王 媛, 魏江生,, 周 梅, 趙鵬武, 劉兵兵

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院 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,呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古赤峰市賽罕烏拉森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 內(nèi)蒙古 赤峰 025150)

大興安嶺南段地處內(nèi)蒙古森林—草原過渡帶，受林草交錯帶的影響，其邊緣效應(yīng)明顯，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及生態(tài)過程復(fù)雜，抗干擾能力較差。白樺(Betulaplatyphylla)作為該地區(qū)的主要樹種之一，較易受到全球氣候變化(高溫、水分脅迫)的影響，出現(xiàn)了較強(qiáng)斑塊性大面積死亡現(xiàn)象。在面對干旱氣候和水分脅迫時，樹木則會通過調(diào)節(jié)自身生理或結(jié)構(gòu)特性而形成特殊的生理特征和耗水機(jī)制來抵抗或適應(yīng)干旱時期。

植物蒸騰耗水作為“土壤—植物—大氣”連續(xù)體(SPAC)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]，土壤中吸收的90%以上的水分通過蒸騰作用散失到大氣之中[3]，這個過程不僅受外界環(huán)境條件的影響，而且與植物本身的調(diào)節(jié)與控制密不可分。其中氣孔蒸騰調(diào)節(jié)作用對干旱環(huán)境的適應(yīng)性有潛在的影響，氣孔蒸騰作用不僅受樹種差異和生長狀況的影響，而且與氣象因子(太陽輻射、降水量、空氣溫濕度等)和土壤水分有密切關(guān)系[4]。在水分充足的地區(qū)，降雨對土壤水分的補(bǔ)給會加快液流速率，土壤水分虧缺時則會導(dǎo)致氣孔的關(guān)閉，成為樹干液流的限制因子[5-6]。研究表明，土壤水分條件限制著樹木的生理過程以及蒸騰的總體水平[7-9]。目前，樹干液流是衡量植物蒸騰耗水的一個重要生理指標(biāo)，可以較好地反映出植物生理特性和環(huán)境因素對植物水分利用的綜合調(diào)節(jié)作用[10]。其中Granier熱擴(kuò)散探針法(theanal dissipation probe，TDP)應(yīng)用于樹干液流觀測，具有操作簡單、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以進(jìn)行長期連續(xù)的過程監(jiān)測。陳寶強(qiáng)等[11]運(yùn)用TDP探針法對晉西黃土區(qū)遼東櫟(Quercusliaotungensis)和山楊(Populusdavidiana)進(jìn)行長期連續(xù)觀測，研究了液流速率與空氣溫度、空氣相對濕度、光合有效輻射等環(huán)境因子的關(guān)系，并采用指數(shù)飽和曲線對降雨前后液流速率與VPD關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)的差異表明蒸騰耗水過程也受到土壤水分狀況等其他因素的影響。另有研究表明[12]，桉樹(Eucalyptusurophylla)的水分利用對周期性干旱的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)大徑級桉樹的水力導(dǎo)度對土壤水分虧缺的敏感性較大，因此水分損失較小，且水分利用效率高于小徑級桉樹。說明樹木個體之間蒸騰耗水的差異除了受土壤水分等環(huán)境因子影響外，也與樹體大小參數(shù)密切相關(guān)。

