檉柳不同季節(jié)樹干液流特征及其與土壤含水量及土壤溫度的關系

　　摘要:為揭示庫姆塔格沙漠東南部檉柳的水分傳輸過程,探究檉柳的耗水特性,本研究利用PSTDP8樹木莖流監(jiān)測系統(tǒng)對檉柳的樹干液流速率進行測定,分析土壤因子與液流速率在不同季節(jié)的差異。結果表明,夏季樹干液流的啟動時間最早,為7:20,峰值最大(6.93cm·h-1),春季啟動時間為7:40,峰值為6.46cm·h-1,秋季啟動時間最晚,為8:40,峰值最小(4.22cm·h-1)。在日尺度上,春、夏、秋季檉柳樹干液流速率與土壤含水量及土壤溫度呈正相關,土壤溫度分別單獨能解釋61.1%、65.6%、64.0%的樹干液流變化,土壤含水量與土壤溫度分別共同能解釋73.4%、74.1%、76.9%的樹干液流變化。在小時尺度上,春、夏、秋季樹干液流與20、50cm層土壤含水量及土壤溫度呈顯著負相關,50cm層土壤溫度是影響樹干液流的主導因子。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)樹干液流速率變化,為檉柳樹干液流速率預測與耗水量估算提供了很好的途徑,明確了在不同季節(jié)通過土壤因子估算檉柳樹干液流速率的可行性,可為制定水分管理措施提供參考。

　　關鍵詞:檉柳;樹干液流;庫姆塔格沙漠;林地土壤

　　檉柳(Tamarixchinensis)是干旱區(qū)防風固沙的優(yōu)良樹種,具耐干旱、耐鹽堿、抗風沙等特點,在維護生態(tài)平衡、保護生物多樣性等方面具有重要意義[1],但維持自身生長需要消耗大量的水分[2]。我國干旱沙漠區(qū)水資源相對缺乏,研究檉柳的耗水特性是檉柳水分合理利用的重要基礎[3-4]。檉柳在長期適應環(huán)境的過程中形成了特殊的耗水機理,因此,研究檉柳樹干液流速率及其影響因素,進而分析其耗水特性,對于高效利用有限的水資源具有重要意義,對探討干旱地區(qū)生態(tài)經濟可持續(xù)發(fā)展具有很強的指導意義。

　　樹體蒸騰耗水的研究手段眾多,其中樹干液流作為植物蒸散作用的水分來源,是植物水分消耗的直觀量化監(jiān)測指標,研究樹干液流對于明晰檉柳耗水規(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。熱擴散技術是研究樹木耗水的主要方法之一[5]。熱擴散技術時間分辨率及準確度高,能夠實現長期、連續(xù)性的自動監(jiān)測[6-8]。

　　植物液流的潛在能力是由生物學結構決定,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]。國內應用該技術研究了不同樹種的液流特征[11-15],主要集中在液流速率的日變化及其與環(huán)境因子的關系[16-18]。研究表明土壤含水量與液流速率呈正相關[5,20],淺層土壤溫度對樹干液流強度有顯著影響[21],土壤水分及土壤溫度是驅動植物液流速率的重要因素[22-25]。

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

　　本研究通過對庫姆塔格沙漠東南部檉柳樹干液流及土壤含水量、土壤溫度的實時動態(tài)監(jiān)測,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,明確通過土壤因子估算檉柳樹干液流速率的可行性。研究結果對于闡明庫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據支撐,對合理利用有限水資源具有深遠意義。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　崔木土溝全長約140km,海拔962m,地理位置40°10'35″N,93°41'9″E,發(fā)源于庫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),穿過崔木土山后進入甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(qū)。

