宁南黄土丘陵区山桃树干液流速率及其与气象因子的关系

温淑红，韩新生,2*，蔡进军，许 浩，马 璠，万海霞

(1.宁夏农林科学院荒漠化治理研究所，宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室，宁夏 银川 750002；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业和草原局森林生态环境重点实验室，北京 100091；3.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川 750002；4.西北农林科技大学资源与环境学院，陕西 杨凌 712100)

【研究意义】蒸散是生态水文过程很重要的组分之一，陆地生态系统中绝大部分蒸散来自于植被蒸腾。蒸腾是植被体将其内部的水分以水蒸气的形式散失到大气中去，对树木的生长发育具有重要意义。林木冠层蒸腾主要通过树干木质部液流测得，而树干液流是衡量林木蒸腾耗水的重要指标，能反映出林木特性和环境因子对水分利用的综合作用。测定树干液流的方法很多，热扩散技术方法因野外操作简便，可连续自动监测，测定周期可调节，时间分辨率高，对植被的正常生理活动影响小，数据可远程下载等特点而得到广泛应用[1-4]。【前人研究进展】目前，国内学者对林木树干液流已有很多研究。买尔当·克依木等[5]研究塔里木河中游胡杨树干液流，得出气温、太阳辐射和空气湿度是影响液流速率的主要气象因子；刘潇潇等[6]探讨黄土高原11种林木树干液流的影响因子，其中，太阳辐射、水汽压亏缺、土壤含水率起主要作用；徐丹丹等[7]、李少宁等[8]分别在毛乌素沙地和北京研究得出辐射和气温是影响树干液流密度的关键气象因子；而许文豪等[9]分析影响毛乌素沙地旱柳树干液流的主要气象因子为水汽压亏缺和潜在蒸散；李洁等[10]在冀西北山地上观测油松和落叶松树干液流速率，发现影响树干液流速率的主要气象因子为温度和湿度；张晓艳等[11]在民勤绿洲荒漠过渡带分析得出，空气温度、净辐射和饱和水汽压差是影响梭梭树干液流速率的主要气象因子。以上在不同地区对不同树种的树干液流进行研究，得到的结果不完全相同，主要是因各地区自然地理条件的差异导致主导因子不同、各树种的植物学特性导致的关键作用因子不同、研究的时空尺度差异导致研究结果不同。以往的研究主要集中于树干液流的时空变化及环境因子的作用，但不同树种和不同区域研究结论差别较大[12-15]。山桃(Amygdalusdavidiana)为宁南黄土丘陵区退耕还林等生态修复工程中主要的树种之一，在该区水土保持、植被固碳、农民增收等方面起到关键作用。【本研究切入点】本研究选择国内学者很少关注的树种山桃为研究对象，采用TDP技术对其进行连续测定，并利用气象站连续观测气象指标，分析树干液流的变化规律及气象因子对其的影响，建立气象因子与液流速率的关系模型。【拟解决的关键问题】为揭示干旱缺水区植被的耗水特征及水-土资源综合管理提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区固原市彭阳县(105°09′～106°58′E、34°14′～37°04′N)，属于黄土高原腹地，地貌类型为梁峁丘陵地，区内梁峁相间，沟壑纵横，地形破碎。海拔为1544～1826 m，具有典型的温带大陆性气候；年均降水量为406 mm，年均蒸发量1360.6 mm；年均气温7.4 ℃，无霜期140～160 d。土壤以黑垆土和黄绵土为主，侵蚀较为严重。当地植被以草本植物为基础，主要由百里香(Thymusmongolicus)、本氏针茅(Stipacapillata)、达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)、委陵菜(Potentillachinensis)、糙隐子(Cleistogenessquarrosa)、茭蒿(Incarvilleasinensis)等群落构成。该区进行了大面积退耕还林还草工程，人工林以山杏(Armeniacasibirica)、山桃、柠条(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等的纯林或混交林为主。

