干旱条件下荆条树干液流对不同天气的响应

2014-09-16刘春鹏朱美秋马长明支恩波李向军

福建林业科技 2014年1期

刘春鹏，朱美秋，薛帅，马长明，支恩波，李向军

(1.河北省林业科学研究院，河北石家庄050061； 2.保定职业技术学院，河北保定 071000；3.河北省沙河市林业局，河北邢台 054100； 4.河北农业大学林学院，河北保定 071000)

干旱条件下荆条树干液流对不同天气的响应

刘春鹏1，朱美秋2，薛帅3，马长明4，支恩波1，李向军1

采用热扩散式液流探针(TDP)配合气象站的方法，于干旱季节(5—6月)对不同天气条件下荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)的树干液流进行研究。结果表明：①就波形而言，晴天树干液流呈现“宽峰”，阴天呈现“窄峰”，而雨天呈现“多峰”；液流启动雨天早于晴天早于阴天，达到峰值晴天早于阴天早于雨天，液流终止阴天早于晴天，而雨天未出现液流终止；树干液流峰值大小、日均液流速度和耗水量均为晴天>阴天>雨天。②在晴天和阴天条件下，荆条树干液流与太阳辐射、大气温度、空气湿度的相关性较大(相关系数分别为：晴天0.768、0.882、-0.613，阴天0.864、0.865、-0.871)；而雨天条件下，荆条树干液流与环境因子的相关系数均较小，但与土壤含水量的相关系数(0.515)比晴天和阴天时大，土壤含水量成为雨天影响荆条耗水最大的环境因子。③经过回归分析，得到不同天气条件下荆条的耗水模型，其中晴天和阴天荆条耗水模型拟合程度较好，调整R2分别为0.934、0.923；而雨天荆条耗水模型拟合较差，调整R2仅为0.260。

荆条；树干液流；热扩散式探针法(TDP)；耗水量；液流速度

荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)为马鞭草科牡荆属落叶灌木，广泛分布于东北、华北、西北、华中、西南等省区，多自然生长于山地阳坡，与酸枣、蒿类混生形成灌丛群落，具有良好的防风固沙、保持水土等生态功能。由于其适应性极强，耐严寒、干旱和盐碱，在其它植物难以生存的瘠薄山地和陡坡、石缝中依然生长良好，因此被公认为是荒地护坡、荒山绿化的先锋树种，更是我国华北干旱、半干旱地区的植被恢复和建设的首选树种[1-3]。

在干旱、半干旱地区，降水少而集中，因此，水分成为森林植被恢复、生态环境建设最为主要的限制因子[1]。尤其在干旱少雨的季节，有限的水源无法满足植物正常的生理要求，使植物遭受干旱胁迫，严重影响植物的存活与生长。因此，研究干旱胁迫条件下植物的耗水特征有利于探明植物的抗旱机理，为干旱、半干旱地区植被恢复以及生态建设的树种选择提供参考[4]。

本试验于降水极少的5—6月(此时荆条已经出现叶子萎蔫等症状，说明其已经受到干旱胁迫)进行，采用热扩散式探针法配合气象站的方法，对荆条的树干液流及其所处的环境因子进行同步观测，分析了干旱胁迫条件下荆条耗水对不同天气的响应，以期揭示其抗旱机理，为干旱、半干旱地区植被恢复的树种选择提供参考。

1 研究区概况

试验区设在河北省平山县岗南镇寺家沟村(113°31′—114°15′E、38°9′—38°47′N)，属于暖温带半干旱半湿润季风型大陆性气候，年平均气温12.7 ℃，全年太阳辐射量为131～136 kcal·cm-2，全年有效辐射为65.4 kcal·cm-2，年平均日照时间2600～2750 h，年平均降水量609 mm，年平均蒸发量1815.4 mm，年平均干燥度为1.38。年平均风速2.2 m·s-1，土壤为石灰性褐土。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

选择树干通直、生长良好、地径相差不大、生长情况相近的荆条3株作为研究对象，经筛选，所选样树位于阳坡坡中，主要为天然的灌丛草本群落，天然植被以灌木为主，主要有酸枣(Zizyphusjujuba)、荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)等；草本植物次之，主要有白羊草(Bothrtochtoa)、黄背草(Themedatriandra)等；乔木数量很少，主要有黄连木(Pistaciachinensis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等。由于干旱和放牧、刈割等人为过度利用，现有的天然植被稀疏，覆盖度较低且分布不均。经过测量，所选样树地径分别为2.96、2.87、2.76 cm。

