不同时间尺度下刺槐蒸腾耗水与环境因子关系

张 荣， 毕华兴，2，3，4，5， 王 宁， 赵丹阳， 黄靖涵， 赵少波

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，北京 100083；3.水土保持国家林业局重点实验室(北京林业大学)，北京 100083；4.北京市水土保持工程技术研究中心(北京林业大学)，北京 100083；5.林业生态工程教育部工程研究中心(北京林业大学)，北京 100083；6.北京国土丹青工程技术有限公司，北京 100083)

植物蒸腾是植物根系吸收土壤水分，通过木质部运输到植物叶片并散发到大气中的过程，植物蒸腾受多种因素影响，植物生物学结构决定自身的蒸腾潜能，气象因子决定植物蒸腾的瞬时变化，土壤含水量决定植物的蒸腾峰值和蒸腾总量。已有研究表明，区域与树种的差异性导致环境因子对植物蒸腾特征的影响不同，因此量化各区域环境因子对植物蒸腾的影响对研究植物蒸腾在林地水量平衡与水循环中的作用具有重要意义。

目前，关于植物蒸腾与环境因子的关系已经开展了大量的研究，已有研究发现，不同时间尺度下植物蒸腾对环境因子的响应存在差异，王文杰等对兴安落叶松蒸腾研究中发现，小时尺度下主导蒸腾的因子为太阳辐射、空气相对湿度，日尺度下为土壤温度，月尺度下为土壤温度与土壤湿度；莫康乐等发现，永定河杨树在小时间尺度下受太阳辐射与水汽压亏缺的影响较大，大时间尺度下受降雨量的影响较大；但现有研究仍然存在不足，如在研究环境因子变化对植物蒸腾影响时未考虑蒸腾与环境因子变化在时间上不同步性；选取环境因子时忽视土壤温度的存在，而有学者研究表明，土壤温度能够影响植物根系活性与土壤水分有效性间接控制植物的蒸腾作用；此外，环境因子与植物蒸腾关系在不同时间尺度下的差异性研究也较少。因此，在前人研究的基础上，有必要继续研究不同时间尺度下植物蒸腾与环境因子的关系。

作为速生树种的刺槐被广泛栽植于中国北方地区，目前关于刺槐蒸腾与环境因子关系研究多集中于单一尺度，对多时间尺度下的研究较少。黄土高原是世界上最严重的水土流失地区之一，为治理水土流失，已经栽植大量的水土保持树种。其中，位于晋西黄土区的蔡家川流域于1991—1995年栽植大量刺槐人工林，已为当地的水土流失防治工作发挥了重要作用。基于此，本文选取晋西黄土区蔡家川流域立地条件、林分结构相似的刺槐人工林作为研究对象，长期定位观测刺槐树干液流与环境因子变化，其主要目的是在综合考虑环境因子与刺槐蒸腾变化不同步的前提下，探究不同时间尺度下刺槐蒸腾对环境因子的响应，研究影响刺槐蒸腾耗水的主要环境因子，分析不同时间尺度下刺槐蒸腾与环境因子关系的差异性，并建立不同时间尺度下刺槐蒸腾与环境因子关系的方程模型，以期为黄土区刺槐人工林地建设和水资源管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于晋西黄土残塬沟壑区的蔡家川流域(36°14′27″—36°18′23″N，110°39′45″—110°47′45″E)，蔡家川流域属于黄河支流，面积40.10 km。该流域处于温带大陆性季风气候，海拔900～1 513 m，多年平均气温10 ℃，年内降水分配不均，主要集中在6—9月，约占全年降水的70%，年均降水量575.9 mm，年均蒸发量1 723.9 mm。研究区土壤主要为褐土，黄土母质。该地营造防护林中主要乔木树种有山杨(Dode)、刺槐()、辽东栎(Mary)、侧柏((Linn.) Franco)等。