1.2 研究方法

地设置样地选择在宁南黄土丘陵区的中庄小流域。在代表性地点设置了面积为30 m×30 m的山桃人工林标准样地，样地内有少数的山杏生长，数量约占林木总数的5 %左右，且生长都相对较弱，在本研究中，忽略林分中的山杏。山桃是2002年前后退耕还林工程栽植的，对样地位置标定和样地内的山桃林木进行测量(林木密度、树高、分枝数、分枝地径、冠幅等指标)，其样地基本信息和林木的基本特征见表1。

表1 研究林分的样地信息和林木基本特征

选择及仪器的安装选择2株生长良好、具有代表性的山桃作为树干液流观测样树，样树基本特征见表2。

表2 山桃树干夜流观测样树基本特征

本研究区的地理环境条件造成山桃没有明显主干，有多个分枝，在样树距地约0.5 m处各安装1组SF-L热扩散探针(德国Ecomatik公司生产)，于2018年生长季(6月1日至10月31日)期间连续测定树干液流速率，并由CR1000数据采集器每隔 30 min自动采集1次数据。SF-L树干液流测定仪是基于热扩散原理，它由二个探针和一个恒流电源组成。在彭阳县辖区不同地径山桃的边材厚度总体上在 2 cm以下，因此，采用的探针长度为 2 cm，基本上能覆盖所测林木的边材，插入深度为 3 cm。两个探针插入树干上下不同部位，两探针距离为10 cm，上面的探针用恒流加温，两个探针之间形成温差。水流上升时，带走热量，两个探针之间温差变小。温差和树干流之间具有函数关系，通过测量温差算出树干液流通量。为了防止探针进水，在探针与树皮的接触部位涂抹玻璃胶，为避免太阳辐射的影响，探头用铝箔包裹覆盖，然后用胶带缠绕固定，并定期更换胶带防止铝箔脱落。

树干液流速率的计算方法树干液流速率或称液流通量密度(Sap flow density)的计算公式为：

式中：Js为树干液流速率(mL/cm2/min)；dtmax为无液流时的最大温差(℃)，即最大的dt值；本研究以日为单位，即每天选择一个最大值dt；dtact为实际的dt值(℃)。

气象条件监测在2018年6月1日至2018年10月31日，利用HOB气象站连续观测研究地区的气象指标，主要包括太阳辐射(w/m2)、气温(℃)、降雨(mm)、空气相对湿度(%)、风向(°)和风速(m/s)等，数值每30 min采集1次。

1.3 数据处理

采用Excel2016和SPSS19.0软件整理分析数据，使用Origin19.0作图。

2 结果与分析

2.1 研究期间气象条件

如表3所示，太阳辐射的月均值、最大值、最小值、极差整体上呈逐渐降低的趋势，变异系数呈“M”型；气温的月均值、最大值和最小值基本呈现出先升后降的单峰趋势，在8月份达到最大，极差、标准差和变异系数整体呈先将后升的变化特征；空气相对湿度的月均值和最小值呈现先升后降的单峰变化趋势，最大值、极差、标准差和变异系数呈现出先将后升的趋势，在8月份达到最小值；风速的月均值、最小值、极差、标准差和变异系数呈现出先将后升的变化规律，最小值基本上都出现在7月份，最大值大致呈现出逐渐升高的变化特征。研究期间的降雨总量为529.8 mm，6-10月份分别为73、188.6、225.8、32.6、9.8 mm。

表3 研究期间(6-10月)主要气象指标的统计特征

在统计分析中，常用标准差及变异系数(c.v.)分别表示变异程度大小，标准差反映绝对变异，变异系数反映相对变异大小。从整体上看，变异性的大小顺序为太阳辐射>风速>气温>空气相对湿度。依据变异性强弱分级规律(c.v.≤10 %为弱变异性；10 %

2.2 树干液流速率的动态变化

如图1所示，树干液流速率呈波浪状变化，但整体上有一个先升后将的变化趋势。最大值出现在6月22日，液流速率为0.1126 mL/cm2/min；最小值出现在10月19日(0.0008 mL/cm2/min)；研究期间平均值为0.0592 mL/cm2/min。平均液流速率(mL/cm2/min)的月际变化为6月(0.0790)>8月(0.0711)>7月(0.0632)>9月(0.0509)>10月(0.0321)；液流速率(mL/cm2/min)极差(最大值-最小值)的月际变化为6月(0.1095)>8月(0.0972)>7月(0.0851)>9月(0.0825)>10月(0.0603)。

