毛乌素沙地南缘樟子松树干液流特征及其对环境因子的响应_李明阳.pdf
《毛乌素沙地南缘樟子松树干液流特征及其对环境因子的响应_李明阳.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毛乌素沙地南缘樟子松树干液流特征及其对环境因子的响应_李明阳.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 37 卷第 4 期干旱区资源与环境Vol 37No 42023 年 4 月Journal of Arid Land esources and EnvironmentApr 2023文章编号:1003 7578(2023)04 153 09doi:1013448/j cnki jalre2023098毛乌素沙地南缘樟子松树干液流特征及其对环境因子的响应*李明阳1,党宏忠1,陈帅2,刘春颖1,杨伟3,乔一娜3(1 中国林业科学研究院生态保护与修复研究所,北京 100091;2 中国农业大学土地科学与技术学院,北京 100193;3 陕西省治沙研究所,陕西榆林毛乌素沙地荒漠生态系统国家定位观测研
2、究站,榆林 719000)提要:树木边材液流是实时反映水分利用过程的重要变量。分析液流与环境因子尤其是与土壤水分间的关系,进而明确树木对水分胁迫的响应机制,是认识树木适应环境变化机制的重要内容。文中以毛乌素沙地南缘樟子松人工固沙林为研究对象,采用热扩散式液流计连续监测了树干边材液流速率,分析了液流变化与环境因子间的关系。结果表明:毛乌素沙地樟子松生长季中边材液流速率(Js)平均为 4 91 1 25cmh1,最大值为 18 75 2 99cmh1,其中夜间液流速率平均为 1 42 0 38cmh1,最大值为 7 47 1 92cmh1。Js与环境因子间的主成分分析结果显示,前 3 个主成分的累
3、积方差贡献率达 86 2%,分别解释了方差的 54 5%、206%、11 1%。其中第一主成分主要包含大气水分亏缺(VPD)、大气温度(Ta)、太阳辐射(a)等因子,归为蒸发需求因子;第二主成分主要包含风速(Ws)等因子,为大汽水热散失动力因子;第三主成分主要包含土壤含水率()等因子,为土壤水分供给因子。在第一主成分的因子中,VPD 对 Js的影响具有明显的阈值效应,当VPD 升高到接近于 1 43 kPa 时,日间液流速率趋于最大值 16 15 cmh1;类似地引起夜间液流阈值效应的VPD 值约在 0 78 kPa 水平。土壤干旱对沙地樟子松日间液流表现出较明显的抑制作用,随着土壤水分亏缺的
4、加剧,夜间液流在全天液流通量中的占比趋于提升,反映出沙地樟子松通过补偿树体水分应对干旱变化的策略与能力。关键词:边材液流;沙地樟子松;热扩散技术;蒸发需求因子;毛乌素沙地中图分类号:Q945文献标识码:A沙地樟子松(Pinus sylvestris var mongolica)是欧洲赤松(Pinus sylvestris)分布至远东的一个地理变种1,天然分布于我国大兴安岭北坡和呼伦贝尔沙地一带,具有耐旱、耐寒、耐瘠薄等优良特性2。沙地樟子松是我国“三北”防护林建设工程中最重要的常绿针叶树种之一3,种植面积已达 80 万 hm2以上4,在毛乌素沙地榆林地区、鄂尔多斯及雁北地区都有广泛引种固沙造林
5、。据报道,最早引种到科尔沁沙地章古台镇的沙地樟子松人工林在林龄 30 35a 后在严重干旱年份出现了明显的衰退现象5,研究发现土壤水分亏缺是导致林分衰退的最直接因素4 5。树木边材液流是目前估算林木单株蒸腾用水量及诊断树木水分状况的有力工具6 7。尽管已有研究揭示了沙地樟子松边材液流水分传输的日、季变化特征8,以及液流速率的方位差异等特征9。然而,在毛乌素沙地特殊的地理气候环境下樟子松的水分利用特征及其对环境因子变化响应的规律仍缺乏系统地研究,限制了对这一树种适应和应对干旱的机制与能力的认识。文中采用热扩散液流监测技术(ThermalDissipation Probe,TDP)对毛乌素沙地南缘
6、的樟子松树干液流开展了一个生长季的连续监测,并结合同步观测的环境要素分析了这一树种的水分传输特征及其对环境因子的响应规律。研究结果对于深入认识沙地樟子松的生态水文特征,更好地为科学绿化与固沙林经营提供重要理论支撑。*收稿日期:2022 10 25;修回日期:2023 1 10。基金项目:国家自然科学基金项目(32071836)资助。作者简介:李明阳(1997 ),男,汉族,内蒙古锡林郭勒人,硕士研究生,主要从事树木水分生理研究。E mail:limingyang56 163com通讯作者:党宏忠(1971 ),男,汉族,甘肃定西人,博士,研究员,主要从事旱区生态水文研究。E mail:hzda
