不同方位沙棘液流差異與環境因子的關系

卜繁靖 郭月峰 祁偉 李洪杰 張恩澤 王皓月

摘要：為精確砒砂巖區沙棘水分利用效率，利用EMS62植物液流系統和CR-3000小型自動氣象站對內蒙古中部砒砂巖區10年生沙棘的不同方位液流動態變化及環境因子進行連續監測。結果表明，在沙棘樹種中不同方位液流的總體變化規律為隨著時間的推移液流速率先增加繼而逐漸下降，南側和西側到達峰值所需的時間最短，北側和東側次之;4個方位中，北側的峰值最大。除西側外，沙棘東側、南側、北側液流速率的連日變化特征和空氣溫度的變化規律呈正相關關系，和空氣濕度呈負相關關系，和水汽壓呈正相關關系，和光和有效輻射呈正相關關系且存在著明顯的滯后現象。對沙棘液流速率產生影響的溫度范圍在15℃以上。在整個變化過程中，東側液流速率受到環境因子的直接影響，西側最弱，4個方位樹干液流速率的大小依次為東側>南側>北側>西側。利用多元逐步回歸分析法建立了沙棘各側液流速率和環境因子的回歸方程。在4個方向上，所有的液流通量密度普遍都具有簡單的線性關系。東、南兩側的液流通量密度略低于北側，西側最低。

關鍵詞：砒砂巖區;沙棘液流;不同方位;環境因子

中圖分類號：S793.602 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2022）11-0154-07

收稿日期：2021-08-15

基金項目：內蒙古自治區科技計劃（編號：2021GG0085、2019GG004）;國家自然科學基金（編號：31960329）。

作者簡介：卜繁靖（1998—），男，內蒙古通遼人，碩士研究生，從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail：1563150504@qq.com。

通信作者：郭月峰，博士，副教授，從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail：guoyuefeng0525@126.com。

水分會對一個地區植物的生長產生至關重要的影響，是植物存活的必要條件之一，液流速率與土壤水分、蒸騰作用相比較，在植物水分生理過程中表現出更高的適應性。通過對干旱區植物莖干液流變化規律的研究，可以有效地反映出植物對干旱環境的適應機制。目前，關于植物液流速率差異特征已有較多研究，但大多集中于液流速率的個體差異及其在邊材上的徑向差異，對植株不同方位上的液流差異研究較少。黨宏忠等對蘋果樹在主要生長季內4個方位上邊材的液流速率、土壤水分、氣象因子進行同步連續監測，蘋果樹邊材液流速率在不同位置上是不同的，北、南兩側樹干具有較高的液流速率，東、西兩側樹干液流速率較低。劉洋等發現毛白楊4個方位邊材液流速率不同，且易影響到對林木蒸騰量的估計。邊材液流速率會對生物學結構、水分利用規律、對環境響應能力、樹木抗旱特性以及水分合理利用等各方面具有重大意義，相同樹種的液流變化存在著明顯的方位差異。

內蒙古自治區中部地區分布著大量砒砂巖，砒砂巖是一種形成于晚古生代二疊紀、中生代三疊紀、侏羅紀和白堊紀的陸相碎屑巖。砒砂巖抗侵蝕能力很弱，干旱氣候下堅硬如石;浸水膨脹崩解、潰散成沙;遇風的情況下，則可能會出現被剝蝕風化的現象。同時，由于該區域的自然環境相對比較惡劣，年降水量少，水分緊缺，植物扎根難度大，樹木生長環境比較差，可能有大量枯枝現象，有時甚至造成了植株大面積枯死，嚴重降低了植株的成活率，從而影響了林分的可持續發展。分布廣泛的砒砂巖和嚴酷的自然環境，導致該地帶成為黃河流域土壤侵蝕最為劇烈、生態環境最為脆弱的地區之一，給當地農業生產和自然環境造成了災難性的影響，砒砂巖區的治理刻不容緩。

