庫姆塔格沙漠東南部檉柳液流特征及其與氣象因子的相關(guān)分析

黃雅茹，馬迎賓，李永華，董 雪，段瑞兵，張 帥，劉鳳嬋，張曉燕

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 a.沙漠林業(yè)實驗中心；b.內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 磴口 015200；c.荒漠化研究所，北京 100091；2.庫姆塔格荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 敦煌 736200；3.甘肅敦煌荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 敦煌 736200；4.保定市水土保持試驗站，河北 保定 071051；5.四子王旗水利局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 011800）

檉柳Tamarix chinensisLour.喜光耐旱耐水濕，抗風(fēng)耐堿土，主根側(cè)根極其發(fā)達，主根可以延伸至地下水層，可以在重鹽堿地、荒漠、河灘地生長，適應(yīng)性極強，可以綠化環(huán)境，改良土壤，生態(tài)效益極好[1]。分布于我國干旱沙漠區(qū)的檉柳具有適應(yīng)干旱脅迫的獨特水分利用特性及耗水特性，研究沙漠地區(qū)檉柳的耗水特性對于優(yōu)化利用水資源意義重大[2-4]。檉柳耗水量可以通過測定樹干液流來計算，樹干液流能夠揭示檉柳的水分傳輸速率及水分利用特性[5]，而樹干液流利用熱擴散法測定，其優(yōu)點是能夠長期自動對檉柳的樹干液流進行測定[6-8]。

學(xué)者們對檉柳莖干液流的研究顯示，生長季節(jié)各個月份樹干液流日變化呈單峰曲線，晝夜變化明顯，太陽輻射與檉柳液流速率呈顯著正相關(guān)，檉柳液流速率的變化受太陽輻射、空氣溫濕度及風(fēng)速的影響[9-11]。李雙等[1]的研究結(jié)果顯示，檉柳液流速率與太陽輻射相關(guān)性最高，對檉柳液流速率變化起關(guān)鍵作用；楊文新等[3]的研究表明太陽輻射、空氣溫濕度是影響檉柳液流密度變化的主要因素，且影響較大；屈艷萍等[9]的研究認為太陽輻射對長穗檉柳日液流量的影響最大，其次為空氣溫度，風(fēng)速影響最小。目前，關(guān)于檉柳莖干液流的研究較多，但對于我國敦煌地區(qū)的檉柳一直未見報道。本研究通過對敦煌檉柳液流速率進行監(jiān)測，同時測定周圍氣象因子，探究氣象因子對檉柳液流的影響，為研究干旱沙漠地區(qū)檉柳耗水特性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對于摸清庫姆塔格沙漠東南部檉柳的水分利用特性具有一定意義，為該區(qū)水資源合理開發(fā)利用及優(yōu)化提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫姆塔格沙漠東南部，檉柳生長在崔木土溝周圍，阿爾金山北麓是崔木土溝發(fā)源地，行政區(qū)劃屬于甘肅省，經(jīng)過崔木土山后進入甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(qū)。崔木土溝溝道的水主要來自于出露泉水，上游有大龍溝支流、柳城子溝支流、七里溝支流、紅柳溝支流[12]。該區(qū)優(yōu)勢植物主要是檉柳、胡楊Populus euphratica和紅砂Reaumuria songarica。該區(qū)檉柳的樹高與冠幅平均為3.6 m 與5.5 m×5.8 m。檉柳樣株形態(tài)參數(shù)如表1所示。試驗測定時間為2018月5月1日至9月30日。

表1 檉柳生長指標(biāo)Table 1 Growth index of Tamarix chinensis Lour.

1.2 研究方法

檉柳液流速率與氣象因子分別利用Plant Sensors PS-TDP8、美國生產(chǎn)的小型自動氣象站HOBO 測定，探針均安裝在樹干北側(cè)，距地面50 cm，探針的安裝參照PS-TDP8 莖流系統(tǒng)說明書[13]。液流速率、氣象因子每隔10 min 記錄一個數(shù)據(jù)。主要測定太陽總輻射（RT）、空氣相對濕度（HR）、空氣溫度（T），利用飽和水汽壓差（VPD）這一指標(biāo)綜合表達氣溫和相對濕度的協(xié)同效應(yīng)，可利用公式（1）獲得：

式中：T表示空氣溫度；HR表示空氣相對濕度；a參數(shù)取值0.611 kPa；b參數(shù)取值17.502 kPa；c參數(shù)為237.3℃[14]。

1.3 檉柳液流速率公式

檉柳液流速率公式[15]如下：

式中：Vs為樹干邊材液流速率（m·s-1）；ΔTm為24 h 內(nèi)最大探針溫差值；ΔT為兩探針間的瞬時溫差值。

1.4 檉柳液流速率及氣象數(shù)據(jù)處理

檉柳液流速率與太陽輻射、空氣溫濕度的數(shù)據(jù)利用Excel 軟件進行處理，檉柳液流速率與太陽輻射、空氣溫濕度的相關(guān)系數(shù)及逐步回歸分析利用SPSS 17.0 軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長季檉柳液流日均值變化

