檉柳不同季節(jié)樹(shù)干液流特征及其與土壤含水量及土壤溫度的關(guān)系

　　摘要:為揭示庫(kù)姆塔格沙漠東南部檉柳的水分傳輸過(guò)程,探究檉柳的耗水特性,本研究利用PSTDP8樹(shù)木莖流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)檉柳的樹(shù)干液流速率進(jìn)行測(cè)定,分析土壤因子與液流速率在不同季節(jié)的差異。結(jié)果表明,夏季樹(shù)干液流的啟動(dòng)時(shí)間最早,為7:20,峰值最大(6.93cm·h-1),春季啟動(dòng)時(shí)間為7:40,峰值為6.46cm·h-1,秋季啟動(dòng)時(shí)間最晚,為8:40,峰值最小(4.22cm·h-1)。在日尺度上,春、夏、秋季檉柳樹(shù)干液流速率與土壤含水量及土壤溫度呈正相關(guān),土壤溫度分別單獨(dú)能解釋61.1%、65.6%、64.0%的樹(shù)干液流變化,土壤含水量與土壤溫度分別共同能解釋73.4%、74.1%、76.9%的樹(shù)干液流變化。在小時(shí)尺度上,春、夏、秋季樹(shù)干液流與20、50cm層土壤含水量及土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān),50cm層土壤溫度是影響樹(shù)干液流的主導(dǎo)因子。本研究建立了不同季節(jié)檉柳液流速率與土壤因子之間的回歸方程,能夠較好地解釋不同季節(jié)樹(shù)干液流速率變化,為檉柳樹(shù)干液流速率預(yù)測(cè)與耗水量估算提供了很好的途徑,明確了在不同季節(jié)通過(guò)土壤因子估算檉柳樹(shù)干液流速率的可行性,可為制定水分管理措施提供參考。

　　關(guān)鍵詞:檉柳;樹(shù)干液流;庫(kù)姆塔格沙漠;林地土壤

　　檉柳(Tamarixchinensis)是干旱區(qū)防風(fēng)固沙的優(yōu)良樹(shù)種,具耐干旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙等特點(diǎn),在維護(hù)生態(tài)平衡、保護(hù)生物多樣性等方面具有重要意義[1],但維持自身生長(zhǎng)需要消耗大量的水分[2]。我國(guó)干旱沙漠區(qū)水資源相對(duì)缺乏,研究檉柳的耗水特性是檉柳水分合理利用的重要基礎(chǔ)[3-4]。檉柳在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境的過(guò)程中形成了特殊的耗水機(jī)理,因此,研究檉柳樹(shù)干液流速率及其影響因素,進(jìn)而分析其耗水特性,對(duì)于高效利用有限的水資源具有重要意義,對(duì)探討干旱地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

　　樹(shù)體蒸騰耗水的研究手段眾多,其中樹(shù)干液流作為植物蒸散作用的水分來(lái)源,是植物水分消耗的直觀量化監(jiān)測(cè)指標(biāo),研究樹(shù)干液流對(duì)于明晰檉柳耗水規(guī)律極為重要,也為深入探討檉柳在不同季節(jié)的耗水特征提供了重要手段。熱擴(kuò)散技術(shù)是研究樹(shù)木耗水的主要方法之一[5]。熱擴(kuò)散技術(shù)時(shí)間分辨率及準(zhǔn)確度高,能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期、連續(xù)性的自動(dòng)監(jiān)測(cè)[6-8]。

　　植物液流的潛在能力是由生物學(xué)結(jié)構(gòu)決定,液流的瞬間變化是由氣象因素決定,液流總體水平是由土壤供水決定[9-10]。國(guó)內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)研究了不同樹(shù)種的液流特征[11-15],主要集中在液流速率的日變化及其與環(huán)境因子的關(guān)系[16-18]。研究表明土壤含水量與液流速率呈正相關(guān)[5,20],淺層土壤溫度對(duì)樹(shù)干液流強(qiáng)度有顯著影響[21],土壤水分及土壤溫度是驅(qū)動(dòng)植物液流速率的重要因素[22-25]。