2.2 试验方法

2.2.1 树干液流的测定采用北京雨根科技有限公司设计生产的RR-8210茎流仪(TDP)进行树干液流的监测，监测时间为2008年5—6月。首先对已选荆条用罗盘标定出正南方向，然后于树干的0.3 m处，上下垂直，在2点间(约10～15 cm)削去一小片树皮，大小以便于探针插入即可(不可伤到木质部，也不要留有韧皮部)。然后用直径为2.5 mm的钻头依靠打孔板进行打孔，分别插入 10 mm长的探针，为避免自然环境的影响，每组探针外用大小合适的泡沫盒子罩上，然后与数据采集器和电源连接，并设置每2 s测读1次，每10 min进行平均并储存数据。

2.2.2 环境因子的测定在样木林地内安装WatchDog 900ET小型全自动气象站，与茎流仪(TDP)同步观测林内环境因子，观测环境因子有：太阳辐射强度(w·m-2)、空气温度(℃)、空气相对湿度(%)、10 cm土壤温度( ℃)、20 cm土壤含水量(%)、风速(m·s-1)以及降雨量(mm)，同样设置每2 s测读1次，每10 min进行平均并储存数据。

2.2.3 边材面积的测定边材面积的测定于试验结束后进行，分别于所选树木探针安装处，用锯子直接锯断获取树干横切面，测定去皮直径以及边材厚度，进而计算边材面积。经计算，荆条的边材面积分别为5.6 cm2、5.0 cm2和4.8 cm2。

2.2.4 数据处理根据WatchDog 900ET小型全自动气象站监测数据表明，监测期间，5—6月初没有降雨，此时，荆条部分叶片出现萎蔫状况，说明荆条此时已经受到干旱胁迫。直至6月14日出现监测期间的第1次降雨(降雨时间为0∶00—5∶10和7∶00—19∶40)，降雨量为14.6 mm，荆条水分得到补充，摆脱干旱胁迫。因此，6月14日成为研究干旱条件下荆条耗水对雨天响应的唯一选择。由于植物液流的变化除受植物自身的生物学特性、气象因素影响外，还受到土壤水分的制约[5]。为了降低土壤含水量对荆条耗水的影响，更好地分析、比较干旱条件下，不同天气条件下荆条的耗水特征，本研究于6月14日之前选择最近典型的晴天(6月8日，天空晴朗无云，太阳不被遮挡)和阴天(6月9日，天空被云层覆盖，全天不见太阳，但无降雨)进行分析。虽然所选晴天、阴天、雨天数据均为1 d，但其均为特定条件下的最佳选择，最能体现干旱条件下不同天气对荆条耗水的影响，因此具有一定的代表性。

利用Excel 2003对观测数据进行整理、计算和作图，利用SPSS 13.0进行相关分析和回归分析，其中回归分析是以各典型天气荆条树干液流速度为变量，以环境因子作自变量，采用逐步回归的方法，以5 %和10 %作为变量入选和剔除临界值。

3 结果与分析

3.1 不同天气条件下树干液流变化特征

图1 不同天气条件下树干液流日变化

由图1和表1可知，在不同天气条件下荆条树干液流变化有明显不同。就波形而言，晴天时树干液流明显要高于阴天和雨天，晴天时树干液流呈现出明显的“宽峰”，液流速度较大；而阴天相对晴天具有“窄峰”，液流速度较小；而雨天液流波动性较大，基本呈现“多峰”，这是由于当天多次降雨形成的。就液流日进程时间而言(表1)，晴天时，树干液流于5∶50启动，12∶50达到峰值，23∶50终止；阴天时，树干液流于8∶20启动，15∶40达到峰值，20∶10终止；而雨天时，树干液流于4∶40启动，18∶20出现峰值，而未出现液流终止。表现出液流启动雨天早于晴天早于阴天，达到峰值晴天早于阴天早于雨天，液流终止阴天早于晴天，而雨天未出现液流终止。树干液流峰值分别为：晴天0.00299 cm·s-1，阴天0.00288 cm·s-1，雨天0.00177 cm·s-1；日均液流速度分别为：晴天0.00140 cm·s-1，阴天0.00064 cm·s-1，雨天0.00050 cm·s-1；耗水量分别为：晴天0.60496 L，阴天0.27662 L，雨天0.21791 L；三者大小顺序均表现为晴天>阴天>雨天。

