环境因素对毛乌素沙地旱柳树干液流的影响分析

许文豪，尹立河，贾伍慧，张 俊，徐丹丹，王晓勇

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

我国干旱、半干旱地区约占国土面积的50%[1]，这些地区由于降水稀少，蒸发强烈，水资源严重短缺，已成为限制社会经济发展的主要瓶颈。由于水资源开发强度不断增大，旱区植被的可利用水不断减少，严重影响了地表植被生态系统的生态功能[2]。因此研究旱区植被用水对气象因子和地下水水位变化的响应，对于合理开发利用水资源和预测水资源开发条件下的植被长期演化具有重要意义。

在旱区，植被的用水主要是受气象条件影响。前人研究表明，在西北干旱半干旱地区，气温、辐射等气象要素控制着植物的用水量[3～4]。除了受气象因素影响外，对于依赖地下水的植被，地下水的埋深也是影响植被用水的因素之一。如在西北地区的黑河地区，地下水位下降2 m后，杨树的耗水量减少了60%[5]。

毛乌素沙地位于农牧交错带，是北方重要的生态屏障区。2000年以来随着生态恢复工程的实施，植被生态明显好转[6]。旱柳是毛乌素沙地乡土树种，是当地林业生态工程建设的重要树种[7]。本文通过气象因子、地下水水位与旱柳树干液流的现场监测，试图揭示气象要素以及地下水水位对旱柳用水的影响，为毛乌素沙地的生态环境保护与水资源的合理开发利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市榆阳区补浪河乡国土资源部榆林地下水与生态野外试验站。试验站位于毛乌素沙地东南缘，海拔高度1 250 m。研究区属温带半干旱区大陆季风气候，多年平均气温为8.1℃(1957—2016年)，其中1月平均气温为-8.6 ℃，7月平均气温为23.9 ℃；多年平均降水量340 mm，降水多集中在7—9月，在此期间降水量占全年的70%以上；多年平均蒸发能力为2 180 mm。研究区包气带类型为风积沙，地下水水位埋深约1～1.5 m，地貌为固定和半固定沙丘。研究区内主要植被为沙柳、旱柳等，植被覆盖率较高。本次试验的旱柳为1980年种植，树高约8.5 m，胸径30.3 cm，冠幅5.7 m2。

1.2 数据获取

研究区气象数据采用小型气象站监测。监测项目包括空气温度(℃)和相对湿度(%)(HMP45C，Vaisala Co.，Helsinki，Finland)、净辐射(W/m2)(NR-LITE sensor, Kipp&Zonen，Delft，The Netherlands)、风速(m/s)(05130-5 RM Young wind monitor, R.M. Young Co.，Michigan，USA)和降雨量(mm/d)(52203 RM Young rain gauge, R.M. Young Co.，Michigan，USA)。水汽压亏缺(D，kPa)利用以下公式计算：

(1)

式中：T——气温；

RH——空气相对湿度；

a、b、c——常数，分别取值为0.611 kPa、17.502 kPa和240.97 ℃。

潜在蒸散发(ET0)利用Penman-Monteith公式计算[8]。

土壤含水率采用ECH2O探针和EM50数据记录仪(Decagon Devices Inc，Pullman，Washington，USA)监测，监测深度为20 cm、40 cm、70 cm和100 cm。研究区地下水位通过自计水位仪监测(Keller DCX-22A，Winterthur，Switzerland)。气压记录仪安装在观测孔深度0.5 m位置，可减少由仪器自身温度差异引起的误差。监测过程中定期进行人工测量埋深进行校正。气象要素、土壤含水率和地下水水位监测均为每小时一次。

为了监测树干液流量(SF)，在旱柳树干1.3 m处，用砂纸打磨树干，将一对Granier热消散探针(FLGS-TDP XM1000，Dynamax Inc.，USA)相隔10 cm插入到边材，然后用硅胶将其密封。在探针安装部位利用铝箔包裹树干，以防止太阳辐射和雨水入渗。利用CR1000自动数据采集仪(CR1000，Campbell Scientific，Logan，UT，USA)采集数据，自动记录时间间隔为1h。本文选取2017年4月1日—6月30日的各项监测数据进行分析研究。

