毛乌素沙地东北部典型林场新疆杨（ Populus alba var. pyramidalis ）液流特征

图1 研究区示意图

Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2　数据来源与处理

监测的气象和土壤因子包括太阳辐射、空气温度（2 m高度）、相对湿度（2 m高度）、风速（10 m高度），地表土壤热通量板埋在土壤表层5 cm的深度，净辐射通过四分量辐射仪获得，饱和水汽压差通过观测的气象因子计算获取^［20］。土壤温度和土壤湿度传感器安装的深度分别为10、20、30、40、50、60、80、100、120、140 cm。仪器选择太阳能板驱动，传感器以DT80作为数据采集器，观测系统的采样间隔均为10 s，每10 min记录1次平均值，仅有雨量筒每l min记录1次，采样精度为0.1 mm。观测时间从2014年5月22日至2014年10月31日，覆盖新疆杨整个生长季，选择林场中两棵生长良好、茎干通直圆满、胸径符合液流探头规格的新疆杨作为标准木，树种株距2 m，树龄9 a，平均树高10.3 m，平均胸径8.8 cm。选用SGA70型号规格的仪器对标准木进行液流监测，该仪器的具体安装步骤及注意事项等可参考相关文献^［36］。仪器基于能量平衡原理对树干液流进行测量，主要原理如下：

P_{i n} = Q_{r} + Q_{v} + Q_{f} + Q_{s}

（1）

式中：P_in为热量输入（W）；Q_r为径向散热（W）；Q_v为竖向导热（W）；Q_f为液流带走的热量（W）。

Q_s以能量的形式储存在茎干内（W），计算如下：

Q_{s} = C_{s t} \frac{d T_{s t}}{d t}

（2）

式中：C_st为茎干热容（J·K^-1）；t为时间；T_st为被加热茎干的平均温度（W）。

在不考虑Q_s的情况下液流带走的热量为：

Q_{f} = P_{i n} - Q_{v} - Q_{r}

（3）

竖向热量传导为：

Q_{v} = \frac{K_{s t} \cdot A \cdot (B h - A h) \cdot 0.040}{d X \cdot 10}

（4）

式中：K_st为茎干热传导速率（W·m^-1·K^-1）；A为茎干横截面积；Ah为竖向热电偶电压（mV）；Bh为竖向热电偶电压（mV）；dX为热电偶的结点间距（mm）。

径向热量传导计算公式为：

Q_{r} = K s h \cdot C h

（5）

式中：Ch为径向散热热电偶电压（mV）；Ksh为被裹植物的导热速率（W·mV^-1），在液流为零时，Ksh由式（3）、（5）可得：

K s h = \frac{P_{i n} - Q_{v}}{C h}

（6）

竖向两热电偶电压和的平均值为：

d T = \frac{(A h + B h) \cdot 0.040}{2}

（7）

式中：dT为两个温度监测点间的液流温度变化（℃）；由此可得液流速率为：

F = \frac{Q_{f}}{C_{p} \cdot d T}

（8）

式中：C_p为水的比热4.168（J·g^-1·℃^-1）；F为观测的植物液流速率（g·h^-1）。

最后利用Excel 2019对观测的气象和土壤因子与新疆杨液流进行不同时间尺度的分析，通过SPSS19对新疆杨液流与各因子进行相关分析，最后使用逐步回归对液流速率与各因子进行回归分析。

2 结果与分析

2.1　新疆杨液流速率变化特征

2.1.1　不同天气条件液流变化特征

研究选取3种典型天气，分别为雨天、阴天、晴天3种情况，时间依次为2014年5月23日、5月24日、6月7日。3种典型天气条件下，新疆杨树干液流变化基本一致，上午液流逐渐上升，午后出现峰值，而后逐渐下降，呈现日高夜低的单峰曲线，但液流出现峰值的时间存在差异（图2）。雨天和阴天为06:00开始启动，晴天液流在05:00开始启动；雨天在11:00达到峰值，为0.69 L·h^-1，阴天在13:00达到峰值，为2.23 L·h^-1，晴天液流在14:00达到峰值，为2.39 L·h^-1；之后液流均急剧下降逐渐减小后趋于零。不同天气条件下液流速率日变化规律差异明显，晴天液流速率最大，而雨天波动幅度较小，阴天介于二者之间，且雨天液流速率显著减小。晴天液流峰值稍大于阴天，雨天液流量进一步减小，雨天液流量最小，日液流总量仅为2.22 L，而阴天与晴天日液流总量分别为12.56、16.38 L。在发生降雨的起始阶段，植物蒸腾作用依旧会进行一段时间，随着降雨持续一段时间后，液流才会趋于零。

