银川市5种典型城市树木蒸腾耗水特性及其受主要气象驱动力的影响1)

李少然 王冕之 宋硕 贾黎明张强华

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)(银川市中山公园)

城市森林具有生态、经济和社会等效益[1]。城市树种的蒸腾作用是城市森林生态系统的重要生态过程，参与了吸收二氧化碳、改善微气候、缓解城市热岛效应等多种生态过程[2-4]。不同于自然演化的林分，城市森林中的树种组成可能包括世界不同地区的栽培品种[5]，拥有不同的蒸腾特性、水力传导率和对不同特定环境区域气象因子的适应性[6-8]。已有较多研究成果，从不同时段[9]、不同时间尺度[10]、不同地点[5]等角度分析了部分城市树种的水力学特征，揭示了太阳辐射和饱和水汽压差对液流速率的驱动作用。这些研究，为城市绿化节水型树种的选择和认识城市树木水分生理生态特征提供了参考，对城市森林科学水分管理具有重要意义[1，11]。

西北干旱区域水资源短缺、生态较脆弱[12]，这些区域的城市公园森林的水分供给大多来自于人为灌溉。由于植物的异质性，使得城市森林存在自身耗水量不均衡、水资源利用效率低等问题[5]。宁夏沿黄河城市带属于资源型缺水地区，城市森林生态环境压力较大，对水资源利用效率要求较高。针对宁夏半干旱区域水资源缺乏现状，了解宁夏城市公园树种的水力学特征，有助于合理配置城市森林树种，进而促进城市森林的可持续发展[9]。但是，关于对宁夏城市公园树种的蒸腾耗水特征及其与气象驱动因子关系的研究较少。

为此，本研究在银川市“中山公园和森林公园”试验区域(样地区域)，选择柽柳(Tamarixchinensis)、臭椿(Ailanthusaltissima)、垂柳(Salixbabylonica)、金叶榆(Ulmuspumila)和侧柏(Platycladusorientalis)5种典型城市树木为样木；应用热扩散液流探针测定树干液流速率、在中山公园设置自动气象站实时监测气象因子(太阳总辐射、空气温度、空气相对湿度、降雨量)。以日均液流速率、日均耗水量、太阳总辐射、饱和水汽压差为评价指标，评价不同树种间日均耗水的差异性；构建液流速率与太阳总辐射、饱和水汽压差之间的回归模型，评价总辐射、饱和水汽压差对液流速率的影响；分析银川市典型城市树木蒸腾耗水特性及其受主要气象驱动力的影响。旨在为宁夏沿黄河城市带建立城市森林可持续的水资源管理方式提供参考。

1 试验地概况

研究地区位于宁夏回族自治区银川市中山公园和森林公园(37°29′～38°53′N，105°49′～106°53′E，海拔1 010～1 150 m)。该地区属于典型的半干旱大陆性气候，年平均气温8.5 ℃，年日照时间为2 800～3 000 h，年平均降水量200 mm左右，无霜期185 d左右。森林公园和中山公园试验区域的样地管护水平高，生长季内定期进行常规施肥、补种草和人工除草，样地区域水分供应充足。在2021年生长季内，日降雨量先增后降，8月份为降雨高峰期，最高日降雨量可达50.1 mm；日均总辐射和日均空气温度也呈先增后降的趋势，高峰期分别在6月份和7月份；日均空气湿度呈现缓慢上升的趋势。

2 材料与方法

样木选择(见表1)：在中山公园和森林公园，选择柽柳(Tamarixchinensis)、臭椿(Ailanthusaltissima)、垂柳(Salixbabylonica)、金叶榆(Ulmuspumila)、侧柏(Platycladusorientalis)作为液流监测树种，树种内各样树长势接近、生长状况良好。在生长季前后各测定1次胸径和树高，采用胸径尺测定胸径，测定高度为1.3 m；树高采用激光测高仪、测距仪测定。液流监测时间为2021年6月23日—7月20日，详见表1。

表1 样木基本概况

树干液流测定方法：采用依据热扩散技术的探针(TDP-30，TDP-50，时域通科技有限公司，北京，中国)在每株树树干北侧距离地表1.3 m的高度测定树干液流速率(vd)。探针间距40 mm，使用手钻在树干距地面1.3 m处进行打孔安装。安装后，在探针根部包裹密封胶泥封堵，外层附反光铝箔纸进行保温与防水。试验期间，液流速率每30 s测定1次，然后每10 min取平均值并存入数据采集器(时域通科技有限公司，北京，中国)。

液流速率(vd)和耗水量(V)计算方法：vd=0.011 9[(Δtm-Δt)/Δt]1.231、V=vd×As。式中，vd为液流速率(单位为cm·s-1)；Δt为加热探针和受热探针之间的温差；Δtm为无液流条件时探针间的温差，监测期间每天计算1次；As为林木树干边材具有导水功能部分的截面面积(以下简称边材导水截面面积，单位为cm2)；V为耗水量。

