基于冠层温度的典型沙生植物土壤水分状况诊断

何莹莹,于明含†,丁国栋,高广磊,赵媛媛,赛 克

(1.北京林业大学水土保持学院,水土保持国家林业局重点实验室,100083,北京;2.北京林业大学,林业生态工程教育部工程研究中心,100083,北京;3.宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站,751500,宁夏盐池)

水是沙生植物生长的最重要限制因子,植物水分状况的诊断对于调整植物水分管理、实现沙生植被的合理经营尤为重要,植物冠层温度(canopy temperature,CT)作为衡量植物水分多寡和有效性的重要指标,在农业中已被广泛用于评价作物干旱程度,进而为作物的水分管理提供依据[13]。在植物体的能量平衡中,植物通过太阳辐射接收能量,并通过辐射、潜热和显热等热交换形式散发热量,当能量平衡中任何一项发生改变,植物的冠层温度随之改变[46]。影响植物能量平衡的因素除了包括光照强度、空气温度、饱和水气压差等气象条件外,土壤含水率、土壤水势等土壤水分条件也被证明会影响植物冠层能量的平衡,从而引起冠层温度的改变[78]。

利用植物冠层温度反映植物所处的土壤水分状况的研究,以往主要集中在控制气象条件不变的背景下研究植物冠层温度与土壤水分的关系,如在培养箱、温室中控制光照强度、空气温度、空气湿度等[911];然而,在非控制气象条件下,如在野外、大田实验中,植物冠层温度是否仍然可以有效反映土壤水分的高低,仍然是未知的问题[1213]。 此外,以往关于植物冠层温度的研究主要集中在农作物,有关沙生植物冠层温度的研究较少,制约了基于冠层温度的沙生植物水分状况的评价管理。因此,笔者通过对典型沙生植物在不同土壤水分状况下冠层温度的监测,分析不同土壤水分条件下植物冠层温度日变化特征及差异性,探究在非控制气象条件下植物冠层温度变化对气象因子及土壤水分的响应规律,以期为实现利用植物冠层温度指示植物所处的土壤水分状况提供理论依据,从而进一步为沙生植被的水分管理提供方法借鉴。

1 研究区概况

本研究在宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站进行。该研究站位于宁夏回族自治区盐池县,地处毛乌素沙地南缘,地理坐标为E 107°23′,N 37°48′,海拔约1 354 m,气候类型属于典型中温带大陆性季风气候,年均气温为8.1℃,该地区干旱少雨、蒸发强烈,年平均降水量为280 mm,年平均蒸发量在2 100 mm以上,为降水量的近6～7倍;7、8、9月3个月的降水量占全年降水总量的60%～70%。研究区多风且风速较大,年均风速2.8 m/s,冬季多偏北风,夏季多偏南风,土壤主要以风沙土为主,其次是灰钙土和黑垆土[14]。

2 材料与方法

2.1 实验布置

本研究采用盆栽法进行水分控制实验布置。选取半干旱沙区典型沙生植物柠条(Caragana korshinskii)、沙柳(Salix psammophila)、油蒿(Artemisia ordosica)为实验树种。盆栽幼苗于2015年4月自实验站的固定沙地挖取,每种植物挖取40株高30 cm左右长势基本一致的幼苗进行盆栽培养,缓苗培养1个月。每盆栽植1株,盆质量、大小和形状一致,盆规格为高30 cm,盆内径25 cm。

于2015年6月起,将盆栽置于塑料防雨棚下以隔绝降水。测定研究区野外的土壤含水量,依据野外土壤田间持水量,将盆栽水分梯度设置为4个梯度,分别为土壤田间持水量的5% ～20%、20% ～40%、40% ～60%、60% ～100%,即土壤含水率梯度设置分别为A组(1% ～4%)、B组(4% ～8%)、C组(8% ～12%)、D组(12% ～20%),每个梯度每种植物4个重复。将每盆称取过筛、烘干沙土5 kg置于花盆中,然后向沙土中喷洒水至每组设置的水分梯度上限,并于每天19：00称量并用花洒补充水分至其设置的水分梯度上限,以保证每个梯度的土壤含水率在预期设置的范围内波动。7月初,按照胁迫梯度控制盆栽水分,在所设梯度内开始测定数据,直至实验结束。

2.2 指标测定

冠层温度(canopy temperature,CT)的测量：实验于2015年7月10日到2015年7月31日开展,选择晴朗、无风或者微风(风速＜2 m/s)天气作为典型日,每天06：00—20：00每间隔2 h对每盆盆栽进行植物冠层温度的测定。釆用红外测温系统(Ti55,Fluke,Washington,D.C.,USA)测定,红外发射率设为0.95(按照叶片表面粗糙程度确定),背景温度值设定为20℃。观测时以黑色粗糙纸板为背景板衬于被测目标植物后,以排除其他物体的反射或辐射干扰,将测温仪的探测器对向植株冠层,使探测窗口与植株冠层保持20 cm左右的高度,以30°俯角分为4个方向进行测定,并取其平均值为1次观测值。

