣象因子的關系

溫淑紅，韓新生,2*，蔡進軍，許 浩，馬 璠，萬海霞

(1.寧夏農林科學院荒漠化治理研究所，寧夏防沙治沙與水土保持重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室，北京 100091；3.寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，寧夏 銀川 750002；4.西北農林科技大學資源與環境學院，陜西 楊凌 712100)

【研究意義】蒸散是生態水文過程很重要的組分之一，陸地生態系統中絕大部分蒸散來自于植被蒸騰。蒸騰是植被體將其內部的水分以水蒸氣的形式散失到大氣中去，對樹木的生長發育具有重要意義。林木冠層蒸騰主要通過樹干木質部液流測得，而樹干液流是衡量林木蒸騰耗水的重要指標，能反映出林木特性和環境因子對水分利用的綜合作用。測定樹干液流的方法很多，熱擴散技術方法因野外操作簡便，可連續自動監測，測定周期可調節，時間分辨率高，對植被的正常生理活動影響小，數據可遠程下載等特點而得到廣泛應用[1-4]。【前人研究進展】目前，國內學者對林木樹干液流已有很多研究。買爾當·克依木等[5]研究塔里木河中游胡楊樹干液流，得出氣溫、太陽輻射和空氣濕度是影響液流速率的主要氣象因子；劉瀟瀟等[6]探討黃土高原11種林木樹干液流的影響因子，其中，太陽輻射、水汽壓虧缺、土壤含水率起主要作用；徐丹丹等[7]、李少寧等[8]分別在毛烏素沙地和北京研究得出輻射和氣溫是影響樹干液流密度的關鍵氣象因子；而許文豪等[9]分析影響毛烏素沙地旱柳樹干液流的主要氣象因子為水汽壓虧缺和潛在蒸散；李潔等[10]在冀西北山地上觀測油松和落葉松樹干液流速率，發現影響樹干液流速率的主要氣象因子為溫度和濕度；張曉艷等[11]在民勤綠洲荒漠過渡帶分析得出，空氣溫度、凈輻射和飽和水汽壓差是影響梭梭樹干液流速率的主要氣象因子。以上在不同地區對不同樹種的樹干液流進行研究，得到的結果不完全相同，主要是因各地區自然地理條件的差異導致主導因子不同、各樹種的植物學特性導致的關鍵作用因子不同、研究的時空尺度差異導致研究結果不同。以往的研究主要集中于樹干液流的時空變化及環境因子的作用，但不同樹種和不同區域研究結論差別較大[12-15]。山桃(Amygdalusdavidiana)為寧南黃土丘陵區退耕還林等生態修復工程中主要的樹種之一，在該區水土保持、植被固碳、農民增收等方面起到關鍵作用。【本研究切入點】本研究選擇國內學者很少關注的樹種山桃為研究對象，采用TDP技術對其進行連續測定，并利用氣象站連續觀測氣象指標，分析樹干液流的變化規律及氣象因子對其的影響，建立氣象因子與液流速率的關系模型。【擬解決的關鍵問題】為揭示干旱缺水區植被的耗水特征及水-土資源綜合管理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區固原市彭陽縣(105°09′～106°58′E、34°14′～37°04′N)，屬于黃土高原腹地，地貌類型為梁峁丘陵地，區內梁峁相間，溝壑縱橫，地形破碎。海拔為1544～1826 m，具有典型的溫帶大陸性氣候；年均降水量為406 mm，年均蒸發量1360.6 mm；年均氣溫7.4 ℃，無霜期140～160 d。土壤以黑壚土和黃綿土為主，侵蝕較為嚴重。當地植被以草本植物為基礎，主要由百里香(Thymusmongolicus)、本氏針茅(Stipacapillata)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、委陵菜(Potentillachinensis)、糙隱子(Cleistogenessquarrosa)、茭蒿(Incarvilleasinensis)等群落構成。該區進行了大面積退耕還林還草工程，人工林以山杏(Armeniacasibirica)、山桃、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等的純林或混交林為主。

1.2 研究方法

地設置樣地選擇在寧南黃土丘陵區的中莊小流域。在代表性地點設置了面積為30 m×30 m的山桃人工林標準樣地，樣地內有少數的山杏生長，數量約占林木總數的5 %左右，且生長都相對較弱，在本研究中，忽略林分中的山杏。山桃是2002年前后退耕還林工程栽植的，對樣地位置標定和樣地內的山桃林木進行測量(林木密度、樹高、分枝數、分枝地徑、冠幅等指標)，其樣地基本信息和林木的基本特征見表1。