沙棘（Hippophae rhamnoides）為胡頹子科（Elaeanaeeae）沙棘屬（Hippophae）的灌木或小喬木，是陽性樹種，喜光、耐寒、耐酷熱、耐風沙、耐干旱，可以較好地適應土壤，其根系十分發達，分蘗萌生能力極強，生長快，生物量大，因此被廣泛用于水土保持，是黃土高原地區防風固沙、改善生態環境的先鋒樹種。自20世紀80年代以來，晉陜蒙砒砂巖地區投入到對沙棘資源的大規模建設過程中，充分利用了沙棘水土保持效應具有的優勢作用。將沙棘種植在砒砂巖區，有效減少了溝道水土流失，提升了植被覆蓋度，立地條件得到改善。在砒砂巖區種植大量的沙棘人工林，有利于減小土壤容重，提高土壤孔隙率與持水率。但是最近當地人員調查發現，有部分沙棘出現了衰退、枯死的現象，原因可能是土壤無法為栽植密度過大的人工林提供水分、養分等。基于此，本試驗通過測定沙棘不同方位的液流速率，結合當地氣象因子，精確研究沙棘對當地水分的利用效果，填補該方面研究的空白，以期為砒砂巖區的資源利用和生態修復提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區在內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗暖水鄉圪秋溝，該研究區是典型的侵蝕劣地砒砂巖區，地理位置為39°42′～39°50′N、110°25′～110°48′E，流域地勢不平坦，溝壑較多;土壤侵蝕性強，水土易于流失。平均海拔高度為800～1 590 m，為半干旱大陸性季風氣候，日照時數為2 900～3 100 h，全年無霜期長達148 d。年均降水量僅為400 mm，密集分布在7—8月;年均蒸發量為2 093 mm，年均氣溫為6.2～8.7℃，≥10℃積溫為2 900～3 500℃。研究區普遍是黃綿土，對于砒砂巖景觀而言，主要包括栗鈣土、風沙土2種類型，該流域集中了大量的水土保留與防風固沙效的人工植被，主要造林樹種包括沙棘、油松（Pinus tabuliformis）、檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、紫花苜蓿（Medicago sativa）和山杏（Prunus sibirica）等，人工沙棘林林下植被主要有羊草（Leymus chinensis）、克氏針茅（Stipa krylovii）等。

1.2 研究方法

1.2.1 調查與取樣 試驗于2020年7月17—20日，位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗圪秋溝，選用密度3 m×3 m人工沙棘林地為試驗區域，挑選受人為干擾較少的地塊，建立規格為30 m×30 m的樣方。以樣方內的10年生沙棘為研究對象，對樣方內的沙棘進行每木檢尺，并選擇樹干通直、生長良好、無病蟲害的3叢沙棘為標準叢對液流速率予以相應的測定分析。沙棘基本情況見表1。

1.2.2 樹干液流的測定 在測定沙棘液流的過程中，使用的是經典的EMS62植物液流系統，其主要包括EMS62控制模塊、SF60液流傳感器、輻射傳感器、連接電纜以及數據采集器。其測量原理是先向被測植物提供熱源，通過液流把提供的熱量帶走，來計算液流量。該原理是建立在莖熱平衡法（SHB）基礎上的。一般情況下，莖熱平衡法應用于小直徑的植物或器官，主要包括植物的細莖、小枝以及農作物等。在安裝探針過程中，必須確保探針與莖表面處于一個穩定的接觸狀態，每株沙棘相距地面1.3 m的位置處統一安裝標準的探針，原因是高于此值可能有大量的分枝，導致試驗結果存在偏差。使用直徑2 mm的電鉆鉆頭，在沙棘莖干上鉆出2個長20 mm的孔，同時將探頭插入到相應的鉆孔內，保證內部未受到其他損傷，1株沙棘安裝1組，共有12組。利用錫箔紙包裹住探針位置，避免由于太陽輻射、雨水入滲以及機械損傷影響探針準確度。安裝好探針，并將反饋線與數據采集器進行連接，后者的電源線相接于 12 V 電池，并設置數據采集器的各項工作參數與指標，采集間隔時間 30 min，4次校準，每 30 min 后計算均值，記錄相應的數據，本試驗需要實時檢測樹種，同時必須下載相應的觀測數據。EMS62植物液流系統具有液流速率v（kg/h）獲取快的優點。液流值的單位由 kg/h，換算為g/h，應將初始液流速率×1 000，同時在計算過程中無需考慮不同方位與徑向液流通量密度之間的偏差，可以按照以下公式計算出相應的沙棘液流通量密度：