柽柳边材导水截面面积使用边材导水截面面积和胸径拟合公式获取，其余树种通过生长锥对监测树种取样获取。柽柳胸径与边材导水截面面积拟合公式为[13]：S=0.236 6D1.5962；S为柽柳边材导水截面面积(单位为cm2)，D为胸径(单位为cm)。

气象因子测定方法：在中山公园设置自动气象站(北京时域通科技有限公司，北京，中国)实时监测气象因子。测定的气象指标包括太阳总辐射、空气温度、空气相对湿度、降雨量，数据每10 min记录采集1次。饱和水汽压差(DVP，单位为kPa)采用文献[14]的经验公式计算：DVP=0.611epx{[17.502Ta/(Ta+240.97)](1-HR)}；Ta为空气温度(单位为℃)，HR为空气相对湿度(用百分比计，%)。

数据处理：使用SPSS 24.0进行非参数检验，以确定不同树种间日均耗水的差异显著性(P<0.05)；采用Origin 2022建立液流速率与太阳总辐射和饱和水汽压差之间的回归模型。

3 结果与分析

3.1 5树种日均液流速率及耗水特征

由图1可见：各树种日均液流速率均呈现“单峰型”。不同树种液流启动时间不同(06:30—08:40)；其中：柽柳和金叶榆液流启动时间最早，分别为06:40、06:30；垂柳和侧柏液流启动时间适中，分别为07:20、07:50；而臭椿液流启动时间最晚，为08:40。这与刘云洁等[15]研究结果不同，刘云洁等研究结果表明，臭椿在河北保定市不同水分条件时液流启动时间均为07:00左右；而郄怡彬等[16]研究结果表明，臭椿在北京市液流启动时间约为08:00[16]；这些研究结果说明，臭椿液流启动时间在不同地区存在较大差异。不同树种的液流高峰特征也存在较大差异；臭椿和金叶榆的液流高峰持续时间较长，分别为6.50、8.17 h，液流高峰时段分别为10:30—17:00、09:20—17:30，液流高峰时段在上午和下午分布较为均衡；侧柏的液流高峰时段主要分布在中午和下午，液流高峰时段为10:50—16:20，持续时间为5.50 h；垂柳的液流高峰时长较短(4.67 h)，且液流高峰时段主要分布在下午(15:00—19:40)；柽柳的液流高峰时段最短(3.33 h)，其液流高峰时段仅在中午分布(11:20—14:40)。但是，黄雅茹等[17]研究结果认为，柽柳存在明显的液流“午休”现象，2个液流日高峰出现在约09:00和19:00；出现研究结果差异的原因是研究地环境不同，黄雅茹等研究的柽柳生长于库姆塔格沙漠，高温、高日照、缺乏降雨(年平均降水量39.9 mm)等气候原因导致柽柳出现“午休”现象，以减少植株水分流失。另外，赵自国等[18]研究结果认为，柽柳“午休”现象随着地下水矿化程度加深而更加明显。这些研究结果说明，柽柳的液流速率高峰特征易受环境影响。因此，臭椿和金叶榆为日均衡耗水型树种，侧柏和垂柳为下午耗水高峰型树种，而柽柳为中午耗水高峰型树种。

图1 各树种日均液流速率特征

由图1可见：各树种日均液流速率峰值也存在较大差异，日均液流速率峰值由大到小依次为侧柏、金叶榆、垂柳、臭椿、柽柳。侧柏的日均液流速率峰值最大，最高可达14.42×10-4cm·s-1；但韩磊等[19]在宁夏河东区监测侧柏所得液流速率峰值略高于本研究结果，这主要是因为其监测时间为7—9月份，略晚于本研究监测时期，更高的蒸腾气候驱动力是造成液流速率峰值存在差异的主要原因。本研究表明，柽柳的日均液流速率峰值最小，最高仅为2.05×10-4cm·s-1。但是，黄雅茹等[17，20]研究认为，生长于库姆塔格沙漠的柽柳，在夏季出现“午休”现象前，液流速率日峰值最高可达约19.44×10-4cm·s-1；而本研究的柽柳液流速率日峰值约为2.05×10-4cm·s-1；这一差异主要是库姆塔格沙漠的蒸腾驱动力高，对柽柳液流速率的促进作用大引起的。此外，马建新等[21]研究榆树液流速率日峰值，高于本研究金叶榆液流速率日峰值，出现差异的主要原因是其试验树胸径(约15 cm)高于本研究所用金叶榆胸径。

不同树种日均耗水特征存在显著差异，日均耗水量由大到小依次为垂柳((3.62±0.18)L·d-1)、侧柏((3.01±0.08)L·d-1)、金叶榆((1.78±0.08)L·d-1)、臭椿((1.31±0.05)L·d-1)、柽柳((0.44±0.02)L·d-1)。垂柳是日均耗水量最大的树种，显著高于其他4个树种。柽柳的日均耗水量最低，但其日均耗水量与臭椿和金叶榆没有显著差异。本研究臭椿和金叶榆日耗水量分别为(1.31±0.05)、(1.78±0.08)L·d-1；但是，刘云洁等[15]研究认为，臭椿在饱和供水条件时日均耗水量可达约15L·d-1，远高于本研究臭椿日均耗水量。这一差异，主要由两个原因导致：一方面，刘云洁等[15]试验所用臭椿胸径更大(约14 cm)，使得其拥有更多可供导水的边材导水截面面积；另一方面，由于气候条件的差异，其臭椿液流速率远高于本研究臭椿液流速率，在饱和供水条件下液流日速率峰值可达约40×10-4cm·s-1。整体看，垂柳和侧柏的蒸腾耗水能力较强，臭椿和金叶榆蒸腾耗水能力适中，而柽柳蒸腾耗水能力较弱。