表1 研究林分的樣地信息和林木基本特征

選擇及儀器的安裝選擇2株生長良好、具有代表性的山桃作為樹干液流觀測樣樹，樣樹基本特征見表2。

表2 山桃樹干夜流觀測樣樹基本特征

本研究區的地理環境條件造成山桃沒有明顯主干，有多個分枝，在樣樹距地約0.5 m處各安裝1組SF-L熱擴散探針(德國Ecomatik公司生產)，于2018年生長季(6月1日至10月31日)期間連續測定樹干液流速率，并由CR1000數據采集器每隔 30 min自動采集1次數據。SF-L樹干液流測定儀是基于熱擴散原理，它由二個探針和一個恒流電源組成。在彭陽縣轄區不同地徑山桃的邊材厚度總體上在 2 cm以下，因此，采用的探針長度為 2 cm，基本上能覆蓋所測林木的邊材，插入深度為 3 cm。兩個探針插入樹干上下不同部位，兩探針距離為10 cm，上面的探針用恒流加溫，兩個探針之間形成溫差。水流上升時，帶走熱量，兩個探針之間溫差變小。溫差和樹干流之間具有函數關系，通過測量溫差算出樹干液流通量。為了防止探針進水，在探針與樹皮的接觸部位涂抹玻璃膠，為避免太陽輻射的影響，探頭用鋁箔包裹覆蓋，然后用膠帶纏繞固定，并定期更換膠帶防止鋁箔脫落。

樹干液流速率的計算方法樹干液流速率或稱液流通量密度(Sap flow density)的計算公式為：

式中：Js為樹干液流速率(mL/cm2/min)；dtmax為無液流時的最大溫差(℃)，即最大的dt值；本研究以日為單位，即每天選擇一個最大值dt；dtact為實際的dt值(℃)。

氣象條件監測在2018年6月1日至2018年10月31日，利用HOB氣象站連續觀測研究地區的氣象指標，主要包括太陽輻射(w/m2)、氣溫(℃)、降雨(mm)、空氣相對濕度(%)、風向(°)和風速(m/s)等，數值每30 min采集1次。

1.3 數據處理

采用Excel2016和SPSS19.0軟件整理分析數據，使用Origin19.0作圖。

2 結果與分析

2.1 研究期間氣象條件

如表3所示，太陽輻射的月均值、最大值、最小值、極差整體上呈逐漸降低的趨勢，變異系數呈“M”型；氣溫的月均值、最大值和最小值基本呈現出先升后降的單峰趨勢，在8月份達到最大，極差、標準差和變異系數整體呈先將后升的變化特征；空氣相對濕度的月均值和最小值呈現先升后降的單峰變化趨勢，最大值、極差、標準差和變異系數呈現出先將后升的趨勢，在8月份達到最小值；風速的月均值、最小值、極差、標準差和變異系數呈現出先將后升的變化規律，最小值基本上都出現在7月份，最大值大致呈現出逐漸升高的變化特征。研究期間的降雨總量為529.8 mm，6-10月份分別為73、188.6、225.8、32.6、9.8 mm。

表3 研究期間(6-10月)主要氣象指標的統計特征

在統計分析中，常用標準差及變異系數(c.v.)分別表示變異程度大小，標準差反映絕對變異，變異系數反映相對變異大小。從整體上看，變異性的大小順序為太陽輻射>風速>氣溫>空氣相對濕度。依據變異性強弱分級規律(c.v.≤10 %為弱變異性；10 %

2.2 樹干液流速率的動態變化

如圖1所示，樹干液流速率呈波浪狀變化，但整體上有一個先升后將的變化趨勢。最大值出現在6月22日，液流速率為0.1126 mL/cm2/min；最小值出現在10月19日(0.0008 mL/cm2/min)；研究期間平均值為0.0592 mL/cm2/min。平均液流速率(mL/cm2/min)的月際變化為6月(0.0790)>8月(0.0711)>7月(0.0632)>9月(0.0509)>10月(0.0321)；液流速率(mL/cm2/min)極差(最大值-最小值)的月際變化為6月(0.1095)>8月(0.0972)>7月(0.0851)>9月(0.0825)>10月(0.0603)。