1.3 基于White方法的ETG估算

当地下水显现昼夜波动时(即每天8:00—20:00点地下水埋深逐渐增大，夜间地下水恢复)(图1a)，可以利用White方法计算地下水蒸散发量。White方法假定地下水昼夜波动变化是由于植物蒸腾引起的，地下水侧向补给速率恒定，且植物在夜间0—4点的蒸腾量可以忽略不记[9]。前人利用抽水试验数据，计算出研究区内给水度为0.12[10]。基于White方法的地下水蒸散发(ETG，mm/d)计算公式如下：

ETG=(24r+Δh)×Sy

(2)

式中：r——0～4点地下水水位上升速率/(m·h-1)；

Δh——24小时内地下水位变幅/(m·d-1)；

Sy——含水层给水度。

地下水水位上升速率为0—4点水位曲线拟合直线的斜率(图1b)，Δh为相邻两天地下水位峰值之差。

图1 研究区内地下水的昼夜变化和white方法计算ETG原理Fig.1 Diurnal variation of water table in the study site (a) and principle of ETG estimation by the white method (b)

2 结果与分析

2.1 环境要素的变化

观测期内各气象因子均呈明显的昼夜波动(图2)。温度随时间持续波动变化，日均温度呈平缓递增趋势(图2a)。一天中一般早上8:00温度开始上升，下午14：00—16:00达到峰值后，温度逐渐降低。4—6月平均温度为16.1 ℃，最低温度-4.5 ℃出现在4月1日，最高温度32.7 ℃出现在5月27日。相对湿度变幅较大，波动规律与温度相反(图2b)。一般夜间相对湿度较大，白天较低。观测期内平均相对湿度为37.5%，最大相对湿度达96.3%，最低相对湿度仅为3.7%。净辐射一般中午12:00—14:00最大，夜晚20:00最小，观测期内平均净辐射为169.7 W/m2。净辐射最大值为1 087.0 W/m2，出现在6月28日12：00(图2c)。水汽压亏缺呈明显的昼夜波动，观测期内平均值为1.1 kPa，其中最大值3.6 kPa出现在5月27日17:00，最小值0.02 kPa出现在4月5日7:00(图2d)。潜在蒸散发(ET0)同样呈现昼夜波动，一天内一般早上8:00开始上升，至14:00左右到达峰值，之后ET0下降。观测期内潜在蒸散发平均值为0.4 mm/h，最大值为1.27 mm/h，出现在6月28日12：00(图2e)。

图2 4-7月温度(a)、相对湿度(b)、净辐射(c)、水汽压亏缺(d)及ET0(e)随时间变化图Fig.2 Temporal variations in air temperature (a), relative humidity (b) , net radiation (c), vapor pressure deficit (d) and ET0 (e) during April to July

图3 降水、地下水埋深(a)及土壤含水率(b)随时间变化图Fig.3 Variations in precipitation and depth to the water table (a) and Soil moisture (b) with time

4—7月研究区内降水较少，有降雨天数为17天，占总天数的18.7%，其中降雨量大于5 mm天数为7天，占总天数的7.7%。观测期内平均降雨量为1.0 mm/d，日最大降雨量为24 mm，出现在5月2日(图3a)。研究区内地下水埋深1.0～1.5 m，4—7月地下水埋深总体上不断增大，当有较大降雨时，由于降雨入渗补给地下水，水位上升(图3a)。

