溫淑紅，韓新生,2*，蔡進(jìn)軍，許 浩，馬 璠，萬海霞

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所，寧夏防沙治沙與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

【研究意義】蒸散是生態(tài)水文過程很重要的組分之一，陸地生態(tài)系統(tǒng)中絕大部分蒸散來自于植被蒸騰。蒸騰是植被體將其內(nèi)部的水分以水蒸氣的形式散失到大氣中去，對(duì)樹木的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。林木冠層蒸騰主要通過樹干木質(zhì)部液流測(cè)得，而樹干液流是衡量林木蒸騰耗水的重要指標(biāo)，能反映出林木特性和環(huán)境因子對(duì)水分利用的綜合作用。測(cè)定樹干液流的方法很多，熱擴(kuò)散技術(shù)方法因野外操作簡(jiǎn)便，可連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)定周期可調(diào)節(jié)，時(shí)間分辨率高，對(duì)植被的正常生理活動(dòng)影響小，數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程下載等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1-4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)林木樹干液流已有很多研究。買爾當(dāng)·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?dú)庀笠蜃?；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(guān)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?dú)庀笠蜃訛樗麎禾澣焙蜐撛谡羯ⅲ焕顫嵉萚10]在冀西北山地上觀測(cè)油松和落葉松樹干液流速率，發(fā)現(xiàn)影響樹干液流速率的主要?dú)庀笠蜃訛闇囟群蜐穸?；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?dú)庀笠蜃印Ｒ陨显诓煌貐^(qū)對(duì)不同樹種的樹干液流進(jìn)行研究，得到的結(jié)果不完全相同，主要是因各地區(qū)自然地理?xiàng)l件的差異導(dǎo)致主導(dǎo)因子不同、各樹種的植物學(xué)特性導(dǎo)致的關(guān)鍵作用因子不同、研究的時(shí)空尺度差異導(dǎo)致研究結(jié)果不同。以往的研究主要集中于樹干液流的時(shí)空變化及環(huán)境因子的作用，但不同樹種和不同區(qū)域研究結(jié)論差別較大[12-15]。山桃(Amygdalusdavidiana)為寧南黃土丘陵區(qū)退耕還林等生態(tài)修復(fù)工程中主要的樹種之一，在該區(qū)水土保持、植被固碳、農(nóng)民增收等方面起到關(guān)鍵作用。【本研究切入點(diǎn)】本研究選擇國(guó)內(nèi)學(xué)者很少關(guān)注的樹種山桃為研究對(duì)象，采用TDP技術(shù)對(duì)其進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，并利用氣象站連續(xù)觀測(cè)氣象指標(biāo)，分析樹干液流的變化規(guī)律及氣象因子對(duì)其的影響，建立氣象因子與液流速率的關(guān)系模型。【擬解決的關(guān)鍵問題】為揭示干旱缺水區(qū)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(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)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(qū)內(nèi)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(fā)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(yán)重。當(dāng)?shù)刂脖灰圆荼局参餅榛A(chǔ)，主要由百里香(Thymusmongolicus)、本氏針茅(Stipacapillata)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、委陵菜(Potentillachinensis)、糙隱子(Cleistogenessquarrosa)、茭蒿(Incarvilleasinensis)等群落構(gòu)成。該區(qū)進(jìn)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(shè)置樣地選擇在寧南黃土丘陵區(qū)的中莊小流域。在代表性地點(diǎn)設(shè)置了面積為30 m×30 m的山桃人工林標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地內(nèi)有少數(shù)的山杏生長(zhǎng)，數(shù)量約占林木總數(shù)的5 %左右，且生長(zhǎng)都相對(duì)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(duì)樣地位置標(biāo)定和樣地內(nèi)的山桃林木進(jìn)行測(cè)量(林木密度、樹高、分枝數(shù)、分枝地徑、冠幅等指標(biāo))，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(zhǎng)良好、具有代表性的山桃作為樹干液流觀測(cè)樣樹，樣樹基本特征見表2。

表2 山桃樹干夜流觀測(cè)樣樹基本特征

本研究區(qū)的地理環(huán)境條件造成山桃沒有明顯主干，有多個(gè)分枝，在樣樹距地約0.5 m處各安裝1組SF-L熱擴(kuò)散探針(德國(guó)Ecomatik公司生產(chǎn))，于2018年生長(zhǎng)季(6月1日至10月31日)期間連續(xù)測(cè)定樹干液流速率，并由CR1000數(shù)據(jù)采集器每隔 30 min自動(dòng)采集1次數(shù)據(jù)。SF-L樹干液流測(cè)定儀是基于熱擴(kuò)散原理，它由二個(gè)探針和一個(gè)恒流電源組成。在彭陽縣轄區(qū)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(zhǎng)度為 2 cm，基本上能覆蓋所測(cè)林木的邊材，插入深度為 3 cm。兩個(gè)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(gè)探針之間形成溫差。水流上升時(shí)，帶走熱量，兩個(gè)探針之間溫差變小。溫差和樹干流之間具有函數(shù)關(guān)系，通過測(cè)量溫差算出樹干液流通量。為了防止探針進(jìn)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(jì)算方法樹干液流速率或稱液流通量密度(Sap flow density)的計(jì)算公式為：