白樺是大興安嶺南段次生林中占比例較大的樹種，前人研究大多集中于樹干液流的物種差異和對環(huán)境因素的影響差異以及與氣候條件相關(guān)的樹木生長狀況[13-14]，對于白樺不同徑級個體樹干液流與土壤水分及氣象因子的關(guān)系鮮有研究。因此，根據(jù)上述結(jié)果我們推測白樺死亡現(xiàn)象與該地區(qū)土壤含水量的變化有關(guān)。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，選取處于半干旱區(qū)大興安嶺南段賽罕烏拉地區(qū)白樺次生林為研究對象，應(yīng)用TDP探針法針對白樺樹種在不同土壤含水量條件下適應(yīng)環(huán)境的差異以及對氣象因子響應(yīng)進(jìn)行研究。根據(jù)年降雨量分析表明研究區(qū)賽罕烏拉2017年處于平水年，本文也僅代表平水年時期分析的不同徑級白樺單木樹干液流對土壤含水量及氣象因子的響應(yīng)。闡明土壤含水量變化對白樺蒸騰耗水的影響，有利于我們了解白樺在干旱脅迫或非干旱條件下的水分利用特征，并為該地區(qū)的生態(tài)修復(fù)過程中樹木抗旱性與水分利用關(guān)系的動態(tài)變化及后期可以在機(jī)理方面進(jìn)行深入探討提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于半干旱區(qū)大興安嶺南段賽罕烏拉國家級自然保護(hù)區(qū)，地理位置為東經(jīng)118°18′—118°55′，北緯43°59′—44°27′，屬于半干旱半濕潤氣候區(qū)。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%。

研究區(qū)大興安嶺南段是草原向森林、東亞闊葉林向大興安嶺寒溫帶針葉林雙重交匯的過渡地帶。主要森林類型為闊葉次生林，主要樹種有山楊(Populusdavidiana)、白樺、蒙古櫟(Quercusmongolica)、黑樺(Betuladahurica)等。土壤類型主要以山地黑土、灰色森林土、棕壤土和暗栗鈣土為主。

1.2 樹干液流測定

樹干液流采用Dynamax的TDP熱擴(kuò)散液流探針測定。在研究區(qū)賽罕烏拉白樺次生林典型區(qū)域內(nèi)設(shè)置30 m×30 m樣地，在設(shè)置樣地內(nèi)選取生長狀況良好，樹干通直無被擠壓，無病蟲害，不同徑級大小的白樺標(biāo)準(zhǔn)木(表1)。在每株樣木胸高1.3 m處選取觀測樣點(diǎn)，并在南北方向分別安裝探針。探針包括一對圓柱形探頭，上方為加熱探針，下方為參考探針，探針周圍涂抹附帶的膠泥，形成防水密封。在TDP探針的每一邊都安裝1/4球狀泡沫用作保護(hù)傳感器的導(dǎo)線不受扭彎的壓力，并且增加探針周圍的絕熱效果，防止因水分接觸探針桿而引起熱沉效應(yīng)。最后包裹防輻射薄膜，減小太陽輻射引起的溫度波動。使用數(shù)據(jù)采集器(CR1000)定期收集數(shù)據(jù)。根據(jù)胸徑大小，將樣樹分為A、B徑級兩組。A徑級(樣樹1，2)為小徑級樣本，平均徑級為15.75 cm，平均邊材面積為150.41 cm2；B徑級(樣樹3，4)為大徑級樣本，平均徑級為20.1 cm，平均邊材面積為238.25 cm2。

表1 白樺樣樹信息調(diào)查

注：徑級為胸高直徑，距離地面1.3 m處。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，利用Granier經(jīng)驗(yàn)公式[15]計(jì)算樹干液流密度，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Fd為液流密度[cm3/(cm2·h)]；ΔT為兩探頭間溫度差(℃)；ΔTmax為液流密度為零時兩探頭間溫度差，即最大溫度差(℃)。

1.3 環(huán)境因子測定

研究區(qū)白樺次生林樣地內(nèi)裝有全自動氣象站，全天分層觀測林內(nèi)外的太陽輻射、空氣溫度、空氣相對濕度、飽和水汽壓、降雨量及土壤水分等環(huán)境因子。使用數(shù)據(jù)采集器(CR1000)定期收集數(shù)據(jù)。

采用空氣水汽壓虧缺(VPD，kPa)指標(biāo)綜合表達(dá)空氣溫濕度的協(xié)同效應(yīng)[16]，計(jì)算公式如下：

VPD=0.661exp[17.72Ta/(Ta+237.3)](1-RH/100)