图2

图2 典型天气新疆杨液流速率日变化特征

Fig.2 Characteristics of daily changes in sap flow rate of Populus alba var. pyramidalis during typical weather conditions

2.1.2　液流速率日变化特征

观测期间（2014年5月22日至2014年10月31日）新疆杨日均液流速率变化大（图3），最大液流量达0.99 L·h^-1，时间为7月26日；最小液流量为0，主要在9月14日之后。降雨对液流影响较大，7月6—10日出现连续降雨天气，7月9日液流速率急剧下降到0.12 L·h^-1；9月21—22日连续降雨天气，9月23日液流速率下降到0。连续降雨的天数里，新疆杨液流都出现一个谷值，而雨后液流又会出现一个峰值，7月26日达到观测期内日均液流速率峰值。当有降雨事件发生后，液流减小的幅度愈加明显，而降雨过后，液流迅速回升并达到一个高峰而后下降，雨天对于新疆杨液流速率具有抑制作用，液流量的多少与降水的频次密切相关。在2014年5月22日至10月31日，新疆杨日平均液流量为10.56 L。

图3

图3 新疆杨液流速率日变化

Fig.3 Daily variation of Populus alba var. pyramidalis sap flow rate

2.1.3　液流速率月变化特征

在观测期内，新疆杨各月平均液流速率差异显著，变化幅度较大，最高月平均液流速率约为最低月平均液流速率的3.5倍。新疆杨在观测期间各月累计液流量大致呈“S”型增长曲线分布（图4），6、7月累计液流量曲线的斜率大体相同，5、8、9月累计液流量曲线的斜率基本呈递增趋势，10月累计液流量曲线的斜率最小。各月份累计液流量在06:00之前和18:00之后的曲线斜率较为平缓。5、6、7、8、9、10月的日累计液流量分别为12.12、14.07、14.08、11.60、8.73、3.92 L，6、7月的液流量相当，5、8月的液流量相当，9、10月液流量最少，5—10月总液流量为1 722.53 L，新疆杨主要的耗水时间为5—8月。

图4

图4 新疆杨各月累计液流量

Fig.4 Monthly cumulative sap flow of Populusalba var. pyramidalis

2.2　液流速率与环境因子的关系

2.2.1　新疆杨液流速率与环境因子的相关性

不同环境因子与新疆杨液流速率之间存在不同程度的相关性（表1），液流量与气温、太阳辐射、饱和水汽压差、土壤热通量、净辐射、土壤温度、降雨呈正相关，与相对湿度、土壤湿度和降水呈负相关，与风速不相关，相关系数绝对值依次为净辐射（0.656）>饱和水汽压差（0.641）>气温（0.634）>太阳辐射（0.625）>土壤热通量（0.605）>土壤温度（0.467）>土壤湿度（0.340）>相对湿度（0.233）>降雨（0.178）>风速（0.012），其中新疆杨液流与净辐射、饱和水汽压差、气温、太阳辐射、土壤热通量相关系数相当，都显著强正相关，与土壤温度、土壤湿度显著较强正相关，与相对湿度和降雨显著负相关。整体上，气象因子对新疆杨的影响要大于土壤因子。

表1 新疆杨液流速率与环境因子的相关性系数

Table 1 Correlation coefficients between sap flow rates of Populus alba var. pyramidalis and environmental factors

指标	液流速率	气温	太阳辐射	相对湿度	饱和水汽压差	土壤热通量	土壤湿度	土壤温度	风速	降雨	净辐射
液流速率	1
气温	0.634^**	1
太阳辐射	0.625^**	0.602^**	1
相对湿度	-0.233^**	-0.263^**	-0.650^**	1
饱和水汽压差	0.641^**	0.996^**	0.642^**	-0.306^**	1
土壤热通量	0.605^**	0.708^**	0.843^**	-0.573^**	0.734^**	1
土壤湿度	-0.340^**	-0.554^**	-0.221^**	0.007	-0.559^**	-0.243^**	1
土壤温度	0.467^**	0.765^**	0.262^**	0.130	0.747^**	0.270^**	-0.726^**	1
风速	-0.012	0.080	0.061	-0.129	0.071	0.105	0.146	-0.079	1
降雨	-0.178^*	0.143	-0.318^**	0.324^**	0.122	-0.155^*	-0.230^**	0.275^**	0.068	1
净辐射	0.656^**	0.658^**	0.891^**	-0.440^**	0.685^**	0.772^**	-0.321^**	0.424^**	0.058	-0.174^*	1