Fs=（1 000×V）/As。（1）

其中Fs為液流通量密度，g/（h·cm）;As為測定位置的沙棘莖干邊材面積，cm;v為液流速率，kg/h。

1.2.3 環境因子的測定 利用架設在當地的CR-3000小型自動氣象站連續測定樣地周圍的環境因子。指標有空氣溫度T（℃）、空氣相對濕度RH（%）、光合有效輻射PAR（W/m）、水汽壓E（kPa）。數采時長為30 min，與EMS62植物液流系統協同，記錄觀測數據。

1.3 數據分析

液流數據、環境因子數據儀器均可以進行自動化記錄，利用Excel 2016進行數據整理及制圖，利用SPSS 22進行數據分析，方法有多元逐步回歸分析、相關性分析以及單因素方差分析。

2 結果與分析

3株沙棘共有12組液流數據，東、南、西、北側各3組數據，為了試驗數據更加準確可信，每個方向液流數據再作平均處理。

2.1 沙棘不同方位樹干液流速率日變化分析

從7月17—20日中選取7月18—19日。沙棘不同方向上的樹干液流速率日變化情況可見圖1。4個方向的液流速率在一天中呈現出明顯的晝夜變化規律，在00：30—06：30內沙棘各個方向的液流速率曲線較為平緩，起伏不大，西側液流速率最低;06：30 之后，隨著氣溫和太陽輻射的升高，4個方向的液流速率都逐漸增大，其中南側和西側的液流速率在 09：00 左右抵達各自的第1個峰值;之后東、南、西3側液流速率均逐漸變緩，只有北側仍在升高;至 12：00，4個方向的液流速率突然變緩，在 12：30 時又劇烈上升，至13：00到達南側和西側液流速率的第2個峰值，也是東側和北側液流速率的第1個峰值;而后隨著溫度急劇上升，水汽壓虧缺增大，氣孔導度下降，液流速率減緩，直至15：00左右東側液流速率再次上升，抵達東側液流速率變化曲線的第2個峰值;16：30左右抵達北側液流速率變化曲線的第2個峰值。之后隨著太陽輻射降低，4個方向的液流速率均減緩，至20：00趨于穩定，保持在10～30 g/h之間，直到次日06：30。整體來看，4個方向的液流速率動態曲線變化規律大致相同，均為雙峰型曲線，夜間樹干液流速率變化并無明顯差異，而白天液流速率浮動較大，差異明顯。每日沙棘樹種液流呈現出液流速率先增后降的特征，南側和西側到達峰值所需的時間最短，北側和東側次之;4個方位中，北側的液流速率峰值最大。

2.2 沙棘不同方位樹干液流速率與環境因子的關系

植物液流速率變化受到生物學特性、環境因子等多種因素的共同影響，環境因子的變化直接導致液流速率的改變，試驗通過連續4 d對沙棘不同方位樹干液流速率進行監測，并同步環境因子（光合有效輻射、空氣濕度、大氣溫度），分析其對沙棘不同方位樹干液流速率的影響。

2.2.1 沙棘不同方位樹干液流速率與空氣溫度的關系 由圖2可知，除西側外，沙棘東側、南側、北側液流速率與空氣溫度變化特性類似，液流速率與空氣溫度呈正相關關系。空氣溫度一般在07：30（溫度為15℃）左右開始逐漸升高，沙棘液流速率快速提升;除西側外，沙棘東側、南側、北側液流啟動的時間相對于空氣溫度變化有短暫的延遲。在 14：30—15：30之間空氣溫度上升到最高點，沙棘兩側液流速率為最大值，空氣溫度降低，沙棘液流蒸騰速率有明顯的降低。至21：00，4個方位的液流速率均保持穩定，而此時溫度仍在下降，21：00溫度為15℃，這說明對沙棘液流速率產生影響的溫度范圍在15℃以上。空氣溫度與各側液流速率的變化都表現出了明顯的晝夜節律性，在整個變化過程中，東側液流速率對空氣溫度的響應最強烈，西側最弱，4個方位樹干液流速率的大小依次是東側>南側>北側>西側。