　　崔木土溝徑流的補給主要包括降水、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。研究站點位于崔木土溝,溝道內有出露泉水補給,在沒有發(fā)生大的降水時,阿爾金山冰雪融水是地表徑流的主要來源,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),流經15~20km后,出露的泉水很快消失,此時如果有較大的降水,便會形成地表徑流出現在洪積扇內,最終在沖蝕溝內匯集[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,溝內為沖積、沉積的風沙土,植被結構簡單沒有明顯分層。根據阿克塞縣和敦煌市氣象資料統(tǒng)計記錄,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樹木莖流監(jiān)測系統(tǒng)測定莖干液流的流速,參照PS-TDP8莖流系統(tǒng)說明書,探針均安裝在樹干北側,距地面50cm,用泡沫軟塑料包裹,然后再包上錫紙和塑料紙[10]。數據采集儀是CR300S,數據采集時間間隔設為10min。土壤含水量(SW)及土壤溫度(ST)的測定采用5TM土壤溫度與濕度傳感器(Decagon公司),數據采集器采用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。采用烘干法進行校正。

　　2結果與分析

　　2.1檉柳生長季樹干液流日均值變化

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

　　2.2檉柳不同季節(jié)樹干液流速率變化規(guī)律

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

　　2.3檉柳生長季土壤水分變化

　　在整個檉柳生長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,隨著時間呈先上升后下降趨勢,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,隨著時間變化,土壤體積含水量波動較大。100cm層隨著時間呈先上升后下降趨勢,波動較小。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為150cm>200cm>100cm>50cm>20cm。

　　2.4檉柳生長季土壤溫度變化生長季檉柳土壤溫度呈先增加后減小的趨勢(圖4),20、50cm層土壤溫度波動較大,150、200cm層土壤溫度波動較小,不同土層深度土壤溫度大小順序為20>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檉柳樹干液流速率與土壤因子的關系

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

　　偏相關分析表明,春季、夏季、秋季土壤溫度是影響檉柳樹干液流的主導因子。逐步回歸分析結果見表2,在日尺度上,春季,土壤溫度和土壤含水量依次進入,決定系數分別為0.611和0.734,夏季,土壤溫度和土壤含水量依次進入,決定系數分別為0.656和0.741,秋季,土壤溫度和土壤含水量依次進入,決定系數分別為0.640和0.769,檉柳樹干液流速率與土壤含水量、土壤溫度呈正相關。

　　春季,土壤溫度單獨能解釋61.1%的樹干液流變化,土壤含水量與土壤溫度共同能解釋73.4%的樹干液流變化,夏季,土壤溫度單獨能解釋65.6%的樹干液流變化,土壤含水量與土壤溫度共同能解釋74.1%的樹干液流變化,秋季,土壤溫度單獨能解釋64.0%的樹干液流變化,土壤含水量與土壤溫度共同能解釋76.9%的樹干液流變化。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)檉柳樹干液流速率變化。小時尺度上,春季、夏季、秋季檉柳樹干液流速率與土壤體積含水量變化趨勢相反,呈負相關(圖5)。土壤含水量與檉柳樹干液流速率存在緊密的聯系,是影響檉柳樹干液流的重要因素。

　　小時尺度上,春季、夏季、秋季土壤溫度與檉柳樹干液流速率變化趨勢相反,呈負相關(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數據比較小時尺度上樹干液流速率與不同土層深度土壤含水量的偏相關系數。整體來看,春、夏、秋季,20、50cm層土壤含水量對檉柳樹干液流活動有顯著影響。春季檉柳樹干液流速率與50cm層土壤含水量呈極顯著負相關(P<0.01),夏季檉柳樹干液流與20、50cm層土壤含水量呈顯著負相關(P<0.05),秋季檉柳樹干液流與50cm層土壤含水量呈顯著負相關(P<0.05)。

　　春季、夏季、秋季,選擇連續(xù)的5d數據比較小時尺度上樹干液流速率與不同土層深度土壤溫度的偏相關系數(表4)。整體來看,春、夏、秋季,20、50cm層土壤溫度對檉柳樹干液流活動有顯著影響。春季檉柳樹干液流速率與20cm層土壤溫度呈顯著負相關(P<0.05),與50cm層土壤溫度呈極顯著負相關(P<0.01),夏季檉柳樹干液流與50cm層土壤溫度呈顯著負相關(P<0.05),秋季檉柳樹干液流與50cm層土壤溫度呈極顯著負相關(P<0.01)。

