毛乌素沙地杨柴液流变化对气象因子的响应_洪光宇.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .基金项目:内蒙古自治区自然科学基金项目()内蒙古重大专项()收稿日期:通讯作者 .:.:/.:./洪光宇王晓江高孝威胡尔查李梓豪李卓凡刘婷杨海峰郗雯王乐军.毛乌素沙地杨柴液流变化对气象因子的响应.生态学报().().毛乌素沙地杨柴液流变化对气象因子的响应洪光宇王晓江高孝威胡尔查李梓豪李卓凡刘婷杨海峰郗雯王乐军内蒙古自治区林业科学研究院 呼和浩特 摘要:采用 ()热平衡包裹式液流仪对毛乌素沙地杨柴()植株液流速率进行了连续监测同步监测灌木林地内气温()、太阳辐射()、相对湿度()和饱和水汽压差()等气象因子探讨了在不同时间尺度下杨柴植株液流特征及其与气象因子的关系 结果表明:()不同径级(、和)杨柴植株的日平均液流速率分别为./、./、./平均日液流量分别为(.)/、(.)/、(.)/不同天气条件下的树干液流速率晴天阴天液流速率变化呈“昼高夜低”不同月份表现为 月 月 月()影响晴天和雨天杨柴植株液流的首要气象因子都是太阳辐射小时尺度下太阳辐射、气温、相对湿度和饱和水汽压共同解释杨柴液流的 以上在日尺度下气象因子可以共同解释其.以上且随着时间尺度增大进入回归方程的气象因子个数呈减小趋势但气象因子对杨柴液流变化的解释度呈增加趋势 研究在未来不能进行连续观测的条件下通过气象因子和预测模型来估算杨柴液流变化进而可指导毛乌素沙地植被恢复与水资源管理关键词:杨柴液流气象因子时间尺度毛乌素沙地 :.()()()().:()()./././.(.)/(.)/(.)/.().网络首发时间：2022-10-14 08:50:14网络首发地址：https:/ .:植物通过蒸腾引起树干内液流的上升 蒸腾耗水是植物利用水分的主要环节有研究显示 植物蒸腾所需水分的.来自于树干液流树干液流中 以上用于植物的蒸腾因此植物液流量的变化可以反应植物自身的生理生化特性以及水分的消耗利用规律 植物液流变化与环境因子密切相关因此分析掌握植物茎干液流变化特征对环境因子的响应可以估算植物群落在不同时间与空间尺度上的蒸散量近年来热平衡技术由于其灵敏度高、精度高、无需标定且可连续测定的优点根据其原理研发的包裹式茎流仪被广泛采用 在干旱半干旱区已应用于测量河西走廊中段绿洲荒漠过渡带主要固沙植物梭梭()、河西走廊中段荒漠生态系统典型固沙植物沙拐枣()、柴达木盆地的沙棘()、河西走廊中段典型固沙植物白刺()、干旱荒漠区沙冬青()、毛乌素沙地花棒()、毛乌素沙地沙木蓼()、毛乌素沙地沙柳()等不同树种的茎干液流研究 有学者对不同时间尺度植物液流的变化特征进行了探讨桑玉强等、王卓等、徐利岗等、刘毅等及陈亚鹏等研究了不同树种在小时、日、月及季节时间上的液流变化规律并分析了与气象因子的相关性杨柴()广泛分布于我国西北部的干旱半干旱地区是重要的沙地植物 杨柴因其耐干旱能力强、易萌蘖和耐沙埋等特点成为沙区人工林建植的主要灌木树种 年开始杨柴在毛乌素沙地进行了飞播造林早年飞播的杨柴人工林已经出现了群落演替杨柴群落个体的大小和密度变化呈相反趋势杨柴个体的有性和无性繁殖受到水和养分的影响可以分析出在有限的环境条件下杨柴群落种内的竞争影响着群落的分布格局和群落的演替 近些年学者主要通过对群落耗水量与土壤水分承载力的相关研究来判定群落的稳定性以此来找到毛乌素沙地人工林可持续经营的方法本实验选取了毛乌素沙地典型飞播杨柴人工灌木林为研究对象 对其植株的液流速率及气象因子进行同步连续监测研究杨柴植株在生长旺季(月)不同时间尺度下液流特征及其对气象因子的响应建立杨柴日液流量与气象因子的拟合模型同时对拟合模型进行验证以期为毛乌素沙地杨柴人工林生态需水估算、林分建植过程中密度的选择以及林分建植后的可持续经营提供理论依据研究区概况毛乌素沙地位于北纬.东经 海拔 包括内蒙古自治区鄂尔多斯市的南部、陕西省榆林市的北部风沙区以及宁夏回族自治区盐池县东北部本研究位于毛乌素沙地腹地鄂尔多斯市乌审旗乌兰陶勒盖治沙站内 该地区属于温带半干旱大陆性季风气候年均温.