3.2 总辐射和饱和水汽压差对液流速率的影响

由图2可见：各树种的液流速率与总辐射和饱和水汽压差的回归模型均达到极显著水平，表明总辐射和饱和水汽压差都极显著影响了5个树种的液流速率(P<0.01)。5个树种的液流速率都呈现随着总辐射的升高而快速升高，随后逐渐平稳甚至出现下降趋势。根据回归模型，柽柳、臭椿、垂柳、金叶榆、侧柏的液流速率随总辐射升高而快速升高的阈值，分别为716、626、574、621、673 W·m-2；在达到阈值前，各树种对太阳辐射的敏感程度较高；达到阈值后，太阳辐射不再成为其液流速率的主要限制因子，此时太阳辐射对液流速率的促进作用较小，表明太阳辐射对液流速率影响的敏感性随总辐射和液流速率的升高而逐渐降低。其中，垂柳的液流速率随总辐射升高而快速升高的阈值最低，臭椿、金叶榆、侧柏居中，而柽柳最高；说明在本研究区域中的5个树种，柽柳的液流速率更容易受到总辐射的限制，而垂柳则相反。

由图2可见：饱和水汽压差与5个树种的液流速率均呈正相关。柽柳的液流速率随着饱和水汽压差的增大而升高，在饱和水汽压差达到5.4 kPa后逐渐平稳。然而，臭椿的液流速率随着饱和水汽压差的增大而缓慢增大，随后迅速增大，表明饱和水汽压差对臭椿的液流速率的促进作用随着饱和水汽压差的增大而逐渐增大。垂柳、金叶榆、侧柏的液流速率受饱和水汽压差的影响相对一致，均表现为随着饱和水汽压差增大而逐渐增大，且增长速率由大到小依次为侧柏、垂柳、金叶榆。

此外，由图2中的回归模型可见：柽柳、臭椿、金叶榆、侧柏的液流速率，与总辐射的决定系数(R2)高于与饱和水汽压差的决定系数；而垂柳则相反。表明太阳辐射对柽柳、臭椿、金叶榆、侧柏液流速率的影响，比饱和水汽压差对其的影响更大；而饱和水汽压差对垂柳液流速率的影响，比太阳辐射对其的影响更大。

图2 液流速率随总辐射和饱和水汽压差提升的变化

总辐射和饱和水汽压差是液流速率的主要气象驱动因子，但总辐射和饱和水汽压差对不同树种液流速率影响不同。本研究表明，与另外4个树种不同，垂柳的液流速率与饱和水汽压差的相关性高于总辐射。但是，同一树种在不同立地条件时受气象因子的影响不同，刘云洁等[15]对河北臭椿树干液流速率和太阳辐射与饱和水汽压差进行了相关性分析，研究表明，液流速率与饱和水汽压差的相关性高于太阳辐射，且土壤水分条件也会改变其他环境因子对液流速率的影响。这些研究结果表明，树种自身的生物学特性是其受气象因子影响的主要决定因素，而立地条件也会对其产生一定影响。不同树种的水力传导率不同[7]，太阳辐射和饱和水汽压差对不同树种的影响也不同，这些结果有助于了解银川市城市森林树种对环境的适应性。

4 结论

银川土壤水分较为充分条件下，5种典型城市树木日均液流速率均呈现“单峰型”。各树种日均液流速率特征存在较大差异，液流启动时间从06:30至08:40不等，液流速率高峰持续时间从3.33 h至8.17 h不等，液流速率峰值由大到小依次为侧柏、金叶榆、垂柳、臭椿、柽柳，日均耗水量由大到小依次为垂柳、侧柏、金叶榆、臭椿、柽柳。总体看，侧柏和垂柳蒸腾耗水能力较强，为下午耗水高峰型树种；臭椿和金叶榆蒸腾耗水能力适中，为均衡耗水型树种；而柽柳蒸腾耗水能力较弱，为中午耗水高峰型树种。5个树种的液流速率都呈现出随着总辐射的升高而快速升高，随后逐渐平稳甚至出现下降趋势；饱和水汽压差，与柽柳和臭椿呈现二次多项式正相关关系，与垂柳、金叶榆、侧柏呈现一元线性正相关关系。太阳辐射对柽柳、臭椿、金叶榆、侧柏液流速率的影响，比饱和水汽压差对其的影响更大；而饱和水汽压差对垂柳液流速率的影响，比太阳辐射对其的影响更大。