土壤含水率的测定：土壤含水率用称量法进行确定,本研究中采用质量含水率进行计算。于每个测定日的傍晚7点进行称量测定,将盆栽整体进行称量,记为湿质量,初始苗木质量和花盆质量于实验初期分别进行称量可知。已知盆栽沙土干质量为5 kg,故土壤含水率的计算公式为：θ=(湿质量-干质量-花盆质量-苗质量)/干质量。

除此之外,还需与冠层温度同步测定空气湿度(relative humidity,RH)、空气温度(ta)、风速(v)和太阳辐射(photosynthetically vailable radiation,PAR)等气象因子：采用 InteliMet Advantage Weather Station(Dynamax Inc,USA)小型轻便的多传感器便携式气象站,置于距离地面1.8 m处记录。

饱和水汽压差(vapor pressure deficit,VPD)：是指某一给定空气温度时的饱和水汽压和实际水汽压的差额,是反映空气湿度的一个参数。VPD是植被蒸散的主要驱动因素之一,VPD计算方法如下：

式中：ta为空气温度,℃;RH为空气湿度,%。

2.3 数据分析

为了探明在不同水分梯度下的植物冠层温度日变化规律,需提取红外热图中的植物部分的数据量化冠层温度的数值。红外数据提取采用Fluke smartview 3.2(Fluke Corporation：Plymouth,UK)进行处理,先剔除背景温度,将图像的温度阈值调节至仅显示目标植物区域,其他背景温度设置于阈值之外。然后将图像温度数据全部导出至Excel,温度像素点矩阵为320×240。利用Excel的数据分析加载模块的统计直方图分析,将导出的像素温度点的值按照已知的植物温度阈值进行筛选并统计,得到不同温度值占据的点位数,最终加权平均可得目标植物的平均温度。

通过相关性分析探究不同土壤水分条件下,影响植物冠层温度的主要因素。通过敏感度系数计算探究不同水分梯度下植物冠层温度对气象因子响应的敏感性。即通过绘制冠层温度与气象因子之间的散点图,拟合二者之间的线性回归关系,用回归系数表征了冠层温度对气象因子响应的敏感度系数。数据分析和作图主要采用Excel、SPSS软件完成。

3 结果与分析

3.1 不同水分梯度下的植物冠层温度特征

图1是不同水分梯度下柠条、油蒿、沙柳冠层正午同一时间点的红外热图,A组柠条、油蒿、沙柳红外热图中高温面积最大,B组、C组、D组高温面积逐渐变小、低温面积逐渐增大。即：在重度土壤干旱胁迫下,植物的红外热图中高温面积比例变大;在轻度土壤干旱胁迫下低温面积比例变大。从红外热图的判读中可以直观的看出,植物冠层温度随着干旱胁迫程度的增加而增加。

图2是柠条、沙柳、油蒿3种植物各个水分梯度下的7月份的1个典型日(晴朗、无风(v＜2 m/s))的平均冠层温度日变化图。

图1 不同水分梯度下植物冠层温度红外热图Fig.1 Infrared thermal-images of canopy temperature under different water gradients

图2 不同水分梯度下3种植物冠层温度日变化曲线Fig.2 Diurnal variation curve of canopy temperature of three plants under different water gradients

图2 示出,柠条、沙柳、油蒿3种植物,冠层温度的变化趋势基本一致。各植物的冠层温度峰值基本都于12：00 左右出现,依次为38.76、38.32、41.74 ℃。各水分处理的日冠层温度峰值的基本趋势是A＞B＞C＞D,即随着土壤含水率的升高植物冠层温度基本呈降低趋势,这与植物冠层红外热图表现趋势一致。

通过不同水分梯度下的植物冠层温度进行方差分析(表1)可见,3种植物在不同水分梯度下相同内时间段的冠层温度存在一定的差异性。柠条、沙柳、油蒿在09：00—12：00时,不同水分梯度下的冠层温度存在显著性差异(P＜0.05),即随着太阳辐射的增强,从09：00—12：00不同梯度水分处理的冠层温度差异性逐渐增强,但到14：00后,不同梯度水分处理的冠层温度差异不显著。故可知,在09：00—12：00之间,不同水分梯度间的冠层温度才能表现出显著的差异,该时间段植物冠层温度能够更好的反应植物缺水状况。

表1 各个时刻不同水分梯度的植物冠层温度的差异性分析Tab.1 Variance analysis of canopy temperature under different water gradients at different monitoring time

3.2 植物冠层温度对环境因子的响应

基于植物冠层温度的日尺度数据,对植物冠层温度与环境因子进行相关性分析(表2)可知：3种植物的冠层温度均与土壤含水率之间相关性不显著;3种植物冠层温度与饱和水气压差因子具有显著相关性,此外,柠条、沙蒿的冠层温度分别于与空气温度呈显著性正相关(P＜0.05)、与空气湿度呈显著性负相关(P＜0.05),而且3种植物冠层温度与气象因子的相关系数大于与冠层温度与土壤含水率的相关系数。