年均降水量 年均蒸发量 土壤类型为典型风沙土易受风沙的强烈侵蚀而形成粗结构 地貌类型包括固定、半固定、半流动、流动沙丘以及丘间地 该地区植被覆盖度低种类较少主要以旱柳()、沙地柏()、沙柳、杨柴和花棒等沙旱生植物为主材料与方法.实验样地的选取以内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗乌兰陶勒盖治沙站内飞播 的杨柴灌木林地为研究对象 通过对:/.生 态 学 报 卷:/.毛乌素沙地不同飞播年限杨柴人工林林分生长变化进行了研究可知飞播 的杨柴群落结构较稳定因此可作为长期研究杨柴液流变化最为理想的样地 经面上踏查和前期工作基础在杨柴人工林中选取具有代表性的区域于 年设立杨柴群落长期监测固定样地()(图)在 年的 月初对固定样地内的植被进行调查同时在固定监测样地附近设置 个 的样方 在每个样方内东南西北四个角和中间位置共设置 个 的小样方进行植被调查 根据长期对杨柴群落进行植被调查的数据可知地径 杨柴林龄在 年以上地径范围在 的杨柴林龄在以上地径范围在 的杨柴多为当年生枝条 根据对样地内杨柴地径调查的结果将杨柴群落的植株分为 个径级(、和)(图)径级主要分布在 间粗径级枝条较少图 研究区概况.图 研究区杨柴地径频率分布.仪器安装与设定本研究选取美国 公司研发的 包裹式植物液流计根据地径分布比例共选取 株不同径级杨柴植株液流变化进行测定 测定系统由 个 数据采集器 条 长的 连接线 组热量扩散传感器太阳能板等辅助设备构成 通过计算机分别将被测枝条的茎干类型、横截面积、探头电压、起始时间、数据记录间隔等参数输入到数据采集器并设置采集数据时间本研究的数据采集间隔为 杨柴植株液流监测时间为 年的 月.气象因子测定在固定样地内同时安装了 小型气象站 该气象站监测并采集试验区气象因子的时间与液流监测时间同步包括大气温度()、降雨量()、太阳辐射强度()、大气相对湿度()、地表温度()等进行测定 每 记录 次数据并进行存储 定义持续高温及其强辐射的天气为晴天出现降雨事件则为雨天.饱和水气压差()饱和水汽压差是指在一定温度下饱和水汽压与空气中的实际水汽压之间的差值它表示的是实际空气距离水汽饱和状态的程度即空气的干燥程度 饱和水汽压差影响着植物气孔的闭合从而控制植物蒸腾、光合等生理过程这对森林生态系统蒸散过程以及水分利用效率有着重要影响 饱和水汽压差()计算方法为:.()式中 是饱和空气压力 是相对湿度 为空气温度.数据处理 软件对枝条液流数据以及气象因子数据进行处理和绘图 为了准确分析不同天气杨柴液流速率的日动态变化分别选择杨柴完全展叶期时的晴天和雨天 选取 天内无降雨并且太阳辐射高的天气为 期 洪光宇 等:毛乌素沙地杨柴液流变化对气象因子的响应:/.晴天代表选取白天某时间段有连续降雨过程并且水汽压亏缺较高的天气为雨天代表 因此选取 月 日 日为晴天代表天气 月 日、及 日为雨天代表天气对不同天气情况下树干液流的动态变化进行分析 杨柴不同径级月液流速率变化是通过杨柴每月日液流速率平均值所得采用.软件的 相关处理和回归分析法对特定时刻点的液流速率与应时间点的气象因子数据、每日液流量与每日气象因子的平均数据进行处理分析 结果与分析.杨柴液流速率变化特征及其与气象因子的关系.日尺度下晴天和雨天杨柴植株液流速率特征雨天和晴天时杨柴液流速率呈明显的昼夜变化(图)白天高于夜晚 晴天液流速率变化较平稳径级 的杨柴植株液流速率波动呈“双峰”曲线径级 和 呈“几”字形曲线 雨天液流速率波动较剧烈尤其是在白天变化幅度较大呈“多峰”曲线图 不同径级杨柴液流速率日变化趋势.