库姆塔格沙漠东南部柽柳液流特征及其与气象因子的相关分析

黄雅茹，马迎宾，李永华，董 雪，段瑞兵，张 帅，刘凤婵，张晓燕

（1.中国林业科学研究院 a.沙漠林业实验中心；b.内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 磴口 015200；c.荒漠化研究所，北京 100091；2.库姆塔格荒漠生态系统国家定位观测研究站，甘肃 敦煌 736200；3.甘肃敦煌荒漠生态系统国家定位观测研究站，甘肃 敦煌 736200；4.保定市水土保持试验站，河北 保定 071051；5.四子王旗水利局，内蒙古 乌兰察布 011800）

柽柳Tamarix chinensisLour.喜光耐旱耐水湿，抗风耐碱土，主根侧根极其发达，主根可以延伸至地下水层，可以在重盐碱地、荒漠、河滩地生长，适应性极强，可以绿化环境，改良土壤，生态效益极好[1]。分布于我国干旱沙漠区的柽柳具有适应干旱胁迫的独特水分利用特性及耗水特性，研究沙漠地区柽柳的耗水特性对于优化利用水资源意义重大[2-4]。柽柳耗水量可以通过测定树干液流来计算，树干液流能够揭示柽柳的水分传输速率及水分利用特性[5]，而树干液流利用热扩散法测定，其优点是能够长期自动对柽柳的树干液流进行测定[6-8]。

学者们对柽柳茎干液流的研究显示，生长季节各个月份树干液流日变化呈单峰曲线，昼夜变化明显，太阳辐射与柽柳液流速率呈显著正相关，柽柳液流速率的变化受太阳辐射、空气温湿度及风速的影响[9-11]。李双等[1]的研究结果显示，柽柳液流速率与太阳辐射相关性最高，对柽柳液流速率变化起关键作用；杨文新等[3]的研究表明太阳辐射、空气温湿度是影响柽柳液流密度变化的主要因素，且影响较大；屈艳萍等[9]的研究认为太阳辐射对长穗柽柳日液流量的影响最大，其次为空气温度，风速影响最小。目前，关于柽柳茎干液流的研究较多，但对于我国敦煌地区的柽柳一直未见报道。本研究通过对敦煌柽柳液流速率进行监测，同时测定周围气象因子，探究气象因子对柽柳液流的影响，为研究干旱沙漠地区柽柳耗水特性提供基础数据，对于摸清库姆塔格沙漠东南部柽柳的水分利用特性具有一定意义，为该区水资源合理开发利用及优化提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于库姆塔格沙漠东南部，柽柳生长在崔木土沟周围，阿尔金山北麓是崔木土沟发源地，行政区划属于甘肃省，经过崔木土山后进入甘肃敦煌西湖国家级自然保护区。崔木土沟沟道的水主要来自于出露泉水，上游有大龙沟支流、柳城子沟支流、七里沟支流、红柳沟支流[12]。该区优势植物主要是柽柳、胡杨Populus euphratica和红砂Reaumuria songarica。该区柽柳的树高与冠幅平均为3.6 m 与5.5 m×5.8 m。柽柳样株形态参数如表1所示。试验测定时间为2018月5月1日至9月30日。

表1 柽柳生长指标Table 1 Growth index of Tamarix chinensis Lour.

1.2 研究方法

柽柳液流速率与气象因子分别利用Plant Sensors PS-TDP8、美国生产的小型自动气象站HOBO 测定，探针均安装在树干北侧，距地面50 cm，探针的安装参照PS-TDP8 茎流系统说明书[13]。液流速率、气象因子每隔10 min 记录一个数据。主要测定太阳总辐射（RT）、空气相对湿度（HR）、空气温度（T），利用饱和水汽压差（VPD）这一指标综合表达气温和相对湿度的协同效应，可利用公式（1）获得：

式中：T表示空气温度；HR表示空气相对湿度；a参数取值0.611 kPa；b参数取值17.502 kPa；c参数为237.3℃[14]。

1.3 柽柳液流速率公式

柽柳液流速率公式[15]如下：

式中：Vs为树干边材液流速率（m·s-1）；ΔTm为24 h 内最大探针温差值；ΔT为两探针间的瞬时温差值。

1.4 柽柳液流速率及气象数据处理

柽柳液流速率与太阳辐射、空气温湿度的数据利用Excel 软件进行处理，柽柳液流速率与太阳辐射、空气温湿度的相关系数及逐步回归分析利用SPSS 17.0 软件处理。

