基于熱擴(kuò)散技術(shù)的白樺夜間液流研究*

呂靜，魏江生，趙曉娟

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010011）

研究表明，測(cè)定樹(shù)干液流時(shí)，夜間液流活動(dòng)微弱，占全天液流總量較小，但并不為零，夜間液流對(duì)于彌補(bǔ)白天蒸騰造成的水分虧缺和維持自身水分平衡有重要的意義[1],夜間液流主要用于蒸騰和被動(dòng)的呼吸作用[2]，以及樹(shù)干補(bǔ)水和養(yǎng)分運(yùn)輸[3]，進(jìn)而來(lái)調(diào)節(jié)樹(shù)體的水分養(yǎng)分生理平衡。有研究表明，影響夜間液流的主要環(huán)境因子有水汽壓虧缺、溫度、風(fēng)速等[4]，魏瀟[5]通過(guò)對(duì)青海云杉的研究發(fā)現(xiàn)，夜間樹(shù)干液流速率與氣溫、飽和水汽壓差呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速的相關(guān)性不顯著；楊飛[6]則發(fā)現(xiàn)107 楊夜間樹(shù)干液流速率與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，與其他因子均未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

不同地區(qū)不同樹(shù)種夜間液流動(dòng)態(tài)變化特征以及影響因子有著一定差異。文章在內(nèi)蒙古賽罕烏拉森林生態(tài)定位研究站對(duì)主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種白樺樹(shù)干液流進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，分析其與氣象因子的關(guān)系。目的在于了解樹(shù)木的蒸騰耗水規(guī)律，并為干旱地區(qū)森林健康經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古賽罕烏拉國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，該區(qū)屬于大興安嶺南段山地阿爾山支脈，地處林草交錯(cuò)帶。太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，年總輻射量可達(dá)5 700 MJ· m-2；年總?cè)照諘r(shí)數(shù)高于3 000 h。年平均氣溫2 ℃，最高達(dá)34 ℃，最低至零下-32 ℃；無(wú)霜期為100 d 左右；年均蒸發(fā)量2 050 mm。夏季受溫帶大陸性季風(fēng)氣候控制，年降水量約為400 mm，多集中在6～8月，占全年平均降水量的70%～80%；冬季降水僅為35～70 mm，占全年的8%～17%。土壤具有明顯垂直地帶性分布特征，頂部以山地黑土為主，中部以暗栗鈣土為主，灰色森林土分布于林下。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

依照中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法（LY/T1952—2011）》，在海拔1 360 m 處的白樺次生林內(nèi)，選取地勢(shì)平坦、植被分布具有代表性的典型區(qū)域作為樣地，地理位置為44°11′29″N，118°42′33″E，位于坡面的中上部，大小為30 m×30 m。在所選的樣地內(nèi)對(duì)所有樹(shù)木進(jìn)行每木檢尺，包括所有的死樹(shù)與胸徑<5 cm 的樹(shù)木在內(nèi)，各個(gè)徑級(jí)均占有一定比例，總體徑級(jí)大小分布均勻，平均樹(shù)高8.42 m，平均胸徑為16.20 cm。

1.2.2 樹(shù)干液流的測(cè)定

采用TDP 熱擴(kuò)散液流探針對(duì)樹(shù)干液流進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，樣樹(shù)基本特征見(jiàn)表1。樣樹(shù)的邊材面積根據(jù)樣地內(nèi)選取的不同徑級(jí)的白樺，用生長(zhǎng)錐鉆取樹(shù)芯，得到邊材面積與胸徑的關(guān)系式，反推出邊材面積。在每株樣木高1.3 m 處選定觀測(cè)點(diǎn)，并在南北方向分別安裝探針。使用數(shù)據(jù)采集器（CR1000）定期收集數(shù)據(jù)，采集頻率為30 min/次，測(cè)定時(shí)間為2016 年8 月1 日至9 月28 日。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用Granier[7]經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算樹(shù)干液流密度，計(jì)算公式如下：

表1 白樺樣樹(shù)的基本特征

式中，JS為單株樣木液流密度（g·cm-2·s-1），ΔT是加熱探針和數(shù)據(jù)傳感探針之間的溫度差（℃），ΔTM是每1 天中最大的溫度差值（℃）。

1.2.3 環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)

研究區(qū)白樺次生林樣地內(nèi)裝有全自動(dòng)氣象站，對(duì)太陽(yáng)輻射、空氣溫度、空氣相對(duì)濕度及風(fēng)速等環(huán)境因子進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，采集頻率為30 min/次，并利用空氣溫度和空氣相對(duì)濕度計(jì)算空氣飽和水汽壓差。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

將一天中光合有效輻射為零的時(shí)段定義為夜間液流，將TDP 溫差數(shù)據(jù)導(dǎo)入Baseliner 軟件，使TDP 溫差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫鲾?shù)據(jù)。使用Excel2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS26.0 進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析；使用Sigmaplot 12.5 畫(huà)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)干液流的日變化特征

