陇东黄土高原区人工刺槐树干液流特征

费俊娥，焦陇慧，吴贤忠，易娜，袁秀娟，刘俊俊，张晓梅，王安民，赵子龙，张瑞峰，邸利

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127；3.兰州城市学院地理与环境工程学院,甘肃 兰州 730070；4.甘肃省平凉市泾川县自然资源局，甘肃 平凉 744300；5.甘肃省平凉市水土保持科学研究所，甘肃 平凉 744000；6.甘肃农业大学生命科学学院，甘肃 兰州 730070)

树干液流(sap flow)是树木的蒸腾拉力导致水分损失的过程[1]，占植物根系吸水量的99%以上[2].准确监测林木蒸腾，尤其是整株耗水量，在对单株林木到整个林分蒸腾耗水估算的尺度转换中具有重要意义，是森林水文和森林生态等许多学科的研究热点之一[3-5].热探针技术是在不损伤树木自然生长的前提下，将加热传感器插入木质边材中，利用能量守恒和电热转换原理测定树干单位边材面积液流速率[14].热探针技术具有对样木损伤小、精准度高、可连续监测、数据采集自动化等优势.近年来，国内外许多学者采用热探针技术对不同树种从不同的方面进行了树干液流研究[6-8].对侧柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)的研究表明，在生长旺季的晴天条件下树干液流速率具有明显的昼夜节律[9]，呈单峰曲线，而青海云杉(Piceacrassifolia)则呈双峰性[10].有研究表明，环境因素是影响树干液流的主要因素，除了受本身调节外，还与气象条件、土壤环境等许多因素有关[11-12].有研究表明[13]，树干液流与树木胸径、边材面积间存在良好的线性关系.在阴雨天气条件下，树干液流大多处于不规则的波动状态[8].树干液流季节变化特征表现为夏季液流速率在启动和到达峰值时间及液流停止时间均早于春秋季节[1].

刺槐根系发达、生长迅速、耐旱、耐贫瘠、成活率高，为我国黄土高原水土保持造林的主要树种之一[14].黄土高原处于半干旱区，土壤水分条件是林木生存的主要限制因素，加之降水匮缺导致在营造刺槐林过程中出现土壤干层、水分亏缺、小老树等问题[15]，缩短了林木的寿命.目前关于刺槐树干液流动态变化特征及其对环境因素的响应已有许多研究报道，而针对陇东黄土高原区人工刺槐树干液流特征的研究还鲜有报道.因此，为探究该区域刺槐林蒸腾耗水和其林木生长的关系，本试验以陇东黄土高原区甘肃泾川中沟小流域人工刺槐林为研究对象，采用热扩散探针技术在整个生长季对其树干液流进行持续监测，并同时测定气象因素的变化，对人工刺槐树干液流速率在不同时间尺度下的变化与气象因素进行相关性分析，并运用多元线性回归的方法分析构建刺槐液流速率与环境因素的多元线性回归模型，旨在掌握该区域人工刺槐林水分运移规律与影响因素的内在关系，为实现由单株蒸腾耗水到林分蒸腾耗水的尺度转换提供理论支持，为该地区刺槐林蒸腾耗水的准确估计和林地水分的科学管理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于陇东黄土高原中部秦陇交界处，地理坐标为E 107°30′～107°31′，N 35°19′～35°20′，气候类型为暖温带半干旱气候区.研究区小流域面积1 207 hm2，海拔930～1 460 m，年日照时数2 274 h，年平均气温10 ℃，年总积温3 947 ℃，年平均降水量555 mm，大多集中在7～9月，年蒸发量1 181.6 mm，无霜期174 d，相对湿度69%，年均湿润度0.7，干燥度0.95～1.23.地形地貌有丘陵沟壑区、破碎塬区、河谷川区，主要以黄土丘陵沟壑区为主.土壤母质以黄土为主，现有林地面积54.2万hm2，森林覆盖率达38%.植被类型属于森林-草地过渡带，刺槐林面积占林木总面积的92%，样地立体结构林分少，林下植被主要为灰条(Chenopodiumallbum)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、铁杆蒿(Artemisavestita)、多花胡枝子(Lespedezafioribunda)和短花针茅(Stipabreviflora)等[16].

