摘要:为揭示库姆塔格沙漠东南部柽柳的水分传输过程,探究柽柳的耗水特性,本研究利用PSTDP8树木茎流监测系统对柽柳的树干液流速率进行测定,分析土壤因子与液流速率在不同季节的差异。结果表明,夏季树干液流的启动时间最早,为7:20,峰值最大(6.93cm·h-1),春季启动时间为7:40,峰值为6.46cm·h-1,秋季启动时间最晚,为8:40,峰值最小(4.22cm·h-1)。在日尺度上,春、夏、秋季柽柳树干液流速率与土壤含水量及土壤温度呈正相关,土壤温度分别单独能解释61.1%、65.6%、64.0%的树干液流变化,土壤含水量与土壤温度分别共同能解释73.4%、74.1%、76.9%的树干液流变化。在小时尺度上,春、夏、秋季树干液流与20、50cm层土壤含水量及土壤温度呈显著负相关,50cm层土壤温度是影响树干液流的主导因子。本研究建立了不同季节柽柳液流速率与土壤因子之间的回归方程,能够较好地解释不同季节树干液流速率变化,为柽柳树干液流速率预测与耗水量估算提供了很好的途径,明确了在不同季节通过土壤因子估算柽柳树干液流速率的可行性,可为制定水分管理措施提供参考。
关键词:柽柳;树干液流;库姆塔格沙漠;林地土壤
柽柳(Tamarixchinensis)是干旱区防风固沙的优良树种,具耐干旱、耐盐碱、抗风沙等特点,在维护生态平衡、保护生物多样性等方面具有重要意义[1],但维持自身生长需要消耗大量的水分[2]。我国干旱沙漠区水资源相对缺乏,研究柽柳的耗水特性是柽柳水分合理利用的重要基础[3-4]。柽柳在长期适应环境的过程中形成了特殊的耗水机理,因此,研究柽柳树干液流速率及其影响因素,进而分析其耗水特性,对于高效利用有限的水资源具有重要意义,对探讨干旱地区生态经济可持续发展具有很强的指导意义。
树体蒸腾耗水的研究手段众多,其中树干液流作为植物蒸散作用的水分来源,是植物水分消耗的直观量化监测指标,研究树干液流对于明晰柽柳耗水规律极为重要,也为深入探讨柽柳在不同季节的耗水特征提供了重要手段。热扩散技术是研究树木耗水的主要方法之一[5]。热扩散技术时间分辨率及准确度高,能够实现长期、连续性的自动监测[6-8]。
植物液流的潜在能力是由生物学结构决定,液流的瞬间变化是由气象因素决定,液流总体水平是由土壤供水决定[9-10]。国内应用该技术研究了不同树种的液流特征[11-15],主要集中在液流速率的日变化及其与环境因子的关系[16-18]。研究表明土壤含水量与液流速率呈正相关[5,20],浅层土壤温度对树干液流强度有显著影响[21],土壤水分及土壤温度是驱动植物液流速率的重要因素[22-25]。
不同时间尺度上土壤温度、土壤含水率对液流速率都有影响[15-16,26-28],大时间尺度土壤因子可以估算植物的耗水量[13]。关于柽柳树干液流的研究主要集中在液流速率的变化规律及其对环境因子的响应[11,29-33],且主要集中在小时尺度,日尺度、季节尺度上的研究相对较少,在干旱半干旱区液流速率对环境变化较为敏感[10],探究树干液流与土壤因子间是否存在时间尺度差异,可为准确估算耗水量提供依据,但不同层次土壤水分及土壤温度与树干液流的关系并没有深入分析,不同季节土壤温度及土壤水分能够解释多少的树干液流变化鲜有报道。
本研究通过对库姆塔格沙漠东南部柽柳树干液流及土壤含水量、土壤温度的实时动态监测,分析土壤因子与液流速率在不同季节的差异,建立不同季节液流速率与土壤因子之间的回归方程,明确通过土壤因子估算柽柳树干液流速率的可行性。研究结果对于阐明库姆塔格沙漠东南部柽柳耗水规律具有重要意义,为该区柽柳生理特性的研究提供数据支撑,对合理利用有限水资源具有深远意义。
1材料与方法
1.1研究区概况
崔木土沟全长约140km,海拔962m,地理位置40°10'35″N,93°41'9″E,发源于库姆塔格沙漠东南缘阿尔金山北麓(甘肃省阿克塞哈萨克族自治县境内),穿过崔木土山后进入甘肃敦煌西湖国家级自然保护区。