7、ng caf ac cn1材料与方法1 1试验地概况试验地位于陕西省榆林市红石峡珍稀沙生植物保护基地(3820 N,10942 E),地处毛乌素沙地南缘,海拔 1249m,温带半干旱大陆性季风气候,年均温度 8 8,年均日照时数2928h,10以上的活动积温 3208,无霜期 134 153d,年均降水量 400 1mm。土壤类型以风沙土为主,地表土层结构疏松,通透性好保水性差10。试验林为 40 年生樟子松(Pinussylvestris var mongolica)人工林(1985 年栽植),种源为内蒙古自治区呼伦贝尔市红花尔基镇。1 2树木边材液流监测在样地内选取 16 株冠形完整、生长
8、良好的樟子松为试验样株,样株基本情况(表 1)。按照传统安装的方法9,在每株样株的北侧、胸高位置处安装 Granier 式热扩散传感器(TDP 2 cm,Plantsensor,AUS)。安装前先削去树皮至稍显露出淡黄色韧皮部,用 2mm钻头沿树干纵向分别钻取深约 2 5cm 的钻孔2 个,孔距12cm,表 1 样株基本情况Table 1 Basic information of sample treesfor the sap flow velocity measurement样株编号胸径/cm树高/m冠幅(南 北)(东 西)/m边材面积/cm2125438 032 34388221156 8
9、31 29271321336 325 24275422957 633 27318515327 137 29145622955 940 33318722478 343 41305815157 524 19142919577 535 342331025297 926 233841117197 426 271811224937 331 293731323957 232 243451427798 145 494611522499 231 363051624829 136 35370平均22057 633 31301图 1液流测定试验现场图(3820 N,10942 E)Figure 1 Field m
10、easurement of sap flow in Pinus sylvestris var mongolica trees(3820 N,10942 E)并插入探针。该传感器由上下两根探针组成,其中上部探针为加热探针,下部探针为参考探针。探针与树干接触处用专用胶密封,距探针上下各 30cm 的范围内用防辐射铝箔膜包裹树干外部,上口处用胶带完全密封防止雨水渗入(图 1)。16 套探针连接于 C1000 数据采集器和扩展板(Campbell Scientific,USA)。采用 100 W 多晶太阳能板连接 12V 100 AH 胶体电瓶连续供电。数据采集间隔为 10min,记录间隔为 3045
11、1干旱区资源与环境第 37 卷min。采用 Granier 公式计算边材液流速率(Js,cmh1)4:Js=119 104(T0 TT)1 23160(1)式中:T 为上、下两探针间实际温差();T0为液流为零时上下两探针间温差(最大值,),该值采用两次回归法确定11。液流通量(Fs,m3d1)计算公式:Fs=24i=1Js As106(2)式中:Fs为日液流通量(m3d1);Js为对应时刻的边材液流速率(cmh1);As为边材面积(cm2);i为一日内的时刻(h)。根据沙地樟子松边材面积(As)与胸径(DBH)间的关系式4 计算边材面积:As=0 7117 DBH1 9472(2=0 99,
12、n=25)(3)式中:As为边材面积(cm2),DBH 为胸径(cm)。1 3气象要素监测在距试验林约 100m 远的空旷地架设小型自动气象站,采用美国 AVALON 公司的 AV 10TH 空气温湿度传感器、AV 30WS 风速传感器、AV 3665 雨量传感器,以及荷兰 Kipp Zonen 公司的 N LITE2太阳辐射传感器等,观测空气温度(Ta)、空气湿度(H)、风速(Ws)、降水量(P)、太阳辐射(a)等气象要素。数据采集器为 SQ2020(Grant,UK)。数据采集间隔为 10min,记录间隔为 30min。大气水分亏缺(VPD,kPa)计算公式4:VPD=0 611e(17