1.2 样地与样树的选取

通过文献与现场林分调查发现，研究区刺槐多栽植于1991—1995年，林龄为27～31年，林分密度范围为1 650～2 550株/hm，坡向基本为阳坡和半阳坡，研究区内刺槐林地林分特征及其立地条件基本相似。基于调查结果，选取3块可代表研究区刺槐林平均水平(如林分密度、林龄以及立地条件)的刺槐样地，在所选择的3块样地中进行每木检尺后按照径阶比例(图1)选择树干笔直、长势良好，无病虫害的标准木8株，样地及样树基本特征见表1和表2。

表1 样地基本信息

表2 标准木基本参数

图1 刺槐径阶分布频率

1.3 树干液流的测定及整树蒸腾量的计算

采用Granier热扩散探针监测树干液流速率，探针安装在距离地面约1.3 m的样树树干上，采用铝箔纸将安装部位包裹起来，防止雨水与太阳直射影响数据的准确性，设置为每30 s读取1次数据，每15 min记录1次数据。刺槐蒸腾速率采用Granier经验公式获得，计算公式为：

(1)

式中：Δ为无液流时加热探针与参考探针的最大温差值(℃)；Δ为瞬时温差值(℃)；为刺槐蒸腾速率[g/(h·cm)]。

用生长锥钻取试验样木木芯，分别测量提取木芯的树皮厚度和边材厚度，计算该树的边材面积。边材面积确定方程为：

(2)

式中：为样树边材面积(cm)；DBH为样树胸径(cm)；为样树树皮厚度(cm)；为样树边材厚度(cm)。

整树单位时间蒸腾量(，kg/h)的计算公式为：

=(×)1000

(3)

1.4 环境因子的测定

1.4.1 气象因子的测定 刺槐样地内安装有全自动气象站同步观测距地面20 m处的气象因子，包括太阳辐射(，W/m，CMP-3总辐射传感器)、空气温度(Air，℃，HMP155A空气温湿度传感器)、空气相对湿度(，%，HMP155A空气温湿度传感器)、降雨量(，mm，TE525MM 翻斗式雨量桶)、风速(，m/s，010C-1风速传感器)，林内20 cm深度土壤温度(，℃，109土壤温度传感器)，设置数据采集时间间隔为30 min，并采用CR1000数据采集与记录器收集数据，水汽压亏缺(VPD)综合反映空气相对湿度与空气温度的协同效应，计算方法为：

(4)

1.4.2 土壤含水量的测定 在样地内布设Enviro-SMART土壤水分测定仪FDR,该仪器可对林地土壤水分长期连续观测，观测深度为0—100 cm，分为0—10，10—20，20—40，40—70，70—100 cm共5个观测层。同时，为了对FDR的测量数据进行标定，对每个试验样地使用土钻取土，并用烘干法测定土壤含水量。

各土层储水量计算公式为：

=×

(5)

总储水量计算公式为：

(6)

式中：为各土层储水量(mm)；为第个探头监测的土壤体积含水量(%)；为各测层厚度(mm)；为0—100 cm土层的总储水量(mm)。

土壤相对有效含水率(REW)计算公式为：

(7)

式中：SWC为实测土壤含水量；SWC为研究期间实测土壤含水量最小值；SWC为林地田间持水量。

1.5 Guass方程

(8)

式中：()为拟合函数的因变量；为时间；为因变量达到峰值时对应时间；、、为方程参数。

1.6 数据处理

采用Excel 2019软件对数据进行处理与计算，使用SPSS 22和R语言软件分析数据，采用Origin 2021软件绘图，并将蒸腾速率与环境因子数据进行归一化处理。在小时、日尺度上采用Person相关分析法分析蒸腾速率与环境因子的相关性，月尺度上采用皮尔逊相关分析法；采用蒸腾速率与单个环境因子回归方程拟合度量化环境因子对蒸腾速率的影响程度；采用逐步回归法构建模型解释环境因子对蒸腾速率的综合影响。

2 结果与分析

2.1 土壤水分动态变化

由图2可知，0—40 cm土层土壤含水量随降雨波动明显，而40—100 cm土层土壤含水量变化不明显，根据降雨历时与降雨量分析可得5—8月短期降雨只能补充浅层土壤水分，深层土壤水分需要历时长、降雨量大才能得到补充，因此在分析刺槐蒸腾与土壤水分关系时将土壤水分分为2个深度，即降雨快速补充土壤水分层(0—40 cm)和土壤水分不明显变化层(40—100 cm)。

