阿拉善白刺生长季叶片尺度耗水特性

赵晨光,孟和巴雅尔,丁积禄

(内蒙古阿拉善盟林业治沙研究所，内蒙古 阿拉善 750306)

阿拉善白刺生长季叶片尺度耗水特性

赵晨光,孟和巴雅尔,丁积禄

(内蒙古阿拉善盟林业治沙研究所，内蒙古 阿拉善 750306)

为优化水资源的配置，恢复或重建生态系统，以便在干旱、半干旱地区改进抗旱节水造林技术，对阿拉善盟白刺群落生长季叶片尺度耗水特性进行测定了分析。结果表明：(1)白刺生长季水分利用效率日变化最高值出现在上午，5、6、9、10月在10:00左右达最大值，而7、8月在8:00左右达最大值，最小值出现在早、晚。月变化为9、10月最大，其次7、8月，5、6月最小。其中月均值10月>9月>7月>8月>6月>5月。(2)整体上光合速率上午比较强，而蒸腾速率上午呈现上升趋势，在中午达最大值，下午二者都呈现递减趋势。(3)生长季各月叶片水势与蒸腾速率呈相反趋势。(4)白刺蒸腾耗水主要是消耗深50 cm土壤附近的水。

阿拉善；白刺；光合作用；蒸腾作用；叶片水势

蒺藜科白刺属(NitrariaL.)是一个古老的小属，属第三纪孑遗植物，是亚洲中部荒漠的特有植物成分，是从荒漠草原到荒漠地带沙地上的重要建群种之一[1]。白刺为阿拉善盟的广布种，主要分布于湖盆沙地、绿洲外围沙地、山前平原、盐渍化沙地等干旱地带，分布面积达188.2万hm2[2]。白刺属植物是在长期植被演替过程中保留下来的稳定植物群落[3]，耐干旱、盐碱、抗风蚀沙埋，是荒漠地区盐渍土指示植物和典型植被类型。

水是干旱区生态系统构成、发展和稳定的基础，决定着西北干旱区绿洲化过程与荒漠化过程这两类极具对立与冲突性的生态环境演化过程[4]。近年来植被的生态需水问题已成为植被生态恢复或重建研究领域的热点问题，目前的研究主要从生态系统自身角度以其需水机理出发，针对不同类型生态系统的需水理论和计算方法进行探讨，侧重于水文学、环境学和生态学，特别是植物生态学等方面[5]。白刺属植物作为阿拉善荒漠地带的主要优势种和建群种，它的生态需水问题关系到整个地区植被群落的演替过程和生态平衡。因此，研究白刺耗水特性对于当地植物群落处于良性循环状态，对水资源的合理配置与实现生态可持续发展具有重要意义。

本文对阿拉善白刺叶片尺度耗水进行测定。旨在揭示阿拉善白刺群落叶片尺度耗水特性，为进一步研究白刺群落生态需水量奠定基础，为该区水资源的优化配置和生态系统的恢复与重建提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿拉善盟位于祖国北疆，地处内陆高原，属极端干旱和干旱荒漠地区，水资源严重匮乏，气候干冷酷热，降水稀少，风大沙多。降雨量从东南部的200 mm向西北部递减至40 mm以下，而蒸发量则由东南部的2 400 mm向西北部递增到4 700 mm。这一区域自然植被较稀疏，覆盖度1%～15%。植被主要以旱生、超旱生、盐生和沙生的灌木、半灌木和小半灌木为主，大多数植物具有耐干旱、耐高温、耐盐碱和抗风沙的特征。地貌类型以沙漠、戈壁、中山、低山丘陵、干燥剥蚀平原、湖盆、起伏滩地等为主，荒漠化面积达22.38万km2。

1.2 试验设计

通过对白刺群落格局、林龄、长势的调查，设置固定样地。样地分别布设在阿拉善左旗、阿拉善右旗以及额济纳旗。固定样点布设采取典型选择方法，每个样地控制面积1 km2，样方布设以全盟公益林普查为总体，以样地布设为基础，共设5个样地，每个样地5个重复。以10 m×10 m样方调查植物群落变化、植被盖度，物种组成及分布格局。