2 结果与分析

2.1 生长季柽柳液流日均值变化

柽柳液流速率日均值呈现明显的季节变化（图1）。7月柽柳平均液流速率最大，为2.812 cm·h-1，其次为6月（2.682 cm·h-1），8月为2.301 cm·h-1，5月为2.123 cm·h-1，9月平均液流速率最小，为1.750 cm·h-1。试验过程中日均液流速率为2.334 cm·h-1，6月16日的日平均液流速率最高，为3.269 cm·h-1。7月31日—8月1日发生降雨，液流速率出现减小的趋势，降雨2 d 后，液流速率呈增加的趋势。

图1 生长季柽柳液流速率日均值变化Fig.1 Chang of daily mean value of sap flow velocity of Tamarix chinensis in growing season

2.2 不同季节柽柳液流速率变化规律

由图2可知，夏季液流的启动时间最早，持续时间最长，峰值最大，日树干液流量最大，不同季节夜间均出现低值液流速率，液流启动时间为6:50，第一个峰值为4.642 cm·h-1，波峰液流速率波动范围为3.162～6.002 cm·h-1。春季，柽柳液流启动时间为7:20，9:40—19:40 之间达到最高值，最大液流速率为5.255 cm·h-1。秋季，液流启动时间最晚，峰值最小，启动时间为9:00，12:20—18:30 之间出现峰值，最大液流速率为3.041 cm·h-1。

图2 不同季节柽柳液流速率Fig.2 Sap flow velocity of Tamarix chinensis in different season

2.3 柽柳液流速率连日变化规律

柽柳液流速率日变化规律相同（图3），白天与夜间液流速率大小有明显差异。液流速率白天变幅大，夜间变幅小。液流速率整体为“宽峰型”，没有明显的“午休”现象。以8月15日为例，直径为3.22、3.38、2.71、2.68 cm 的柽柳的液流日平均值分别为14.321、17.480、5.073、9.356 cm·h-1。直径2.68 cm 的柽柳液流启动时间为7:30，9:40 出现第一个峰值（16.406 cm·h-1）；液流在19:10 以后开始迅速下降，至23:50 基本下降到了最低值（4.250 cm·h-1），此时，柽柳茎干液流速率趋于平稳，变化较小；在23:50 后，液流速率变化不大，0:00—7:40 液流为3.357～4.429 cm·h-1。8月16日—8月19日液流启动时间分别为7:40、7:50、7:50、7:50。

图3 柽柳液流速率连日变化（2018年8月15—19日）Fig.3 Diurnal fluctuation of sap flow velocity of Tamarix chinensis Lour.

2.4 不同季节柽柳液流与气象因子的变化

2.4.1 不同季节柽柳液流与太阳辐射的变化

由图4可知，春季、夏季、秋季随着太阳辐射的增加，液流速率也相应增加，太阳辐射减小，液流速率也减小，二者呈正相关。

图4 树干液流速率与太阳辐射的变化Fig.4 Changes of stem sap flow velocity and solar radiation

2.4.2 不同季节柽柳液流与空气温度的变化

图5显示，气温增加，液流速率也相应升高，气温下降，液流速率也降低，二者变化规律相同。春季、夏季、秋季柽柳液流速率与空气温度呈正相关。

图5 树干液流速率与空气温度的变化Fig.5 Changes of stem sap flow velocity and air temperature

2.4.3 不同季节柽柳液流与空气相对湿度的关系

图6显示，柽柳液流速率变化趋势与空气相对湿度相反。气温上升，空气相对湿度下降，液流速率升高。不同季节液流速率与空气相对湿度呈负相关。

图6 液流速率与空气相对湿度的变化Fig.6 Changes of sap flow velocity and air relative humidity

2.4.4 不同季节柽柳液流与饱和水气压差的变化

图7显示，水气压差增加，液流速率随着VPD 的升高而增大。春季、夏季、秋季柽柳液流速率与VPD 呈正相关。

图7 液流速率与饱和水气压差的变化Fig.7 Changes of sap flow velocity and VPD

2.5 不同季节柽柳液流与气象因子的相关系数及回归模型

由液流速率与太阳辐射、空气温湿度、饱和水汽压差的相关系数（表2）可知，春季，液流与空气温度相关性最大（0.73），其次为太阳总辐射（0.70）和VPD（0.70），相关性最小的是空气相对湿度（-0.51），均达到显著水平；夏季，柽柳茎干液流与各环境因子的相关性依次为太阳总辐射（0.63）、空气温度（0.52）、VPD（0.49）、空气相对湿度（-0.34），均达到显著水平；秋季，柽柳茎干液流与各环境因子的相关性均达到显著水平，依次为空气温度（0.73）、VPD（0.71）、太阳总辐射（0.58）、空气相对湿度（-0.53）。