式中：Js為樹干液流速率(mL/cm2/min)；dtmax為無液流時(shí)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(gè)最大值dt；dtact為實(shí)際的dt值(℃)。

氣象條件監(jiān)測(cè)在2018年6月1日至2018年10月31日，利用HOB氣象站連續(xù)觀測(cè)研究地區(qū)的氣象指標(biāo)，主要包括太陽輻射(w/m2)、氣溫(℃)、降雨(mm)、空氣相對(duì)濕度(%)、風(fēng)向(°)和風(fēng)速(m/s)等，數(shù)值每30 min采集1次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016和SPSS19.0軟件整理分析數(shù)據(jù)，使用Origin19.0作圖。

2 結(jié)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(shì)，變異系數(shù)呈“M”型；氣溫的月均值、最大值和最小值基本呈現(xiàn)出先升后降的單峰趨勢(shì)，在8月份達(dá)到最大，極差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)整體呈先將后升的變化特征；空氣相對(duì)濕度的月均值和最小值呈現(xiàn)先升后降的單峰變化趨勢(shì)，最大值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)呈現(xiàn)出先將后升的趨勢(shì)，在8月份達(dá)到最小值；風(fēng)速的月均值、最小值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)呈現(xiàn)出先將后升的變化規(guī)律，最小值基本上都出現(xiàn)在7月份，最大值大致呈現(xiàn)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?dú)庀笾笜?biāo)的統(tǒng)計(jì)特征

在統(tǒng)計(jì)分析中，常用標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)(c.v.)分別表示變異程度大小，標(biāo)準(zhǔn)差反映絕對(duì)變異，變異系數(shù)反映相對(duì)變異大小。從整體上看，變異性的大小順序?yàn)樘栞椛?風(fēng)速>氣溫>空氣相對(duì)濕度。依據(jù)變異性強(qiáng)弱分級(jí)規(guī)律(c.v.≤10 %為弱變異性；10 %

2.2 樹干液流速率的動(dòng)態(tài)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(gè)先升后將的變化趨勢(shì)。最大值出現(xiàn)在6月22日，液流速率為0.1126 mL/cm2/min；最小值出現(xiàn)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(jié)變化特征

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

圖2 不同月份液流速率的日內(nèi)變化規(guī)律

不同月份液流速率的啟動(dòng)時(shí)間逐漸推后，6月啟動(dòng)時(shí)間為6:30，7-10月啟動(dòng)時(shí)間為8:30；從6月到8月樹干液流啟動(dòng)上升到穩(wěn)定期所用時(shí)間差異較小，基本上為2:00；各月份相對(duì)穩(wěn)定期持續(xù)時(shí)間是先增大后減小，下降期持續(xù)時(shí)間的變化與相對(duì)穩(wěn)定期相反，規(guī)律為先減小后變大；9和10月份的日內(nèi)變化為先微弱存在，再增大后減小，9月份的上升期持續(xù)時(shí)間比10月份短，下降期持續(xù)時(shí)間比10月份長(zhǎng)。本研究每月只選取無降雨的2 d時(shí)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(duì)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(nèi)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(shí)間，兩個(gè)晴天和兩個(gè)陰雨天，并且8月份的樹干液流速率相對(duì)較高，分析氣象條件對(duì)其的影響相對(duì)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(shí)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(dǎo)因子和主要?dú)庀髼l件，是樹干液流速率啟動(dòng)時(shí)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(shí)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(qiáng)度。溫度仍然是影響速干液流速率的主要?dú)庀髼l件。樹干液流速率與空氣相對(duì)濕度呈相反的變化趨勢(shì)，空氣相對(duì)濕度降低，樹干液流速率提高；空氣相對(duì)濕度增加，樹干液流速率降低?？諝庀鄬?duì)濕度與樹干液流速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間大致相同，所以，空氣相對(duì)濕度對(duì)樹干液流速率的變化規(guī)律也起到很重要的作用。風(fēng)速的變化特征存在瞬時(shí)的波動(dòng)性，但總體上變化趨勢(shì)與樹干液流速率相似，但對(duì)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(qiáng)弱，首先為太陽輻射強(qiáng)度，接著為氣溫，再為空氣相對(duì)濕度，最弱的為風(fēng)速。

圖3 典型晴天和陰雨天日內(nèi)尺度上氣象因子與樹干液流的關(guān)系

從表4可知，除空氣相對(duì)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(guān)；在各月，氣溫與樹干液流速率呈顯著(P<0.05)正相關(guān)；除9月外的其他月份，太陽輻射強(qiáng)度與樹干液流速率呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)；空氣相對(duì)濕度在7和8月份與樹干液流速率呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)；風(fēng)速在不同月份與樹干液流速率的相關(guān)性不顯著(P>0.05)。從相關(guān)顯著性和相關(guān)系數(shù)來看，影響山杏樹干液流日均值的主要?dú)庀笠蜃訛樘栞椛浜蜌鉁?，空氣相?duì)濕度和風(fēng)速作用相對(duì)較弱。