1.3 观测指标

1.3.1 叶片水势测定 叶片水势采用WP4露点水势仪测定，试验期间分别选取生长发育正常的枝条的叶片为叶样，重复3次。每月选定一个标准日测定一个日进程，水势日变化测定是从8:00—18:00，每1 h测定1次。

1.3.2 光合速率、蒸腾速率的测定 利用美国拉哥公司(LI-COR)生产的开放式气体交换LI-6400便携式光合作用测定系统，进行光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)等生理指标的测定。并同步测定有关环境及植物生理参数——光量子密度(QNTM)、气温(Ta)、相对湿度(RH)、水汽压(EAIA)、叶温(Tl)、气孔阻力(Rs)等的变化。每个样方选择有代表性的植株3株，每株选择中上部的枝3处，测定叶片选择顶端完整叶片作为测定叶，于7:00—20:00每1 h测定1次。

1.3.3 气象因子的测定 气象因子的测定采用澳大利亚ICT公司生产的自动微气象站。主要观测项目包括辐射(总辐射、净辐射、有效辐射)、风速风向、土壤温度、土壤热通量、CO2浓度。所有观测项目的传感器以电缆同室内数据采集器相连，24 h全天候观测，自动数据采集器对以上观测项目每10 min记录一次。

1.3.4 土壤含水量的测定 采用TRIME-FM管式TDR(时域反射仪，德国IMKO公司生产)系统测定土壤体积含水率，每隔5～10 d测定1次。测定深度为160 cm，分8个层次，分别为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140 cm和140～160 cm。用烘干法测定一次土壤含水量，用于校准TDR测定值。具体操作过程为：将土样充分混匀,放入铝盒，重复3次。立即称铝盒+鲜土质量，然后置于105 ℃下干燥2～3 d，再称铝盒+干土质量，最后以下式计算：土壤含水量(SWC)=含水质量/烘干土质量×100%，结果取平均值。另外，土壤水分探头埋设8层，每20 cm为一层，自动数据采集器(Zeno3200-A-D)对以上观测项目每30 min记录一次。

2 结果与分析

2.1 白刺生长季水分利用效率变化特征

图1白刺水分利用效率日变化特征

由图1可知，白刺的水分利用效率日变化同光合速率日变化类似，一天中最高值出现在上午，最小值出现在早、晚。5、6、9、10月变化趋势较为一致，在10:00左右达到最大值，而7、8月水分利用效率在8:00左右达到最大；由表1可知，9、10月的水分利用效率最大，其次为7、8月，最小为5、6月；其中各月水分利用效率的均值10月>9月>7月>8月>6月>5月，分别为5.70、4.27、2.12、1. 83、1.08、0.84 μmol·mmol-1。

表1 水分利用效率描述统计表 μmol·mmol-1

2.2 白刺叶片光合速率与蒸腾速率关系

生长季节各月白刺光合速率与蒸腾速率关系如图2所示，蒸腾速率最大值滞后于光合速率最大值。5月光合速率最大值出现在8:00—9:00，随后呈现下降趋势，在15:00又呈现一个小波峰，随后持续下降。而蒸腾速率最大值出现在11:00，最小值出现在13:00左右，15:00出现另一个波峰值，随后呈下降趋势。通过比较5月光合速率和蒸腾速率关系可知，在11:00以后二者呈现变化趋势较为相似；6月光合速率变化趋势在10:00达最大值，随后呈现下降的趋势，16:00又出现一个小波峰。而蒸腾速率也呈现双峰型变化，第一个波峰出现在11:00，滞后于光合速速，而第二个波峰出现在15:00，期间在13:00出现一个波谷，随后呈现下降的趋势。可以看出在11:00以后二者的变化趋势基本一致，仅是第二个波峰出现的时间相差1 h；7月光合速率在10:00出现最大值，而蒸腾速率第一个波峰出现在12:00，滞后于光合速率2 h，光合速率的第二个波峰出现在13:00，蒸腾速率的第二个波峰出现在14:00，随后二者都呈现下降的趋势，表现出相同的变化趋势；8月蒸腾速率的最大值出现滞后于光合速率3 h，12:00以后二者的变化趋势一致；9月蒸腾速率的最大值出现滞后于光合速率4 h，14:00以后二者的变化趋势一致；10月蒸腾速率和光合速率二者的变化趋势一致，均在12:00出现最大值，早晚低中午高。

