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摇第 21 卷摇 第 5 期2023 年 10 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.21摇 No.5Oct.2023不同土壤水分条件下杉木种源树干液流特征对气象因子的响应许庭毓1,2,3,牛摇 香1,2,3覮,王摇 兵1,2,3,宋庆丰1,2,3,王摇 南1,2,3,孙建军4,刘摇 儒4(1.中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所,100091,北京;2.国家林业和草原局森林生态环境重点实验室,100091,北京;3.江西大岗山森林生态系统国家野外科学观测研究站,336606,江西分宜;4.中国林业科学研究院亚热带林业实验中心,336600,江西新余)摘要:为研究不同种源杉木(Cuninghamia lanceolata)树干液流变化对不同土壤水分条件及气象因子的响应差异。在2021 年3 月初7 月末,运用 Granier 热扩散边材树干液流探针对杉木进行树干液流观测,通过 AZS100TDR 土壤水分仪测量土壤水分的动态,并同步监测总辐射、空气温度、空气相对湿度、降雨量等气象因子,采用饱和指数曲线分别对液流密度、总辐射和空气水汽压亏缺进行拟合,分析大岗山不同种源杉木树干液流特征对气象因子及土壤水分动态的响应。结果表明:不同杉木种源树干液流日变化随总辐射和空气水汽压亏缺呈现明显的昼高夜低的变化规律,且差异显著(P 0郾 01),其中来自江西铜鼓的种源树干液流密度最高。土壤含水量相对充足时期(RSP)树干液流密度峰值高于土壤含水量相对亏缺时期(RDP),来自江西修水的种源在 2 种水分条件下液流密度变化幅度最小且液流密度最低,适合在水分条件差的区域种植。不同种源树干液流密度在 2 个时期对气象因子的拟合方程表明,在 RSP 液流密度上升的速率高于 RDP,RSP 影响树干液流的主要因子是饱和水汽压差,RDP 饱和水汽压差影响树干液流的因子是总辐射。该研究揭示不同种源的抗旱特性及对干旱的响应机制,可为我国南方不同地区杉木人工林的可持续经营和林地水资源的有效管理提供科学参考。关键词:杉木种源;液流密度;土壤含水量;气象因子;大岗山地区中图分类号:S718郾 5文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2023)05鄄0099鄄07DOI:10.16843/j.sswc.2023.05.011收稿日期:2022 02 17摇 修回日期:2023 07 27项目名称:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项“大岗山杉木种源林水文功能性状与水分利用效率研究冶(CAFYBB2020ZE003);江西大岗山森林生态系统国家野外科学观测研究站(206050320201)第一作者简介:许庭毓(1997),男,博士研究生。主要研究方向:森林生态系统长期监测。E鄄mail:545566961 覮 通信作者简介:牛香(1982),女,博士,研究员。主要研究方向:森林生态系统长期监测与网络管理。E鄄mail:Responses of sap flow characteristics under different Chinese fir provenancesto meteorological factors under different soil moisture conditionsXU Tingyu1,2,3,NIU Xiang1,2,3,WANG Bing1,2,3,SONG Qingfeng1,2,3,WANG Nan1,2,3,SUN Jianjun4,LIU Ru4(1.Ecology and Nature Conservation Institute,Chinese Academy of Forestry,100091,Beijing,China;2.Key Laboratory of Forest Ecology and Environment,National Forestry and Grassland Administration,100091,Beijing,China;3.Dagangshan National Key Field Observation and Research Station for Forest Ecosystem,336606,Fenyi,Jiangxi,China;4.Experimental Center of Subtropical Forestry,Chinese Academy of Forestry,336600,Xinyu,Jiangxi,China)Abstract:BackgroundChinese fir is a common afforestation tree species in southern China.Underthe background of climate change,droughts frequently occur.Studying the water transfer process