(2)

式中：Ta為空氣溫度(℃)；RH為空氣相對濕度(%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010以及Dynamax提供的TDPSapVel-Analyser.xls表格來處理TDP莖流傳感器的數(shù)據(jù)；使用SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；使用Sigmaplot 10.0對數(shù)據(jù)組之間的關(guān)系進(jìn)行擬合和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤水分條件下液流密度日變化

圖1為2017年5月初—9月末日降雨量與0—80 cm土壤平均含水量動態(tài)變化，可以看出在7月7日(57.9 mm)，7月20日(78.9 mm)及8月20日(32 mm)有降雨事件發(fā)生，土壤含水量得到明顯補(bǔ)充。為準(zhǔn)確地探究降雨前后土壤含水量的變化對樹干液流密度的可能影響，以7月7日為節(jié)點(diǎn)將整個時期分為土壤含水量相對虧缺時(Relative deficient period of soil moisture，RDP)及土壤相對含水量充足時(Relative sufficient period of soil moisture，RSP)，并且選擇天氣狀況良好，非陰雨天氣的條件下，分別選取連續(xù)3天(7月2—4日，7月21—23日)對不同徑級白樺的液流密度動態(tài)特征進(jìn)行分析。

圖1 降雨量及土壤含水量動態(tài)變化

在不同土壤含水量時期內(nèi)各選取1天對白樺樹干液流密度(Fd)及主要?dú)庀笠蜃?太陽輻射Rs、空氣水汽壓虧缺VPD)的全天小時尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行日變化分析(圖2)。

圖2 液流密度與空氣水汽壓虧缺、太陽輻射日變化

在RSP時期(7月21日)，兩種徑級大小下白樺液流啟動時間均為7：00左右，RDP時期(7月3日)液流啟動時間為6：00左右。不同時期內(nèi)液流密度在11：30—12：00內(nèi)達(dá)到峰值，隨后逐步下降，19：00后逐漸趨于穩(wěn)定，總體表現(xiàn)為晝高夜低。從日變化曲線中可以看出不同徑級之間的液流密度差異較明顯，B徑級在RSP時期的液流密度峰值[23.75 cm3/(cm2·h)]較RDP時期[11.88 cm3/(cm2·h)]增加一半左右，A徑級液流密度值在6.49 cm3/(cm2·h)(RDP時期)增加至13.27 cm3/(cm2·h) (RSP時期)。在RSP或RDP時期的徑級表現(xiàn)均為B大于A。此外，氣象因子曲線大體趨勢與液流密度變化較為一致，開始呈上升趨勢的時間早于液流密度，其中在降雨后土壤含水量較高時的VPD和Rs略有波動。

將A，B徑級液流密度在不同土壤含水量條件下進(jìn)行比較(表2)。在RSP或RDP時期，A，B徑級液流密度均表現(xiàn)出顯著差異(p<0.05)，在A或B徑級下液流密度差異極顯著(p<0.01)，表現(xiàn)為RSP時期大于RDP時期，說明A，B徑級對土壤含水量的差異反應(yīng)比較敏感。

2.2 不同土壤水分條件下液流密度對氣象因子的響應(yīng)

