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毛白杨茎干夜间液流时空动态及其环境影响因子

范云翔, 邸楠, 刘洋, 章毓文, 段劼, 李新, 王海红, 席本野

植物生态学报 2023, 47 (2): 262-274. DOI: 10.17521/cjpe.2022.0162

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为了更深入地理解树木茎干夜间水分活动机制, 该研究针对华北平原典型杨树(Populus spp.)人工林夜间液流和茎干充水的时空动态及其环境影响因子进行探究。该研究以雨养条件下毛白杨(Populus tomentosa)为研究对象, 在不同生长时期, 利用热扩散法对茎干不同高度处液流速率进行连续监测, 对土壤含水率以及气象因子进行同步测定, 对比不同时期各高度夜间液流动态及其与环境因子的相关关系。结果显示: 雨季前, 茎干0.35和1.30 m处夜间液流占日总液流量的比例显著高于雨季后, 而雨季后茎干7.00 m处夜间液流占比提高了49%。雨季前, 茎干各高度处夜间液流速率同步性较高, 且随茎干高度增加逐渐递减。雨季后, 夜间用水主要来源由根系吸水转变为下部茎干储水, 基部夜间液流速率降低66%, 不同高度夜间液流的空间特征也发生变化。雨季前后, 4.00-7.00 m茎段为茎干充水的主要发生部位, 平均日充水量达4.16 L, 而1.30-4.00 m茎段充水量明显低于其他高度茎段, 可能主要发挥输水功能。水汽压亏缺、气温和3 m深土壤含水率对雨季前后各高度处夜间液流均有显著的正向驱动作用, 但这种驱动作用在雨季后明显减弱, 且在不同高度间存在一定差异。

时期 Period	茎干高度 Stem height (m)	SWC_{0-1 m}	SWC_{1-2 m}	SWC_{2-3 m}	SWC_{3-4 m}	SWC_{4-5 m}	SWC_{5-6 m}
雨季前 Before rainy season	0.35	-0.757^**	-0.606^*	0.669^*	-0.827^**	-0.725^**	-0.610^*
	1.30	-0.437	-0.140	0.623^*	-0.510	-0.587^*	-0.590^*
	7.00	-0.769^**	-0.640^*	0.679^*	-0.833^**	-0.737^**	-0.630^*
雨季后 After rainy season	0.35	-0.084	-0.007	-0.030	-0.136	0.210	0.280
	1.30	-0.122	0.052	0.294	0.294	-0.154	-0.274
	7.00	-0.536^*	-0.306	0.267	-0.021	-0.162	-0.175

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表3 土壤含水率(SWC)与夜间液流速率的相关性

正文中引用本图/表的段落

不同高度夜间V_s与0-6 m SWC的相关关系如表3所示。雨季前, 0.35和7.00 m处的夜间液流速率对1-6 m的SWC均有明显响应, 夜间V_s与SWC_{2-3 m}呈正相关关系, 与其余各土层SWC均呈负相关关系。而1.30 m处夜间V_s仅与SWC_{2-3 m}呈显著正相关关系, 与SWC_{4-5 m}和SWC_{5-6 m}呈显著负相关关系。雨季后, 夜间液流速率与各土层SWC的相关性明显减弱, 只有7.00 m处夜间V_s与SWC_{0-1 m}呈显著负相关关系。

雨季前, 毛白杨茎干0.35、1.30和7.00 m高处的夜间V_s与除3 m外的SWC均呈负相关关系(表3), 这与Chen等(2020)和Pfautsch等(2018)的研究结果相似。在干旱的土壤环境中, 夜间V_s未受土壤水分的限制而降低, 反而呈现升高趋势。首先, 这是因为土壤水分供应不足导致树木白天需要消耗更多的茎干储存水, 一方面用于满足蒸腾耗水需求, 另一方面降低水分供应不足可能造成的水力失败风险。消耗的茎干储存水则需要依赖夜间液流进行补充, 以维持次日日间蒸腾的顺利进行。其次, 土壤干旱导致夜间V_s升高可能还与树木夜间进行的导管空穴化和栓塞修复有关, 夜间液流的这一功能已经被已有研究证实(Pfautsch et al., 2011)。此外, 环境潜在蒸发量和林木的实际蒸腾量在雨季前均处于较高水平, 且考虑到毛白杨在浅土层中分布有大量吸收根(邹松言等, 2019), 所以上层(0-2 m)土壤水分受强烈的日间土壤蒸发与根系吸水的消耗, 随茎干V_s的升高而降低。加之本研究中日间与夜间液流量呈正相关关系, 故上层SWC与夜间V_s最终也表现为负相关关系。相比于上层土壤, 深层(4 m以下)土壤水分受降雨和蒸发影响相对较小, 加之与地下水的连接紧密, 其变化幅度相对上层土壤较为微弱(图1), 但雨季前总体均呈小幅度的上升趋势(7月上旬上升较为明显)。而该阶段的夜间V_S则呈逐渐降低趋势(附录), 因此, 夜间V_s与4 m以下的深层SWC间的负相关关系主要是由二者间相反的季节变化趋势所致。

与其他各土层不同, 3 m深SWC总体呈下降趋势, 即便在强降雨后依然未升高。值得一提的是, 3 m深土壤水分降低的同时往往伴随着其上层(2 m)土壤水分的增加。前期在相同毛白杨林分中观测到的根系逆向液流和水力提升现象(Liu et al., 2021)表明, 这可能是由于毛白杨林分在夜间或蒸腾较低时发生的根系水力再分配将深层相对充足的土壤水分提升至上层土壤中, 导致3 m深的SWC与其上层土壤水分变化趋势相反, 从而间接造成其与夜间V_s间的正相关关系。此外, 1.30 m高处的夜间液流速率在7月末的日变化特征与其他两个高度相反, 所以该高度夜间V_s与土壤水分间的相关性较弱, 这可能与该阶段1.30 m处夜间液流速率的标准误较高有关。雨季充足的降水提高了土壤表层水分, 但却削弱了SWC与夜间V_s间的相关性。可能存在以下原因: 第一, 植物日间蒸腾受物候影响逐渐降低, 减少了对土壤水分的需求和消耗; 第二, 9月仍有较充足的降水发生, 及时补充了土壤水分; 第三, 雨季后的毛白杨夜间用水主要依赖下部茎干储水, 降低了对土壤水分的依赖性。因此, 雨季后, SWC不再成为限制毛白杨蒸腾的主要原因, 故雨季后3个高度的夜间液流速率与SWC基本无显著的相关性。

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