准噶尔西部人工碳汇林原生荒漠植被梭梭蒸腾耗水研究

夏永辉 梁凤超 师庆东 张毓涛 张新平 赵福生 吕娜娜

摘要 在克拉玛依造林碳汇基地外围，使用包裹式茎流计（Flow4）对梭梭

（Haloxylon persicum Bge.）枝液流动态进行了监测;根据生物统计结果选取被测标准枝，标准枝基径在1～3 cm范围内;通过基径断面积和被测枝液流计算丛蒸腾耗水量，通过冠幅最为扩展纯量，利用丛蒸腾耗水量对灌丛群落耗水量进行了尺度转换。结果表明，在转化过程中，梭梭液流速率同枝基径、丛蒸腾耗水量同冠幅具有强相关性;克拉玛依造林碳汇基地蒸腾耗水量的背景值为3.25 t/（d·hm2）;梭梭液流同太阳辐射、光合有效辐射、风速、空气湿度、土壤含水率呈极显著相关，是影响液流变化的主要因子，排列顺序为：光合有效辐射>太阳辐射>风速>土壤含水率>空气湿度;使用主导因子对梭梭液流通量进行拟合，方程为f=0.024PAR+6.859，R2达0.887。

关键词 树干液流;蒸腾耗水;梭梭;荒漠;包裹式茎流计

中图分类号 S714.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）33-11755-05

The Research of Transpiration Water-consumption on Original Haloxylon Desert Vegetation around Planted Forest in Arid Region

XIA Yong-hui1， LIANG Feng-chao2， SHI Qing-dong3， ZHANG Xin-ping4* et al

（1. Karamay Vocational College， Karamay， Xinjiang 834000; 2. Urumqi Meteorological Satellite Ground Station， Urumqi， Xinjiang 830011; 3. Key Laboratory of Oasis Ecology of Xinjiang， Institute of Arid Ecology and Environment， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046; 4. Institute of Forestry Ecology of Xinjiang Academy of Forestry Sciences， Urumqi， Xinjiang 830000）

Abstract We measured the sap flow of Haloxylno persicum applying packaged stem sap flow gauge， and choosed normative tress according with 1-3 cm stem base diameter. Through the sectional area of stem base diameter and the sap flow of measurand tress， we calculated clump transpiration of Haloxylno， and obtaining hungriness shrubberys transpiration through scale transfer by crown width standart. Between the rate of Haloxylnos transpiration and the tress stem base diameter have， clump transpiration and crown width all have prominent relativity too. The background value of carbon sink forests transpiration in Karamay is 3.25 t/（d·hm2）. The sap flow of Haloxylno has a very significant relation with solar radiation， photosynthetic available radiation， wind speed， air humidity and soil moisture which are the main factors in influencing sap flow in the level of 0.01. The order is： photosynthetic available radiation>solar radiation>wind speed>soil moisture>air humidity. Fitting equations to sap flow using the dominating factor of photosynthetic available radiation， and the equation is f = 0.024PAR + 6.859， with R2=0.887.

Key words Stem sap flow; Transpiration water-consumption; Haloxylon persicum Bge.; Hungriness; Packaged stem sap flow gauge

基金項目 国家基础研究重点发展规划项目（2006CB705809-1）。

作者简介 夏永辉（1965-），男，安徽宿县人，工程师，硕士，从事自然地理研究。*通讯作者，研究员，从事森林保护研究。

收稿日期 2014-09-19

造林及合理的人工林经营都可成为固定大气中CO2、防止全球气候变暖的有效途径[1]，人工林的碳汇作用被认为是减缓全球气候变化的一种可能机制和较理想的选择而成为全球变化减缓研究的核心内容[2]。通过造林增加森林碳汇量是世界公认最经济有效地解决CO2上升的办法[3-4]。造林碳汇项目兼具适应和减缓气候变化、促进可持续发展三重功能[5]，具有明显的生态效益、社会效益和经济效益[6]，从全国林业生产力布局和“六大工程”的实施情况，特别是保障我国国土生态安全以及西部地区生态环境建设的需要出发[7]，在干旱区，实施造林碳汇项目都具有重要意义，对国家和地区实施林业计划有着重要的指导意义。