表1 不同天气条件下树干液流日变化动态

*：-为未终止。

3.2 不同天气条件下树干液流与环境因子的关系

树干边材液流除了受树木本身的生物学结构影响外，还受周围的环境因子的制约，某一时刻液流速率的高低与当时的环境因子是不可分割的，因此，本研究将晴天、阴天、雨天荆条的树干液流，结合同步观测的气象因子进行分析(图2)。由图2可知，晴天与阴天，太阳辐射、空气温度与树干液流有明显相同的趋势，而空气相对湿度与树干液流呈相反趋势。太阳辐射一方面促进叶片气孔开放，减少气孔阻力，进而直接促进蒸腾，增强液流；另一方面，通过提高空气温度而间接促进液流。而气温升高一方面提高了植物体温度和地表温度，另一方面通过降低空气的湿度来促进蒸腾。而随着相对湿度的降低，其蒸汽压逐渐变小，叶内外蒸汽压差逐渐变大，气孔下腔的水蒸气容易扩散出去，进而促进蒸腾，增大液流。土壤含水量和土壤温度虽也表现出规律变化，但与树干液流的变化趋势存在位置的偏差，但并不能说明其与树干液流无关，而是因为土壤温度和土壤含水量对树干液流的影响具有时滞性[6-8]。风速呈现不规律变化，与树干液流的关系不明显。这与王宇结论一致[9]。雨天时，各环境因子的变化不大，都接近于直线，与树干液流的相关性不大。

图2 不同天气条件下树干液流与环境因子的关系

由表2可知，在晴天和阴天条件下，荆条树干液流与太阳辐射、大气温度、空气湿度的相关性较大(相关系数分别为：晴天0.768、0.882、-0.613，阴天0.864、0.865、-0.871)，其中与太阳辐射和大气温度呈正相关，与空气相对湿度呈负相关；与土壤温度、土壤含水量、以及风速的相关性较小或者不相关，这恰恰印证了以上结论。在雨天条件下，荆条树干液流与环境因子的相关系数均较小，说明雨天时各环境因子对荆条树干液流的影响不大，但雨天的土壤含水量与晴天、阴天相比，对荆条树干液流的影响显著加大，甚至成为雨天影响荆条耗水最大的环境因子。

表2 不同天气条件下树干液流与环境因子的相关分析

*：**为t检验(双尾)极显著；*为t检验(双尾)显著。

3.3 不同天气条件下树干液流与环境因子的回归分析

经过回归分析，得到回归模型(表3)，经F检验3个方程均达到极显著水平。由表3可知，晴天和阴天时，树干液流与环境因子的回归方程拟合良好，调整R2均达到0.92以上，而雨天时回归方程的调整R2仅为0.26，说明方程拟合性较差，说明雨天时荆条耗水受环境因子的影响较低。从各方程入选变量而言，晴天和阴天时，各环境因子几乎全部入选(晴天时只有风速落选，阴天时只有土壤温度落选)，而雨天时，仅有土壤含水量因子入选。

表3 树干液流各月与环境因子的回归分析

*：y为液流速度(cm·s-1)；x1为太阳辐射(W·m-2)；x2为大气温度(℃)；x3为空气相对湿度(%)；x4为土壤温度(℃)；x5为土壤含水量(%)；x6为风速(km·h-1)。