图1 树干液流速率的季节变化特征

如图2所示，液流速率的日内变化主要受气象条件影响，阴雨天树干液流速率都相对较弱，因此，在每月最后5 d中选择连续的两个晴天来分析不同月份树干液流速率的日内变化。树干液流速率的日内变化大致可以分为微弱期、上升期、相对稳定期和下降期，9和10月没有相对稳定期。

图2 不同月份液流速率的日内变化规律

不同月份液流速率的启动时间逐渐推后，6月启动时间为6:30，7-10月启动时间为8:30；从6月到8月树干液流启动上升到稳定期所用时间差异较小，基本上为2:00；各月份相对稳定期持续时间是先增大后减小，下降期持续时间的变化与相对稳定期相反，规律为先减小后变大；9和10月份的日内变化为先微弱存在，再增大后减小，9月份的上升期持续时间比10月份短，下降期持续时间比10月份长。本研究每月只选取无降雨的2 d时间，并不能代表所有天气条件下树干液流速率的变化特征。

2.3 气象条件对树干液流速率的影响

山桃树干液流受到多种气象因子的影响，首先分析不同天气条件下山桃树干液流日内变化的影响因素。选择2018年8月23日至26日这4 d为研究时间，两个晴天和两个阴雨天，并且8月份的树干液流速率相对较高，分析气象条件对其的影响相对较好。

如图3所示，随着太阳辐射的增加，树干液流速率同步提高，并且增高与降低的幅度和时间也基本吻合，因此，太阳辐射是影响山杏树干液流速率的主导因子和主要气象条件，是树干液流速率启动时的气象因子。随着气温的升高，树干液流速率也逐步提高，且增高与降低的幅度和时间也大致吻合，但是气温与树干液流速率的同步性略低于太阳辐射强度。温度仍然是影响速干液流速率的主要气象条件。树干液流速率与空气相对湿度呈相反的变化趋势，空气相对湿度降低，树干液流速率提高；空气相对湿度增加，树干液流速率降低。空气相对湿度与树干液流速率转折点的时间大致相同，所以，空气相对湿度对树干液流速率的变化规律也起到很重要的作用。风速的变化特征存在瞬时的波动性，但总体上变化趋势与树干液流速率相似，但对树干液流速率的作用弱于太阳辐射和气温。按照作用大小和影响强弱，首先为太阳辐射强度，接着为气温，再为空气相对湿度，最弱的为风速。

图3 典型晴天和阴雨天日内尺度上气象因子与树干液流的关系

从表4可知，除空气相对湿度外，其余各气象因子均与树干液流速率极显著(P<0.01)相关；在各月，气温与树干液流速率呈显著(P<0.05)正相关；除9月外的其他月份，太阳辐射强度与树干液流速率呈极显著(P<0.01)正相关；空气相对湿度在7和8月份与树干液流速率呈极显著(P<0.01)负相关；风速在不同月份与树干液流速率的相关性不显著(P>0.05)。从相关显著性和相关系数来看，影响山杏树干液流日均值的主要气象因子为太阳辐射和气温，空气相对湿度和风速作用相对较弱。

表4 研究期间和各月份主要气象指标与山桃树干液流速率的相关分析

由表5所示，对以上山桃液流速率影响因子的逐步回归分析，建立山桃不同月份和研究期间树干液流速率与主要气象因子的回归模型。

表5 山桃日均树干液流速率与主要气象因子的回归模型

4 讨 论

本研究发现山桃的树干液流速率在典型晴天主要呈单峰型曲线，阴雨天呈双峰型或多峰型，与其他区域不同树种的研究结论相似[16-22]，但也存在差异，主要表现为启动、峰值、下降的时间不尽相同，李广德等[23-24]发现毛白杨和国槐在晴天树干液流速率呈双峰型，液流速率白天比晚上高，因为白天太阳辐射较强、空气温度较高、空气湿度较低，液流速率相对较高，夜间的液流速率微弱，可能是由于夜间蒸腾[25]和根压作用弥补树体内白天消耗掉的水分以维持水分平衡，这是植物适应干旱环境的一种内在保护机制[26]。以往在不同地区研究发现晴天、阴雨天各树种的树干液流速率的日内变化存在差异，启动和降低的时间也不尽相同，可能是因不同区域日升日落时间及太阳辐射强弱的日内变化差异引起的，各树种的植物学和生理生化特性(气孔行为、同化方式等)差异也是原因之一。