13、502TaTa+240 97)(1 H)(4)式中:Ta,空气温度();H,空气湿度(%)。1 4土壤水分监测樟子松几乎全部细根分布于 0 80cm 土层12 13。在样地内选择两处位置(株间、行的两侧带间),分别在每处位置安装 ECH2O 土壤水分传感器(Decagon,USA),传感器安装在距表层分别为 20、40、60、80cm的位置。每处位置的传感器连接一台 1008 数据采集器(雨根科技,北京)。数据采集、记录的时间间隔分别设置为 10、30min,平均计算求得每小时各层的土壤体积含水率值(,%)以及整个土层的平均含水率值。1 5数据处理数据收集时间为 2021 年4 月14 日 9
14、 月30 日(主要生长季)。根据太阳辐射(a)的日变化,将一日中 a5 0Wm2的时间段定义为夜间14,期间的液流速率定义为夜间液流速率(Js night),相应地,日间液流速率与全天液流速率分别用 Js day和 Js表示。全天的液流通量用 Fs total表示,其中夜间液流通量表示为 Fs night,夜间液流通量与全天液流通量的比值定义为夜间液流占比(Fs night/Fs total,%)。观测期间有18 天的数据因电池供电不足而日记录不完整,数据分析时删除了当日全天数据。共计收集到 152 个完整日的有效数据。采用 SPSS 23 0(SPSS Inc,USA)的主成分分析(PCA)
15、模块,对小时时间尺度的液流与环境数据进行了主成分分析,其中采用方差极大旋转法(Varimax rotation,V)并输出因子得分。挑选出每日中 Js day和 Js nigh的最大值及其所对应时刻的 VPD 作为数据子集进行边界函数拟合。采用了植被生长模型中的 Logistic 函数(式 5)在 Origin 2023(OriginLab,USA)中进行拟合。y=Amax(1+(xx0)h)s(5)式中:Amax为函数曲线高值(上渐近线趋近的值);x0、h、s 为曲线参数。2结果与分析2 1液流通量与环境因子的季节变化动态观测期(生长季 4 9 月)降雨总量为 223 00mm,主要集中在
16、6、9 月,分别占总降水的 26 73%、27 49%(图 2A)。4 9 月风速(Ws)各月平均值分别为 4 21、4 28、2 61、2 95、2 39、1 68ms1,5 月份551第 4 期李明阳等毛乌素沙地南缘樟子松树干液流特征及其对环境因子的响应图 2环境因子(A E)及液流通量(Fs,F)季节变化过程,图中阴影区间是为期 52 天的土壤水分连续下降期(6 月 17 日 8 月 7 日)Figure 2 Seasonal variation of the environmental factors(A E)and the sap flux(Fs,F)The shadeinterva
17、l in the figure shows the 52 day period from June 17 to August 7 with continuous decline of soil volume water content最高(4 28ms1),9 月份最低(1 68ms1)(图 2B)。土壤体积含水率()平均为 6 01 2 09%,各月平均值分别为 7 54、7 31、7 91、3 28、5 06、5 69%。6 月 17 日 8 月 7 日的 52 天内,从 10 05%连续下降直至 2 27%(图 2C 中阴影区间)。大气水分亏缺(VPD)平均为 1 63 kPa,最高为
18、3 54 kPa(7 月 9 日)(图 2D)。太阳辐射(a)平均为 242 47 81 57 Wm2,4 9 各月分别为 231 02、271 13、269 09、26439、232 53、179 04 Wm2(图 2E)。16 株沙地樟子松边材液流通量(Fs)平均为(35 54 9 05)103m3d1,4 9 月份16 株沙地樟子松各月份 Fs分别为(42 61 11 03)、(48 08 9 89)、(40 65 8 20)、651干旱区资源与环境第 37 卷(23 60 8 40)、(27 14 8 45)、(32 66 9 43)103m3d1,5 月份最高,其次为 4 月份,7
19、月份最低。日最高值为(60 27 10 45)103m3d1(5 月 9 日)(图 2F)。2 2液流速率与环境因子间的关系4 9 月各月份中每日的 Js平均值分别为 5 90 1 53、6 67 1 37、5 63 1 14、3 26 1 16、3 76 1 17、4 43 1 29cmh1,Js night平均为 1 89 0 70、1 73 0 38、1 58 0 34、1 32 0 35、0 95 0 30、1 07 0 31cmh1。采用主成分分析方法(PCA)在小时尺度上的降维分析表明,提取的前 3 个主成分累计可以解释全部环境信息方差的 86 3%(表 2)。从初始因子载荷值可以