崔木土沟径流的补给主要包括降水、出露泉水、冰雪融水。大龙沟、红柳沟、七里沟、柳城子沟是崔木土沟上游的主要支流[34-36]。胡杨(Populuseuphratica)、柽柳(Tamarixchinensis)、红砂(Reaumuriasongarica)是研究区主要物种。本研究选取的柽柳平均树高370cm,平均冠幅160cm×142cm。5棵柽柳样本的基径分别为2.87、3.25、2.74、3.11、2.86cm。研究站点位于崔木土沟,沟道内有出露泉水补给,在没有发生大的降水时,阿尔金山冰雪融水是地表径流的主要来源,地表径流出山后,消散于山前洪积扇,随后,形成出露泉水(冲蚀沟内),流经15~20km后,出露的泉水很快消失,此时如果有较大的降水,便会形成地表径流出现在洪积扇内,最终在冲蚀沟内汇集[17]。
柽柳为天然林,林下植被盖度为30%,分布于极干旱区季节性洪沟中下游,沟宽300~400m,海拔1030m,周边地貌为戈壁,沟内为冲积、沉积的风沙土,植被结构简单没有明显分层。根据阿克塞县和敦煌市气象资料统计记录,崔木土沟下游年平均气温9.4℃,年平均降水量39.9mm,蒸发量2486mm[17]。
1.2研究方法
采用PlantSensorsPS-TDP8树木茎流监测系统测定茎干液流的流速,参照PS-TDP8茎流系统说明书,探针均安装在树干北侧,距地面50cm,用泡沫软塑料包裹,然后再包上锡纸和塑料纸[10]。数据采集仪是CR300S,数据采集时间间隔设为10min。土壤含水量(SW)及土壤温度(ST)的测定采用5TM土壤温度与湿度传感器(Decagon公司),数据采集器采用Em50,探头安装土层深度为20、50、100、150、200cm。每棵柽柳附近安装2套,5棵共安装10套。采用烘干法进行校正。
2结果与分析
2.1柽柳生长季树干液流日均值变化
柽柳树干液流速率日均值呈现明显的季节变化。6月柽柳平均树干液流速率最大,为4.116cm·h-1,其次为7月(3.953cm·h-1),8月为3.420cm·h-1,5月为3.120cm·h-1,9月平均树干液流速率最小,为2.769cm·h-1。6月17日的日平均树干液流速率最高,为4.640cm·h-1,最小日平均树干液流速率发生在9月30日,为1.937cm·h-1,整个观测期间日平均树干液流速率为3.476cm·h-1。降雨时树干液流速率有明显的降低,而降雨后树干液流速率快速升高,例如,8月14日-8月15日发生降雨,树干液流速率逐渐降低至2.385cm·h-1,而在8月17日树干液流速率升高至3.591cm·h-1,是降雨后最低树干液流速率的1.51倍。
2.2柽柳不同季节树干液流速率变化规律
春季(5月16-20日)、夏季(7月16-20日)、秋季(9月16-20日)的树干液流变化规律，所选典型日均为晴天。夏季树干液流的启动时间最早,持续时间最长,峰值最大,树干液流启动为7:20,第1个峰值为6.93cm·h-1,8:00-21:40出现波峰,最大树干液流速率在3.08~6.93cm·h-1,夜间存在微弱树干液流。春季树干液流启动时间7:40,8:20-20:10达到最高值,最大树干液流速率为6.46cm·h-1。秋季树干液流启动时间最晚,峰值最小,启动时间为8:40,10:00-20:20出现峰值,最大树干液流速率为4.22cm·h-1。不论春季、夏季和秋季,在夜间有微弱树干液流存在。
2.3柽柳生长季土壤水分变化
在整个柽柳生长季土壤体积含水量变化规律较明显,150cm层土壤体积含水量最高,为0.111m3·m-3,随着时间呈先上升后下降趋势,其次为200cm层,为0.087m3·m-3,20cm层土壤体积含水量最小,为0.042m3·m-3,随着时间变化,土壤体积含水量波动较大。100cm层随着时间呈先上升后下降趋势,波动较小。7、8月平均土壤体积含水量最高,均为0.076m3·m-3,5月土壤含水量最小,为0.069m3·m-3。土壤体积含水量大小顺序为150cm>200cm>100cm>50cm>20cm。
2.4柽柳生长季土壤温度变化生长季柽柳土壤温度呈先增加后减小的趋势(图4),20、50cm层土壤温度波动较大,150、200cm层土壤温度波动较小,不同土层深度土壤温度大小顺序为20>50>100>150>200cm,7月平均土壤温度最高为27.13℃,5月最低,为19.78℃。