图2 土壤水分动态变化

2.2 小时尺度刺槐蒸腾与环境因子的关系分析

已有研究表明，植物蒸腾与气象因子的变化在时间上并不同步，目前关于刺槐蒸腾与气象因子变化的时间差异性研究多集中在太阳辐射、空气温度、水汽压亏缺3个方面，有关土壤温度的研究较少，采用Guass方程绘制刺槐蒸腾速率与气象因子随时间变化过程线(图3)，刺槐蒸腾与太阳辐射、空气温度、水汽压亏缺、土壤温度变化存在时间差异性，达到峰值的差异时长分别为30，-90，-90，-180 min。

图3 刺槐蒸腾速率与气象因子变化

根据以上分析结果采用Person相关分析法分析刺槐蒸腾速率与环境因子的关系(表3)，在小时尺度下，除空气相对湿度外，刺槐蒸腾速率与环境因子均为正相关关系，相关关系由大到小分别为太阳辐射、空气温度、水汽压亏缺、土壤温度、空气相对湿度、风速、0—40 cm土层土壤含水量、40—100 cm土层土壤含水量。

表3 不同时间尺度下刺槐蒸腾速率与环境因子相关分析

刺槐蒸腾速率与各个环境因子进行回归分析，拟合度表示环境因子对蒸腾速率变化解释程度(表4)，小时尺度下，太阳辐射与蒸腾速率的回归方程对蒸腾速率变化解释程度最大，解释程度为68.3%；其次是空气温度，解释程度为47.6%；土壤含水量的解释程度最小，解释程度为0.03%左右。刺槐蒸腾速率与环境因子的逐步回归分析反映了刺槐蒸腾速率与环境因子的综合影响，刺槐蒸腾速率变化受到太阳辐射、空气温度、0—40 cm土层土壤含水量、风速、土壤温度、水汽压亏缺、空气相对湿度的综合影响，逐步回归方程式能解释74.7%蒸腾速率变化。

表4 不同时间尺度下蒸腾速率与环境因子回归分析拟合度

2.3 日尺度刺槐蒸腾与环境因子的关系分析

2.3.1 日尺度下不同土壤含水量对刺槐蒸腾的影响 以土壤有效含水率(REW)为依据研究日尺度不同土壤含水量条件下刺槐蒸腾速率的变化特征(图4)，5—8月(生长初期与生长盛期)0—40 cm土层土壤有效含水率小于0.6，40—100 cm土层土壤有效含水率小于0.1，说明浅层和深层土壤水分均处于亏缺状态，且由于5—8月降雨无法补充深层土壤水分，因此深层土壤水从亏缺更严重，9—10月(生长末期)降雨补充水分，土壤有效含水率升高，此时刺槐进入生长末期，蒸腾速率变小。为了准确研究植物蒸腾对不同土壤含水量的响应，选取5—8月的试验数据进行统计分析。由表5可知，当0—40 cm土层土壤有效含水率为0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.3，0.3～0.5时，刺槐平均蒸腾速率分别为1.789，2.018，2.050，2.046 g/(h·cm)，当0—100 cm土层土壤有效含水率为0～0.1时，刺槐平均蒸腾速率为1.933 g/(h·cm)，说明浅层土壤有效含水率与刺槐蒸腾速率成正比，浅层土壤含水量的增加能够提高刺槐的蒸腾速率。

图4 研究期间土壤有效含水率变化

表5 不同土壤有效含水率下日均蒸腾速率变化特征

2.3.2 日尺度下刺槐蒸腾对环境因子的响应 由图5可知，日尺度上，刺槐蒸腾速率与空气温度、土壤温度、太阳辐射、水汽压亏缺呈现明显的正相关，相关系数分别为0.491，0.485，0.402，0.416，与空气相对湿度呈负相关，相关系数为-0.381，与风速的相关性不明显，相关系数为0.049(>0.05)(表3)。