20、看出(表 3),第一主成分对环境因子方差贡献率为54 5%,与 VPD、Ta、a等呈较强的正相关,主要表示了晴朗、温暖和干燥的大气条件有利于驱动树干边材液流,归类为蒸发需求因子;第二主成分的方差贡献率为 20 6%,与 Ws呈较强的正相关,主要表示了风速的影响,归类为大汽水热散失动力因子;第三主成分的方差贡献率为 11 1%,与 呈较强的正相关,主要表示了土壤水分供应状况,归类为土壤水分供给因子。表 2 主成分分析(PCA)的环境因子特征值和方差贡献率Table 2 Eigenvalues and percentage of the varianceof environmental facto
21、rs based on PCA analysis主成分特征值 方差贡献率(%)累计解释量(%)13 26954 48754 48721 23820 63075 11730 66711 11186 22840 48380529427950 28247079898760 0611013100000表 3 各初始因子在不同主成分上的载荷矩阵Table 3 Load of each initial factor ondifferent principal components环境变量主成分 1主成分 2主成分 3VPD093402600154Ta0 83801960346H075603890230Ws
22、0 18009170048a0 38707810034011700340961图 3日间液流速率(Js day)与夜间液流速率(Js night)随大气水分亏缺(VPD)变化的关系,灰色曲线和黑色曲线分别为采用式(5)对 Js day VPD 和 Js night VPD 间关系拟合的边界函数曲线Figure 3 Daytime sap flow velocity(Js day)and nocturnal sap flow velocity(Js night)as a function of vapor pressure deficit(VPD)The top curve andthe bot
23、tom curve are the boundary function curves that use equation(5)tofit the relationship between Js day VPD and Js night VPD,respectively2 3液流速率对大气水分亏缺的响应液流 速 率(Js)与 大 气 水 分 亏 缺(VPD)间总体上呈正相关关系,但无论是 Js day还是 Js night,其随 VPD 而变化的关系均存在阈值效应。为此采用了 Lo-gistic 函数模型的边界函数拟合,结果见下式:Js day=16 15(1+(VPD1 43)8 49)0 2
24、0(6)Js night=5 82(1+(VPD0 78)2 09)0 92(7)拟合结果表明,当 VPD 1 43 kPa时,Js day随 VPD 的增加呈近线性的增加,表明 VPD 对液流传输的驱动效应;当VPD1 43 kPa 后,Js day趋近最大值16 15cmh1,保持一段时间后开始下降(图 3)。类似地,当 VPD 0 78 kPa时,Js night随 VPD 的增加呈上升的趋势,当 VPD0 78 kPa 后,Js night趋近最大值5 82cmh1,保持一段时间后开始下降。2 4典型晴天液流通量对土壤水分的响应典型晴天日间液流通量(Fs day)随着土壤体积含水率()
25、的降低而显著下降(2=0 69)(图 4A)。观751第 4 期李明阳等毛乌素沙地南缘樟子松树干液流特征及其对环境因子的响应察到在 6 月 17 日 8 月 7 日的 52 天土壤水分连续衰减期内(从 10 1%连续下降直至 2 3%),Js随着 的降低而显著下降(2=0 97)(图 4A,图 2C),土壤水分亏缺对液流传输过程产生了明显的抑制效应。典型晴天中夜间液流的占比(Fs night/Fs total)随着 的降低呈上升趋势(2=0 15)(图 4B),土壤干旱过程引起了夜间液流传输作用的加强。Fs day与 间拟合直线的斜率远高于 Fs night/Fs total与 间的斜率(分别
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毛乌素 沙地 南缘樟子 松树 干液流 特征 及其 环境 因子 响应 李明阳
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。