2.2.2 沙棘不同方位樹干液流速率與空氣相對濕度、水汽壓的關系 由圖3、圖4可知，除西側外，沙棘東側、南側、北側液流速率的連日變化特征和空氣相對濕度的變化規律大致呈反比關系，同水汽壓成正比關系。空氣相對濕度是指空氣實際水汽壓與等溫飽和水汽壓2個數值之間的比例，受空氣溫度影響密切。如圖，空氣相對濕度一般在15：30左右開始逐漸升高，沙棘液流速率也明顯減緩;21：00至翌日07：00，夜間空氣溫度降低，空氣相對濕度也趨于穩定，沙棘各個方位的液流速率也保持穩定。07：00之后，隨著空氣溫度逐漸升高，空氣相對濕度降低，大氣水分含量減小，水汽壓增加，進而導致植株葉片氣孔內腔水汽的梯度升高，使水的汽化過程加快，為維持植株體內外的壓力平衡，液流速率便逐漸增加。在整個變化過程中，東側液流速率對空氣相對濕度和水汽壓的響應最強烈，西側最弱。

2.2.3 沙棘不同方位樹干液流速率與光合有效輻射的關系 由圖5可知，除西側外，沙棘東側、南側、北側液流速率的連日變化特征和光和有效輻射的變化規律具有很高的一致性。光合有效輻射一般在07：00左右開始逐漸升高，至13：00左右到達峰值，在這個時間段內，沙棘各個方向的液流速率也表現出逐漸加快的趨勢，南側和西側液流速率已經到達了各自的第1個峰值，北側和東側未到達其峰值。13：00之后，光合有效輻開始降低，沙棘液流速率仍在加快，至14：00，南側和西側液流速率分別到達了各自的第2個峰值，北側和東側液流速率才到達第1個峰值;至15：00，光合有效輻射仍在降低，北側和東側液流速率到達第2個峰值。這說明沙棘液流速率變化和光合有效輻射之間有著明顯的滯后現象。當光合有效輻射強度增加時，誘導植物進行蒸騰作用，液流速率隨之變化，在抵達第1個峰值后，沙棘隨之進行“光合午休”，避過高溫時段，之后隨著光合有效輻射的減小，液流速率開始下降，直至夜間，光合有效輻射強度到達最低，液流速率也隨之穩定不再變化。在整個變化過程中，東側液流速率對光和有效輻射的響應最強烈，西側最弱。

2.2.4 沙棘不同方位樹干液流速率與環境因子相關性 沙棘不同方位樹干液流速率和同時段內環境因子的變化規律有顯著的相關關系，相關系數r見表2。光合有效輻射、空氣溫度和水汽壓與沙棘液流速率變化均呈正相關關系，其中光合有效輻射對沙棘東側、南側、西側影響程度最大，空氣溫度和水汽壓次之;沙棘北側液流速率變化的關鍵因素是空氣溫度，原因可能是一天中北側莖干未受到陽光照射。空氣相對濕度越大，沙棘液流速越小。基于此，運用多元逐步回歸分析法，構建一個沙棘各側液流速率與環境因子之間的數學回歸模型，見表3。

2.3 沙棘不同方位樹干液流通量密度關系分析

沙棘人工林分的蒸騰耗水量的計算方式可以借助于單木耗水量在尺度的擴展作用下達到目的。

在單木水平上，對測定樹干蒸騰耗水量產生誤差的原因主要有2個，一是樹干徑向液流通量密度，二是樹干各位置上的液流通量密度。單木水平會對林分水平蒸騰耗水誤差產生最直接的影響。因此，本研究通過對沙棘各位置上樹干液流通量密度變化規律的分析，以期精確沙棘水分利用效率。

在每株供試木特定位置安裝1組探針，按照“1.2.2”節方法測定4個方位的液流通量密度。使用線性方程（y=ax+b）分析液流通量密度之間的關系，以北側液流通量密度為自變量（x），其他3個方位為因變量（y），對其展開全面的相關性分析，判斷各位置之間的差異性與相關性，結果見表4。