晴天时杨柴植株随着径级的增加液流速率逐渐增大径级 的杨柴植株在:间液流速率接近于 在:液流速率瞬时增大到./:间液流速率维持在一个较低值并且随着时间的变化呈减小趋势:左右液流速率开始升高:时达到了最大值./而后液流速率逐渐减小在:时液流速率上升:达到了一个峰值./而后液流速率随着时间逐渐减小 径级 的杨柴植株在:间液流速率接近于 在:时出现了明显的液流现象液流速率为./:左右液流速率开始升高:间达到了较大值在./而后液流速率随着时间逐渐减小径级 的杨柴植株在:间液流速率接近于:左右液流开始启动并逐渐增大:间达到了较大值在./左右而后液流速率随着时间逐渐减小 在雨天条件下径级 的杨柴生 态 学 报 卷:/.植株平均液流速率为./径级 的杨柴植株平均液流速率为./径级 的杨柴植株平均液流速率为./杨柴植株全天液流速率低于晴天液流速率变化波动较大.月尺度杨柴液流速率变化特征选取 月每月杨柴日平均液流速率进行研究(图)对比分析不同月份杨柴液流速率的变化趋势可以看出径级 杨柴液流平均速率 月 月 月径级 和 杨柴液流平均速率 月 月 径级 和 杨柴液流速率到达峰值的时间逐渐提前峰值时间分别为:、:和:径级 杨柴液流速率峰值出现的时间先提前在推后 月份峰值出现的时间分别为:、:和:杨柴植株液流持续时间逐渐缩短回落到低值的时间均提前.日尺度杨柴液流变化与气象因子的相关性将各气象因子与杨柴液流速率进行曲线拟合选择拟合度最高的模型(表)总体而言太阳辐射与杨柴液流速率的拟合度晴天高于雨天而其它气象因子则为雨天高于晴天 雨天不同径级杨柴液流速率与气象因子拟合度相对较高各气象因子解释液流速率的变化均超过.其中饱和水汽压差的拟合度最高 晴天不同径级杨柴液流速率与气象因子拟合度不同径级 杨柴液流速率日与太阳辐射拟合度最高径级 杨柴液流速率与太阳辐射、温度、相对湿度和饱和水汽压差的拟合度较高径级 杨柴液流速率与太阳辐射、气温和饱和水汽压差的拟合度较高 不论在雨天和晴天径级 杨柴液流速率与各气象因子的系数高于其它径级表 不同天气液流速率变化与气象因子关系模型 天气径级/因子回归方程 雨天.晴天.:气温 :太阳辐射 :相对湿度 :饱和水汽压差 期 洪光宇 等:毛乌素沙地杨柴液流变化对气象因子的响应:/.图 不同月份杨柴液流速率及气象因子日变化特征.为了探讨不同天气条件下气象因子对杨柴液流变化的复合影响建立杨柴日液流量与气象因子的关系以气温、太阳辐射、相对湿度和饱和水汽压差为自变量杨柴日液流量为因变量根据步进法标准利用多元线性逐步回归分析建立杨柴日液流量与多气象因子间的综合关系模型(表)回归方程中杨柴样地解释度均大于.(.)说明能较好地预测在不同天气时杨柴日液流量的变化情况 从关系模型可以看出雨天时太阳辐射、气温和饱和水汽压差是控制地径 杨柴日液流量的主要因子 晴天时气温、太阳辐射和相对湿度是控制地径 杨柴日液流量的主要因子表 不同天气条件下液流量与气象因子的多元回归模型 天气径级/回归方程 雨天.杨柴日蒸腾耗水波动幅度较大日蒸腾耗水明显大于其它两个径级 径级 杨柴日蒸腾耗水峰值主要出现在 月中下旬在.之间 径级 和 的杨柴日蒸腾耗水峰值主要出现在 月底和 月初之间分别在.和.之间 径级 杨柴日蒸腾耗水峰值平均值为(.)/径级 杨柴日蒸腾耗水峰值平均值为(.)/径级 杨柴日蒸腾耗水流峰值平均值为(.)/月 日以后杨柴日蒸腾耗水逐渐减小最后趋于 图 不同径级杨柴日蒸腾耗水变化.不同径级杨柴蒸腾耗水对气象因子的响应关系(表)月、月和 月杨柴日蒸腾耗水与日平均气温、太阳辐射、饱和水汽压差呈极显著正相关关系与日平均相对湿度呈极显著负相关关系 总体而言杨柴蒸腾耗水与饱和水汽压差、太阳辐射、气温呈极显著正相关关系与相对湿度呈极显著负相关关系 月份杨柴日蒸腾耗水对饱和水汽压差和相对湿度响应较高且高于其它月份相关系数绝对值均大于.其次是太阳辐射和气温 月份径级 杨柴液流量对相对湿度、的响应最大其次是太阳辐射和饱和水汽压差相关系数分别为.、.和.径级 杨柴日蒸腾耗水对气温和饱和水汽压差的响应较高系数均大于.其次是太阳辐射和相对湿度相关系数分别为 和.径级 杨柴日蒸腾耗水对气温和饱和水汽压差、太阳辐射和相对湿度的响应较高系数绝对值均大于.对气温的 期 洪光宇 等:毛乌素沙地杨柴液流变化对气象因子的响应:/.响应最低相关系数为.月份径级 杨柴日蒸腾耗水对饱和水汽压差和太阳辐