檉柳液流速率日均值呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化（圖1）。7月檉柳平均液流速率最大，為2.812 cm·h-1，其次為6月（2.682 cm·h-1），8月為2.301 cm·h-1，5月為2.123 cm·h-1，9月平均液流速率最小，為1.750 cm·h-1。試驗過程中日均液流速率為2.334 cm·h-1，6月16日的日平均液流速率最高，為3.269 cm·h-1。7月31日—8月1日發(fā)生降雨，液流速率出現(xiàn)減小的趨勢，降雨2 d 后，液流速率呈增加的趨勢。

圖1 生長季檉柳液流速率日均值變化Fig.1 Chang of daily mean value of sap flow velocity of Tamarix chinensis in growing season

2.2 不同季節(jié)檉柳液流速率變化規(guī)律

由圖2可知，夏季液流的啟動時間最早，持續(xù)時間最長，峰值最大，日樹干液流量最大，不同季節(jié)夜間均出現(xiàn)低值液流速率，液流啟動時間為6:50，第一個峰值為4.642 cm·h-1，波峰液流速率波動范圍為3.162～6.002 cm·h-1。春季，檉柳液流啟動時間為7:20，9:40—19:40 之間達到最高值，最大液流速率為5.255 cm·h-1。秋季，液流啟動時間最晚，峰值最小，啟動時間為9:00，12:20—18:30 之間出現(xiàn)峰值，最大液流速率為3.041 cm·h-1。

圖2 不同季節(jié)檉柳液流速率Fig.2 Sap flow velocity of Tamarix chinensis in different season

2.3 檉柳液流速率連日變化規(guī)律

檉柳液流速率日變化規(guī)律相同（圖3），白天與夜間液流速率大小有明顯差異。液流速率白天變幅大，夜間變幅小。液流速率整體為“寬峰型”，沒有明顯的“午休”現(xiàn)象。以8月15日為例，直徑為3.22、3.38、2.71、2.68 cm 的檉柳的液流日平均值分別為14.321、17.480、5.073、9.356 cm·h-1。直徑2.68 cm 的檉柳液流啟動時間為7:30，9:40 出現(xiàn)第一個峰值（16.406 cm·h-1）；液流在19:10 以后開始迅速下降，至23:50 基本下降到了最低值（4.250 cm·h-1），此時，檉柳莖干液流速率趨于平穩(wěn)，變化較小；在23:50 后，液流速率變化不大，0:00—7:40 液流為3.357～4.429 cm·h-1。8月16日—8月19日液流啟動時間分別為7:40、7:50、7:50、7:50。

圖3 檉柳液流速率連日變化（2018年8月15—19日）Fig.3 Diurnal fluctuation of sap flow velocity of Tamarix chinensis Lour.

2.4 不同季節(jié)檉柳液流與氣象因子的變化

2.4.1 不同季節(jié)檉柳液流與太陽輻射的變化

由圖4可知，春季、夏季、秋季隨著太陽輻射的增加，液流速率也相應(yīng)增加，太陽輻射減小，液流速率也減小，二者呈正相關(guān)。

圖4 樹干液流速率與太陽輻射的變化Fig.4 Changes of stem sap flow velocity and solar radiation

2.4.2 不同季節(jié)檉柳液流與空氣溫度的變化

圖5顯示，氣溫增加，液流速率也相應(yīng)升高，氣溫下降，液流速率也降低，二者變化規(guī)律相同。春季、夏季、秋季檉柳液流速率與空氣溫度呈正相關(guān)。

圖5 樹干液流速率與空氣溫度的變化Fig.5 Changes of stem sap flow velocity and air temperature

2.4.3 不同季節(jié)檉柳液流與空氣相對濕度的關(guān)系

圖6顯示，檉柳液流速率變化趨勢與空氣相對濕度相反。氣溫上升，空氣相對濕度下降，液流速率升高。不同季節(jié)液流速率與空氣相對濕度呈負相關(guān)。

圖6 液流速率與空氣相對濕度的變化Fig.6 Changes of sap flow velocity and air relative humidity

2.4.4 不同季節(jié)檉柳液流與飽和水氣壓差的變化

圖7顯示，水氣壓差增加，液流速率隨著VPD 的升高而增大。春季、夏季、秋季檉柳液流速率與VPD 呈正相關(guān)。

圖7 液流速率與飽和水氣壓差的變化Fig.7 Changes of sap flow velocity and VPD

2.5 不同季節(jié)檉柳液流與氣象因子的相關(guān)系數(shù)及回歸模型

由液流速率與太陽輻射、空氣溫濕度、飽和水汽壓差的相關(guān)系數(shù)（表2）可知，春季，液流與空氣溫度相關(guān)性最大（0.73），其次為太陽總輻射（0.70）和VPD（0.70），相關(guān)性最小的是空氣相對濕度（-0.51），均達到顯著水平；夏季，檉柳莖干液流與各環(huán)境因子的相關(guān)性依次為太陽總輻射（0.63）、空氣溫度（0.52）、VPD（0.49）、空氣相對濕度（-0.34），均達到顯著水平；秋季，檉柳莖干液流與各環(huán)境因子的相關(guān)性均達到顯著水平，依次為空氣溫度（0.73）、VPD（0.71）、太陽總輻射（0.58）、空氣相對濕度（-0.53）。