　　不同時(shí)間尺度上土壤溫度、土壤含水率對(duì)液流速率都有影響[15-16,26-28],大時(shí)間尺度土壤因子可以估算植物的耗水量[13]。關(guān)于檉柳樹(shù)干液流的研究主要集中在液流速率的變化規(guī)律及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)[11,29-33],且主要集中在小時(shí)尺度,日尺度、季節(jié)尺度上的研究相對(duì)較少,在干旱半干旱區(qū)液流速率對(duì)環(huán)境變化較為敏感[10],探究樹(shù)干液流與土壤因子間是否存在時(shí)間尺度差異,可為準(zhǔn)確估算耗水量提供依據(jù),但不同層次土壤水分及土壤溫度與樹(shù)干液流的關(guān)系并沒(méi)有深入分析,不同季節(jié)土壤溫度及土壤水分能夠解釋多少的樹(shù)干液流變化鮮有報(bào)道。

　　本研究通過(guò)對(duì)庫(kù)姆塔格沙漠東南部檉柳樹(shù)干液流及土壤含水量、土壤溫度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),分析土壤因子與液流速率在不同季節(jié)的差異,建立不同季節(jié)液流速率與土壤因子之間的回歸方程,明確通過(guò)土壤因子估算檉柳樹(shù)干液流速率的可行性。研究結(jié)果對(duì)于闡明庫(kù)姆塔格沙漠東南部檉柳耗水規(guī)律具有重要意義,為該區(qū)檉柳生理特性的研究提供數(shù)據(jù)支撐,對(duì)合理利用有限水資源具有深遠(yuǎn)意義。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　崔木土溝全長(zhǎng)約140km,海拔962m,地理位置40°10'35″N,93°41'9″E,發(fā)源于庫(kù)姆塔格沙漠東南緣阿爾金山北麓(甘肅省阿克塞哈薩克族自治縣境內(nèi)),穿過(guò)崔木土山后進(jìn)入甘肅敦煌西湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。

　　崔木土溝徑流的補(bǔ)給主要包括降水、出露泉水、冰雪融水。大龍溝、紅柳溝、七里溝、柳城子溝是崔木土溝上游的主要支流[34-36]。胡楊(Populuseuphratica)、檉柳(Tamarixchinensis)、紅砂(Reaumuriasongarica)是研究區(qū)主要物種。本研究選取的檉柳平均樹(shù)高370cm,平均冠幅160cm×142cm。5棵檉柳樣本的基徑分別為2.87、3.25、2.74、3.11、2.86cm。研究站點(diǎn)位于崔木土溝,溝道內(nèi)有出露泉水補(bǔ)給,在沒(méi)有發(fā)生大的降水時(shí),阿爾金山冰雪融水是地表徑流的主要來(lái)源,地表徑流出山后,消散于山前洪積扇,隨后,形成出露泉水(沖蝕溝內(nèi)),流經(jīng)15~20km后,出露的泉水很快消失,此時(shí)如果有較大的降水,便會(huì)形成地表徑流出現(xiàn)在洪積扇內(nèi),最終在沖蝕溝內(nèi)匯集[17]。

　　檉柳為天然林,林下植被蓋度為30%,分布于極干旱區(qū)季節(jié)性洪溝中下游,溝寬300~400m,海拔1030m,周邊地貌為戈壁,溝內(nèi)為沖積、沉積的風(fēng)沙土,植被結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單沒(méi)有明顯分層。根據(jù)阿克塞縣和敦煌市氣象資料統(tǒng)計(jì)記錄,崔木土溝下游年平均氣溫9.4℃,年平均降水量39.9mm,蒸發(fā)量2486mm[17]。