圖1 樹干液流速率的季節變化特征

如圖2所示，液流速率的日內變化主要受氣象條件影響，陰雨天樹干液流速率都相對較弱，因此，在每月最后5 d中選擇連續的兩個晴天來分析不同月份樹干液流速率的日內變化。樹干液流速率的日內變化大致可以分為微弱期、上升期、相對穩定期和下降期，9和10月沒有相對穩定期。

圖2 不同月份液流速率的日內變化規律

不同月份液流速率的啟動時間逐漸推后，6月啟動時間為6:30，7-10月啟動時間為8:30；從6月到8月樹干液流啟動上升到穩定期所用時間差異較小，基本上為2:00；各月份相對穩定期持續時間是先增大后減小，下降期持續時間的變化與相對穩定期相反，規律為先減小后變大；9和10月份的日內變化為先微弱存在，再增大后減小，9月份的上升期持續時間比10月份短，下降期持續時間比10月份長。本研究每月只選取無降雨的2 d時間，并不能代表所有天氣條件下樹干液流速率的變化特征。

2.3 氣象條件對樹干液流速率的影響

山桃樹干液流受到多種氣象因子的影響，首先分析不同天氣條件下山桃樹干液流日內變化的影響因素。選擇2018年8月23日至26日這4 d為研究時間，兩個晴天和兩個陰雨天，并且8月份的樹干液流速率相對較高，分析氣象條件對其的影響相對較好。

如圖3所示，隨著太陽輻射的增加，樹干液流速率同步提高，并且增高與降低的幅度和時間也基本吻合，因此，太陽輻射是影響山杏樹干液流速率的主導因子和主要氣象條件，是樹干液流速率啟動時的氣象因子。隨著氣溫的升高，樹干液流速率也逐步提高，且增高與降低的幅度和時間也大致吻合，但是氣溫與樹干液流速率的同步性略低于太陽輻射強度。溫度仍然是影響速干液流速率的主要氣象條件。樹干液流速率與空氣相對濕度呈相反的變化趨勢，空氣相對濕度降低，樹干液流速率提高；空氣相對濕度增加，樹干液流速率降低。空氣相對濕度與樹干液流速率轉折點的時間大致相同，所以，空氣相對濕度對樹干液流速率的變化規律也起到很重要的作用。風速的變化特征存在瞬時的波動性，但總體上變化趨勢與樹干液流速率相似，但對樹干液流速率的作用弱于太陽輻射和氣溫。按照作用大小和影響強弱，首先為太陽輻射強度，接著為氣溫，再為空氣相對濕度，最弱的為風速。

圖3 典型晴天和陰雨天日內尺度上氣象因子與樹干液流的關系

從表4可知，除空氣相對濕度外，其余各氣象因子均與樹干液流速率極顯著(P<0.01)相關；在各月，氣溫與樹干液流速率呈顯著(P<0.05)正相關；除9月外的其他月份，太陽輻射強度與樹干液流速率呈極顯著(P<0.01)正相關；空氣相對濕度在7和8月份與樹干液流速率呈極顯著(P<0.01)負相關；風速在不同月份與樹干液流速率的相關性不顯著(P>0.05)。從相關顯著性和相關系數來看，影響山杏樹干液流日均值的主要氣象因子為太陽輻射和氣溫，空氣相對濕度和風速作用相對較弱。

表4 研究期間和各月份主要氣象指標與山桃樹干液流速率的相關分析

由表5所示，對以上山桃液流速率影響因子的逐步回歸分析，建立山桃不同月份和研究期間樹干液流速率與主要氣象因子的回歸模型。

表5 山桃日均樹干液流速率與主要氣象因子的回歸模型

4 討 論

本研究發現山桃的樹干液流速率在典型晴天主要呈單峰型曲線，陰雨天呈雙峰型或多峰型，與其他區域不同樹種的研究結論相似[16-22]，但也存在差異，主要表現為啟動、峰值、下降的時間不盡相同，李廣德等[23-24]發現毛白楊和國槐在晴天樹干液流速率呈雙峰型，液流速率白天比晚上高，因為白天太陽輻射較強、空氣溫度較高、空氣濕度較低，液流速率相對較高，夜間的液流速率微弱，可能是由于夜間蒸騰[25]和根壓作用彌補樹體內白天消耗掉的水分以維持水分平衡，這是植物適應干旱環境的一種內在保護機制[26]。以往在不同地區研究發現晴天、陰雨天各樹種的樹干液流速率的日內變化存在差異，啟動和降低的時間也不盡相同，可能是因不同區域日升日落時間及太陽輻射強弱的日內變化差異引起的，各樹種的植物學和生理生化特性(氣孔行為、同化方式等)差異也是原因之一。