2.5柽柳树干液流速率与土壤因子的关系
日尺度上树干液流速率与土壤因子的偏相关系数见表1,春季树干液流速率是3-5月的日均值,夏季树干液流速率是6-8月的日均值,秋季树干液流速率是9-11月的日均值。整体来看,春季、夏季、秋季,柽柳树干液流速率与土壤含水量及土壤温度呈正相关关系。春季树干液流速率与土壤含水量、土壤温度呈极显著正相关(P<0.01),夏季树干液流速率与土壤含水量、土壤温度呈显著正相关(P<0.05),秋季树干液流速率与土壤含水量、土壤温度呈极显著正相关(P<0.01),春、秋季土壤含水量与土壤温度对柽柳茎干树干液流有极显著影响,夏季土壤含水量与土壤温度对柽柳树干液流有显著影响。
偏相关分析表明,春季、夏季、秋季土壤温度是影响柽柳树干液流的主导因子。逐步回归分析结果见表2,在日尺度上,春季,土壤温度和土壤含水量依次进入,决定系数分别为0.611和0.734,夏季,土壤温度和土壤含水量依次进入,决定系数分别为0.656和0.741,秋季,土壤温度和土壤含水量依次进入,决定系数分别为0.640和0.769,柽柳树干液流速率与土壤含水量、土壤温度呈正相关。
春季,土壤温度单独能解释61.1%的树干液流变化,土壤含水量与土壤温度共同能解释73.4%的树干液流变化,夏季,土壤温度单独能解释65.6%的树干液流变化,土壤含水量与土壤温度共同能解释74.1%的树干液流变化,秋季,土壤温度单独能解释64.0%的树干液流变化,土壤含水量与土壤温度共同能解释76.9%的树干液流变化。不同季节回归模型差异显著,回归模型精度较高,因此,回归模型能够较好解释不同季节柽柳树干液流速率变化。小时尺度上,春季、夏季、秋季柽柳树干液流速率与土壤体积含水量变化趋势相反,呈负相关(图5)。土壤含水量与柽柳树干液流速率存在紧密的联系,是影响柽柳树干液流的重要因素。
小时尺度上,春季、夏季、秋季土壤温度与柽柳树干液流速率变化趋势相反,呈负相关(图6),土壤温度影响柽柳根系的吸水。春季、夏季、秋季,选择连续的5d数据比较小时尺度上树干液流速率与不同土层深度土壤含水量的偏相关系数。整体来看,春、夏、秋季,20、50cm层土壤含水量对柽柳树干液流活动有显著影响。春季柽柳树干液流速率与50cm层土壤含水量呈极显著负相关(P<0.01),夏季柽柳树干液流与20、50cm层土壤含水量呈显著负相关(P<0.05),秋季柽柳树干液流与50cm层土壤含水量呈显著负相关(P<0.05)。
春季、夏季、秋季,选择连续的5d数据比较小时尺度上树干液流速率与不同土层深度土壤温度的偏相关系数(表4)。整体来看,春、夏、秋季,20、50cm层土壤温度对柽柳树干液流活动有显著影响。春季柽柳树干液流速率与20cm层土壤温度呈显著负相关(P<0.05),与50cm层土壤温度呈极显著负相关(P<0.01),夏季柽柳树干液流与50cm层土壤温度呈显著负相关(P<0.05),秋季柽柳树干液流与50cm层土壤温度呈极显著负相关(P<0.01)。
3结论与讨论
3.1结论
1)夏季树干液流的启动时间最早,为7:20,峰值最大,为6.93cm·h-1。春季树干液流启动时间为7:40,峰值为6.46cm·h-1;秋季树干液流启动时间最晚,为8:40,峰值最小,为4.22cm·h-1。春、夏、秋季夜间有微弱树干液流存在。
2)在整个柽柳生长季,150cm层土壤体积含水量最高,为0.111m3·m-3,随着时间呈先上升后下降趋势,20cm层土壤体积含水量最小,为0.042m3·m-3,随着时间变化,土壤体积含水量波动较大。生长季柽柳土壤温度呈先增加后减小的趋势,20、50cm层土壤温度波动较大。7、8月平均土壤体积含水量最高,为0.076m3·m-3,5月土壤含水量最小,为0.069m3·m-3。
3)日尺度上,春、夏、秋季,柽柳树干液流速率与土壤含水量及土壤温度呈正相关关系,土壤温度是影响柽柳树干液流的主导因子。小时尺度上,春季、夏季、秋季,柽柳树干液流速率与20、50cm层土壤含水量、土壤温度呈显著负相关,50cm层土壤温度是影响树干液流速率的主导因子。