图2 5—10月光合速率与蒸腾速率关系对比

2.3 白刺叶片水势与蒸腾速率关系

白刺生长季节各月叶片水势与蒸腾速率关系如图3所示，二者呈现明显的相反趋势，即叶片水势越大，蒸腾速率越小，叶片水势越小，蒸腾速率越大，即叶片水势是反应植物叶片吸水的能力，叶片水势越小，说明植物叶片吸水能力越强，及对应的较大的蒸腾速率，而植物叶片水势越大，即叶片吸水能力越弱，对应蒸腾速率就较小。

2.4 白刺土壤水分变化与蒸腾速率关系

白刺生长季节各月土壤含水量与蒸腾速率关系如图4所示，10 cm土壤含水量的整体变化趋势呈现逐渐增加的趋势，在16:00左右达到最大值，随后减小；30 cm土壤含水量也是从早上8:00开始呈现上升的趋势，但是上升幅度小于10 cm土壤含水量，6、7月波峰出现在16:00左右，其他月波峰值在18:00左右，随后开始下降；50 cm土壤含水量的变化趋势表现为，土壤含水量呈现先减小后上升的趋势。其中50 cm土壤含水量的出现波谷的时间，随着月份的不同有所差异，5—7月，波谷值出现在13:00左右，8—10月出现在16:00左右。由土壤含水量变化可以看出，10 cm土壤含水量的波动幅度较大，30 cm次之，变化幅度最小的是50 cm土壤含水量。

图3 叶片水势与蒸腾速率关系对比

图4 土壤含水量与蒸腾速率关系对比

3 讨论

植物水分利用效率(WUE) 为光合速率与蒸腾速率的比值，表征植物消耗单位水量所产生的同化量，是反映植物对水分的利用水平高低的重要指标。对于处于干旱和半干旱地区的植物，水分利用效率对于维持植物的正常生长具有非常重要的意义。白刺的水分利用效率日变化同光合速率日变化类似，一天中最高值出现在上午，最小值出现在早、晚。水分利用效率5、6、9、10月变化趋势较为一致，在10:00左右达到最大值，而7、8月水分利用效率在8:00左右达到最大，这可能与不同月份日出时间的差异有关； 9、10月的水分利用效率最大，其次为7、8月，最小为5、6月；其中各月水分利用效率的均值10月>9月>7月>8月>6月>5月。

通过各月光合速率与蒸腾速率二者关系的比较可以看出，虽然光合速率和蒸腾速率的变化模式不同，但是从总体的变化趋势来讲，上午7:00—10:00白刺净光合速率显著上升阶段，在上午10:00左右达到一日的峰值，此时，白刺蒸腾速率呈现上升趋势。白刺净光合速率在10:00—13:00为迅速下降阶段，而蒸腾速率继续上升，在11:00达到最大值后呈现较小的下降趋势。在13:00以后，净光合速率呈现平稳下降趋势，此时，蒸腾速率重新呈现上升趋势，直至15:00达到第二次峰值后呈现下降趋势。

白刺生长季节各月叶片水势与蒸腾速率关系，呈现明显的相反趋势，即叶片水势越大，蒸腾速率越小，叶片水势越小，蒸腾速率越大，即叶片水势是反应植物叶片吸水的能力，叶片水势越小，说明植物叶片吸水能力越强，即对应的较大的蒸腾速率，而植物叶片水势越大，即叶片吸水能力越弱，对应蒸腾速率就较小。