注：*和**分别表示在P<0.05水平显著相关和P<0.01水平极显著相关。

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2.2.2　新疆杨液流速率与环境因子的回归分析

对液流速率与10个环境因子进行逐步回归分析，建立新疆杨液流速率与环境因子的最优多元线性模型。以新疆杨液流速率为因变量（y），以净辐射（X₁）、气温（X₂）、土壤湿度（X₃）、降雨（X₄）为自变量，建立最优线性回归方程，y=2.801X₁+21.331X₂-9.483X₃-6.478X₄，其中相关系数为0.949。通过液流速率与多种环境因子的回归分析发现，影响新疆杨液流变化的主要环境因素是净辐射、气温、土壤湿度和降雨，而相关性分析中最大影响因子也是净辐射，说明净辐射对于新疆杨液流影响最大。

3 讨论

3.1　新疆杨液流速率变化特征对比

以往对新疆杨液流的对比讨论中，绝大多数学者都是与不同树种或相似树种进行对比分析，很少将同一树种进行系统的对比分析。本研究中新疆杨液流速率大体呈“几”字形变化的单峰曲线特征，这与桑玉强等^［2］、段玉玺等^［16］、钟红云等^［19］、党宏忠等^［20］、赵明等^［37］测定的新疆杨树干液流特征一致。但屈艳萍等^［38］指出，新疆杨液流会出现“午休”现象，树干液流变化呈双峰曲线；宋金堆等^［18］观测的新疆杨液流白天呈多峰曲线，可能是这两个研究区新疆杨有人工灌溉，树木受水分胁迫的影响相对较小，导致出现双峰或多峰的现象。无论是以上哪个研究者的观测结果，都可以得出新疆杨液流量在晴天时最大，而雨天液流波动幅度较小且显著减弱，阴天介于二者之间；夜间液流每个时刻不全为零，并且前半夜的液流量大于后半夜，这可能是因为植物白天蒸腾强烈，对茎干内储存的水分消耗过大，植物需要夜间进行根系吸水来补充白天茎干损失的水分^{［23，31，34］}。雨天发生降水的起始阶段，新疆杨并没有立即停止光合作用，植物蒸腾作用依旧会进行4 h，随着降水持续一段时间后，液流才会趋于零（图2），说明太阳辐射强度减弱后新疆杨依旧会进行蒸腾作用。晴天液流变化曲线相较于阴天不平滑，这可能是因为晴天林内树阴和阴天不稳定的天气条件对新疆杨的蒸腾有一定影响。

本文站点新疆杨液流的月内日平均蒸腾量分别为7月>6月>5月>8月>9月>10月，这与屈艳萍等^［14］的顺序基本相同，两者的5月和8月的液流量不同，但差异较小，原因可能是本文站点中5月只有10天，求取日平均的液流量相对较大；钟红云等^［19］的研究为6月>7月>5月>8月>9月>10月，液流量的顺序基本与本文完全一致，6月和7月虽然有差异，但这两个月的液流量差异很小。但宋金堆等^［18］的研究为8月>7月>6月>5月>9月，桑玉强等^［2］的研究为6月>5月>7月>4月>8月>9月，并且5月和8月的液流量存在较大差异，6月和7月的液流量也存在较大差异，不同站点月内日均液流量存在差异的原因可能是人工灌溉和降水在空间上存在较大的异质性。从以上观测站点的已知数据来看，新疆杨液流主要的耗水时间集中在5—8月，这也进一步印证了5—8月是新疆杨生长的旺季，这一时期一旦缺水，新疆杨的生长可能就会受阻。由于只有桑玉强等^［2］监测了新疆杨液流4月的数据，从分析的结果来看，4月也是主要的耗水期，但其他区域是否也存在这样的特征，还需要进一步观测后进行分析。