树干液流是能够反映树木体内水分运输状况的一个重要参数，其受众多环境因子的影响，如太阳辐射、空气温度、空气相对湿度、风速、土壤水分等因素，这些因子都随着季节、日周期和当地的环境条件而发生变化，不同尺度上各因子对树干液流的影响不同。徐世琴等[27]分析得出风速能够影响植物冠层边界层导度，故风速与树干液流的相关性最大；本研究表明，在研究期间(季节尺度上)气温、太阳辐射和风速与山桃树干液流速率呈极显著正相关，与空气相对湿度相关性不显著，说明在研究期间气温和太阳辐射对日均液流速率的驱动作用最强。张璇等[28]对缙云山典型树种树干液流速率的研究显示，气象因子的综合影响力依次为太阳辐射、水汽压亏缺、风速、空气相对湿度、温度，与本研究结论不同。本研究显示在不同时间尺度上，各气象因子的作用存在差异，在6和10月，影响树干液流的气象因子主要为太阳辐射和气温，在7和8月主要为太阳辐射、气温和空气相对湿度，9月份主要为气温；在日内尺度上，各气象因子的作用强弱依次为太阳辐射、气温、空气相对湿度和风速。

区域不同、树种不同、尺度不同，影响树干液流速率的气象因子存在差异，原因可能如下：①地理位置的不同直接导致太阳辐射、气温、空气相对湿度、风速等存在明显的空间差异；②气象因子虽对林木树干液流有着极其重要的作用，但各树种的特性同样是液流变化不可忽略的原因之一；研究的时间尺度不同，导致影响树干液流的主要因子不同，昼夜尺度上太阳辐射与水汽压亏缺是主要影响因子[29]，小时尺度上与水汽压亏缺密切相关，太阳辐射影响较小[30]。

太阳辐射是影响蒸腾作用和光合作用的主要气象因子，其可以直接或间接影响温度和湿度的变化。太阳辐射强时气温会升高，随叶片温度增加，植被以蒸腾来降低温度，叶片气孔导度会变大，蒸腾速率加快，当气温超过32 ℃时，叶片气孔阻力增大，水势下降，气孔导度变小，蒸腾减弱[31]。空气湿度影响植物叶片和大气之间的水汽压差，一般情况下，叶片有巨大的内表面，而且叶肉细胞间隙中的水汽浓度大体上接近饱和，故空气湿度小时叶片和大气之间的水汽压差会变大，蒸腾速率加快，相反，蒸腾速率则下降。虽不同时间尺度上影响树干液流的气象因子存在差异，但多数研究显示，太阳辐射、气温风速与树干液流呈正相关，空气相对湿度与其呈负相关，这就说明，树干液流速率随太阳辐射、气温和风速等因子的增加而加快，随空气相对湿度的增加而减弱，而本研究在日均尺度上分析得出树干液流与风速呈负相关，在小时尺度上树干液流与风速变化趋势相同，可能是因为晴天条件下日均风速较小，阴雨天时日均风速较大导致的。

5 结 论

宁南黄土丘陵区山桃人工林树干液流的季节变化特征呈波浪状，但有明显先升后将的过程；日变化特征：晴天为单峰型曲线，阴雨天为双峰或多峰曲线。树干液流的启动时间随着生长季的推进逐渐延迟，在不同时间尺度上，太阳辐射和气温对树干液流的影响较大，其次是空气相对湿度和风速。建立山桃日均树干液流速率与气象因子的回归模型，可以预测林木树干液流速率。