　　3結論與討論

　　3.1結論

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

　　2)在整個檉柳生長季,150cm層土壤體積含水量最高,為0.111m3·m-3,隨著時間呈先上升后下降趨勢,20cm層土壤體積含水量最小,為0.042m3·m-3,隨著時間變化,土壤體積含水量波動較大。生長季檉柳土壤溫度呈先增加后減小的趨勢,20、50cm層土壤溫度波動較大。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,檉柳樹干液流速率與土壤含水量及土壤溫度呈正相關關系,土壤溫度是影響檉柳樹干液流的主導因子。小時尺度上,春季、夏季、秋季,檉柳樹干液流速率與20、50cm層土壤含水量、土壤溫度呈顯著負相關,50cm層土壤溫度是影響樹干液流速率的主導因子。

　　4)春季、夏季、秋季土壤溫度分別單獨能解釋61.1%、65.6%、64.0%的樹干液流變化,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)檉柳樹干液流速率變化,通過回歸模型能夠為檉柳樹干液流速率預測與耗水量估算提供很好的途徑,并進一步實現由單木耗水至群體蒸騰耗水的尺度擴展。本研究可為制定水分管理措施提供參考。

　　3.2討論

　　檉柳樹干液流速率白天高、夜間低,樹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烈,使胡楊缺水嚴重,為了維持正常生長,夜間在根壓的作用下不斷吸水來保持水分平衡[38-39]。李浩等[37]研究發(fā)現,夏季植物為了補充水分,夜間樹干保持一定的樹干液流來維持正常的生理活動。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烈,失水嚴重,夜間通過根系吸水補充水分,因此夜間存在液流速率,檉柳耐旱性得到提高。

　　大量文獻表明樹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結構決定,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源是土壤水分,而庫姆塔格沙漠是極干旱區(qū),檉柳需要吸收地下水來維持自身正常的生命活動。因此液流速率變化受土壤含水量影響較大。

　　本研究發(fā)現土壤因子對檉柳的液流影響存在時間尺度上的差異,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關系(P<0.05)。在小時尺度,春季、夏季、秋季檉柳液流速率與20、50cm層土壤含水量、土壤溫度呈顯著負相關(P<0.05)。這與郝少榮等[13]研究結果一致,他認為小時尺度下,環(huán)境因子對植物莖流的影響較為復雜。由于每月的環(huán)境差異,在小時尺度上,各環(huán)境因子變化較快,所以檉柳莖流不同季節(jié)在小時尺度、日尺度對土壤因子的正負相關性有差異。郝少榮等[13]認為在較小時間尺度下,莖流對環(huán)境因子的敏感度逐步提高,對莖流影響的環(huán)境因子由土壤因子擴展到了環(huán)境綜合因子,氣象因子占主導作用,土壤因其具有極大的熱容性和熱傳導阻力,對液流速率的影響是一個長期過程[15],故在小時尺度上不占主導作用。

　　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%的樹干液流變化,秋季,土壤溫度能解釋64.0%的樹干液流變化。郝少榮等[13]研究表明30cm處土壤溫度能解釋沙柳樹干液流87.9%的變化,植物根系活性受土壤溫度制約,根系細胞的根壓、原生質黏度受土壤溫度影響,根系吸水能力會隨著土壤溫度變化而變化。樹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,增加土壤溫度能夠促進根系吸水,提高根系周圍酶活性,降低土壤水分黏性,土壤溫度過高會抑制根系吸水能力,減小樹干液流速率[43]。

　　參考文獻:

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　　[2]陳有婷,姚燕琴,黃登艷,等.不同技術措施對檉柳林生長狀況的影響[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

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