阿拉善白刺生长季需水量估算

赵晨光，庞德胜，马扎雅泰

(内蒙古阿拉善盟林业治沙研究所，内蒙古 阿拉善 750306)

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，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[1，2]。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[3-5]。白刺群落是沙漠地区固定、半固定沙丘向流动沙丘的过渡地带的建群种，在维持阿拉善脆弱生态系统稳定性和恢复重建受损生态系统中起着重要的作用[6]。

在阿拉善盟白刺群落调查研究基础上，通过从叶片到单株到群落尺度白刺生态需水的转化研究，估算不同白刺群落的生态需水量，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，覆盖度在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 样地布设

根据白刺群落格局、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8个样地，每个样地5个重复。以20 m×20 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 白刺光合速率、蒸腾速率及气孔导度的测定 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)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)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。每个小区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小时测定1次，每次3次重复。测定时间是从2012年5—10月，每个月每个试验地选择晴朗的天气连续测定3天。

1.3.2 气孔导度限制值计算 气孔导度限制值Ls(Ls=1-Ci/Co，其中Ci为胞间CO2浓度，Co为周围大气环境中的CO2浓度)

1.3.3 植物水势的测定 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叶片为样叶，测3个叶样水势值进行平均。每月选定一个标准日测定一个日进程，水势日变化测定时间为8:00—18:00，每1 h取样测定1次，每次3次重复，立即进行测定。水分利用效率(WUE)计算公式为：

WUE=Pn/E

式中：Pn为光合速率，E为蒸腾速率。

1.3.4 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。

1.3.5 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+鲜土重，然后置于105 ℃下烘干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 白刺单株液流昼夜变化规律

白刺的蒸腾量随着地径粗度的不同，表现出明显的差异，如图1所示。地径越粗，蒸腾量越大。从液流变化规律看，如图2所示白刺液流从9：00急剧增加，从18: 00以后开始下降，日蒸腾表现为多峰型，最高峰出现在15: 00左右。

图1 白刺单株不同地径液流速率日变化

2.2 白刺生长季单木尺度生态耗水量

如图3阿拉善盟白刺各月日均耗水量最大的月份为7月，日均液流量为1 154.3 g•cm-2，其次为8月，日均液流量为788.1 g•cm-2，6月份次之，日均液流量为586.7 g•cm-2，最小的为10月，日平均液流量为270.5 g•cm-2。

图2 连续3 d白刺单株液流日变化

从白刺单木尺度各月耗水量来看(图4)，白刺的单木尺度生态耗水主要发生于每年的5—10月，其中6—9月是白刺最主要的耗水季节，占全年的69.7%。耗水最多出现在7月，为35.8 kg•cm-2，占全年的32%。各月耗水量大小依次为7月>8月>6月>9月>5月>10月。

图3 白刺单位地径各月日平均液流量

图4 白刺生长季累计各月单位地径液流量

2.3 白刺林分耗水量估算

2.3.1 白刺灌丛日液流量与地径关系 白刺灌丛的地径，以0.5 cm为整化基数，在200株样木中，0.5 cm地径74株，占37%，1 cm的120株，占60%，2 cm的6株，占3 %。根据整化的结果，选出不同地径的样木进行平均日液流量的观测，利用SPSS软件建立的日径流量和地径的回归方程为：Y白刺= 989.4X白刺-371.87，R2= 0.894 6；式中：Y白刺代表白刺的日径流量(g•d-1)，X白刺为白刺的地径(cm)。

2.3.2 白刺灌丛日耗水量估算 利用灌木日径流量与地径建立的方程分别算出200株单木的日径流量后累加，再经换算后得出林分日蒸腾量为：白刺灌丛0.065 m3•d- 1。

灌木树种白刺以地径作为空间纯量，通过回归分析，线形模型R2最高，为0.894 6。以地径作为纯量，计算白刺灌丛的日蒸腾总量和单株蒸腾量估算值分别为0.065 m3、0.000 4 m3。

2.3.3 研究区白刺生态需水面积确定 额济纳旗白刺群落结构多为白刺单层结构或白刺+红砂的双层结构。额济纳旗国家级公益林中白刺面积145.09 km2，本次调查的20 m×20 m白刺样地2个，总面积800 m2。样地的平均郁闭度为19.00%，平均密度为0.009株•m-2，平均株高为0.20 m，平均地径为0.96 cm，平均冠幅为349 cm×434 cm，平均新梢生长量为71.34 g，平均生物量为3.50 kg(表1)。

表1 额济纳旗白刺群落样地的生物学特征

阿拉善左旗白刺群落结构多为白刺+霸王、白刺+沙冬青或白刺单一种。阿拉善左旗国家级公益林中白刺面积1 010.51 km2，本次调查的20 m×20 m白刺样地30个，总面积12 000 m2。平均密度为0.035株•m-2，平均高度为36.76 cm，平均冠幅为369.75 cm×361.32 cm，平均地径为0.84 cm，平均新梢生长量为12.69 cm，平均盖度为18.39 %(见表2)。

