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        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

        2021-10-12 06:10:14黃雅茹馬迎賓李永華段瑞兵劉鳳嬋張曉燕
        關(guān)鍵詞:研究

        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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(dá),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(qiáng),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(dú)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(jì)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(kuò)散法測定,其優(yōu)點(diǎn)是能夠長期自動對檉柳的樹干液流進(jìn)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(rèn)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(bào)道。本研究通過對敦煌檉柳液流速率進(jìn)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(jìn)入甘肅敦煌西湖國家級自然保護(hù)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(yàn)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(dá)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(jìn)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(yàn)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(dá)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(fù)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(dá)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(dá)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(dá)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(jìn)入,T能單獨(dú)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(jìn)入,共同解釋液流速率變化的69.8%,RT能單獨(dú)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(jìn)入,T能單獨(dú)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(dú)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(dú)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(dú)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(yán)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(jī)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(fù)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(qiáng)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(fù)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。總的來說,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(qiáng)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(jìn)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。

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