表2 檉柳液流速率與氣象因子的相關(guān)性（n=433）?Table 2 Correlation between sap flow velocity and meteorological factors of Tamarix chinensis (n=433)

采用逐步回歸方法（SPSS17.0），因變量是液流速率，自變量是太陽輻射、空氣溫濕度、飽和水氣壓差，多元線性回歸方程如表3所示。春季，T、RT、VPD 依次進入，T能單獨解釋73.1%的液流速率變化，三者共同解釋78.3%的液流速率變化，檉柳液流速率受T影響最大；夏季，RT、T、VPD、HR依次進入，共同解釋液流速率變化的69.8%，RT能單獨解釋63.0%的液流速率變化，夏季液流速率主要受RT影響；秋季，T、VPD 依次進入，T能單獨解釋73.3%的液流速率變化，2 個因子共同解釋73.8%的液流速率變化，秋季影響檉柳液流速率最大的是T。

表3 檉柳液流速率與氣象因子多元線性回歸方程Table 3 Multivariate linear regression equation of sap flow velocity and meteorological factors of Tamarix chinensis

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

1）檉柳液流速率日變化規(guī)律相同，白天與夜間液流速率大小有明顯差異。液流速率白天變幅大，夜間變幅小。液流速率整體為“寬峰型”。

2）液流的啟動時間夏季最早，持續(xù)時間最長，峰值最大，日樹干液流量最大，液流啟動時間為6:50，夜間存在微弱液流。秋季液流啟動時間為9:00，峰值比春、夏季小。

3）春季，空氣溫度能單獨解釋液流速率變化的73.1%，空氣溫度是關(guān)鍵因子；夏季，太陽總輻射能單獨解釋63.0%的液流速率變化，對夏季液流速率影響最大的因子是太陽總輻射；秋季，空氣溫度能單獨解釋73.3%的液流速率變化，秋季影響檉柳液流速率最大的是空氣溫度。

3.2 討 論

本研究中，檉柳液流速率白天變幅大，夜間變幅小，夜間出現(xiàn)低值液流，這是由于在干旱荒漠地區(qū)，白天高溫干旱，檉柳蒸騰速率快，失水嚴重，為了維持樹體的水分平衡，檉柳根系有根壓存在，夜間通過根系從土壤中可以吸收水分[16-17]。這與李浩等[15]、李妙伶等[18]、徐先英等[19]的研究結(jié)果一致。檉柳在干旱荒漠區(qū)通過夜間吸水維持樹體的水分平衡也是適應(yīng)干旱環(huán)境的一種機制[20]。

本研究中，檉柳液流速率日變化與太陽輻射、空氣溫度變化相同，呈正相關(guān)，與空氣濕度變化相反，呈負相關(guān)，影響檉柳液流的關(guān)鍵因子是太陽總輻射。這與趙天宇等[21]和劉崴等[22]的研究結(jié)果一致。檉柳的光合速率驅(qū)動因子主要是太陽輻射，植物氣孔的開合大小受太陽輻射的限制，因此，太陽輻射對蒸騰作用的強弱有決定作用。干旱荒漠區(qū)存在高溫脅迫，植物通過加快蒸騰速率、降低葉表溫度來躲避高溫危害，因此空氣溫度升高，蒸騰速率加快，液流速率增加[23]?？諝庀鄬穸扰c液流呈負相關(guān)，氣溫升高，空氣濕度減小，蒸騰速率升高，液流速率增加。風(fēng)速大小與液流有關(guān)，風(fēng)速大，檉柳氣孔閉合，蒸騰速率降低，液流速率減??；相反，風(fēng)速小，蒸騰速率加快，液流速率增加[24]。

本研究發(fā)現(xiàn)對春季、秋季液流速率影響最大的是空氣溫度，太陽總輻射是制約夏季液流速率的關(guān)鍵因子。這與吳鵬等[25]的研究結(jié)果一致?？偟膩碚f，植物種類不同、所處的環(huán)境不同、立地條件不同、研究的時間尺度不同，影響液流速率的因子也不同。但是，不同樹種、不同尺度都受太陽輻射和空氣溫度的影響最大[10,26-31]，光合速率的誘導(dǎo)因子主要是太陽輻射，植物葉片氣孔的開合大小受太陽輻射限制，所以，太陽輻射對蒸騰作用的強弱有決定作用[32]。本研究對小時尺度檉柳液流速率及其與太陽輻射、空氣溫濕度的關(guān)系進行了研究，今后有必要加大時間尺度，研究環(huán)境因子對液流速率的影響。