表1 样地基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 树干液流与气象因素测定 2017年于生长季(5～10月)，在泾川县中沟小流域建立面积为20 m×20 m的样地，选择生长良好、不同径级、树冠适中、干性通直的刺槐3株作为监测木(表2).应用ESTDP热扩散茎流计(TDP，北京雨根科技公司)对样木进行连续监测.在样木树干被测1.3 m处用小刀沿树干垂直方向将树皮刮成两个4 cm×5 cm的矩形，两探针上下间距为10 cm，利用一定规格的钻头钻取直径为1.5 mm的孔洞，插入TDP探针.为了避免太阳直射引起的测量误差，探针固定好后整个探头及其邻近区域用防辐射铝箔覆盖，并用胶带固定其上下端，然后将覆盖层的上端与树皮之间用透明玻璃胶密封，防止环境温度变化和雨水渗入对测定结果的影响.利用英国Grant公司生产的SQ2020型数据采集器通过电脑程序进行数据下载，数据采集时间间隔设定为10 min，从所选择的整个生长季5月20日～10月28日，共累计监测161 d的数据，根据设置的采集间隔，单株样树可采集23 184个数据.本试验选择了不同径级的3株样树，树干液流监测总计69 552个数据.在测定树干液流的同时，设立AR5自动气象站(美国AVALON公司生产)，采集太阳有效辐射、空气温度、风速、空气相对湿度等数据，并同时监测L1(0～10)cm、L2(10～20)cm、L3(20～30)cm、L4(30～40)cm、L5(40～80)cm层的土壤温度等气象要素，测定频度与液流测定保持同步，共采集255 024个气象数据.

1.2.2 边材面积的确定 为了避免生长锥取样对树木自然生长造成损伤，影响测量数据的精确性，在样木周围按照样木树干径级大小选取3株刺槐，通过钻取树木木芯样木，取出遂心，可以看到心材、边材和树皮，用卷尺测量边材厚度，计算边材面积.

表2 被测样木基本参数

1.3 数据处理与分析

液流速率的计算采用Granier的公式来计算，即：

式中：Vs为瞬时液流(cm·s-1),ΔTm为无液流时加热探针与参考探针的最大温差，ΔT为瞬时温差.

Fs=SA×Vs×3600

式中：Fs为液流通量(g·h-1),SA为胸径处边材面积(cm2).

本研究利用生长锥钻取样树木质部确定边材厚度，来计算整个样树的边材面积，其计算公式为[8]：

式中：D为胸径(cm)，d为树皮和韧皮部的厚度(cm)，r为新材半径(cm).

饱和水汽压差(VPD)由空气温度和空气相对湿度计算得出：

式中：VPD为水汽压亏缺(kPa),T为空气温度(℃)，RH为空气相对湿度(%).

2 结果与分析

2.1 典型条件下刺槐树干液流日变化

分别以2017年5～10月间每个月的晴天、阴天、雨天3 d的监测数据作为研究对象，每个月3 d的数据为432个，6个月总计数据为2 592.选择典型天气时，要避免前后天气对该天造成的影响，如选择每月典型晴天时，要保证前几天是连续的晴天；雨天天气尽量选择降雨量较大且降雨历时较长的具有代表性的天气.由图1-A可知，晴天条件下不同月份刺槐树干液流日变化均具有明显的“昼高夜低”的变化趋势，其树干液流速率表现为典型的“单峰型”曲线，夜间的液流量较小，液流速率基本稳定.随着空气温度从7.07 ℃增加到38.0 ℃，太阳辐射由0增加到1 139.3 W/m2，树干液流达到峰值49.13 g/h.到达峰值后仍然在峰值附近有较长时间的小幅度波动.各月份刺槐树干液流启动时间差异不大，5～9月白天液流均在6:00前后开始启动，10月份的启动时间最晚，在11∶30前后开始启动，这是由于在生长季后期，日出时间晚于生长旺季，太阳辐射减弱和空气温度降低所致.到达峰值的时间为10∶00～15∶00，在22∶00左右液流速率逐渐降到最低值并且趋于稳定，这可能是由根压引起的，根压以主动吸收的方式使水分进入树木体内来补充白天蒸腾耗失的大量水分，从而维持自身的水量平衡[17].由图1-B可知，在阴天条件下，刺槐的树干液流速率波动较大，刺槐液流速率表现为“多峰型”曲线，曲线宽幅小于晴天，不同月份的最高峰值低于晴天.启动时间为7∶30前后，滞后于晴天1 h左右.与晴天液流速率到达峰值的时间相比，9月13日、10月18日较提前，而在5月20日、6月8日、8月19日则滞后，7月24日与晴天无明显差异.在雨天条件下，刺槐树干液流速率无明显规律，如刺槐树干液流在10月17日一直在6.35 g/h左右，没有明显的波动起伏变化.雨天各月份刺槐液流峰值均小于晴天和阴天.在7∶00～20∶00各月液流量分别占全天的77.22%、84.19%、73.48%、86.53%、89.17%和70.11%，说明不同生长时期的蒸腾耗水均在白天进行.总的来说，在不同天气条件下，生长旺季的启动时间早于生长初期和末期，从到达峰值的时间来看，同样是生长旺季早于生长初期和末期.这些变化与环境因素的变化都基本吻合.