3.2　新疆杨液流与环境因子的关系

在日尺度上，新疆杨液流与饱和水汽压差、气温、太阳辐射的相关性都较高，与风速都很低，这与桑玉强等^［2］、屈艳萍等^［38］、李春萍^［15］、段玉玺等^［16］、韩永贵等^［17］、宋金堆等^［18］、钟红云等^［19］研究的新疆杨结果一致。此外，新疆杨液流还与净辐射、土壤热通量、土壤温度的相关性较高。其中，与净辐射的相关性最高，这可能是因为净辐射更多地转化成了潜热通量为植物蒸腾作用提供更多的能量，类似的情况也在其他树种的观测中被发现^{［28，39-42］}。宋金堆等^［18］在巴彦淖尔市磴口县境内、李春萍^［15］在巴彦淖尔临河农场内、桑玉强等^［2］在毛乌素沙地乌审旗南部（图克苏木境内）研究新疆杨液流与气象因子的关系发现，这3个站中的新疆杨液流与相对湿度都有较高的相关性，相关系数分别为-0.912、-0.481、-0.477。同在沙地生长的新疆杨，在土壤类型相同、气温和太阳辐射基本一致的条件下，本文站点与其他3个站相对湿度的差异可能是导致两者相关性较低的直接原因。同时降水量的时空差异和人工灌溉导致不同站点的土壤水分有较大差异，从而会影响空气湿度，这是造成本文站点新疆杨液流与相对湿度相关性低的根本原因。宋金堆等^［18］研究的新疆杨液流与土壤湿度、相对湿度的相关系数分别为-0.301、-0.912，钟红云等^［19］研究的新疆杨液流与土壤湿度、相对湿度的相关系数分别为0.650、-0.315，本文站点的新疆杨液流与土壤湿度、相对湿度的相关系数分别为-0.340、-0.233。宋金堆等^［18］观测的新疆杨液流与土壤湿度的相关系数和本文基本一致，但相对湿度的相关性存在较大差异，这可能是两地的降水时空差异（前者年降雨量114 mm，本文站点的年降雨量为360 mm）和人工灌溉造成的。新疆杨液流（库布其沙漠杭锦旗，与本文站点同属鄂尔多斯高原北部）与土壤湿度正相关，与本文的结果完全相反，但相对湿度的相关性基本一样。同为沙地下垫面，在没有人工灌溉的条件下（杭锦旗表层土壤含水量约为8%，同样深度本文站点约为10%，杭锦旗年降雨量276.3 mm，本文站点年降雨量360 mm），造成如此大的反差可能是钟红云观测的新疆杨胸径较粗（12.7 cm），树木的根系更发育，植物毛细根部可以均匀稳定地吸收更多的地下水。

4 结论

不同天气条件下液流速率日变化规律差异明显，晴天液流速率最大，而雨天波动幅度较小，阴天介于二者之间，且雨天液流速率显著减小，5月23日、5月24日、6月7日3种天气日液流总量分别为2.22、12.56、16.38 L；峰值分别为0.69、2.23、2.39 L·h^-1，可见晴天和阴天的日液流总量、液流峰值都较为接近，雨天新疆杨仍有蒸腾作用。3种典型天气条件下，新疆杨都会对气象和土壤因子的变化做出及时响应，液流速率晴天值高，阴天值相对低，雨天液流值最低且持续时间短，夜间液流均波动平缓。

新疆杨日均液流变化浮动大，最大液流量达0.99 L·h^-1，最小液流量为0。在5—10月，毛乌素沙地的新疆杨各个月份液流速率有明显的变化规律，5、6、7、8、9、10月的日累计液流量分别为12.12、14.07、14.08、11.60、8.73、3.92 L，累计耗水量为1 722.53 L，在观测期间各月累计液流量呈“S”型增长曲线分布，5—8月为新疆杨的主要耗水期。

新疆杨液流与净辐射、饱和水汽压差、气温、太阳辐射、土壤热通量、土壤温度、土壤湿度、相对湿度、降水、风速等环境因子的相关系数分别为0.656、0.641、0.634、0.625、0.605、0.467、-0.340、-0.233、-0.178、-0.012。通过多元线性回归方法对于液流速率与10个气象和土壤因子进行逐步回归分析发现，净辐射对于液流速率的影响最大。

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王祥，韩淑颖，翟家齐，等.

潮河山区人工林树干液流特征及其对气象因子响应

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曹铨，王自奎，来兴发，等.

黄土高原苹果树生育期树干液流特征及其影响因子研究

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李宗阳，赵璐，邢立文，等.

猕猴桃树液流变化特征及对环境因子的响应

［J］.灌溉排水学报，2023，42（11）：11-18.