選取8 月28～30 日液流的連續(xù)數(shù)據(jù)，由圖1 可以看出，白樺的液流速率表現(xiàn)出明顯的晝夜變化趨勢(shì)，其峰值出現(xiàn)在白天，白天的液流速率表現(xiàn)為“單峰”曲線，從6：00 時(shí)開(kāi)始光合有效輻射增強(qiáng)，液流速率逐漸增大，并且在12:00 時(shí)左右液流速率達(dá)到最大值，28～30日的日變化液流速率的峰值依次為0.002 424 g·cm-2·s-1、0.001 658 g·cm-2·s-1、0.001 588 g·cm-2·s-1。之后隨著太陽(yáng)輻射減小，溫度逐漸降低，在19:00 時(shí)左右光合有效輻射逐漸減弱至零后，仍能觀測(cè)到明顯的夜間樹(shù)干液流。連續(xù)晴天下，液流速率峰值逐漸降低的原因可能是由于8 月27 日有降雨時(shí)間的發(fā)生，從而使土壤含水量增加，白樺的蒸騰作用加強(qiáng)，液流更為活躍，所以，8 月28 日的液流速率大于29～30 日的液流速率。根據(jù)光合輻射的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以將夜間液流計(jì)算時(shí)間段確定為19:00 時(shí)至次日6:00 時(shí)。

圖1 白樺樹(shù)干液流通量密度連日變化特征

2.2 夜間樹(shù)干液流的變化

由圖2 可以看出，連續(xù)3 d 晴天均表現(xiàn)為白天活躍的蒸騰活動(dòng)后，19:00 時(shí)28～30 日的液流速率分別為0.000 529 g· cm-2· s-1、0.000 303 g· cm-2· s-1、0.000 446 g·cm-2·s-1，之后液流速率呈明顯下降，其中19:00 時(shí)到00:00 時(shí)間，夜間液流速率下降較為明顯，0:00 時(shí)的液流速率分別為0.000 053 g·cm-2·s-1、0.000 077 g·cm-2·s-1、0.000 063 g·cm-2·s-1,之后液流速率趨于平緩，仍能可以觀測(cè)到夜間液流的發(fā)生，說(shuō)明夜間液流主要發(fā)生在前半夜。由于白天蒸騰強(qiáng)烈，導(dǎo)致樹(shù)木失水較多，體內(nèi)水勢(shì)較低，土壤與根系間的水勢(shì)差較大；之后水分虧缺程度減弱，水勢(shì)差減小，液流速率降低，所以液流速率前半夜大于后半夜[8]。

圖2 夜間液流速率變化

表2 夜間樹(shù)干液流與環(huán)境因子的相關(guān)分析

2.3 夜間液流影響因素分析

每30 min 夜間樹(shù)干液流速率與同步氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，由表1 可知，在空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、飽和水氣壓差、風(fēng)速4 個(gè)環(huán)境因子中，夜間樹(shù)干液流與空氣溫度、飽和水氣壓差和風(fēng)速表現(xiàn)出了極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.644、0.362、0.418。夜間液流速率與空氣相對(duì)濕度相關(guān)性不顯著。另外，由于夜間光合有效輻射為零，所以無(wú)法與夜間液流進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，白樺樹(shù)干液流日變化呈現(xiàn)單峰曲線，且降雨過(guò)后的晴天樹(shù)干液流速率峰值大于連續(xù)晴天后的樹(shù)干液流速率峰值，說(shuō)明土壤含水量有可能是影響樹(shù)干液流速率的重要環(huán)境因子。夜間（19:00 時(shí)至次日6:00 時(shí)）的液流速率值很小，但不為0。說(shuō)明白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，白樺蒸騰作用強(qiáng)，代謝快，所以液流速率較大；而夜間太陽(yáng)輻射為零，所以夜間液流速率相比于白天極其微弱[9]。

有研究表明，有些樣木在夜間維持部分氣孔開(kāi)放，在出現(xiàn)足夠的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子下進(jìn)行夜間蒸騰。因此通過(guò)分析環(huán)境因子與液流活動(dòng)的相關(guān)關(guān)系判斷樹(shù)木的夜間液流是否用于蒸騰[10]。本研究表明，夜間樹(shù)干液流與空氣溫度、飽和水氣壓差和風(fēng)速表現(xiàn)出了顯著正相關(guān)，證明白樺存在夜間蒸騰活動(dòng)。風(fēng)速與夜間液流呈顯著正相關(guān)，可能是風(fēng)速影響了樹(shù)葉四周的環(huán)境，風(fēng)速越大，空氣流通越好，有利于植物夜間的蒸騰與代謝，因此液流速率增加。由此可見(jiàn)，環(huán)境因子能在一定程度上解釋夜間液流的變化。

夜間液流前半夜（0:00 時(shí)之前）呈下降趨勢(shì)，且下降速率較后半夜（0:00 時(shí)之后）液流速率迅速。這與陳立欣[11]的研究結(jié)果一致，可能是由于夜間蒸騰主要發(fā)生在前半夜，后半夜的液流活動(dòng)更可能用于補(bǔ)充樹(shù)木體內(nèi)水分的虧缺。

綜上所述，白樺夜間液流的產(chǎn)生是夜間蒸騰和夜間補(bǔ)水共同作用的結(jié)果，僅僅用測(cè)定樹(shù)干液流的方法，不能確定二者分別占夜間液流量的比例。為了更進(jìn)一步的研究，按需要將降雨和土壤含水量等環(huán)境因子納入分析；并對(duì)其夜間氣孔導(dǎo)度的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，深入地了解白樺夜間蒸騰的機(jī)制。