喀纳斯自然保护区2树种树干液流变化特征及其与气象因子的关系

2016-10-26阿里木买买提白志强王文栋

西南林业大学学报 2016年5期

关键词：液流西伯利亚落叶松

刘　端　阿里木·买买提　白志强　王文栋

(1. 新疆林业科学院森林生态研究所，新疆乌鲁木齐 830000; 2. 新疆阿尔泰山森林生态系统国家定位研究站，新疆乌鲁木齐 830000)

喀纳斯自然保护区2树种树干液流变化特征及其与气象因子的关系

刘端1,2阿里木·买买提1,2白志强1,2王文栋1,2

(1. 新疆林业科学院森林生态研究所，新疆乌鲁木齐 830000; 2. 新疆阿尔泰山森林生态系统国家定位研究站，新疆乌鲁木齐 830000)

采用热扩散式探针法 (TDP) 对西伯利亚落叶松、疣枝桦的阳生面和阴生面树干液流进行测定，结合自动气象站同步监测光合有效辐射 (PAR)、空气温度 (T)、空气湿度 (RH)、饱和水汽压、风速等气象因子，分析气象因子与2树种树干液流的相关关系。结果表明：西伯利亚落叶松和疣枝桦阳生面、阴生面树干液流日变化均呈明显的 “昼高夜低” 的典型单峰曲线型变化，且阳生面高于阴生面，树干液流变化幅度西伯利亚落叶松大于疣枝桦。在生长季节，西伯利亚落叶松阳生面、阴生面树干液流月平均值均呈递减趋势，其液流平均最大值出现在6月，平均最小值出现在9月。疣枝桦阳生面树干液流月平均值呈先增后减的趋势，最大值出现在8月，最小值出现在6月；阴生面树干液流呈递增趋势，最大值出现在9月，最小值出现在6月。相关分析表明，气象因子与2树种树干液流相关性大小依次为：气温 > 光合有效辐射 > 空气相对湿度 > 风速 > 水汽压，气温和光有效辐射是影响液流速率的主要因子。

西伯利亚落叶松；疣枝桦；热扩散；树干液流；气象因子；自然保护区

森林生态系统在调节水分循环、小气候方面具有重要功能，其原理之一是通过树木个体对水分运转产生影响。树干液流研究的基础是了解树木个体如何对外界环境因子产生一定的响应[1]。森林中乔木处于优势地位，其水分利用变化将直接影响森林生态系统的水循环。树木的蒸腾耗水一直是全球学者研究的热点[2-5]，目前，杨树 (Populusspp.)、油松 (Pinustabuliformis)、侧柏 (Platycladusorientalis)、红松 (Pinuskoraiensis)、樟子松 (Pinussylvestrisvar.mongolica)、刺槐 (Rob-iniapseudoacacia)、白榆 (Ulmuspumila)、兴安落叶松 (Larixgmelinii)、元宝枫 (Acertruncatum)、白桦 (Betulaplatyphylla) 等树种都有相关研究报道[6]。在研究植物蒸腾方面，热扩散法因其在野外条件下能持续监测高大乔木树干液流的动态变化,且不影响乔木的正常生长，被认为是目前测定乔木蒸腾作用最准确的方法而被广泛采用[7-9]。但若不了解树干液流的空间变异，将会引起较大的误差[10]，Tateishi[11]研究日本蓝橡树 (Quercusglauca) 发现，如果仅测定一个方位的树干液流将会引起20%的误差。Delzon[12]在研究不同径级松树 (Pinusspp.) 树干液流时得出，假如忽视树干径向间的变化，蒸腾耗水将会被高估4%～47%的结论。对于不同方位的树干液流，我国学者也进行了一定的研究，如史梅娟等[13]分别研究了木荷 (Schimasuperba)、米槠 (Castanopsiscarlesii) 和杉木 (Cunninghamialanceolata) 3个树种的树干液流速率，王小菲等[14]研究了大叶相思 (Acaciaauriculiformis) 不同季节树干液流的动态特征。