表2 植物冠层温度与环境因子的相关性分析Tab.2 Correlation analysis of canopy temperature and environmental factors

3.3 植物冠层温度对气象因子的敏感性

选取3个典型日数据绘制不同水分梯度柠条冠层温度随气象因子变化的散点图(图3),可以发现,不同水分梯度下植物冠层温度基本是随着空气温度和饱和水气压差上升而上升的,随着空气湿度的增加而降低。通过线性回归拟合得到每个水分梯度的冠层温度与空气温度、空气湿度、饱和水气压差的线性方程。从线性回归方程可以看出,随着干旱胁迫程度的增大,各水分梯度冠层温度与空气湿度、温度和饱和水气压的线性敏感度系数的绝对值均呈现A＞B＞C＞D,表明柠条随着干旱胁迫程度的增加其敏感度系数绝对值也越大,即柠条冠层温度对ta、RH、VPD的敏感性随着干旱胁迫程度的增加而升高。

用同样的方法绘制油蒿、沙柳冠层温度与气象因子之间的散点图,拟合二者之间的线性回归关系,汇总不同水分梯度下油蒿、沙柳冠层温度与ta、RH、VPD敏感度系数,结果如表3。

由表3可知,不同水分梯度胁迫下沙柳、油蒿冠层温度基本是与空气湿度呈负相关关系,与空气温度、饱和水气压差呈正相关,这与柠条的趋势表现为一致。通过线性回归拟合得到拟合直线以及每个水分梯度的冠层温度与ta、RH、VPD的线性方程。从方程的敏感度系数中可以看出,随着干旱胁迫程度的增大,沙柳各水分梯度的冠层温度与RH、ta、VPD的敏感度系数的绝对值大小为A＞B＞C＞D,结果表明随着干旱胁迫程度增大其敏感度系数也越大,即冠层温度对ta、RH、VPD的敏感性越高。且随着干旱胁迫程度的增大,油蒿各水分梯度冠层温度与ta、RH、VPD的敏感度系数的绝对值大小依次为A＞B＞C＞D,随着干旱胁迫程度增大其敏感度系数也越大,油蒿冠层温度对ta、RH、VPD的敏感性越高。

图3 不同水分梯度下柠条冠层温度与t a、RH、VPD的关系Fig.3 Correlations between canopy temperature and t a、RH、VPD under different different water gradients of Caragana korshinskii

表3 不同水分梯度下油蒿、沙柳冠层温度与t a、RH、VPD的回归系数Tab.3 Regression coefficients between canopy temperature and t a,RH,VPD of Artemisia ordosica and Salix psammophila under different water gradients

4 结论与讨论

笔者研究结果表明：在同一监测时间,即气象条件背景相同情况下,正午的植物冠层温度的高低可以直接反映植物所处的土壤含水率的高低(图1),这一结果与以往诸多研究的结论一致[1517]。 如梁银丽等[18]通过对小麦、玉米等旱田作物的研究指出,午后随着土壤水分的降低,植物冠层温度的变化更加明显。孙宏勇等[19]对不同灌水处理的冬小麦冠层温度研究发现当土壤含水率较低时,植物冠层温度较高,反之,植物冠层较低,植物冠层温度可以用来指示冬小麦的供水状况。以上研究均这与本研究结果基本一致,即通过对比同一时间点的植物冠层温度,可以直接判定植物所处的土壤水分状况。

在日尺度范围内,冠层温度受到气象因子改变的影响而发生改变(图2),通过相关性分析(表2)表明气象因子对冠层温度的影响更为显著,因此植物冠层温度的高低受到气象因子、土壤水分的共同影响。本研究通过计算不同土壤水分条件下植物冠层温度与气象因子响应的敏感度,发现随着土壤含水率的下降,柠条、油蒿、沙柳冠层温度对气象因子响应的敏感度上升(图3和表3)。究其原因是由于较低的土壤含水率造成植物叶片气孔关闭,蒸腾散热作用停止,即植物失去通过气孔调节叶温的能力,故较低的土壤含水率下,叶温的变化更依赖于气象因子的改变,表现为植物冠层温度对气象因子敏感度上升[2022]。张明艳等[23]在叶绿素荧光参数对环境因子的敏感性的研究中,也证明了土壤水分条件的改变会影响叶绿素荧光参数对气象因子的敏感性,与本研究具有相似的结论。所以本研究结果表明,基于日尺度上多时间点的冠层温度数据,建立冠层温度数据对气象因子响应的敏感度系数,也可以判定植物所处的土壤水分状况。

笔者从单一时间点和日变化2个时间尺度探究了植物冠层温度对于土壤含水率的响应规律,证明了利用植物冠层温度可以实现对于植物所处的土壤水分状况的判定,为大田植被的水分管理提供了一种新的、便捷有效的途径。