图1 不同天气条件下刺槐液流速率变化Figure 1 Fluid flow rate change of Robinia pseudoacacia under different weather conditions

2.2 刺槐树干液流月变化及整个生长季特征

选取5～10月刺槐液流数据计算出每个月的平均液流速率.由图2可见，在整个生长季5～10月刺槐树干液流速率表现为先升高后降低的变化规律.5月份为旱季，降雨较少，但气温较高，太阳辐射较强，5月份降雨量为29.2 mm，占整个生长季降雨的13.27%，没有足够的水分来支撑蒸腾作用，因此5月份的液流速率较低.所以在生长季前期，水分是限制液流速率的主要因素.5～10月空气温度的增幅为7.07～38 ℃，太阳辐射增幅为0～1 139.3 W/m2，液流速率也急速增强到最高值 ，从5月份的329.70 g/h增加到8月份的652.31 g/h.8月份的降雨量较充沛，为202.85 mm，达到全年降雨量的最高值，且8月份的降雨天数较分散，因此，8月份具有最好的蒸腾条件，致使刺槐在8月份的蒸腾耗水量最多.10月份进入生长季的后期，刺槐叶片的生理活性下降，加之太阳辐射和气温下降，天然降水的频率和强度减弱，蒸腾作用急剧下降，从9月份的464.70 g/h降至10月份的193.20 g/h.

图2 刺槐树干液流月变化Figure 2 Monthly variation of dry liquid flow of Robinia pseudoacaci

2.3 刺槐树干液流速率与环境因素的关系

2.3.1 生长旺季刺槐树干液流速率的日变化特征与环境因素的关系 刺槐耗水量不仅受树木生理解剖结构和土壤水分供应水平的影响，还受周围气象因素的影响[17].本研究发现研究区刺槐在8月份蒸腾耗水量最大，因此，为了能够直观地显示刺槐树干液流与太阳辐射、相对湿度、空气温度等多个气象因素的响应机制，选取8月7～13日的液流数据与气象数据为研究对象，期间有两场降雨，4个连续晴朗天气和一个阴天.期间最高温度为33.3 ℃，最低温度为13.5 ℃；最大相对湿度达100%，最小为18.77%；水汽压亏缺最大为4.15 Kpa，最小为0，光合有效辐射最高为835.49 W/m.

由图3可知，空气温度的日变化与液流速率的日变化规律一致，也呈“单峰型”变化趋势，但由于空气比热容的存在，其变化稍滞后于太阳辐射.太阳辐射和空气温度是影响空气相对湿度的主要因素，相对湿度的变化趋势与之截然相反，比如在雨天条件下，相对湿度达到了100%，而刺槐液流速率受空气温度和太阳辐射的影响明显减小，这表明空气相对湿度是抑制刺槐液流速率的因素之一.当降雨强度和频度增大，持续时间越长，空气温度越低则相对湿度就越大，这将降低叶片气孔内外的蒸气压梯度，使得树干液流速率放缓.水汽压亏缺也受太阳辐射与气温的影响呈波动起伏的变化，但水汽压亏缺略滞后于太阳辐射2～3 h.刺槐树干液流也随着风速的变化而变化，具体表现为刺槐树干液流速率随着风速的增加而升高，这是因为风速使叶片内外的水汽压差增大，液流速度明显升高.

将连续7 d内测定的刺槐树干液流速率与气象因素进行Pearson相关分析，分析结果见表3.在生长旺季刺槐白天树干液流速率与空气温度、太阳有效辐射、水汽压亏缺、风速呈极显著正相关关系，与相对湿度呈极显著负相关关系.单个环境因素对白天液流速率的影响大小依次为：温度(0.839)>相对湿度(-0.747)>太阳辐射(0.721)>水汽压亏缺(0.718)>风速(0.260).刺槐夜间液流速率与空气温度、水汽压亏缺具有极显著正相关关系，与相对湿度具有极显著负相关关系，与风速呈显著正相关关系，与太阳辐射未达到显著相关，单个环境因素对夜间液流速率的影响大小依次为：水汽压亏缺(0.615)>空气温度(0.608)>相对湿度(-0.505)>风速(0.048).

图3 刺槐树干液流速率与气象因素的关系Figure 3 Relationship between trunk sap flow rate and meteorological factors in Robinia pseudoacaci

表3 生长旺季树干液流速率与气象因素的Pearson分析

2.3.2 典型天气条件下刺槐树干液流速率与环境因素的关系 为了进一步揭示液流速率与环境因素之间的关系，选取整个生长季典型天气条件下的液流速率与环境因素数据进行相关性分析.由表4可以看出，不同天气条件下，刺槐树干液流速率与环境因素的关系也呈现差异.在晴天与阴天条件下，树干液流与相对湿度均呈极显著负相关关系(P<0.01),晴天除风速外树干液流与其他环境因素均呈极显著正相关关系(P<0.01)，与风速相关系数为0.091，阴天与风速呈负相关关系(P>0.05)，其相关系数为-0.13.雨天条件下只有空气温度与树干液流呈极显著正相关(P<0.01)，与其他环境因素相关性不显著.