of foresttrees under special weather conditions can provide a basis for predicting the characteristics of transpiration摇中国水土保持科学2023 年water consumption in future scenarios.Methods We used the Granier thermal diffusion sap flow probe(TDP)to observe the sap flow of Chinese fir from March to July,and the soil moisture dynamics weremeasured by the AZS100TDR,the meteorological factors such as the solar radiation,air temperature,relative air humidity,and rainfall were simultaneously observed.The saturation index curve was used torespectively fit the sap flow density,solar radiation and air vapor pressure deficit to analyze the influenceof the sap flow characteristics of different provenances of Chinese fir in Dagangshan on the meteorologicalfactors and the response of soil moisture dynamics.Results 1)The diurnal changes of sap flow ofdifferent Chinese fir provenances showed obvious changes in day and night with solar radiation and airvapor pressure deficit,and the difference was significant(P 1 号 6 号 5 号 8 号 3 号 9 号 10 号 4 号 2 号,在RDP,液流密度峰值由大到小的顺序为 7 号 1 号 6 号 5 号 8 号 9 号 10 号 3 号 4 号 2 号,各个种源从 RSP 到 RDP 液流密度峰值的降幅排序为 3 号 1 号 8 号 5 号 7 号 9 号 10 号 6 号 4 号 2 号,说明 2 号种源在土壤缺水环境适应能力较强。将 10 个种源液流密度在不同土壤含水量条件下进行比较(表 2)。在 RSP 或 RDP,10 个种源液流密度差异显著(P 0郾 01),除 6 号种源外,各种源在2 个时期的液流密度表现出差异极显著(P 0郾 01),表现为 RSP 大于 RDP,说明不同杉木种源树干液流对土壤含水量的差异反应比较敏感。表 2摇 不同杉木种源在 2 种土壤水分条件下的液流密度Tab.2摇 Sap flow density of different provenances undertwo soil moisture conditions种源编号No.ofprovenance土壤含水量相对充足时期RSP土壤含水量相对亏缺时期RDP11郾 813 4 依0郾 682 3*2郾 842 3 依0郾 805 0*a20郾 625 0 依0郾 184 5*0郾 728 9 依0郾 149 2*a31郾 050 0 依0郾 547 8*1郾 839 0 依0郾 410 1*a40郾 824 5 依0郾 381 5*1郾 080 7 依0郾 182 1*a51郾 332 5 依0郾 527 1*1郾 982 2 依0郾 481 1*a61郾 800 1 依0郾 612 8*2郾 156 5 依0郾 619 2*b72郾 358 1 依0郾 581 9*3郾 342 1 依0郾 532 6*a81郾 249 0 依0郾 449 4*1郾 624 4 依0郾 276 3*a91郾 249 5 依0郾 267 1*1郾 780 6 依0郾 309 7*a101郾 227 4 依0郾 316 5*1郾 499 4 依0郾 439 3*a摇 注:*:组内差异显著(P 0郾 05);*:组内差异极显著(P 0郾 01),同一列中,与 RDP 时期相比,a:差异极显著(P 0郾 01),b:差异显著(P 0郾 05)。Notes:*:significant within鄄group differences(P 0郾 05);*:significant within鄄group differences(P 0郾 01).Inthe same column,a:significant differences(P 0郾 01)and b:signifi鄄cant differences(P 0郾 05)compared to RDP.201摇摇 第 5 期许庭毓等:不同土壤水分条件下杉木种源树干液流特征对气象因子的响应3郾 2摇 树干液流对气象因子的响应树木蒸腾耗水过程在短的时间尺度上的变化特征取决于水汽压提供的蒸腾拉力及对能量的需求,即 VPD 和 Rs的影响19。