新疆喀纳斯自然保护区作为我国惟有的西伯利亚山地南泰加林生态系统的代表，是中国唯一的古北界欧洲-西伯利亚动植物分布区和北冰洋水系-额尔齐斯河最大支流布尔津河的发源地，因其特殊的地理位置，具备保存完整的植被垂直带谱，其生态系统对北疆乃至新疆的经济建设和生态环境保护均具有重要价值。本研究选取喀纳斯自然保护区内泰加林主要建群树种之一的西伯利亚落叶松 (Larixsibirica) 和常见阔叶树种疣枝桦 (Betulapendula) 为对象。采用美国生产的FLGS-TDP XM1000插针式热耗散植物茎流计对2树种阳生面和阴生面树干液流进行监测，探究其在生长季树干液流速率的动态特征以及阳生面和阴生面树干液流速率是否存在一定的差异，同时结合自动气象站,同步连续监测太阳辐射、空气温度、空气相对湿度等环境因子，对其进行关联分析，为科学估算西西伯利亚南泰加林森林生态系统的蒸散奠定基础，进一步深入研究森林生态系统在调节水分循环和小气候方面提供理论依据。

1　试验地概况

研究区域位于新疆喀纳斯国家自然保护区,地处北纬48°26′18″～48°38′56″，东经87°01′45″～87°33′50″，属大陆性气候，年平均温度-0.2 ℃，最高气温29.3 ℃，最低气温-37.0 ℃，≥ 10 ℃的年活动积温为1 595.4 ℃，无霜期80～100 d，年均日照时数为2 157.4 h，年均降水量1.065.4 mm，年均蒸发量为1 097.0 mm。该研究区地理位置特殊，因多样的地貌和水热组合条件，土壤和植被类型表现出明显的垂直地带性。森林群落建群种主要有西伯利亚落叶松、西伯利亚云杉 (Piceaobovata)、西伯利亚红松 (Pinussibirica)、疣枝桦，伴生树种主要有欧洲山杨 (Populustremula)、西伯利亚冷杉 (Abiessibirica)、西伯利亚花楸 (Sorbussibirica)、刺蔷薇 (Rosaacicularis) 和多刺蔷薇 (Rosaspinosissima) 等乔灌木。森林群落主要位于海拔1 300～2 300 m的阴坡半阴坡山地，土壤类型为山地棕色针叶森林土。本文研究的针阔叶林试验地位于喀纳斯自然保护区新疆阿尔泰山森林生态系统国家定位观测研究站大样地内，选取西伯利亚落叶松和疣枝桦为测定对象。

2　材料与方法

2.1试验材料

在试验地内选择长势良好、胸径和树高基本一致且受周围植物遮挡较少的植株作为样木，每树种各选3株标准样树，其生长情况见表1。

表1　试验样木基本概况

2.2测定方法

2014年6—9月，采用Granier热扩散探针法 (TDP) 对样木树干液流进行连续测定。首先刮去样木探针安装处的粗皮，TDP-50 mm探针插入样木胸径处的木质部，并于阳生面和阴生面分别安装1个探针，所有传感器均与数据采集仪接口相连，安装好探针后用铝箔将探针的外部包住，以防止太阳辐射或雨水等对探针的影响，接通电源，每隔1 min记录1次数据，10 min平均1次数据，12 d收集1次数据。根据Granier建立的经验公式将温差电势转化为液流速率。

Js=0.011 9K1.213

(1)

K=(dTm-dT)/dT

(2)

式中：Js为液流速率 (cm/h);K是量纲为1的参数； dTm为上下探针之间的昼夜最大温差； dT为上下探针之间瞬时温差。

该公式是Granier对多种树木经过多年研究总结出的经验公式，适用于任何树种。

利用AMS-1000自动气象站同步监测气温、太阳有效辐射、空气相对湿度、风速、水汽压等。

2.3数据处理

运用Excel 2007软件进行数据处理，用Spss 17.0统计软件对所有数据进行相关性分析及处理。

3　结果与分析

3.1树干液流速率日变化规律

西伯利亚落叶松和疣枝桦晴天树干液流速率变化见图1。可以看出,二者的日变化趋势均呈 “昼高夜低” 的典型单峰曲线，液流速率昼夜变化显著，白天达到峰值时有一定幅度的波动，形成由多个小峰组成的 “高峰平台”，但夜间变化不明显。2树种树干液流速率和启动时间均表现为阳生面高于、早于阴生面，且西伯利亚落叶松液流速率变化幅度大于疣枝桦。