4—7月20～100 cm土壤含水率变化，见图3b。20 cm深度土壤含水率最低，100 cm深度土壤含水率最高，40 cm和70 cm深度土壤含水率相近。其中，100 cm深度土壤含水率基本处于饱和状态，在35%上下小幅波动。70 cm深度土壤含水率在4月份下降明显，之后趋于平缓；含水率在4月初略高于30%，至6月底约为25%。当有强降雨或持续降雨出现时，70 cm处的土壤含水率有所增加。40 cm深度土壤含水率在观测期内呈现明显的下降趋势，且下降幅度较大；4月初土壤含水率为31%左右，至6月底含水率降至18%左右。观测期内，40 cm深度土壤含水率受降水影响显著，雨后明显升高。20 cm深度土壤含水率同样呈下降趋势，下降幅度低于40 cm深度；4月初约23%，到6月底降至16%。20 cm深度土壤含水率同样对大气降水响应明显，雨后有明显的上升。

2.2 SF与气象因子的关系

4—7月SF与净辐射(NR)及水汽压亏缺(VPD)的相关关系见图4。树干液流与净辐射及水汽压亏缺均具有明显的线性相关关系。随着净辐射的增加，树干液流逐渐增大(R2=0.39，p<0.05)(图4a)。当净辐射小于100 W/m2时，树干液流在20 cm/h上下波动；当净辐射大于200 W/m2时，树干液流上升至60 cm/h左右。由图4b可以看出，旱柳树干液流与水汽压亏缺同样是正相关，随着水汽压亏缺的增加，树干液流不断增大(R2= 0.50，p<0.05)。当水汽压亏缺低于0.5 kPa时，树干液流基本都小于20 cm/h；当水汽压亏缺大于1.5 kPa时，树干液流提高到70 cm/h左右。

由图4c可以看出，随着气温的上升，树干液流随之增大(R2=0.24，p<0.05)。当气温小于10 ℃时，树干液流平均值为27.5 cm/h；气温上升至10～20 ℃时，树干液流平均值上升至41.1 cm/h；而当气温大于20 ℃时，树干液流平均值达到60.2 cm/h。由图4d可以看出，树干液流与风速的关系呈负相关，随着风速的增大，树干液流整体上不断减小(R2=0.15，p<0.05)。当风速大于3 m/s时，树干液流平均值仅为19.1 cm/h；风速在2～3 m/s时，树干液流上升至39.4 cm/h；当风速小于2 m/s时，树干液流平均值达到49.5 cm/h。

图4 树干液流与净辐射(a)、水汽压亏缺(b)、气温(c)、风速(d)、相对湿度(e)、ET0(f)关系图Fig.4 Relationship between sap flow and net radiation (a), vapor pressure deficit (b), air temperature (c), wind speed (d), relative humidity (f), and ET0 (f)

4—7月SF与相对湿度(RH)及ET0的相关分析，见图4。树干液流与相对湿度呈负相关关系。当相对湿度逐渐上升时，树干液流不断减小(R2=0.30，p<0.05)(图4e)。当相对湿度小于40%时，树干液流波动明显；但当相对湿度大于40%，树干液流随着相对湿度的增大明显下降。由图4f可以看出，树干液流与ET0呈明显的正相关关系，即随着ET0的增加，树干液流明显变大(R2=0.49，p<0.05)。当ET0小于0.1 mm/h时，树干液流仅在20 cm/h上下小幅波动；ET0在0.1～0.3 mm/h时，树干液流平均值上升到37.2 cm/h；当ET0达到0.3 mm/h以上时，树干液流平均值达到66.3 cm/h。

综上，树干液流明显受到气象因素的影响。树干液流与净辐射、水汽压亏缺、气温及ET0正相关，其中与水汽压亏缺和ET0相关性最强；而与风速和相对湿度负相关。

2.3 SF与土壤含水率的关系

图3表明，20 cm、40 cm、70 cm深度的土壤含水率变化明显，因此分析了其与树干液流的相关性。结果表明树干液流与土壤含水率的相关性不高(图5)。最大的相关性是与70 cm深的土壤含水率，但R2也仅是0.18，这表明研究期内土壤水不是影响SF的主要因素。

