兴安落叶松树干液流与太阳辐射的时滞效应1)

田原 张秋良 刘璇 张永亮

(内蒙古农业大学，呼和浩特，010020) (内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外观测研究站)

树干液流是测算树木单株耗水量的重要指标，也是土壤-植物-大气系统(SPAC)水循环的关键通道。兴安落叶松(LarixgmeliniRupr.)是大兴安岭地区的建群树种，兴安落叶松树干液流对太阳辐射的响应及时滞的研究已经取得许多成果[1-6]。但是这些研究成果中，树干液流对太阳辐射的响应有不同观点，对总辐射(GR)、净辐射(Rn)、光合有效辐射(PAR)作为树干液流驱动因子的报道皆有出现，比较树干液流响应不同辐射因子的文献较少，考虑树干液流日变化、时期变化对太阳辐射时滞的报道更为稀少。本文依托内蒙古大兴安岭森林国家野外科学观测站，于2017年6—10月对兴安落叶松树干液流及相关太阳辐射进行测定，探讨兴安落叶松树干液流日变化、时期变化对太阳辐射的时滞效应，为探讨森林生态系统的水分运移规律提供理论支持。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测站内，该区属于寒温带湿润气候区，平均海拔976.5 m，年均气温度-5.4 ℃，年均日照时间2 594 h，活动温度总和1 403 ℃，结冻期210 d以上，年均降水量500 mm，主要集中在6—9月[7]。该区森林覆盖率为75%，乔木以兴安落叶松为主，伴生白桦、山杨等。植被5月中旬开始生长，7—8月份为兴安落叶松主要的生长时期，9月中旬开始凋落枯萎进入生长末期[8]。该区是我国多年冻土的主要发育地之一，兴安落叶松林与冻土共同维系着寒温带针叶林冷湿的环境条件。

2 研究方法

2.1 数据采集

在兴安落叶松天然林内设立一块25 m×25 m样地，并对样地进行基本信息调查。样地海拔为845.1～853.8 m，南北坡度为4°，东西坡度为1°，树种组成为兴安落叶松纯林，共86株，平均胸径19.6 cm，平均树高16.6 m。

采用样地附近的气象通量观测塔进行辐射因子的测定，仪器均为Campbell公司生产。总辐射(GR)、净辐射(Rn)、光合有效辐射(PAR)的观测仪器分别为CM11、CNR-1、PAR-LITE；CR6数据采集器对每半小时获取的10 Hz/s采样数据进行记录。

应用Granier热扩散法[9]测定兴安落叶松树干液流。根据林分平均胸径，选取长势良好、无结疤的树木进行测量。传感器安装在树干1.5 m高处，面朝北面，传感器外部包覆铝质泡沫膜，避免传感器受到降水、太阳辐射的影响。CR1000数据采集器每10 min对数据记录1次。

径流密度：U=0.714×[(ΔTmax-ΔT)/ΔT]1.231。式中：U为径流密度；ΔT为两根探针间的温度差值；ΔTmax为每天夜间温差的最大值。

树干液流：F=U×SA。式中：F为径流量；U为径流密度；SA为边材面积。

2.2 数据统计与处理

由于当地特殊的地理环境，兴安落叶松生长季天亮时间为凌晨4点左右，以每日03:00—17:00点作为树干液流的白昼时段，其它时间为夜晚。按观测时间顺序，建立白昼液流密度与不同辐射的数据列，按10 min尺度进行逐行错位分析，并采用相关分析法进行线性方程、二次函数、三次函数、幂函数的拟合，当调整系数(R2)达到最大值时，对应的错位时间即为树干液流密度的时滞时间。

采用SPSS 13.0进行数据相关性分析，采用Origin 8.0进行制图。

3 结果与分析

3.1 兴安落叶松林树干液流日变化特征

7—9月份，每月选取3个连续晴天对兴安落叶松树干液流密度与太阳辐射进行对比(见图1)。由图1可知，兴安落叶松树干液流密度日变化具有明显的昼夜变化特征，与GR、Rn、PAR的日变化并不同步。树木蒸腾对GR、Rn、PAR的响应作用于树冠层，树冠蒸腾到蒸腾拉力使树干液流上升的过程产生了时滞。一天中，树干液流密度的启动时间比GR、Rn、PAR滞后2.0～3.5 h，峰值滞后0.5～3.0 h，结束时间滞后3～10 h。每日树干液流峰值随GR、Rn、PAR变化不明显，中午高温炎热，兴安落叶松具有光合午休现象，气孔关闭降低了针叶的蒸散量，从而使树干液流密度的变化趋于稳定。树干液流密度日变化对GR、Rn、PAR持续的较大波动响应明显，树干液流密度变化幅度低于GR、Rn、PAR，这是由于树干液流响应了饱和水汽压差(VPD)的变化。