为了进一步阐明不同种源的树干液流密度在不同土壤水分条件下对气象因子的相应,分析不同水分条件下液流密度与 VPD、Rs在 RSP 的响应关系。笔者采用饱和指数方程y=c+a(1-e(-bx)对液流密度与气象因子进行拟合分析,其中 a,b,c 为拟合参数;y,x 为相应变量。树干液流与气象因子的回归方程见表 3,总体上看,RSP 拟合程度较 RDP 好。在 RSP,液流密度受 VPD影响较大,在 RDP 受 Rs影响较大,表明土壤含水量较低时,总辐射中的潜热通量以水为介质发生能量传输,因此总辐射带来的能量是液流启动的主要动力。从方程中还可以看出,方程的参数随种源和土壤含水量的高低有所不同,其中的参数 b 值表示各曲线达到饱和值的速率,b 值越大表明液流密度上升越迅速。总体上看,RSP 树干液流上升速率在受Rs影响的情况下低于 RDP,而受 VPD 影响树干液流上升速率高于 RDP,主要与土壤的水分供应情况有关。从各种源树干液流速率对 VPD 的响应在不同土壤含水量的情况来看,3 号种源对土壤水分变化敏感性最高,RDP 相对于 RSP 时期 b 值下降13郾 63%,表明该种源对环境的适应能力较强;1 号种源对土壤水分变化敏感性最低,b 值的变化幅度为 3郾 39%。表 3摇 不同种源树干液流密度与气象因子的关系Tab.3摇 Relationship between sap flow density and meteorological factors of different provenances种源Provenance总辐射Solar radiation Rs/(kW/m2)R2饱和水气压差Vapor pressure deficit VPD/kPaR21y=0郾 124 4+0郾 550 5(1-e-0郾 001 7x)0郾 697 2y=0郾 082 7+2郾 402 2(1-e-0郾 182 7x)0郾 780 42y=0郾 043 2+0郾 443 8(1-e-0郾 001 8x)0郾 758 3y=0郾 083 1+0郾 408 8(1-e-0郾 200 1x)0郾 841 13y=0郾 041 9+1郾 414 6(1-e-0郾 001 8x)0郾 791 4y=0郾 083 3+1郾 373 2(1-e-0郾 190 8x)0郾 794 74y=0郾 043 4+0郾 814 8(1-e-0郾 001 9x)0郾 773 6y=0郾 084 3+0郾 773 9(1-e-0郾 188 6x)0郾 800 5土壤含水量相对5y=0郾 039 7+1郾 439 8(1-e-0郾 001 6x)0郾 775 4y=0郾 082 1+1郾 397 3(1-e-0郾 185 2x)0郾 814 3充足时期 RSP6y=0郾 043 2+1郾 637 3(1-e-0郾 001 7x)0郾 696 6y=0郾 080 2+1郾 600 3(1-e-0郾 175 7x)0郾 736 77y=0郾 045 0+3郾 085 6(1-e-0郾 001 8x)0郾 691 9y=0郾 082 8+3郾 047 8(1-e-0郾 184 6x)0郾 799 38y=0郾 041 3+1郾 233 5(1-e-0郾 001 6x)0郾 744 8y=0郾 081 7+1郾 193 2(1-e-0郾 176 4x)0郾 750 69y=0郾 044 3+1郾 267 2(1-e-0郾 001 7x)0郾 774 5y=0郾 083 0+1郾 228 5(1-e-0郾 186 8x)0郾 808 910y=0郾 040 6+1郾 354 7(1-e-0郾 002 0 x)0郾 668 7y=0郾 084 6+1郾 310 7(1-e-0郾 182 5x)0郾 737 81y=0郾 153 5+0郾 521 3(1-e-0郾 002 4x)0郾 620 9y=0郾 124 3+0郾 550 5(1-e-0郾 176 5x)0郾 567 32y=0郾 078 2+0郾 216 6(1-e-0郾 002 4x)0郾 710 1y=0郾 093 3+0郾 201 5(1-e-0郾 188 1x)0郾 498 63y=0郾 136 9+0郾 074 8(1-e-0郾 002 0 x)0郾 667 7y=0郾 080 5+0郾 131 3(1-e-0郾 164 8x)0郾 449 84y=0郾 104 5+0郾 024 5(1-e-0郾 002 2x)0郾 673 9y=0郾 097 4+0郾 031 6(1-e-0郾 173 2x)0郾 426 5土壤含水量相对5y=0郾 110 6+0郾 124 8(1-e-0郾 001 9x)0郾 728 6y=0郾 061 2+0郾 174 2(1-e-0郾 172 8x)0郾 515 7亏缺时期 RDP6y=0郾 234 7+1郾 123 3(1-e-0郾 004 8x)0郾 575 8y=0郾 046 6+1郾 311 5(1-e-0郾 163 8x)0郾 594 47y=0郾 320 7+1郾 344 5(1-e-0郾 004 4x)0郾 625 7y=0郾 114 9+1郾 