图1试验样木树干液流速率日变化规律

Fig.1Daily variation of stem sap flow velocity of sample trees

从00:00—09:10，西伯利亚落叶松阳生面和阴生面树干液流一直处于低水平，分别维持在0.001～0.272 cm/h和0.011～0.357 cm/h，随着光有效辐射的增大，液流开始上升，分别在13:45、15:29、16:09、17:47、19:47出现峰值，形成多个波峰，并于15:29同期达到全天最大峰值，分别为23.840 cm/h和21.280 cm/h。至19:47时，液流开始逐渐降低，22:39后 (光合有效辐射基本为0) 其液流很小，分别为1.952 cm/h和1.719 cm/h，00:00以后液流更低但并不为0，夜间液流主要是补充因白天蒸腾消耗的水分[15]。西伯利亚落叶松阳生面树干液流开启时间是09:33，而阴生面夜间树干液流一直处于较低水平，在光合作用开始后，气孔张开，其液流直接上升。树干液流速率阳生面高于阴生面，最高峰时相差2.56 cm/h，高出8.90%。

从00:00—10:00，疣枝桦树干液流同样处于低水平状态，阳生面和阴生面基本维持在0.003～0.600 cm/h和0.010～0.639 cm/h，之后液流降至0，滞后于太阳有效辐射。在11:02和11:10时液流开始启动，阳生面早于阴生面约8 min，且于14:37、14:38、15:29、18:17、19:09、19:55出现峰值，14:37时为阳生面全天最大峰值 (18.170 cm/h)，14:38时为阴生面全天最大峰值 (10.550 cm/h)，19:55之后液流开始快速下降，21:22—00:00，阳生面液流速率为0.391～0.015 cm/h，但不为0，而阴生面此阶段为0，至凌晨才有轻微液流。树干液流速率阳生面高于阴生面，最高峰时相差7.62 cm/h，高出48.45%。

3.2树干液流速率月变化规律

树木在生长季期间，随着本身的生长过程以及外界环境的变化，不同月份之间树干液流速率会有一定的差异。图2是6—9月期间，2树种阳生面和阴生面树干液流速率月平均值。可以看出：西伯利亚落叶松阳生面、阴生面树干液流速率最大月平均值均出现在6月，分别为7.530、6.253 cm/h；最小值月份均出现在9月，分别为0.747、0.704 cm/h；6—9月树干液流变化幅度较大。疣枝桦阳生面树干液流月平均值呈先增后减的趋势，最大和最小月平均值分别出现在8月 (3.824 cm/h) 和6月 (2.572 cm/h)；阴生面树干液流呈递增趋势，最大月平均值出现在9月 (2.577 cm/h)，最小月平均值出现在6月 (1.355 cm/h)；生长季期间树干液流变化幅度不大。

图2试验样木树干液流速率月变化规律

Fig.2Monthly variation of stem sap flow velocity of sample trees

在生长初期 (6月)，2树种阳生面、阴生面树干液流速率表现为西伯利亚落叶松明显高于疣枝桦，阳生面树干液流前者与后者相差4.953 cm/h，阴生面树干液流前者与后者相差3.676 cm/h。至生长后期 (9月) 液流速率呈相反状态，西伯利亚落叶松明显低于疣枝桦，阳生面树干液流前者与后者相差3.077 cm/h，阴生面树干液流前者与后者相差1.873 cm/h。

3.3树干液流与气象因子的相关性分析

试验样木树干液流与气象因子的相关性分析结果见表2。

表2　试验样木树干液流与气象因子的相关性

注:**表示在0.01水平上 (双侧) 为极显著；*表示在0.05水平上 (双侧) 为显著。

从表2可以看出，2树种树干液流与气象因子相关性较高，其相关程度绝对值排序为：气温 > 光合有效辐射 > 空气相对湿度 > 风速 > 水汽压；且与气温、光合有效辐射、风速呈极显著正相关 (P< 0.01)，与空气相对湿度呈极显著负相关 (P< 0.01)。2树种与水汽压差的相关性存在差异，表现出西伯利亚落叶松和疣枝桦树干液流与水汽压分别为极显著正相关和极显著负相关 (P< 0.01)。

4　结论与讨论

2种针阔叶树种西伯利亚落叶松、疣枝桦阳生面和阴生面树干液流速率日变化均呈明显的 “昼高夜低” 的曲线型变化。这是由于白天树木蒸腾量大，大量水分通过根系以被动方式吸入植株体内，夜间树木存在微弱流量主要是由根压引起，水分以主动方式进入树体补充白天蒸腾失水，恢复水分平衡[15]。这与王文杰[10]对兴安落叶松、曹云[16]对杜仲 (Eucommiaulmoides)、黄德卫等[17]对鼎山湖针阔叶林的研究结果一致。2树种不同方位树干液流速率和启动存在一定的差异，阳生面树干液流启动早于阴生面，液流水平高于阴生面。本研究与王小菲等[14]对大叶相思的研究有相似结论。而与史梅娟[13]等对木荷、米槠和杉木3树种中木荷和米槠的研究结果有所不同，与杉木结果相一致，而木荷和米槠表现为阳生面小于阴生面。出现这种差异主要与树木自身特性、径向变化差异有关[18]。苏芳莉发现[19]，光照因子驱动液流启动，冠幅分布也是影响树干液流速率的重要因素。