樹木蒸騰耗水過程受到樹木自身特性和環(huán)境因素的共同影響。在較短的時間尺度，其變化特征主要受大氣對水分的需求和能量的供給，即VPD和Rs的影響。為了更加直觀和深入地揭示白樺不同徑級液流密度在不同土壤含水量條件下對氣象因子的響應(yīng)特征，選擇含有表征意義參數(shù)的擬合模型對單個氣象因子進(jìn)行回歸分析。將選取的降雨前后的連續(xù)3天非陰雨天氣下，A，B徑級的液流密度與VPD，Rs在RSP和RDP時期內(nèi)進(jìn)行擬合回歸分析。由于VPD與液流密度存在時滯效應(yīng)，在上升和下降過程中VPD 與液流密度的關(guān)系會呈現(xiàn)不同的函數(shù)關(guān)系[17]，為此僅選取6：00—14：00上升過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，Rs數(shù)據(jù)選取與VPD同時段。擬合分析方程采用飽和指數(shù)方程y=c+α[1-exp(-bx)]，其中α，b，c為擬合參數(shù)；y，x為相應(yīng)變量。圖3為不同土壤含水量條件下，A，B徑級液流密度對VPD和Rs的擬合曲線，可以看出液流密度和VPD之間得曲線變化符合指數(shù)飽和曲線的擬合關(guān)系，VPD增加至1.5～2 kPa時，液流密度的變化逐漸趨于穩(wěn)定。A徑級的液流密度與太陽輻射之間基本符合曲線擬合關(guān)系，B徑級在6：00—14：00時段內(nèi)并未達(dá)到穩(wěn)定值。

表2 不同土壤水分條件下液流密度差異性

注：p<0.05代表顯著；p<0.01代表極顯著，下表同。

圖3 液流密度對空氣水汽壓虧缺、太陽輻射的響應(yīng)

樹干液流密度與氣象因子的擬合回歸方程見表3，通過擬合系數(shù)R2顯示液流密度與VPD，Rs擬合程度較高，效果良好。在RSP時期，VPD對液流密度的影響高于Rs，RDP時期反之，可以看出在土壤含水量相對虧缺時，太陽輻射是液流啟動的主要動力。方程參數(shù)隨徑級和土壤含水量的高低有所不同。飽和指數(shù)曲線中參數(shù)b值的大小能夠反映液流密度快速達(dá)到飽和值的能力，b值越大表示液流密度上升越迅速，可以較快地達(dá)到飽和值。A，B徑級在RSP時期的b值均大于RDP時期，同一土壤含水量條件下A徑級b值均大于B徑級。這可能與土壤水分供應(yīng)狀況有關(guān)，在降雨后土壤水分條件得到改善，樹種更容易通過根系吸收土壤中的水分，并且根據(jù)外界環(huán)境調(diào)節(jié)葉片氣孔使液流密度盡快達(dá)到飽和值。在土壤含水量相對虧缺時段，液流密度上升緩慢，表明白樺的氣孔蒸騰作用對土壤水分變化具有較高的敏感性。

表3 樹干液流密度與氣象因子回歸方程

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

樹干液流在不同的土壤含水量狀況下會有不同特征，特別在土壤含水量相對虧缺時，樹干液流會受到抑制，液流密度最高值會降低[18-19]。本文研究結(jié)果顯示，賽罕烏拉平水年時期，白樺樹干液流密度在非陰雨天氣下日變化動態(tài)表現(xiàn)為晝高夜低，液流密度在RSP時期高于RDP時期。在RSP時期，氣孔在水分充足時表現(xiàn)出較大的耗水需求，根系吸收的大部分土壤水用于蒸騰，蒸騰速率加快。土壤含水量增加后加速了木質(zhì)部水力導(dǎo)度的釋放，從而液流密度在RSP時期響應(yīng)較大，并且大徑級液流密度峰值明顯高于小徑級；在RDP時期，為了應(yīng)對水分脅迫，氣孔自動調(diào)節(jié)為關(guān)閉或者不完全開放狀態(tài)，此時樹木導(dǎo)水率較低，蒸騰速率隨之降低，液流密度值相對下降。RSP或RDP時期大小徑級之間均表現(xiàn)出顯著差異，這可能與樹木的輸水面積和速度有關(guān)，白樺作為散孔材導(dǎo)水組織類型的闊葉樹種，水分運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ朗瞧淠举|(zhì)部中的導(dǎo)管分子，具有較大的輸水面積和較慢的水分運(yùn)輸速度[20]。