为了更好地评价干旱区造林的综合效益，除了对整个人工林的耗水情况进行估计外，还要对造林前的蒸腾耗水量进行蒸腾估算。在干旱区，荒漠分布面积最大。梭梭（Haloxylon）是落叶小乔木或大灌木，在我国的分布面积十分广阔，约占整个荒漠（不包括山地）面积的10%[8]，是中亚荒漠中分布最广的荒漠植被类型。对梭梭林分蒸腾耗水的研究有助于为碳减排林的综合效益提供背景数据，还可为梭梭林的管理提供基础数据。已有学者对单株梭梭的蒸腾耗水做了大量研究[9-16]，但对林分上蒸腾耗水的研究尚未见报道。这可能与灌木植被生态特征较复杂，从单株向林分上推比较困难所致。但是，在干旱区，物种较单一，分布较稀疏，群落生态学特征相对简单，所以通过群落统计指标，如冠幅、叶面积指数等作为纯量，可能推算林分蒸腾耗水。岳广阳等[17]采用基径总断面积和叶片密度推算了小叶锦鸡蒸腾耗水，取得较好效果;常学向等[9]在成熟梭梭液流的研究中指出梭梭的蒸腾耗水量同基径、林冠投影面积呈线性相关关系;党宏忠等[18]运用热扩散技术对柠条锦鸡儿根部液流速率（F_s）进行连续测定，试验结果可例证热扩散技术在根部测定液流并用来计算灌木树种单株耗水方法的科学性与优越性;孙鹏飞等[19]利用热脉冲技术对古尔班通古特沙漠生长期原生梭梭的树干液流耗水特征进行研究，发现随着水分条件的不同，影响树干液流过程的主导因素有所不同。鉴于此，笔者在克拉玛依造林减排基地外围荒漠选择了1～3 cm径级的梭梭进行液流观测，并在群落调查的基础上推算了梭梭的林分蒸腾耗水量，以期探讨由枝基径上推荒漠植被蒸腾耗水量计算的可行性。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区为克拉玛依碳减排人工林，位于准格尔盆地西北，地理坐标为84°58′～85°4′E、45°22′～45°31′N，距克拉玛依市区约10 km。属典型的大陆性干旱荒漠气候，年平均气温8.0 ℃，1月份为最冷月，月平均气温-16.7 ℃，7月份温度最高，月平均温度27.4 ℃;冬季严寒，年极端最低温度可达-35.9 ℃;夏季高温炎热，年极端最高气温可达42.9 ℃;年降水量多年平均为105.3 mm，从年内分布看，6～8月份稍多，冬季无稳定积雪，全年蒸发潜力3 545.0 mm，为年降水量的34倍，无霜期180～220 d;春季多风，全年（主要集中在冬、春两季）≥5级风的日数为119.7 d，≥8级风的日数为45.6 d，最大风速可达42.2 m/s，主风向为西北。植被物种组成主要为藜科的梭梭[Haloxylon ammodendron（C.A.M.） Bge.]、白梭梭（Haloxylon persicum Bge. ），蒺黎科的白刺（Nitraria roborowskii Kom.）、盐穗木[Halostachys caspica（M.B.）C.A.M.]，以及柽柳科的红砂[Reaumuria soongorica（Pall.）Maxim]、长穗柽柳（Tamarix elongata Ldb.）、多枝柽柳（Tamarix ramosissima Ldb.）等。土壤类型主要有棕漠土、灰棕漠土[20]。

1.2 方法

1.2.1

标准木选择。

选择生长健康的梭梭为标准木，第1分枝的光滑处作为测量点。以测量点的直径基础，径级为0.5 cm，每个径级选择1～2株（表1）。在研究区边缘，向东南（梭梭林深处方向）每200 m做一个10 m×10 m的样方，共10个，主要调查梭梭的冠幅、高度、基径和基径数目。在梭梭林深处做一个100 m×100 m的样方，主要调查梭梭的冠幅和高度。

表1 准噶尔西部原生荒漠植被梭梭样木采样信息

在人工林外围北方（盛行风向）1 000 m处架设Habo气象站对土著植被的气象因素进行观测。该气象站主要观测了太阳辐射、光合有效辐射、空气温度、空气湿度、空气相对温度、土壤湿度、风速、风向和降雨量等。

1.2.2

树干液流的观测方法。试验开始于2009年7月10日，结束于2010年8月10日。应用Flow4-DL包裹式茎流计（美国Dynamax公司）和传感器对梭梭的枝液流进行连续观测。在树干胸径1.3 m处刮去死皮，并用砂纸磨平，涂上油菜籽油，安装传感器，然后包上防辐射垫。数据自动记录步长为0.5 h，主要使用SGB9、SGB13、SGB19和SGB25 4种型号的传感器（表2）。

1.2.3

數据分析方法。在对标准木的观测期间，每次观测的前2 d的数据作为仪器和植株生理的未平衡状态而剔除，选择连续晴天的数据用来分析。由于仪器的测量原理，每天要进行一次调零，调零时依据前一天的测量结果，天气变化较小时仪器自动计算的结果较好，天气变化较大时仪器计算的结果并不可信。根据仪器观测原理进行重计算，并运用SPSS 17.0对数据进行回归分析，使用OriginPro 8作图。