表2 阿拉善左旗白刺群落样地的生物学特征

阿拉善右旗白刺群落多为白刺为单一种或白刺+梭梭或+柠条或+霸王的群落结构，其建群种白刺为蒺藜科白刺属。阿拉善右旗国家级公益林中白刺面积547.26 km2，本次白刺调查的20 m×20 m样地10个，总面积4 000 m2。平均密度为0.028株•m-2，平均高度为44.62 cm， 平均冠幅为383.25 cm×373.07 cm，平均地径为0.74 cm，平均新梢生长量为11.29 cm，平均生物量为10.74 kg，平均盖度为46.58%(表3)。

表3 阿拉善右旗白刺群落样地的生物学特征

2.4 白刺需水定额及生长需水量的估算

2.4.1 白刺生态需水定额确定 生态需水可通过生态需水定额得到。生态需水定额是单位时间内单位面积植被的需水量。应用单株生态需水定额的数据，计算出白刺生态用水定额(表4) 。

表4 白刺生态需水定额计算表

2.4.2 阿拉善各旗白刺最大生态需水量计算 由于测定的单株生态需水量是在充分供水条件下，因此确定的生态需水定额是植物的最大需水定额。根据需水定额白刺的实际面积，用EWUi=Ai×Qi计算林木最大生态需水量，式中：EWUi为第i区域林木的最大生态需水量(m3)，Ai为第i区域白刺灌木林的面积(hm2)，Qi为第i区域林木的生态需水定额(m3•hm-2)。计算结果表明，阿拉善盟白刺的最大生态需水量为4.34×108m3，其中额济纳白刺生态需水最少，为0.11×108m3，占总生态需水量的2.5%，阿拉善左旗白刺的生态需水最多，为3.28×108m3，占75.6%，阿拉善右旗白刺的最大生态需水为0.96×108m3，占总生态需水量的21.9%。

2.5 白刺林木实际生态需水量估算

在实际生产中，林木的实际蒸散量低于充分供水条件下林木的最大蒸散量。因此，需要有一个土壤供水系数K来反映土壤水分状况对林木生态需水的影响。

土壤中能够被植物吸收的水分称有效水分。最大的有效水分是田间持水率W1和凋萎含水率W2之差，土壤中实际有效水分为土壤实际含水率W和凋萎含水率之差，令A为：A=(W-W2)/(W1-W2)，则土壤供水系数K可用下列经验公式计算：K=ln(A+1)/ln101。根据上述计算方法，测定林木正常生长条件下，各树种的土壤供水系数分别为：额济纳旗白刺0.6，阿拉善左旗0.76，阿拉善右旗0.7。

根据不同树种土壤供水系数，计算得到白刺的实际生态需水定额和实际生态需水量(表5)。根据表5的计算结果，可知阿拉善盟白刺的实际生态需水量为3.23×108m3。

表5 阿拉善盟白刺实际生态需水量

3 讨论

白刺各月实际生态需水量和多年各月平均降水量对比分析可知，在生长季节，植物的生态需水和降水量是基本同步的，当生态需水量增加时，降水量也增加，可缓解植物在高耗水期的生态需水，但是植物利用天然降水的同时，大量的水分也通过土壤蒸发而无效散失，从而减少土壤的储水量。植物的需水量同降水量也不是完全同步，植物的最大需水通常出现在7月，而降水量最大则出现在8月。

对于天然白刺来说，≥10 mm的天然降水量可满足其生态需水量，这也是为什么在地下水不能被利用、地表水无供给的条件下，白刺能够演替而逐渐替代其他植物种的原因。

4 结论

4.1 白刺单株液流昼夜变化规律

白刺的蒸腾量随着地径粗度的不同，表现出明显的差异，地径越粗，蒸腾量越大。从液流变化规律看，白刺液流最高峰出现在15: 00左右。

4.2 白刺生长季单木尺度生态耗水量

阿拉善盟白刺各月日均耗水量最大的月份为7月，日平均液流量为1 154.3 g•cm-2，各月耗水量大小分别为7月>8月>6月>9月>5月>10月。

4.3 白刺树种林分耗水量估算

以地径作为纯量，计算出白刺灌丛的日蒸腾总量和单株蒸腾量估算值为: 0.065 m3、0. 000 4 m3。

4.4 白刺需水定额及生长需水量的估算

阿拉善盟白刺的最大生态需水量为4.34×108m3，其中额济纳白刺生态需水最少，为0.11×108m3，占总生态需水量的2.5%，阿拉善左旗白刺的生态需水最多，为3.28×108m3，占75.6%，阿拉善右旗白刺的最大生态需水为0.96×108m3，占总生态需水量的21.9%。根据不同树种土壤供水系数，计算得到白刺的实际生态需水定额和实际生态需水量，阿拉善盟白刺的实际生态需水量为3.23×108m3。

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