　　1.2研究方法

　　采用PlantSensorsPS-TDP8樹(shù)木莖流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定莖干液流的流速,參照PS-TDP8莖流系統(tǒng)說(shuō)明書,探針均安裝在樹(shù)干北側(cè),距地面50cm,用泡沫軟塑料包裹,然后再包上錫紙和塑料紙[10]。數(shù)據(jù)采集儀是CR300S,數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)為10min。土壤含水量(SW)及土壤溫度(ST)的測(cè)定采用5TM土壤溫度與濕度傳感器(Decagon公司),數(shù)據(jù)采集器采用Em50,探頭安裝土層深度為20、50、100、150、200cm。每棵檉柳附近安裝2套,5棵共安裝10套。采用烘干法進(jìn)行校正。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1檉柳生長(zhǎng)季樹(shù)干液流日均值變化

　　檉柳樹(shù)干液流速率日均值呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。6月檉柳平均樹(shù)干液流速率最大,為4.116cm·h-1,其次為7月(3.953cm·h-1),8月為3.420cm·h-1,5月為3.120cm·h-1,9月平均樹(shù)干液流速率最小,為2.769cm·h-1。6月17日的日平均樹(shù)干液流速率最高,為4.640cm·h-1,最小日平均樹(shù)干液流速率發(fā)生在9月30日,為1.937cm·h-1,整個(gè)觀測(cè)期間日平均樹(shù)干液流速率為3.476cm·h-1。降雨時(shí)樹(shù)干液流速率有明顯的降低,而降雨后樹(shù)干液流速率快速升高,例如,8月14日-8月15日發(fā)生降雨,樹(shù)干液流速率逐漸降低至2.385cm·h-1,而在8月17日樹(shù)干液流速率升高至3.591cm·h-1,是降雨后最低樹(shù)干液流速率的1.51倍。

　　2.2檉柳不同季節(jié)樹(shù)干液流速率變化規(guī)律

　　春季(5月16-20日)、夏季(7月16-20日)、秋季(9月16-20日)的樹(shù)干液流變化規(guī)律，所選典型日均為晴天。夏季樹(shù)干液流的啟動(dòng)時(shí)間最早,持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),峰值最大,樹(shù)干液流啟動(dòng)為7:20,第1個(gè)峰值為6.93cm·h-1,8:00-21:40出現(xiàn)波峰,最大樹(shù)干液流速率在3.08~6.93cm·h-1,夜間存在微弱樹(shù)干液流。春季樹(shù)干液流啟動(dòng)時(shí)間7:40,8:20-20:10達(dá)到最高值,最大樹(shù)干液流速率為6.46cm·h-1。秋季樹(shù)干液流啟動(dòng)時(shí)間最晚,峰值最小,啟動(dòng)時(shí)間為8:40,10:00-20:20出現(xiàn)峰值,最大樹(shù)干液流速率為4.22cm·h-1。不論春季、夏季和秋季,在夜間有微弱樹(shù)干液流存在。

　　2.3檉柳生長(zhǎng)季土壤水分變化

　　在整個(gè)檉柳生長(zhǎng)季土壤體積含水量變化規(guī)律較明顯,150cm層土壤體積含水量最高,為0.111m3·m-3,隨著時(shí)間呈先上升后下降趨勢(shì),其次為200cm層,為0.087m3·m-3,20cm層土壤體積含水量最小,為0.042m3·m-3,隨著時(shí)間變化,土壤體積含水量波動(dòng)較大。100cm層隨著時(shí)間呈先上升后下降趨勢(shì),波動(dòng)較小。7、8月平均土壤體積含水量最高,均為0.076m3·m-3,5月土壤含水量最小,為0.069m3·m-3。土壤體積含水量大小順序?yàn)?50cm>200cm>100cm>50cm>20cm。