表2 Flow4-DL传感器信息

2 结果与分析

2.1 梭梭液流的日变化

选择2010年7月15、21、22日3个晴天日，对不同直径梭梭在不同时间点的液流作图。测定期间天气晴朗，空气温度为11～21 ℃，3级以下微风，日出时间7：00，日落时间19：00。图1表明，不同直径梭梭液流均呈多峰值变化，这与孙鹏森等对油松、王华田等对油松和侧柏、熊伟等对华北落叶松、常学向等对荒漠梭梭的研究[9，21-23]结论相似。白天径流大于夜晚，启动时间为5：00，结束时间为20：00，在10：00～17：00达到峰值，并出现波动。侯天侦等[24]对分布在新疆甘家湖区的梭梭生理生态研究表明，气孔清晨时微开，中午最热时关闭，傍晚时又全部开放。直径不同，液流通量也有较大差异，直径大的液流高，更易受到环境条件变化的影响，峰值的波动幅度大。液流在夜间差别不是很大，液流通量较大时差值也较大。峰值时出现小幅波动，并随径级的增大而增大。

图1 梭梭液流日变化

2.2 梭梭雨天液流的变化

2009年8月31日枝直径为1.6 cm的梭梭在连续降水的情况下液流同环境因子的变化见图2。降水2 h前，空气湿度快速上升，空气温度小幅降低，液流通量和光合有效辐射正常变化，比晴天时略小。降雨前2 h，液流通量和光合有效辐射开始降低。降雨时空气湿度达到80%以上，空气温度降到最低，液流通量和光合有效辐射降至最低，比晴天减少。降雨过后2 h，空气湿度开始下降，空气温度开始上升，液流通量和光合有效辐射快速上升至正常水平。

图2 雨天梭梭柽柳液流通量同环境因子的变化

雨天的日液流通量小于晴天。有降水的天气，梭梭日液流通量为443.45 g/h，相对于晴天液流通量（460.75 g/h）减少3.77%。

8月31日雨天和9月4日晴天的液流通量差异量（图3）表明，白天，雨天液流通量相对于晴天减小。15：00降水时晴天下的液流通量同雨天的差异最大，相差25.99 g/h，液流差异占晴天的51.17%。夜晚，雨天液流通量相对晴天增大，特别是在有降水时液流增大幅度最大。液流通量在7：00出现降水，由于白天液流还未启动，雨天的液流通量大于晴天，增加了317.76%。

图3 梭梭液流通量在晴天和雨天的差异量变化

2.3 梭梭不同基径液流的关系

选择晴天时的液流速率同胸径作散点图。图4表明，枝直径在1.0～3.0 cm范围内随着枝直径的增大，液流速率从17.90 cm/h逐渐减小到9.08 cm/h，梭梭的蒸腾耗水能力减弱，抗旱能力增大。对图4分别使用线性函数、一元二次函数、幂函数、指数函数进行拟合（表3），公式均通过0.001显著水平上的检验。梭梭液流速率同胸径具有强相关性，R2达到0.733 4，可使用指数函数进行拟合，见公式1。由于标准木的枝直径变化范围为1.0～3.0 cm，所以公式1仅说明梭梭枝直径在1.0～3.0 cm范围内的变化情况，对于其他的枝直径并不适合。

图4 梭梭液流速率同直径的关系

表3 对梭梭枝基径和液流速率关系的拟合函数

注：y为液流速率（cm/h）;x为测量点的枯直径（cm）。

2.4 梭梭丛蒸腾耗水同冠幅的关系

利用公式1计算梭梭丛内所有的枝液流速率，再结合枝的截面积（Si）计算整丛的蒸腾耗水量（Qsi）。丛蒸腾耗水公式为：

Qsi=∑ni=1（250.428 8e-x0.301 9+8.562 6）×Si （公式2）

Si=πd2ci4 （公式3）

式中，dci为第i个枝、径级为c的基径（cm）;n为梭梭丛中的总分枝数;Qsi为第i个枝的液流通量（g/h）;Si为第i个枝的截面积（cm2）。

经过公式2对样方内梭梭蒸腾耗水量的计算，并统计每一丛的枝数、累积截面积、平均胸径和冠幅。图5～8表明，当地梭梭林的冠幅主要集中在0～6 m2，枝的数量主要分布在1～16个，平均胸径主要分布在0.3～3.0 cm，截面积主要分布在0～60 cm2。枝数量、平均胸径、累积截面积均随着冠幅的增大呈增大趋势。由于在林分蒸腾耗水量的计算过程中枝截面积是转化纯量，所以林分累积枝截面积的分布情况直接决定了林分蒸腾耗水量的分布。故图7和图8变化趋势一致。对图8利用线性函数、指数函数、幂函数和对数函数进行拟合。表4表明，梭梭丛蒸腾耗水量同冠幅具有较好的线性关系，使用幂函数进行拟合，具有强相关。