在树木生长期 (6—9)，2树种液流速率均为阳生面大于阴生面，其中：西伯利亚落叶松树干液流速率阳生面、阴生面月平均值呈递减趋势，液流变化幅度大；而疣枝桦树干液流速率阳生面呈先增后减的趋势，阴生面呈逐渐递增趋势，液流变化幅度不大。在生长初期 (6月)，2树种阳生面、阴生面树干液流速率表现为西伯利亚落叶松明显高于疣枝桦；在生长末期 (9月) 却与之相反。于萌萌等[6]对长白山阔叶红松林内3树种树干液流的研究结果是：液流速率呈现先增后减趋势， 6月最低，8月最大，这与西伯利亚落叶松树干液流速率月变化不同，与疣枝桦的研究结果有相似之处。

气象因子对树干液流的影响是变动的，外界气象因子的变化对树干液流的影响可以在树体内部的液流上得到响应，因此，在研究树干液流规律时，有关树干液流与气象因子关系的问题就显得尤为重要，树干液流速率除了受自身生物学结构、土壤供水水平影响，还受到气象因子的制约[20]。本研究结果表明，2树种的树干液流与气温、光合有效辐射、风速呈极显著正相关 (P< 0.01)，与空气相对湿度呈极显著负相关 (P< 0.01)，气温、光合有效辐射是影响液流速率的主要驱动因子。这与刘明国[21]对辽西油松树干液流的研究结果一致,而池波等[22]发现，影响兴安落叶松树干液流速率大小的环境因子依次为：水汽压差 > 大气温度 > 光有效辐射 > 相对湿度；刘彩凤等[23]研究表明，对刺槐树干液流速率影响最大的因子是光有效辐射，其次为水汽压、空气相对湿度、温度和风速。王瑞辉等[24]、徐军亮等[25]的研究指出,不仅气象因子影响着树干液流速率，土壤因子对其也有重要影响。本文仅对2种针阔叶树种树干液流在生长季作了初步的探究，如要更加深入全面了解树干液流特性及其与环境因子的关系，还需进一步作长期的监测和研究。

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(责任编辑赵粉侠)

Characteristic of Stem Sap Flow of Two Tree Species and Analysis with Meteorological Factors in Kanas National Nature Reserve

Liu Duan1,2, Alim Mamati1,2, Bai Zhiqiang1,2, Wang Wendong1,2

(1. Research Institute of Forest Ecology, Xinjiang Academy of Forestry Sciences, Urumqi Xinjiang 830000, China; 2. The National Locate Research Station of Altai Forest Ecosystems, Urumqi Xinjiang 830000, China)

Stem sap flow velocities ofLarixsibiricaandBetulapendulawere measured by using thermal dissipation probe method on sunny side and shade side.At the same time, the correlation between meteorological factors and the stem sap flow of two tree species was analyzed according to the related environmental factors that include photosynthetically active radiation (PAR), air temperature (T), ralative air humidity (RH), saturation vapour pressure and wind velocity were recorded continuously by using automatic weather station. The results were as follows: the diurnal variation of stem sap flow onLarixsibiricaandBetulapenduladisplayed a typical single-peaked curve in the sunny side and the shade side, the sunny side was higher than that of the shade side. The variation range ofLarixsibiricawas higher thanBetulapendula. During the growing season, the monthly average of stem sap flow forLarixsibiricashowed decrease tendency with its maximum appearing in June and minimum in September. The monthly average of stem sap flow forBetulapendulaon the sunny side was firstly increased and then decreased, with its maximum appearing in August and minimum in June. The monthly average of stem sap flow forBetulapendulaon the shade side showed increase tendency, with its maximum appearing in September and minimum in June. Correlation coefficients declined following the order of air temperature, PAR, RH, wind velocity and saturation vapour pressure. That is, sap flow of the two species were mainly affected by air temperature and photosynthetically active radiation.

Larixsibirica,Betulapendula, thermal dissipation probe, stem sap flow, meteorological factors, nature reserve