50 cm的土壤含水量与蒸腾速率呈现相反的变化趋势，这主要是由于10 cm土壤层温度变化大于下层土壤温度，因此蒸发作用较下层强烈，水分由下层到上层运动作用较为强烈，因此10、30 cm土壤含水量呈现先增加后减小的趋势，土壤水是由下层向上层运动，进而50 cm处土壤含水量呈现先减小后增加的趋势，且50 cm的土壤含水量与蒸腾速率呈现相反的变化趋势，也说明白刺蒸腾耗水也主要是消耗的这一层附近的水，这正好与白刺根系分布情况较为一致，白刺分布的毛细根主要在30 cm以下的土层中。

4 结论

4.1 白刺生长季水分利用效率日变化最高值出现在上午，最小值出现在早、晚，5、6、9、10月在10:00左右达到最大值，而7、8月在8:00左右达到最大值。月变化9、10月最大，其次为7、8月，最小为5、6月。其中各月均值10月>9月>7月>8月>6月>5月。

4.2 整体上光合速率上午比较强，而蒸腾速率上午是呈现上升的趋势，在中午达到最大值。下午二者都呈现递减的趋势，即光合减弱，蒸腾减弱。

4.3 白刺生长季节各月叶片水势与蒸腾速率呈现明显的相反趋势。

4.4 白刺蒸腾耗水主要是消耗深度50 cm土壤附近的水。

[1] 时永杰. 白刺[J]. 中兽医医药杂志,2003(S1):715-722

[2] 赵克昌. 白刺属灌木在黄土丘陵区荒山造林试验[J]. 干旱区资源与环境,1991(2):41-45

[3] 宁宝山,闫好原,高承兵,等.石羊河流域下游白刺平茬复壮试验研究[J]. 甘肃林业科技，2015(1)：38-41

[4] 郭普,王镜泉,陈体恭,等.荒漠灌木白刺资源开发利用研究[J]. 甘肃农业大学学报，1993(2)：205-207

[5] 李昌龙,李茂哉,汪杰,等.绿洲边缘白刺林退化植被恢复与重建技术研究[J]. 干旱区资源与环境，2005(1)：167-171

TheCharacteristicsofWaterConsumptionofBladeScaleforNitrariatangutoruminAlxaLeague

Zhao Chenguang,Meng Hebayaer,Ding Jilu

(Forestry Research Institute, Alxa League, Inner Mongolia, Alxa 750306,China)

In order to optimize the allocation of water resources and to restore and reconstruct the ecosystem, so as to improve the drought-resistant and water-saving afforestation technology in arid and semi arid areas.The characteristics of water consumption at the blade scale ofNitrariatangutorumcommunity in Alxa League were analyzed. Result shows that: 1) The diurnal variation of water use efficiency in the growth season is the highest in the morning and the lowest in the morning and evening, the trend of change reach the maximum value at 10:00 in May,June, September and October; water use efficiency in the 8:00 or so in July and in August reach the maximum. The water use efficiency ofNitrariatangutorumis the highest in September and October, followed by July and August, and the minimum is May and June. The descending of monthly water use efficiency is October> September> July> August > June> May. 2) The overall photosynthetic rate is relatively strong in the morning, while the transpiration rate is increasing in the morning, and the plant transpiration rate reach the maximum at noon. Both in the afternoon show a decreasing trend, that is, photosynthesis weaken, transpiration weaken. 3) The relationship between leaf water potential and transpiration rate during the growing season is significant. 4)Transpiration water consumption ofNitrariatangutorumis mainly in the depth of 50 cm soil layer.

Alxa;Nitrariatangutorum;photosynthesis;transpiration;leaf water potential

1005-5215(2017)10-0046-05

2017-09-11

赵晨光(1986-)，男，辽宁法库人，硕士，现从事森林生态及荒漠化防治研究，Email:18648330471@163.com

S793.9

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.10.015