表4 不同天气条件下树干液流速率与气象因素的Pearson分析

2.3.3 刺槐树干液流速率与环境因素的回归分析 为了更明确地说明气象因素对刺槐树干液流速率的影响，以树干液流速率(Vs)为因变量，以不同时间尺度下的相对湿度(RH)、空气温度(T)、水汽压亏缺(VPD)、太阳辐射(PAR)、降雨(R)和风速(Vw)等环境因素为自变量,利用SPSS多元线性统计回归方法，建立回归模型(表5).在不同时间尺度下，对每个方程的回归系数进行检验，各自变量系数显著性错误率均较低，除了雨天条件下的回归模型，其他R2都在较高水平.说明液流速率与环境因素之间存在较强的线性关系，回归方程可以较好地揭示其变化规律.

表5 刺槐树干液流速率与环境因子的回归模型

3 讨论

林木的树干液流速率日变化总趋势呈现为白天高夜间低的规律性，这种变化在晴天条件下更加明显.对侧柏[9]、华北落叶松[18]、栓皮栎[19]等研究结果表明，液流速率与太阳辐射的日变化保持一致，但滞后于太阳辐射1 h左右，夜间液流速率很小，但不为零，这可能与夜间的根压作用有关.刺槐林液流速率的变化进程特征具有时间尺度差异，在不同的天气条件下(晴天、阴天和雨天)，刺槐液流速率日变化差异表现明显，如液流启动、到达峰值、液流降低的时间差异.林平等[10]对油松和栓皮栎的研究中指出，在整个生长季，阴雨天气下的液流速率明显低于晴天，雨天条件下，液流速率无明显的变化规律，表现为急剧的起伏变动且液流速率保持在较低的水平.于占辉等[9]对黄土高原半干旱区侧柏，刘彬彬等[18]对六盘山叠叠沟小流域华北落叶松树干液流研究结果均认为，在晴天条件下，树干液流的启动时间、到达峰值时间较早，降低时间较晚，持续时间较长，呈“早上启动-中午到达峰值-其后下降”的单峰型曲线；曹文强等[20]对山西太岳山辽东栎夏季树干液流通量的研究也得到同样结果.相对生长季而言，聂立水等[6]在对油松、栓皮栎树干液流速率比较后发现，这两树种的液流速率具有明显的季节变化，4～5月份受水分胁迫的影响其液流速率较低，7～8月份具备良好的蒸腾耗水条件，其液流速率最大.本研究的人工刺槐林在不同时间尺度下的日变化和季节变化与以上研究结果相一致，但与聂立水等[6]的油松白天没有树干液流的研究结果有出入，这可能是不同树种在不同区域适应不同环境变化的方式有差异所致.

大量研究表明，环境因素对树干液流速率的变化具有显著的影响.王小菲等[21]指出，光合有效辐射对山合欢树干液流速率的影响最大，其次是水汽压亏缺、大气温度和相对湿度；Kim等[22]认为，树干液流速率的变化与风速有不容忽视的关系.本研究通过相关性分析得到，刺槐白天树干液流速率与空气温度、太阳有效辐射、水汽压亏缺、风速呈极显著正相关关系，与相对湿度呈极显著负相关关系，刺槐夜间液流速率与空气温度、水汽压亏缺具有极显著正相关关系，与相对湿度呈极显著负相关关系，与风速呈显著正相关关系，与太阳辐射未达到显著相关.通过多元线性回归，得出了不同时间尺度下树干液流速率和环境因素的回归模型.本文仅对研究区域人工刺槐液流与气象环境要素之间的关系作了初步的研究，然而影响整个林分蒸腾耗水的机制复杂，包括土壤水分、胸径大小与液流之间的关系等，因此，未来还需加强该区域林分蒸腾耗水监测，以便更加深入和全面地认识影响树干蒸腾的影响机制.

4 结论

研究区内刺槐林树干液流日变化存在“昼高夜低”的现象，且树干液流速率在晴天呈“单峰型”变化，阴天呈“多峰型”变化，雨天呈不规则波动；刺槐树干液流速率在整个生长季均值呈“低-高-低”的变化，以10月份的液流速率最小(193.19 g/h)，8月份的液流速率最大(652.31g/h).单个环境因素对白天树干液流速率的影响大小为：温度(0.839)>相对湿度(-0.747)>太阳辐射(0.721)>水汽压亏缺(0.718)>风速(0.260)；对夜间树干液流速率的影响大小为：水汽压亏缺(0.615)>空气温度(0.608)>相对湿度(-0.505)>风速(0.048).