表4 研究期間和各月份主要?dú)庀笾笜?biāo)與山桃樹干液流速率的相關(guān)分析

由表5所示，對(duì)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?dú)庀笠蜃拥幕貧w模型。

表5 山桃日均樹干液流速率與主要?dú)庀笠蜃拥幕貧w模型

4 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)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(qū)域不同樹種的研究結(jié)論相似[16-22]，但也存在差異，主要表現(xiàn)為啟動(dòng)、峰值、下降的時(shí)間不盡相同，李廣德等[23-24]發(fā)現(xiàn)毛白楊和國(guó)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?yàn)榘滋焯栞椛漭^強(qiáng)、空氣溫度較高、空氣濕度較低，液流速率相對(duì)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(bǔ)樹體內(nèi)白天消耗掉的水分以維持水分平衡，這是植物適應(yīng)干旱環(huán)境的一種內(nèi)在保護(hù)機(jī)制[26]。以往在不同地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)晴天、陰雨天各樹種的樹干液流速率的日內(nèi)變化存在差異，啟動(dòng)和降低的時(shí)間也不盡相同，可能是因不同區(qū)域日升日落時(shí)間及太陽輻射強(qiáng)弱的日內(nèi)變化差異引起的，各樹種的植物學(xué)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(nèi)水分運(yùn)輸狀況的一個(gè)重要參數(shù)，其受眾多環(huán)境因子的影響，如太陽輻射、空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、土壤水分等因素，這些因子都隨著季節(jié)、日周期和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件而發(fā)生變化，不同尺度上各因子對(duì)樹干液流的影響不同。徐世琴等[27]分析得出風(fēng)速能夠影響植物冠層邊界層導(dǎo)度，故風(fēng)速與樹干液流的相關(guān)性最大；本研究表明，在研究期間(季節(jié)尺度上)氣溫、太陽輻射和風(fēng)速與山桃樹干液流速率呈極顯著正相關(guān)，與空氣相對(duì)濕度相關(guān)性不顯著，說明在研究期間氣溫和太陽輻射對(duì)日均液流速率的驅(qū)動(dòng)作用最強(qiáng)。張璇等[28]對(duì)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(fēng)速、空氣相對(duì)濕度、溫度，與本研究結(jié)論不同。本研究顯示在不同時(shí)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(duì)濕度，9月份主要為氣溫；在日內(nèi)尺度上，各氣象因子的作用強(qiáng)弱依次為太陽輻射、氣溫、空氣相對(duì)濕度和風(fēng)速。

區(qū)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(dǎo)致太陽輻射、氣溫、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速等存在明顯的空間差異；②氣象因子雖對(duì)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(shí)間尺度不同，導(dǎo)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(shí)尺度上與水汽壓虧缺密切相關(guān)，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?dú)庀笠蜃樱淇梢灾苯踊蜷g接影響溫度和濕度的變化。太陽輻射強(qiáng)時(shí)氣溫會(huì)升高，隨葉片溫度增加，植被以蒸騰來降低溫度，葉片氣孔導(dǎo)度會(huì)變大，蒸騰速率加快，當(dāng)氣溫超過32 ℃時(shí)，葉片氣孔阻力增大，水勢(shì)下降，氣孔導(dǎo)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(nèi)表面，而且葉肉細(xì)胞間隙中的水汽濃度大體上接近飽和，故空氣濕度小時(shí)葉片和大氣之間的水汽壓差會(huì)變大，蒸騰速率加快，相反，蒸騰速率則下降。雖不同時(shí)間尺度上影響樹干液流的氣象因子存在差異，但多數(shù)研究顯示，太陽輻射、氣溫風(fēng)速與樹干液流呈正相關(guān)，空氣相對(duì)濕度與其呈負(fù)相關(guān)，這就說明，樹干液流速率隨太陽輻射、氣溫和風(fēng)速等因子的增加而加快，隨空氣相對(duì)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(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，在小時(shí)尺度上樹干液流與風(fēng)速變化趨勢(shì)相同，可能是因?yàn)榍缣鞐l件下日均風(fēng)速較小，陰雨天時(shí)日均風(fēng)速較大導(dǎo)致的。

5 結(jié) 論

寧南黃土丘陵區(qū)山桃人工林樹干液流的季節(jié)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(dòng)時(shí)間隨著生長(zhǎng)季的推進(jìn)逐漸延遲，在不同時(shí)間尺度上，太陽輻射和氣溫對(duì)樹干液流的影響較大，其次是空氣相對(duì)濕度和風(fēng)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(yù)測(cè)林木樹干液流速率。