图5 梭梭冠幅同丛分枝数量的关系

图6 梭梭冠幅同平均胸径的关系

图7 梭梭冠幅同累积截面积的关系

图8 梭梭冠幅同蒸腾耗水量的关系

表4 梭梭丛蒸腾耗水量同冠幅的关系

2.5 梭梭林分蒸腾耗水量

由液流数据和样方调查中基径和丛的数据，计算出样方内梭梭每一丛的液流量。再由丛液流量结合样方内冠幅和丛数，通过拟合方程计算出样方内所有液流总流。

利用公式4和梭梭的冠幅数据计算梭梭蒸腾耗水，并统计每一个样方内丛累积冠幅和丛数。表5表明，由于不同地点梭梭生长的差异性，导致林分蒸腾耗水在1.30～6.56 t/（d·hm2）范围内变化。克拉玛依造林碳汇基地蒸腾耗水量的背景值为3.25 t/（d·hm2）。

表5 不同样方内梭梭林分蒸腾耗水量

2.6 梭梭液流量与环境因子

2009年9月4日直径为1.6 cm的梭梭液流通量和环境因子日变化（表6）表明，梭梭同太阳辐射、光合有效辐射、风速、空气湿度、土壤含水率在0.01水平上极显著相关，是影响液流变化的主要因子。相关系数是度量2个随机变量间关联程度的量，相关系数越大，2个变量之間的关系越密切。相关系数越大，外界因子对液流通量的影响越大，根据相关系数，影响梭梭液流通量大小的排列顺序为：光合有效辐射>太阳辐射>风速>土壤含水率>空气湿度。

表6 梭梭液流通量同环境因子的相关性

注：**表示在0.01 水平（双侧）上显著相关。

对影响梭梭液流的主要影响因子[太阳辐射（SR）、光合有效辐射（PAR）、风速（GS）、空气湿度（RH）、土壤含水率（WC）]进行进入回归分析，方程为f=0.017PAR-0.02SR+2.834GS-104.038WC+0.20RH+12.533，R2达到0.920。选用多个对液流通量极显著相关的影响因子可对液流通量进行拟合，方程可以解释液流通量变化的程度超过90%，拟合效果较好。

对影响梭梭液流的主要影响因子（太阳辐射、光合有效辐射、风速、空气湿度、土壤含水率）进行逐步回归分析，方程为f=0.024PAR+6.859，R2达0.887。可见，风速、空气湿度、土壤含水率被剔除，说明即使环境因子对梭梭液流影响达到极显著相关，也可能不是影响植物液流的主导影响因子。光合有效辐射被保留下来，拟合方程均达到显著强相关水平。多个环境因子和主导环境因子均可对液流通量进行拟合，前者的拟合效果优于后者，但后者的方程较简单，使用方便。所以使用主导因子对液流通量进行拟合。

分别使用一元一次函数、一元二次函数、指数函数、对数函数、幂函数、Logistic函数对梭梭液流通量进行拟合（表7）。一元一次函数和一元二次函数的R2值大于指数函数、对数函数、幂函数、Logistic函数，使用一元一次函数和一元二次函数对液流通量的拟合效果最好;一元一次函数和一元二次函数的R2值较接近，因此选择方程相对简单的一元一次函数。梭梭的拟合方程为f=0.024PAR+6.859。

表7 梭梭PAR因子对液流通量拟合方程的相关系数

3 结论

梭梭液流日变化过程呈多峰值变化，启动时间为5：00，结束时间为20：00，在10：00～17：00达到峰值，并出现波动。枝直径从1.0～3.0 cm，随着枝直径的增大，液流速率从17.90 cm/h逐渐减小到9.08 cm/h。梭梭的蒸腾耗水能力在减弱。梭梭液流速率同胸径具有强相关性，可以使用指数函数进行拟合。

雨日的日液流通量小于晴天。有降水的天气下，梭梭日液流通量分别为443.45 g/h，相对于晴天液流通量（460.75 g/h）减少了3.77%。

丛蒸腾耗水量与冠幅也具有较好的生态学统计含义，达到极显著相关，可用幂函数进行拟合。将冠幅作为转换纯量，计算了林分的蒸腾耗水量，不同地点梭梭生长的差异性导致林分蒸腾耗水在1.30～6.56 t/（d·hm2）变化，克拉玛依造林碳汇基地蒸腾耗水量的背景值为3.25 t/（d·hm2）。

梭梭同太阳辐射、光合有效辐射、风速、空气湿度、土壤含水率在0.01水平上极显著相关，是影响液流变化的主要因子，排列顺序为：光合有效辐射>太阳辐射>风速>土壤含水率>空气湿度。使用主导因子对梭梭液流通量进行拟合，方程为f=0.024PAR+6.859，R2达0.887。

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