4 结论与讨论

1)在不同天气条件下荆条树干液流变化明显不同。就波形而言，晴天时树干液流明显要高于阴天和雨天，晴天时树干液流呈现出明显的“宽峰”，液流速度较大；而阴天较晴天时具有“窄峰”，液流速度较小；而雨天液流波动性较大，基本呈现“多峰”，这是由于当天多次降雨形成的。就液流日进程时间而言，树干液流晴天比阴天液流启动早，终止晚，这与王鹤松等[10]研究结果相一致。而达到峰值晴天早于阴天早于雨天，而王鹤松等[10]认为树干液流达到峰值时间不具规律性，笔者认为树干液流达到峰值时间与瞬时气象因子有关，而瞬时气象因子是难以预测的，因此这种现象难以归结成规律。雨天时，液流启动早于晴天早于阴天，而液流未出现终止，可能并非普遍现象，因为荆条此时正处于干旱缺水状态，而且根系较浅，长时间的降雨很容易到达根系土壤，增加其土壤含水量，形成了土壤与植物体之间较大的水势差，从而导致树干液流提前启动；而正是由于荆条干旱缺水严重，导致这种水势差持续时间长，从而导致树干液流的不终止。树干液流峰值分别为：晴天0.00299 cm·s-1，阴天0.00288 cm·s-1，雨天0.00177 cm·s-1；日均液流速度分别为：晴天0.00140 cm·s-1，阴天0.00064 cm·s-1，雨天0.00050 cm·s-1；耗水量分别为：晴天0.60496 L，阴天0.27662 L，雨天0.21791 L；三者大小顺序均表现为晴天>阴天>雨天。这与李少宁等[11]、孙慧珍等[12]结论一致。

2)在晴天和阴天条件下，荆条树干液流与太阳辐射、大气温度、空气湿度的相关性较大(相关系数分别为：晴天0.768、0.882、-0.613，阴天0.864、0.865、-0.871)，其中与太阳辐射和大气温度呈正相关，与空气相对湿度呈负相关，与土壤温度、土壤含水量、以及风速的相关性较小或者不相关，但其中土壤含水量和土壤温度虽也表现出规律变化，出现这种现象可能是由该环境因子与树干液流存在时滞性造成的[6-8]。在雨天条件下，荆条树干液流与环境因子的相关系数均较小，说明雨天时各环境因子对荆条树干液流的影响不大，但土壤含水量相比晴天与阴天时，对荆条树干液流的影响大大加大，甚至成为雨天影响荆条耗水最大的环境因子。经过回归分析，得到晴天、阴天和雨天荆条的耗水模型，经F检验3个方程均达到极显著。其中晴天和阴天荆条耗水模型拟合程度较好，其调整R2分别为0.934和0.923。而雨天荆条耗水模型拟合较差，调整R2仅为0.260。目前，对环境因子与耗水特征之间关系的研究很多，但结论不尽相同[3-14]，这是因为，树干液流密度主要由生物学结构因素、土壤供水因素和气象因素决定，而生物学构造又随着植物生长的物候期而改变，加之环境因子间又存在交互作用，因此，气象因子与树干液流的关系相当复杂，需要系统深入的研究。

3)从树干液流与环境因子的相关性以及其回归模型的入选变量来看，晴天和阴天差异很小，而与雨天差异性很大，这主要是由产生树干液流的动力不同所造成的[13]。晴天和阴天时，其产生树干液流的动力为蒸腾拉力，即由于太阳总辐射、空气温度、空气相对湿度的变化，导致饱和水汽压差的变化，从而导致植物体气孔内外产生蒸汽压差，在这种“蒸腾拉力”的作用下，产生树干液流；而雨天时，太阳辐射和大气温度极低、空气相对湿度很高，在此情况下，植物叶片气孔内外的蒸汽压差极小，植物蒸腾作用已经停止，但由于植物体长期处于干旱胁迫状态，植物体自身出现严重的水分亏缺，加之所选研究对象为灌木，根系较浅，降雨使其根系土壤水分得到迅速补充，从而产生了土壤与植物根系的水势差，进而在“根压”的作用下，产生树干液流[14]。

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Response of Stem Sap Flow ofVitexnegundovar.heterophylla to Different Weather under Drought Conditions

LIU Chun-peng1, ZHU Mei-qiu2,XUE Shuai3,MA Chang-ming4,ZHI En-bo1,LI Xiang-jun1

(1.HebeiAcademyofForestry,Shijiazhuang050061，Hebei,China； 2.BaodingVocationalandTechnialCollage,Baoding071000,Hebei,China； 3.ShaheForestryBureau,Xingtai054100,Hebei,China； 4.ForestryCollegeofHebeiAgricultureUniversity,Baoding071000,Hebei,China)