　　2.4檉柳生長(zhǎng)季土壤溫度變化生長(zhǎng)季檉柳土壤溫度呈先增加后減小的趨勢(shì)(圖4),20、50cm層土壤溫度波動(dòng)較大,150、200cm層土壤溫度波動(dòng)較小,不同土層深度土壤溫度大小順序?yàn)?0>50>100>150>200cm,7月平均土壤溫度最高為27.13℃,5月最低,為19.78℃。

　　2.5檉柳樹(shù)干液流速率與土壤因子的關(guān)系

　　日尺度上樹(shù)干液流速率與土壤因子的偏相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1,春季樹(shù)干液流速率是3-5月的日均值,夏季樹(shù)干液流速率是6-8月的日均值,秋季樹(shù)干液流速率是9-11月的日均值。整體來(lái)看,春季、夏季、秋季,檉柳樹(shù)干液流速率與土壤含水量及土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系。春季樹(shù)干液流速率與土壤含水量、土壤溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),夏季樹(shù)干液流速率與土壤含水量、土壤溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05),秋季樹(shù)干液流速率與土壤含水量、土壤溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),春、秋季土壤含水量與土壤溫度對(duì)檉柳莖干樹(shù)干液流有極顯著影響,夏季土壤含水量與土壤溫度對(duì)檉柳樹(shù)干液流有顯著影響。

　　偏相關(guān)分析表明,春季、夏季、秋季土壤溫度是影響檉柳樹(shù)干液流的主導(dǎo)因子。逐步回歸分析結(jié)果見(jiàn)表2,在日尺度上,春季,土壤溫度和土壤含水量依次進(jìn)入,決定系數(shù)分別為0.611和0.734,夏季,土壤溫度和土壤含水量依次進(jìn)入,決定系數(shù)分別為0.656和0.741,秋季,土壤溫度和土壤含水量依次進(jìn)入,決定系數(shù)分別為0.640和0.769,檉柳樹(shù)干液流速率與土壤含水量、土壤溫度呈正相關(guān)。

　　春季,土壤溫度單獨(dú)能解釋61.1%的樹(shù)干液流變化,土壤含水量與土壤溫度共同能解釋73.4%的樹(shù)干液流變化,夏季,土壤溫度單獨(dú)能解釋65.6%的樹(shù)干液流變化,土壤含水量與土壤溫度共同能解釋74.1%的樹(shù)干液流變化,秋季,土壤溫度單獨(dú)能解釋64.0%的樹(shù)干液流變化,土壤含水量與土壤溫度共同能解釋76.9%的樹(shù)干液流變化。不同季節(jié)回歸模型差異顯著,回歸模型精度較高,因此,回歸模型能夠較好解釋不同季節(jié)檉柳樹(shù)干液流速率變化。小時(shí)尺度上,春季、夏季、秋季檉柳樹(shù)干液流速率與土壤體積含水量變化趨勢(shì)相反,呈負(fù)相關(guān)(圖5)。土壤含水量與檉柳樹(shù)干液流速率存在緊密的聯(lián)系,是影響檉柳樹(shù)干液流的重要因素。

　　小時(shí)尺度上,春季、夏季、秋季土壤溫度與檉柳樹(shù)干液流速率變化趨勢(shì)相反,呈負(fù)相關(guān)(圖6),土壤溫度影響檉柳根系的吸水。春季、夏季、秋季,選擇連續(xù)的5d數(shù)據(jù)比較小時(shí)尺度上樹(shù)干液流速率與不同土層深度土壤含水量的偏相關(guān)系數(shù)。整體來(lái)看,春、夏、秋季,20、50cm層土壤含水量對(duì)檉柳樹(shù)干液流活動(dòng)有顯著影響。春季檉柳樹(shù)干液流速率與50cm層土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),夏季檉柳樹(shù)干液流與20、50cm層土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),秋季檉柳樹(shù)干液流與50cm層土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