图5 树干液流与深度土壤含水率关系图Fig.5 Relationship between sap flow and soil moisture

2.4 SF与地下水的关系

研究区地下水埋深昼夜波动明显，植物蒸腾是地下水的主要排泄方式，因而旱柳树干液流与地下水关系密切。旱柳树干液流与地下水埋深(DWT)的关系见图6，两者关系曲线为抛物线，随着地下水埋深的减小，即地下水位的增大，树干液流先增大，后随之减小(R2= 0.96，p<0.1)。当地下水埋深大于1.25 m时，树干液流随着埋深减小而增大；当埋深小于1.25 m时，树干液流随埋深减小而减小。

在计算ETG过程中，给水度作为重要参数，其不确定性会对ETG的计算结果造成影响，但不会影响ETG与树干液流数据的统计关系。地下水蒸散发量(ETG)与树干液流关系见图7。ETG和SF基本呈线性关系，当SF逐渐增大时，ETG随之不断增大(R2= 0.29，p=0.11)。当SF小于20 cm/h时，平均ETG为3.6 mm/d；当SF上升至大于60 cm/h时，平均ETG增大至5.1 mm/d。

图6 树干液流与地下水埋深关系图Fig.6 Relationship between sap flow and depth to the water table

图7 ETG与树干液流关系图Fig.7 Relationship between ETG and sap flow

3 讨论

3.1 气象因素

气象因素作为树木蒸腾的主要驱动力，往往与树干液流具有较好的相关关系。但由于各地的立地条件、树木种类与气象条件的不同，气象因子与树干液流的相关也不尽相同。本次研究表明，VPD是影响树干液流最主要的气象因子，这和其他众多的研究结论是一致的。如半干旱区的樟子松[11]、湿润地区的马尾松[12]以及湿润地区的杉木等[13]。树干液流除了和VPD具有明显的相关关系外，前人研究也表明辐射、相对温度和气温也是重要的影响因素，这也和本次的研究结论是一致的[14-15]。关于风速与树干液流的关系，目前有两种不同的观点。本次研究表明两者具有一定的相关性，与有些前人的研究结论一致[16～17]；但有些学者认为，两者之间没有相关性[18]。

3.2 土壤含水率

在干旱-半干旱地区，土壤水是植被生长的重要供水水源。有前人研究表明，植被树干液流与土壤含水率具有显著的相关性[19]。本次研究结果表明，土壤含水率不是影响植被树干液流的主要因素。这是由于研究区内土壤水已充分供应植被生长所需用水造成的。当土壤含水率较低，不能满足植被的吸收利用时，土壤含水率是影响树干液流的重要因素；当土壤含水率较高，可以满足植被生长所需的水量时，土壤含水率不再是影响植被生长的限制因素。

3.3 地下水水位

对于依赖地下水的植被(如本次研究的旱柳)，地下水是植被用水的重要水源。在依赖地下水的植被分布区，地下水动态会呈现图1所示的昼夜波动[20～21]。本次研究表明，水位埋深在1.25 m时，植被树干液流最大。据前人研究表明，研究区内旱柳根系延伸于地下1.35 m处[22]。当地下水埋深较小时，部分根系浸泡于地下水中，由于处于缺氧状态抑制植被的蒸腾[23]。埋深为1.25 m时最有利于植被的蒸腾，之后随着地下水水位下降，植被蒸腾量也随之减少，这与前人的观测结果是一致的。如在黑河流域，地下水下降5 m后，杨树的蒸散量下降了约60%[24]；在美国的欧文斯河谷区，水位下降也导致了河岸边杨树的蒸腾量急剧下降[25]。

4 结论

(1)气象因素对毛乌素沙地旱柳的树干液流影响明显。其中，影响旱柳树干液流最主要的气象因素是水汽压亏缺和潜在蒸散发量，旱柳树干液流与两因素之间均呈正相关关系。

(2)旱柳树干液流与土壤含水率的相关性较低，表明研究区内土壤水对旱柳树干液流的影响不明显。

(3)研究表明，研究区内随着水位埋深的增大，旱柳耗水先增大后减小，当地下水埋深在1.25 m时，旱柳树干液流最大。旱柳树干液流与地下水埋深之间具有较强的相关性，表明地下水是旱柳重要的用水水源。

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