樹干液流是能夠反映樹木體內水分運輸狀況的一個重要參數，其受眾多環境因子的影響，如太陽輻射、空氣溫度、空氣相對濕度、風速、土壤水分等因素，這些因子都隨著季節、日周期和當地的環境條件而發生變化，不同尺度上各因子對樹干液流的影響不同。徐世琴等[27]分析得出風速能夠影響植物冠層邊界層導度，故風速與樹干液流的相關性最大；本研究表明，在研究期間(季節尺度上)氣溫、太陽輻射和風速與山桃樹干液流速率呈極顯著正相關，與空氣相對濕度相關性不顯著，說明在研究期間氣溫和太陽輻射對日均液流速率的驅動作用最強。張璇等[28]對縉云山典型樹種樹干液流速率的研究顯示，氣象因子的綜合影響力依次為太陽輻射、水汽壓虧缺、風速、空氣相對濕度、溫度，與本研究結論不同。本研究顯示在不同時間尺度上，各氣象因子的作用存在差異，在6和10月，影響樹干液流的氣象因子主要為太陽輻射和氣溫，在7和8月主要為太陽輻射、氣溫和空氣相對濕度，9月份主要為氣溫；在日內尺度上，各氣象因子的作用強弱依次為太陽輻射、氣溫、空氣相對濕度和風速。

區域不同、樹種不同、尺度不同，影響樹干液流速率的氣象因子存在差異，原因可能如下：①地理位置的不同直接導致太陽輻射、氣溫、空氣相對濕度、風速等存在明顯的空間差異；②氣象因子雖對林木樹干液流有著極其重要的作用，但各樹種的特性同樣是液流變化不可忽略的原因之一；研究的時間尺度不同，導致影響樹干液流的主要因子不同，晝夜尺度上太陽輻射與水汽壓虧缺是主要影響因子[29]，小時尺度上與水汽壓虧缺密切相關，太陽輻射影響較小[30]。

太陽輻射是影響蒸騰作用和光合作用的主要氣象因子，其可以直接或間接影響溫度和濕度的變化。太陽輻射強時氣溫會升高，隨葉片溫度增加，植被以蒸騰來降低溫度，葉片氣孔導度會變大，蒸騰速率加快，當氣溫超過32 ℃時，葉片氣孔阻力增大，水勢下降，氣孔導度變小，蒸騰減弱[31]。空氣濕度影響植物葉片和大氣之間的水汽壓差，一般情況下，葉片有巨大的內表面，而且葉肉細胞間隙中的水汽濃度大體上接近飽和，故空氣濕度小時葉片和大氣之間的水汽壓差會變大，蒸騰速率加快，相反，蒸騰速率則下降。雖不同時間尺度上影響樹干液流的氣象因子存在差異，但多數研究顯示，太陽輻射、氣溫風速與樹干液流呈正相關，空氣相對濕度與其呈負相關，這就說明，樹干液流速率隨太陽輻射、氣溫和風速等因子的增加而加快，隨空氣相對濕度的增加而減弱，而本研究在日均尺度上分析得出樹干液流與風速呈負相關，在小時尺度上樹干液流與風速變化趨勢相同，可能是因為晴天條件下日均風速較小，陰雨天時日均風速較大導致的。

5 結 論

寧南黃土丘陵區山桃人工林樹干液流的季節變化特征呈波浪狀，但有明顯先升后將的過程；日變化特征：晴天為單峰型曲線，陰雨天為雙峰或多峰曲線。樹干液流的啟動時間隨著生長季的推進逐漸延遲，在不同時間尺度上，太陽輻射和氣溫對樹干液流的影響較大，其次是空氣相對濕度和風速。建立山桃日均樹干液流速率與氣象因子的回歸模型，可以預測林木樹干液流速率。