4)春季、夏季、秋季土壤温度分别单独能解释61.1%、65.6%、64.0%的树干液流变化,土壤含水量与土壤温度分别共同能解释73.4%、74.1%、76.9%的树干液流变化。春季回归模型为Y=-0.944+0.136ST+17.893SW,夏季回归模型为Y=-4.087+175.569ST+16.423SW,秋季回归模型为Y=-0.667+0.115ST+21.905SW,不同季节回归模型精度较高,能够较好地解释不同季节柽柳树干液流速率变化,通过回归模型能够为柽柳树干液流速率预测与耗水量估算提供很好的途径,并进一步实现由单木耗水至群体蒸腾耗水的尺度扩展。本研究可为制定水分管理措施提供参考。
3.2讨论
柽柳树干液流速率白天高、夜间低,树干液流速率变化幅度白天大、夜间小,这是由于气温白天高夜间低,植物蒸腾作用随温度的增加而增加,胡杨白天蒸腾作用强烈,使胡杨缺水严重,为了维持正常生长,夜间在根压的作用下不断吸水来保持水分平衡[38-39]。李浩等[37]研究发现,夏季植物为了补充水分,夜间树干保持一定的树干液流来维持正常的生理活动。本研究中,夜间柽柳维持着一定的液流速率。这与李双等[29]、杨文新[11]的研究结果一致。柽柳夜间存在较高的液流速率,干旱区植物白天蒸腾作用强烈,失水严重,夜间通过根系吸水补充水分,因此夜间存在液流速率,柽柳耐旱性得到提高。
大量文献表明树干液流总体水平由土壤供水决定,液流的潜在能力由生物学结构决定,液流的瞬间变化由气象因素决定[40-42]。研究表明,在一定干旱胁迫下,土壤含水量将是柽柳耗水的主要限制因子,植物赖以生存的主要环境因子是土壤水分[19-20],柽柳光合及蒸腾作用需要的水分主要来源是土壤水分,而库姆塔格沙漠是极干旱区,柽柳需要吸收地下水来维持自身正常的生命活动。因此液流速率变化受土壤含水量影响较大。
本研究发现土壤因子对柽柳的液流影响存在时间尺度上的差异,日尺度上,春季、夏季、秋季,柽柳液流速率与土壤含水量及土壤温度呈显著正相关关系(P<0.05)。在小时尺度,春季、夏季、秋季柽柳液流速率与20、50cm层土壤含水量、土壤温度呈显著负相关(P<0.05)。这与郝少荣等[13]研究结果一致,他认为小时尺度下,环境因子对植物茎流的影响较为复杂。由于每月的环境差异,在小时尺度上,各环境因子变化较快,所以柽柳茎流不同季节在小时尺度、日尺度对土壤因子的正负相关性有差异。郝少荣等[13]认为在较小时间尺度下,茎流对环境因子的敏感度逐步提高,对茎流影响的环境因子由土壤因子扩展到了环境综合因子,气象因子占主导作用,土壤因其具有极大的热容性和热传导阻力,对液流速率的影响是一个长期过程[15],故在小时尺度上不占主导作用。
本研究回归分析表明,春季,土壤温度能解释61.1%的茎干液流变化,夏季,土壤温度能解释65.6%的树干液流变化,秋季,土壤温度能解释64.0%的树干液流变化。郝少荣等[13]研究表明30cm处土壤温度能解释沙柳树干液流87.9%的变化,植物根系活性受土壤温度制约,根系细胞的根压、原生质黏度受土壤温度影响,根系吸水能力会随着土壤温度变化而变化。树干液流速率受根系吸水的制约,根系吸水受土壤温度限制。在一定范围内,增加土壤温度能够促进根系吸水,提高根系周围酶活性,降低土壤水分黏性,土壤温度过高会抑制根系吸水能力,减小树干液流速率[43]。
参考文献:
[1]康佳鹏,马盈盈,马淑琴,等.荒漠绿洲过渡带柽柳种群结构与空间格局动态[J].生态学报,2019,39(1):269-280.KANGJP,MAYY,MASQ,etal.DynamicchangesofspatialpatternandstructureoftheTamarixramosissimapopulationatthedesert-oasisecotoneoftheTarimBasin[J].ActaEcologicaSinica,2019,39(1):269-280.(inChinese)
[2]陈有婷,姚燕琴,黄登艳,等.不同技术措施对柽柳林生长状况的影响[J].甘肃林业科技,2014,39(1):43-44.
作者：黄雅茹1,马迎宾1,辛智鸣1,罗凤敏1,刘湘杰1,李永华2,3,4*,张雅楠5