　　春季、夏季、秋季,選擇連續(xù)的5d數(shù)據(jù)比較小時(shí)尺度上樹(shù)干液流速率與不同土層深度土壤溫度的偏相關(guān)系數(shù)(表4)。整體來(lái)看,春、夏、秋季,20、50cm層土壤溫度對(duì)檉柳樹(shù)干液流活動(dòng)有顯著影響。春季檉柳樹(shù)干液流速率與20cm層土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與50cm層土壤溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),夏季檉柳樹(shù)干液流與50cm層土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),秋季檉柳樹(shù)干液流與50cm層土壤溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

　　3結(jié)論與討論

　　3.1結(jié)論

　　1)夏季樹(shù)干液流的啟動(dòng)時(shí)間最早,為7:20,峰值最大,為6.93cm·h-1。春季樹(shù)干液流啟動(dòng)時(shí)間為7:40,峰值為6.46cm·h-1;秋季樹(shù)干液流啟動(dòng)時(shí)間最晚,為8:40,峰值最小,為4.22cm·h-1。春、夏、秋季夜間有微弱樹(shù)干液流存在。

　　2)在整個(gè)檉柳生長(zhǎng)季,150cm層土壤體積含水量最高,為0.111m3·m-3,隨著時(shí)間呈先上升后下降趨勢(shì),20cm層土壤體積含水量最小,為0.042m3·m-3,隨著時(shí)間變化,土壤體積含水量波動(dòng)較大。生長(zhǎng)季檉柳土壤溫度呈先增加后減小的趨勢(shì),20、50cm層土壤溫度波動(dòng)較大。7、8月平均土壤體積含水量最高,為0.076m3·m-3,5月土壤含水量最小,為0.069m3·m-3。

　　3)日尺度上,春、夏、秋季,檉柳樹(shù)干液流速率與土壤含水量及土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系,土壤溫度是影響檉柳樹(shù)干液流的主導(dǎo)因子。小時(shí)尺度上,春季、夏季、秋季,檉柳樹(shù)干液流速率與20、50cm層土壤含水量、土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān),50cm層土壤溫度是影響樹(shù)干液流速率的主導(dǎo)因子。

　　4)春季、夏季、秋季土壤溫度分別單獨(dú)能解釋61.1%、65.6%、64.0%的樹(shù)干液流變化,土壤含水量與土壤溫度分別共同能解釋73.4%、74.1%、76.9%的樹(shù)干液流變化。春季回歸模型為Y=-0.944+0.136ST+17.893SW,夏季回歸模型為Y=-4.087+175.569ST+16.423SW,秋季回歸模型為Y=-0.667+0.115ST+21.905SW,不同季節(jié)回歸模型精度較高,能夠較好地解釋不同季節(jié)檉柳樹(shù)干液流速率變化,通過(guò)回歸模型能夠?yàn)闄f柳樹(shù)干液流速率預(yù)測(cè)與耗水量估算提供很好的途徑,并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)由單木耗水至群體蒸騰耗水的尺度擴(kuò)展。本研究可為制定水分管理措施提供參考。

　　3.2討論

　　檉柳樹(shù)干液流速率白天高、夜間低,樹(shù)干液流速率變化幅度白天大、夜間小,這是由于氣溫白天高夜間低,植物蒸騰作用隨溫度的增加而增加,胡楊白天蒸騰作用強(qiáng)烈,使胡楊缺水嚴(yán)重,為了維持正常生長(zhǎng),夜間在根壓的作用下不斷吸水來(lái)保持水分平衡[38-39]。李浩等[37]研究發(fā)現(xiàn),夏季植物為了補(bǔ)充水分,夜間樹(shù)干保持一定的樹(shù)干液流來(lái)維持正常的生理活動(dòng)。本研究中,夜間檉柳維持著一定的液流速率。這與李雙等[29]、楊文新[11]的研究結(jié)果一致。檉柳夜間存在較高的液流速率,干旱區(qū)植物白天蒸騰作用強(qiáng)烈,失水嚴(yán)重,夜間通過(guò)根系吸水補(bǔ)充水分,因此夜間存在液流速率,檉柳耐旱性得到提高。