表2 柽柳液流速率与气象因子的相关性（n=433）†Table 2 Correlation between sap flow velocity and meteorological factors of Tamarix chinensis (n=433)

采用逐步回归方法（SPSS17.0），因变量是液流速率，自变量是太阳辐射、空气温湿度、饱和水气压差，多元线性回归方程如表3所示。春季，T、RT、VPD 依次进入，T能单独解释73.1%的液流速率变化，三者共同解释78.3%的液流速率变化，柽柳液流速率受T影响最大；夏季，RT、T、VPD、HR依次进入，共同解释液流速率变化的69.8%，RT能单独解释63.0%的液流速率变化，夏季液流速率主要受RT影响；秋季，T、VPD 依次进入，T能单独解释73.3%的液流速率变化，2 个因子共同解释73.8%的液流速率变化，秋季影响柽柳液流速率最大的是T。

表3 柽柳液流速率与气象因子多元线性回归方程Table 3 Multivariate linear regression equation of sap flow velocity and meteorological factors of Tamarix chinensis

3 结论与讨论

3.1 结 论

1）柽柳液流速率日变化规律相同，白天与夜间液流速率大小有明显差异。液流速率白天变幅大，夜间变幅小。液流速率整体为“宽峰型”。

2）液流的启动时间夏季最早，持续时间最长，峰值最大，日树干液流量最大，液流启动时间为6:50，夜间存在微弱液流。秋季液流启动时间为9:00，峰值比春、夏季小。

3）春季，空气温度能单独解释液流速率变化的73.1%，空气温度是关键因子；夏季，太阳总辐射能单独解释63.0%的液流速率变化，对夏季液流速率影响最大的因子是太阳总辐射；秋季，空气温度能单独解释73.3%的液流速率变化，秋季影响柽柳液流速率最大的是空气温度。

3.2 讨 论

本研究中，柽柳液流速率白天变幅大，夜间变幅小，夜间出现低值液流，这是由于在干旱荒漠地区，白天高温干旱，柽柳蒸腾速率快，失水严重，为了维持树体的水分平衡，柽柳根系有根压存在，夜间通过根系从土壤中可以吸收水分[16-17]。这与李浩等[15]、李妙伶等[18]、徐先英等[19]的研究结果一致。柽柳在干旱荒漠区通过夜间吸水维持树体的水分平衡也是适应干旱环境的一种机制[20]。

本研究中，柽柳液流速率日变化与太阳辐射、空气温度变化相同，呈正相关，与空气湿度变化相反，呈负相关，影响柽柳液流的关键因子是太阳总辐射。这与赵天宇等[21]和刘崴等[22]的研究结果一致。柽柳的光合速率驱动因子主要是太阳辐射，植物气孔的开合大小受太阳辐射的限制，因此，太阳辐射对蒸腾作用的强弱有决定作用。干旱荒漠区存在高温胁迫，植物通过加快蒸腾速率、降低叶表温度来躲避高温危害，因此空气温度升高，蒸腾速率加快，液流速率增加[23]。空气相对湿度与液流呈负相关，气温升高，空气湿度减小，蒸腾速率升高，液流速率增加。风速大小与液流有关，风速大，柽柳气孔闭合，蒸腾速率降低，液流速率减小；相反，风速小，蒸腾速率加快，液流速率增加[24]。

本研究发现对春季、秋季液流速率影响最大的是空气温度，太阳总辐射是制约夏季液流速率的关键因子。这与吴鹏等[25]的研究结果一致。总的来说，植物种类不同、所处的环境不同、立地条件不同、研究的时间尺度不同，影响液流速率的因子也不同。但是，不同树种、不同尺度都受太阳辐射和空气温度的影响最大[10,26-31]，光合速率的诱导因子主要是太阳辐射，植物叶片气孔的开合大小受太阳辐射限制，所以，太阳辐射对蒸腾作用的强弱有决定作用[32]。本研究对小时尺度柽柳液流速率及其与太阳辐射、空气温湿度的关系进行了研究，今后有必要加大时间尺度，研究环境因子对液流速率的影响。