图1 兴安落叶松林树干液流密度与太阳辐射连续日变化

3.2 兴安落叶松林树干液流日变化对辐射响应的时滞性

采用错位分析法分别进行树干液流密度日变化随着GR、Rn、PAR变化的拟合(见表1)。由表1可知，线性方程的拟合程度较差，三次、二次函数的拟合程度仅次于幂函数，二者时滞时间与相关系数均呈单峰曲线。幂函数拟合有两个峰值，滞后60 min时出现一个低峰，滞后140、150 min出现高峰，随后拟合相关系数持续下降，树干液流对Rn的时滞为140 min，对GR、PAR的时滞为150 min。

不同拟合均以幂函数的拟合相关系数最高，树干液流密度和Rn拟合相关系数最高，拟合程度较好，树干液流对Rn时滞性稍低于对GR、PAR的时滞性(见表2)。

表1 兴安落叶松树干液流与太阳辐射相关性分析的R2值

表2 兴安落叶松树干液流随太阳辐射变化的曲线拟合

注:表中F树干液流，xGR表示太阳总辐射量，xRn表示太阳净辐射量，xPAR表示光合有效辐射量。

3.3 兴安落叶松林树干液流时期变化特征

由图2可知，树干液流量时期变化与GR、Rn、PAR对比，未发现直观的液流量随太阳辐射变化的特征。进行相关分析后，发现日树干液流量与GR、PAR相关性为弱相关，均只能解释很少一部分树干液流量的变化。液流量与GR、PAR的R2分别为0.059、0.043，Rn与液流量相关性不显著(P>0.05)。日尺度进行逐行错位分析和相关性分析发现，树干液流量与前后3天的GR、Rn、PAR的相关性均达不到显著性水平(P>0.05)。树干液流量与GR、Rn、PAR无时滞效应。这可能是由于一天中的树干液流启动、高峰、结束时间都滞后于GR、Rn、PAR，日尺度的统计消除了这种时滞效应。

图2 兴安落叶松林树干液流量时期变化

4 结论与讨论

兴安落叶松树干液流日变化响应GR、Rn、PAR的变化，采用Rn作为树干液流日变化的驱动因子进行研究取得了较好效果。赵春彦等[10]、孙龙等[11]、涂洁等[12]、韩辉等[13]、王华等[14]的研究结果已经表明树干液流响应太阳辐射的变化，与本研究结果一致。王文杰等[1]、池波等[2]、王慧梅等[3]等研究结果表明液流对PAR响应显著，刘家霖等[4-5]研究结果表明液流对Rn响应显著，王翠等[6]研究结果表明液流对GR响应显著。本研究表明兴安落叶松树干液流对Rn响应显著，Rn拟合程度优于GR、PAR；GR、Rn、PAR是组间差异的显著因子，响应及时滞不同，但GR、Rn、PAR与树干液流拟合的相关系数基本相同。

树干液流日变化对GR、Rn、PAR的响应存在滞后效应，考虑时滞因素可以提升响应的相关性。徐丹丹等[15]通过研究发现毛乌素沙地旱柳和小叶杨树干液流与Rn在小时尺度不存在时滞现象；徐军亮等[16]认为油松树干液流与GR进行比较，在启动、高峰、停止时间进程特征量间表现出定量相关，与本研究结果不一致。原因是树干液流日变化对GR、Rn、PAR的响应是不同步进行的，响应存在140～150 min滞后，另一个原因是采用的方法不同。徐丹丹等[15]只对7月份典型天气1 d的数据进行了直观比较分析，徐军亮等[16]则采用了启动、峰值、结束时间进行了特征量定义，然后进行特征量的比较。王慧梅等[3]研究结果表明兴安落叶松树干液流日变化相对PAR滞后0.5～1.0 h，本研究结果得出滞后150 min，造成该现象的原因是由于数据错位分析时，采用的时间间隔不一样(其采用30 min间隔，本论文采用的10 min)，另一个原因是所采用的兴安落叶松林的林分起源不同。

树干液流量生长季的变化与GR的相关性高于Rn、PAR，树干液流量与GR、Rn、PAR的时滞效应不显著。李雯雯等[17]研究结果表明日尺度液流变化与环境因子的响应不存在时滞情况，与本研究结果一致。池波等[2]研究结果表明兴安落叶松树干液流主要响应因子为太阳辐射与饱和水汽压差(VPD)。本研究在日尺度的树干液流量对太阳辐射的响应并没有剔除饱和水汽压差(VPD)，液流量对饱和水汽压差(VPD)响应剔除后，树干液流对于太阳辐射的响应是否存在时滞性有待进一步研究。

参 考 文 献

[1] 王文杰,孙伟,邱岭,等.不同时间尺度下兴安落叶松树干液流密度与环境因子的关系[J].林业科学,2012,48(1)：77-85.

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[3] 王慧梅,孙伟,祖元刚,等.不同环境因子对兴安落叶松树干液流的时滞效应复杂性及其综合影响[J].应用生态学报,2011,22(12)：3109-3116.

[4] 刘家霖,满秀玲,胡悦.兴安落叶松天然林不同分化等级林木树干液流对综合环境因子的响应[J].林业科学研究,2016,29(5)：726-734.

[5] 刘家霖,满秀玲.降雨和非降雨日兴安落叶松天然林蒸腾及蒸散发特征[J].生态学报,2017,37(15)：5059-5069.

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