图5 日尺度刺槐蒸腾速率与环境因子响应

由表4和表6可知，日尺度下，0—40 cm土层土壤含水量与蒸腾速率的回归方程对蒸腾速率变化解释程度最大，解释程度为50.6%；其次是40—100 cm土层土壤含水量、空气温度、土壤温度，解释程度分别为42.3%，24.1%，23.5%；空气相对湿度的解释程度最小，解释程度为14.5%。刺槐蒸腾速率与环境因子的逐步回归分析引入了空气温度、空气相对湿度、40—100 cm土层土壤含水量、水汽压亏缺，回归方程式能解释59.2%蒸腾速率变化。

2.4 月尺度刺槐蒸腾与环境因子的关系分析

由图6可知，在月尺度上，刺槐蒸腾量与空气温度、土壤温度变化特征一样，均为先增后减变化；2个深度土壤含水量的变化特征与蒸腾量相反，为先减后增变化；风速、水汽压亏缺、太阳辐射逐月递减；空气相对湿度逐月递增。采用皮尔逊相关分析法分析月尺度上刺槐蒸腾速率与各环境因子的相关关系(表3)显示，蒸腾速率与太阳辐射、空气温度、土壤温度呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.858，0.955，0.952，与0—40 cm土层土壤含水量、40—100 cm土层土壤含水量呈极显著负相关关系，相关系数为-0.913，-0.932；刺槐蒸腾速率与表征大气湿度的指标空气相对湿度、水汽压亏缺相关性较弱，相关系数分别为-0.710，0.761；蒸腾速率与风速在月尺度上没有相关关系。

图6 刺槐蒸腾量与环境因子月均值变化

由表4和表6可知，月尺度下，2个深度土壤含水量与蒸腾速率的回归方程对蒸腾速率变化解释程度最大，解释程度分别为91.2%，93.2%；其次是空气温度、土壤温度，解释程度分别为91.2%，90.6%，说明月尺度上刺槐蒸腾主要受到土壤含水量与温度因子的影响。刺槐蒸腾速率与环境因子的逐步回归分析引入了40—100 cm土层土壤含水量、空气温度，回归方程式能解释97.6%的蒸腾变化。

表6 不同时间尺度下蒸腾速率与环境因子逐步回归方程

3 讨 论

3.1 不同时间尺度下刺槐蒸腾速率对环境因子响应

忽视蒸腾与环境因子变化的时间差异会导致蒸腾速率对环境因子的响应研究存在误差，环境因子与蒸腾速率相关性研究中很少考虑两者变化在时间上的差异性，为提高研究结果的准确性，本文研究得到刺槐蒸腾速率与太阳辐射、空气温度、土壤温度、水汽压亏缺的差异时长，此结论与前人的研究结果相似，可能是树种与地区差异的影响，差异时长与前人的研究结果不同。分析刺槐蒸腾速率与环境因子关系可得，小时尺度上对刺槐蒸腾速率影响较大的环境因子为太阳辐射、空气温度、水汽压亏缺，阮存鑫等研究表明，影响麻栎和栓皮栎蒸腾的气候因子依次为太阳辐射、饱和水汽压、空气温度和土壤含水量，且不同天气下植物蒸腾对各气候因子响应的敏感度不同。