散孔材樹木的蒸騰耗水過程對環(huán)境因子的響應(yīng)較高，其中太陽輻射會影響氣孔的開閉狀態(tài)和環(huán)境溫度，空氣水汽壓虧缺代表溫度和濕度的協(xié)同作用，兩者作為影響液流密度的重要?dú)庀笠蜃?，在日變化上與液流密度趨勢基本一致。因此，采用飽和指數(shù)曲線來反映液流密度對太陽輻射和空氣水汽壓虧缺的響應(yīng)特征。

飽和指數(shù)回歸曲線中，兩種時期下的液流密度隨著VPD或Rs的升高逐漸達(dá)到飽和水平，其中大徑級液流密度與Rs的擬合回歸曲線效果并不理想，這可能是由于選取的大徑級樣樹所處的位置為陰生面[21]，受VPD的影響大于Rs的影響，導(dǎo)致在6：00—14：00時段內(nèi)液流密度未能達(dá)到飽和值。除此之外，其余擬合效果可說明氣象因子的變化會影響氣孔調(diào)節(jié)功能。飽和指數(shù)方程中的擬合參數(shù)b值越大表示液流密度上升越迅速，可以較快的達(dá)到飽和值。本研究發(fā)現(xiàn)，在RSP時期擬合參數(shù)b值高于RDP時期，達(dá)到飽和水平的速度大于RDP時期。降雨前RDP時期的擬合參數(shù)b值較小，這可能是土壤含水量相對虧缺下蒸騰耗水能力開始受到抑制，氣孔處于不完全開放狀態(tài)，而降雨后RSP時期的土壤含水量及時得到補(bǔ)充，導(dǎo)水率有所提高，引起液流密度上升速率的加快，充分說明了土壤含水量的改善能夠促進(jìn)樹干液流密度更快地達(dá)到飽和值，而這一特征具有一定的普遍性[12,14]。呂金林[22]、吳旭[23]等分別對黃土丘陵區(qū)遼東櫟、側(cè)柏(Platycladusorientalis)和刺槐(Robiniapseudoacacia)樹干液流與VPD和Rs的整合變量VT的關(guān)系研究中也發(fā)現(xiàn)，擬合公式y(tǒng)=a(1-e-bx)中擬合參數(shù)b值在降雨前后均有顯著性差異。

白樺在應(yīng)對水分脅迫時，通過氣孔調(diào)節(jié)來控制其蒸騰耗水的策略并不保守，但氣孔調(diào)節(jié)并不是樹木在半干旱地區(qū)適應(yīng)環(huán)境響應(yīng)環(huán)境因子的唯一生存策略，還包含其他生理調(diào)節(jié)，如落葉以及樹干儲存水[24]。物種在用水策略上有所不同，有助于森林林分的不同演替階段或結(jié)構(gòu)和功能成分的發(fā)展。樹干液流的影響機(jī)制與氣象因素、土壤供水水平以及樹木自身生物學(xué)特性關(guān)系密切，因此，應(yīng)深入研究干濕年份和不同年齡段的用水策略和生長變化，了解其長期水文狀況，以便從機(jī)理方面更準(zhǔn)確深入地了解樹干液流的運(yùn)移規(guī)律。

3.2 結(jié) 論

研究表明，不同徑級白樺樹干液流密度在日變化范圍內(nèi)，隨Rs，VPD呈現(xiàn)出明顯的晝夜變化規(guī)律，且小徑級樣本的液流密度也較小。降雨前后土壤水分條件的變化會導(dǎo)致樹干液流密度表現(xiàn)不同，在此過程中，樹木徑級大小在樹干液流對土壤水分變化的響應(yīng)中也有一定程度的影響。在土壤含水量相對充足時，樹木會表現(xiàn)出更高的需水要求和耗水能力，且大徑級樹木會更快速地達(dá)到液流密度飽和值；而在土壤含水量相對虧缺時，樹干液流密度會明顯受到抑制，此時樹木則會通過降低液流密度值以適應(yīng)環(huán)境。