　　大量文獻(xiàn)表明樹(shù)干液流總體水平由土壤供水決定,液流的潛在能力由生物學(xué)結(jié)構(gòu)決定,液流的瞬間變化由氣象因素決定[40-42]。研究表明,在一定干旱脅迫下,土壤含水量將是檉柳耗水的主要限制因子,植物賴以生存的主要環(huán)境因子是土壤水分[19-20],檉柳光合及蒸騰作用需要的水分主要來(lái)源是土壤水分,而庫(kù)姆塔格沙漠是極干旱區(qū),檉柳需要吸收地下水來(lái)維持自身正常的生命活動(dòng)。因此液流速率變化受土壤含水量影響較大。

　　本研究發(fā)現(xiàn)土壤因子對(duì)檉柳的液流影響存在時(shí)間尺度上的差異,日尺度上,春季、夏季、秋季,檉柳液流速率與土壤含水量及土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。在小時(shí)尺度,春季、夏季、秋季檉柳液流速率與20、50cm層土壤含水量、土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。這與郝少榮等[13]研究結(jié)果一致,他認(rèn)為小時(shí)尺度下,環(huán)境因子對(duì)植物莖流的影響較為復(fù)雜。由于每月的環(huán)境差異,在小時(shí)尺度上,各環(huán)境因子變化較快,所以檉柳莖流不同季節(jié)在小時(shí)尺度、日尺度對(duì)土壤因子的正負(fù)相關(guān)性有差異。郝少榮等[13]認(rèn)為在較小時(shí)間尺度下,莖流對(duì)環(huán)境因子的敏感度逐步提高,對(duì)莖流影響的環(huán)境因子由土壤因子擴(kuò)展到了環(huán)境綜合因子,氣象因子占主導(dǎo)作用,土壤因其具有極大的熱容性和熱傳導(dǎo)阻力,對(duì)液流速率的影響是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程[15],故在小時(shí)尺度上不占主導(dǎo)作用。

　　本研究回歸分析表明,春季,土壤溫度能解釋61.1%的莖干液流變化,夏季,土壤溫度能解釋65.6%的樹(shù)干液流變化,秋季,土壤溫度能解釋64.0%的樹(shù)干液流變化。郝少榮等[13]研究表明30cm處土壤溫度能解釋沙柳樹(shù)干液流87.9%的變化,植物根系活性受土壤溫度制約,根系細(xì)胞的根壓、原生質(zhì)黏度受土壤溫度影響,根系吸水能力會(huì)隨著土壤溫度變化而變化。樹(shù)干液流速率受根系吸水的制約,根系吸水受土壤溫度限制。在一定范圍內(nèi),增加土壤溫度能夠促進(jìn)根系吸水,提高根系周圍酶活性,降低土壤水分黏性,土壤溫度過(guò)高會(huì)抑制根系吸水能力,減小樹(shù)干液流速率[43]。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]康佳鵬,馬盈盈,馬淑琴,等.荒漠綠洲過(guò)渡帶檉柳種群結(jié)構(gòu)與空間格局動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2019,39(1):269-280.KANGJP,MAYY,MASQ,etal.DynamicchangesofspatialpatternandstructureoftheTamarixramosissimapopulationatthedesert-oasisecotoneoftheTarimBasin[J].ActaEcologicaSinica,2019,39(1):269-280.(inChinese)

　　[2]陳有婷,姚燕琴,黃登艷,等.不同技術(shù)措施對(duì)檉柳林生長(zhǎng)狀況的影響[J].甘肅林業(yè)科技,2014,39(1):43-44.

　　作者：黃雅茹1,馬迎賓1,辛智鳴1,羅鳳敏1,劉湘杰1,李永華2,3,4*,張雅楠5

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///nylw/28539.html