日尺度上，研究不同土壤水分条件下刺槐蒸腾速率发现，5—8月刺槐林地一直处于水分短缺状态(REW<0.4)，伴随着土壤有效利用水分效率提高，刺槐蒸腾速率增大。降雨是研究区土壤水分的主要补给来源，它通过影响土壤含水量的变化来影响植物蒸腾，目前关于植物蒸腾对降雨响应的研究已有很多，陈胜楠等通过分析不同降雨类别前后油松蒸腾量变化比例发现，降雨对油松蒸腾具有促进作用；何秋月等采用人工截雨试验发现，降雨的减少会导致刺槐蒸腾速率降低并引起其对气象因子敏感性减弱；赵春彦等研究认为，不同量级小降雨对胡杨蒸腾的影响存在差异。本研究发现，5—8月降雨量只能补充浅层土壤水分，而日尺度下浅层土壤水分对刺槐蒸腾的影响较大，说明浅层分布着大量刺槐细根，浅层水分的变化会影响植物根系吸水能力。通过对日尺度上刺槐蒸腾速率与环境因子分析可得，主导环境因子为土壤含水量、空气温度、土壤温度，这与莫康乐等的研究结果不同，且他的研究并未将土壤温度作为环境因子考虑在内，而孙旭等研究认为，土壤温度才是主导北京山区油松液流的关键环境因子，本文在对晋西黄土区刺槐蒸腾研究中也发现了土壤温度的重要性，因此各地在研究环境因子对树种耗水影响时需考虑土壤温度这一因素。在月尺度上，有研究认为，土壤温度是影响植物蒸腾的主导环境因子，本文通过对月尺度上刺槐蒸腾速率与环境因子的分析认为主导环境因子为土壤含水量、空气温度、土壤温度，可能是地理位置与树种差异导致不同的研究结果，本研究只聚焦于单一空间尺度的研究，研究结果具有一定的局限性，在今后的研究应该扩大研究的空间尺度，建立不同尺度下植物蒸腾与环境因子关系模型，为林地建设与水资源管理提供理论指导。

3.2 不同时间尺度下刺槐蒸腾对环境因子响应差异

本研究发现，不同尺度下刺槐蒸腾与环境因子的关系存在差异，小尺度浅层土壤含水量对蒸腾速率影响较大，长时间尺度浅层与深层土壤含水量共同作用影响刺槐蒸腾。此外，随着尺度的增大，土壤温度与土壤含水量对刺槐蒸腾的影响逐渐增大；太阳辐射、水汽压亏缺对刺槐蒸腾的影响逐渐减小；风速仅在小时尺度上对蒸腾有影响，日、月尺度上无影响。研究结果说明，在较大尺度下，地下因素逐渐变成影响蒸腾的主导因子，地上因素的作用逐渐减弱。考虑到降雨量、地下水与地被覆盖物等会直接影响土壤状态变化，间接影响到植物蒸腾过程，因此，在今后的植物蒸腾研究中，需要进一步探讨间接因子对蒸腾变化的作用机理。

小时尺度上的逐步回归中，一共进入7个环境因子，第1进入因子为太阳辐射，第2进入因子为空气温度，第3进入因子为0—40 cm土层土壤含水量，第4进入因子为风速，第5进入因子为土壤温度，第6进入因子为水汽压亏缺，第7进入因子为空气相对湿度；日尺度上的逐步回归中，一共进入4个环境因子，第1进入因子为空气温度，第2进入因子为空气相对湿度，第3进入因子为40—100 cm土层土壤含水量，第4进入因子为水汽压亏缺；月尺度的逐步回归中，一共进入2个环境因子，第1进入因子为40—100 cm土层土壤含水量，第2进入因子为空气温度。这个结果说明随着尺度的增大，在构建刺槐蒸腾模型时需要考虑的因素会减少，因此较大尺度上的刺槐蒸腾估算可以考虑通过监测环境因子达到目的。

4 结 论

(1)小时尺度下，刺槐蒸腾与太阳辐射、空气温度、水汽压亏缺、土壤温度变化在时间上不同步，错位时长分别为30，-90，-90，-180 min。

(2)不同深度土壤水分对刺槐蒸腾的影响在时间尺度上存在差异，小时间尺度取决于表层土壤水分，长时间尺度同时取决于表层与较深层土壤含水量。

(3)刺槐蒸腾与环境因子的关系在不同时间尺度下存在差异，在小时尺度下太阳辐射、空气温度、水汽压亏缺为主导因子；日尺度下，空气温度、土壤含水量、土壤温度为主导因子；月尺度下空气温度、土壤含水量、土壤温度为主导因子。

(4)在估算植物蒸腾耗水时，小尺度推荐使用测定植物蒸腾的仪器直接计算，大尺度可以通过监测较少的环境因子间接计算。