在7月17—20日中，沙棘方位的液流通量密度測定值見圖6。由表4可知，4個方位上的液流通量密度是線性相關的，東、西、南3個位置與北側線性回歸均具有極顯著性（P<0.01）。回歸方程中的參數表明，東、南兩側的液流通量密度相對比較小，北側較大，西側具有最小值。結合回歸方程中的各項參數，北側具有最大的液流通量密度，南側次之，西側最小。

3 討論與結論

沙棘同其他植物一樣，其樹干液流也存在著方位差異。目前大多數學者針對植株不同方位的液流差異做了大量研究，如尾葉桉（Eucalyptus urophylla）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、毛白楊（Populus tomentosa）等。羅鳳敏等通過對生長在烏蘭布和沙漠上的沙棘液流和環境因子進行長時間監測，發現沙棘液流變化呈多峰曲線，具有明顯的晝夜規律，一般07：50啟動，09：10抵達峰值，液流速率受太陽總輻射影響最大。研究表明，白天沙棘液流速率呈現出的顯著波動性是由地區空氣相對濕度低、太陽輻射強等多種原因共同導致的，沙棘根系要想維持吸水與蒸騰速率之間的平衡性，必須實時調控沙棘葉片氣孔開度。一般情況下，根系吸收的土壤水分較少，遠不足植物蒸騰消耗水分，葉片氣孔為了適應環境變化會關閉，當太陽輻射最強時，植物會“午休”，至此液流速率將呈現出雙峰與多峰曲線。王卓等通過對設計水分梯度下的沙棘液流進行長時間監測，發現沙棘液流除了受氣象因子的影響外，土壤含水量與液流速率是正相關關系。劉龍等對內蒙古砒砂巖區沙棘液流蒸騰速率與環境因子之間的關系做了探究，結果表明，其影響程度依次為水汽壓虧缺>太陽輻射>空氣溫度>空氣相對濕度>風速>10 cm地溫。以上學者在開展試驗時都是將探針插在北側，針對沙棘不同方位樹干液流速率差異特征的研究還沒有，本試驗很好地補充了這方面的空白。本研究同大多數學者的研究結果相似，沙棘東側、南側、西側、北側的液流速率有雙峰曲線，液流啟動時間也與羅鳳敏等得出的結論相近，產生差異的原因可能是地理條件不同;大部分學者認為沙棘抵達液流第1個峰值時間在12：00左右，本試驗過程中發現，沙棘南側和西側的液流速率的確在09：00前后抵達峰值，東側和北側液流速率在12：00抵達第1個峰值，該結論不僅同羅鳳敏等的研究結果相一致，更為這2種結果做出了解釋。同大多數試驗一樣，本試驗也對外界環境做了監測，忽略不同方位差異的影響，光合輻射有效值對沙棘液流的影響程度最大，其次為空氣溫度，同樣證實了羅鳳敏等提出的觀點。除西側外，東側、南側、北側的沙棘液流速率變化與光合輻射有效值、空氣溫度、水汽壓呈正相關關系，與空氣相對濕度呈負相關關系，與王卓等的結論一致。

本研究發現，在較短的時間尺度上，沙棘液流變化主要受外界環境影響。沙棘各方位液流速率變化不同，各個方向液流速率對相關環境因子的響應程度不盡相同，分析沙棘液流方位變化特征對水土流失嚴重的砒砂巖區有重要意義。本研究采用多元逐步回歸分析法，構建一個沙棘側液流與環境因子的數學回歸模型，為后續試驗提供理論依據。

本研究結論如下：沙棘樹種每日的不同方位液流呈現出先增后降的特征，南側和西側到達峰值所需的時間最短，北側和東側次之;4個方位中，北側的峰值最大。除西側外，沙棘東側、南側、北側液流速率的連日變化特征和空氣溫度的變化規律呈正相關關系，和空氣相對濕度呈負相關關系，和水汽壓呈正相關關系、和光和有效輻射呈正相關關系且存在著明顯的滯后現象。對沙棘液流速率產生影響的溫度范圍在15℃以上。在整個變化過程中，東側液流速率會直接反映出環境因子，西側最弱，4個方位樹干液流速率的大小依次為東側>南側>北側>西側。4個位置液流通量密度呈現出線性相關關系。東、南兩側的液流通量密度略低于北側，西側最低。

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