550 3(1-e-0郾 177 4x)0郾 602 38y=0郾 250 9+0郾 272 8(1-e-0郾 002 7x)0郾 608 0y=0郾 102 0+0郾 421 7(1-e-0郾 164 1x)0郾 597 19y=0郾 109 2+0郾 811 4(1-e-0郾 003 2x)0郾 708 9y=0郾 107 2+0郾 813 5(1-e-0郾 175 7x)0郾 583 010y=0郾 232 6+0郾 504 4(1-e-0郾 003 1x)0郾 660 8y=0郾 105 7+0郾 631 3(1-e-0郾 171 0 x)0郾 641 14摇 讨论与结论在不同的土壤含水量条件下,树干液流的特征不同,在土壤含水量相对亏缺时,土壤供给林木蒸腾作用的水分较少,蒸腾作用减弱,杉木种源的树干液流密度极大值会降低9 10,20 21。在 RSP,土壤水分充足,气孔打开,根系吸收的大部分土壤水用于蒸腾,木质部水力导度提高,液流密度较大;在 RDP,为了应对水分胁迫,树木通过调节气孔行为,降低自身蒸腾速率以保证正常的生理活动,此时树木导水率较低,液流密度值相对下降。不同种源树干液流差异性显著(P 0郾 01),且对土壤水分和气象因子的响应不同,主要受到树形因子和水力结构的影响22,7 号种源 2 个时期液流密度峰值都为最高,主要与其根系分布较深,植被生理活动较旺盛有关,在不同土壤水分条件下,气孔均保持打开状态,根系吸收的水分在蒸腾拉力的作用下通过木质部运输到冠层,发生蒸散;而 2 号种源虽301摇中国水土保持科学2023 年然液流密度峰值最低,但是其对干旱条件的适应能力最强,由 RDP 到 RSP 液流密度峰值降低 6郾 37%,主要可能是因为该种源树干储存水较多,对蒸腾的调节能力较强。饱和指数回归的模拟结果可以说明,气象因子的变化会影响气孔的调节功能从而影响林木的蒸散。方程中的 b 值可以表征液流密度上升的能力,各种源 RSP 较 RDP 的 b 值高主要由于土壤含水量相对充足的条件下,植物导水率较高,液流密度上升速率较快,使其更快的达到饱和值;土壤含水量相对亏缺时植物蒸腾受到抑制,液流密度上升速率较慢,与吴旭等23和 Zhang 等24研究结果一致。从各种源树干液流速率对 VPD 的响应在不同土壤含水量的情况来看,3 号种源对土壤水分变化敏感性最高,RDP 相对于 RSP b 值下降 13郾 63%,主要是因为其导水面积大,在不同水分条件下树干液流密度对气象因子反应更加剧烈,对环境的适应能力较强,对水分的利用更有效。研究25表明树干液流主要的驱动因子是 VPD,尤其是在热带亚热带地区该种关系更为明显。由于 VPD 为树干液流提供蒸腾拉力,而土壤水分条件越好,可供蒸腾的水分就越多,二者之间的关系就更为显著26。Whitley 等27发现,综合考虑 Rs、VPD 和土壤水分状况提出的蒸腾模型可以更好地估算林分用水量,因此在气候变化背景下研究不同土壤水分条件下液流的驱动因子对于大尺度水分循环的研究具有重要意义。研究表明,不同杉木种源树干液流日变化随Rs、VPD 呈现明显的昼高夜低的变化规律,且差异显著,其中来自江西铜鼓的种源树干液流密度最高。土壤水分条件会对树干液流产生影响,土壤水分充足 RSP 树干液流密度峰值高于土壤水分亏缺 RDP,来自江西修水的种源在 2 种水分条件下液流密度变化幅度最小,蒸腾耗水量也最少,适合在水分条件差的地区种植。不同种源树干液流密度在 2 个时期对气象因子的拟合方程表明,在 RSP 影响树干液流的主导因素是 VPD,在 RDP 影响树干液流的主导因素是 Rs。5摇 参考文献1摇 王文杰,孙伟,邱岭,等.不同时间尺度下兴安落叶松树干液流密度与环境因子的关系J.林业科学,2012,48(1):77.WANG Wenjie,SUN Wei,QIU Ling,et al.Relationsbetween stem sap flow density of Larix gmelinii and envi鄄ronmental factors under different temporal scaleJ.Sci鄄entia Silvae Sinicae,2012,48(1):77.2摇 孙旭,杨文慧,焦磊,等.不同时间尺度北京蟒山油松树干液流对环境因子的响应研究J.生态学报,2022,42(10):4113.SUN Xu,YANG Wenhui,JIAO Lei,et al.Relationshipsbetween sapflux density of Pinus tabuliformis trees andenvironmental factors at different temporal scales in Mang鄄shan National Forest Park in Beijing,ChinaJ.ActaEcologica Sinica,2022,42(10):4113.3摇 樊敏,马履一,王瑞辉.刺槐春夏季树干液流变化规律J.林业科学,2008,44(1):41.FAN Min,MA L俟yi WANG Ruihui.Variation of stemsap flow of Robinia 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