城市園林銀杏液流變化特征及其主要影響因子

馬靖涵，穆 艷，張 瑞，孫昊蔚，王 力,3*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，陜西 楊陵 712100；3.中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊陵 712100)

當(dāng)今世界城市化進(jìn)程不斷加快[1]，預(yù)計(jì)到2050年全球城市化率將達(dá)到65%[2]。城市化進(jìn)程的推進(jìn)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了以“熱島效應(yīng)”為代表的諸多負(fù)面影響[3]，而園林植被可以通過(guò)蒸散作用對(duì)大氣溫室效應(yīng)產(chǎn)生積極影響[4]，是改善城市熱環(huán)境最有效的方法之一[5-7]。為推動(dòng)城市園林的可持續(xù)發(fā)展，在高效節(jié)水的同時(shí)，更好地發(fā)揮綠化植物的生態(tài)效益，適地適樹(shù)打造生態(tài)園林城市，有必要明晰不同地區(qū)各個(gè)綠化樹(shù)種的蒸騰耗水規(guī)律。

蒸騰作用是植被耗水最主要的方式之一，樹(shù)干液流是水分從土壤通過(guò)木質(zhì)部導(dǎo)管提升至葉片的過(guò)程，占樹(shù)木蒸騰量的90%以上[8]，可以反映樹(shù)木的水分消耗特征[9]。液流速率的時(shí)空變化規(guī)律不僅受環(huán)境因素和土壤供水能力的影響和限制[10]，還與植被的樹(shù)齡、胸徑、邊材面積等影響自身傳輸導(dǎo)度的諸多因素有關(guān)[11]。對(duì)植物樹(shù)干液流較常用的測(cè)定方法是熱擴(kuò)散探針?lè)?TDP)，可用于動(dòng)態(tài)研究植被的蒸騰耗水規(guī)律[12]。李浩等[13]、盧志朋等[14]、崔鴻俠[15]分別對(duì)原生梭梭樹(shù)(Haloxylonammodendron)、樟子松(Pinussylvestris)、華山松(P.armandii)樹(shù)干液流進(jìn)行了連續(xù)的觀測(cè)，研究都表明，在小時(shí)尺度上，樹(shù)干液流啟動(dòng)時(shí)間和達(dá)到峰值的時(shí)間具有節(jié)律性，月尺度上，樹(shù)干液流通量具有季節(jié)性差異，具體的變化規(guī)律與地理環(huán)境和植物的物候期有關(guān)。目前，對(duì)樹(shù)干液流的研究大多集中在農(nóng)業(yè)和森林生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)中園林植被的研究還相對(duì)較少[16]。植物樹(shù)干液流的變化復(fù)雜多樣，有研究表明，同一地區(qū)的不同樹(shù)種，液流變化趨勢(shì)取決于不同的環(huán)境因子。王華等[17]研究了北京城區(qū)植物園中6類樹(shù)種樹(shù)干液流變化及其與環(huán)境因子的關(guān)系，結(jié)果表明銀杏(Ginkgobiloba)、七葉樹(shù)(Aesculuschinensis)、玉蘭(Yulaniadenudata)樹(shù)干液流速率變化更依賴于太陽(yáng)輻射，而刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(P.tabuliformis)、雪松(Cedrusdeodara)樹(shù)干液流速率的變化趨勢(shì)在上午響應(yīng)太陽(yáng)輻射的變化，在下午則與飽和水氣壓差的變化趨勢(shì)保持更好的一致性。相同樹(shù)種在不同地區(qū)的樹(shù)干液流特征也存在一定差異，例如黃雅茹等[18]和孫鵬飛等[19]都以梭梭樹(shù)為研究對(duì)象，分別在烏蘭布和沙漠和古爾班通古特沙漠進(jìn)行試驗(yàn)，前者樹(shù)干液流速率呈明顯的晝夜差異性，后者則沒(méi)有這種規(guī)律，全天呈平緩波動(dòng)。同一地區(qū)的相同樹(shù)種處于生長(zhǎng)期的不同階段，其液流變化以及對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)也有所不同，例如孫慧珍等[20]在帽兒山對(duì)白樺樹(shù)(Betulaplatyphylla)生長(zhǎng)初期、中期和末期的液流進(jìn)行分析，表明在生長(zhǎng)末期液流變化曲線不再是規(guī)律的晝夜變化，而是呈全天連續(xù)波動(dòng)型。

銀杏具有獨(dú)特的生物特性和景觀特性，陜西是栽培種植的重點(diǎn)省份之一，銀杏樹(shù)被廣泛應(yīng)用于當(dāng)?shù)爻鞘袌@林綠地建設(shè)[21]。本研究以典型的園林喬木銀杏為對(duì)象，對(duì)樹(shù)干液流進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，從不同樹(shù)齡、生長(zhǎng)季的不同時(shí)期、不同天氣狀況等多角度、多時(shí)間尺度研究園林綠地中銀杏的液流變化規(guī)律及其影響因素，從而探究不同季節(jié)和樹(shù)齡銀杏的蒸騰耗水規(guī)律，明確其作為綠化樹(shù)種的生態(tài)適應(yīng)能力，以期為該地區(qū)園林的配置造景和治理規(guī)劃提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地與試驗(yàn)材料

研究區(qū)位于陜西省楊陵區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)(108°09′E,34°24′N)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為12.9 ℃，年太陽(yáng)輻射總量為475.6×107J·m-2，年平均蒸發(fā)量為884.0 mm，降水集中在6-10月，年均降水量為637.6 mm[22]。西北農(nóng)林科技大學(xué)綠化層次豐富，校園綠地內(nèi)有399種綠化樹(shù)種，落葉喬木的種類約占41%，數(shù)量也最多[23]。銀杏作為代表性的落葉喬木，是重要的綠化建設(shè)樹(shù)種，在南校區(qū)共有812棵。本研究在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上選擇2處具有代表性的校園綠地為試驗(yàn)樣地。2處試驗(yàn)綠地主要栽植的喬木均為銀杏，樹(shù)齡分別是29 a和24 a，總占地面積分別為9 457 m2和46 800 m2。園內(nèi)還栽植有木槿(Hibiscussyriacus)、紅瑞木(Cornusalba)、碧桃(Amygdaluspersica)、丁香(Syzygiumaromaticum)、梅花(Armeniacamume)和玉蘭等多種花木。在2個(gè)樣地分別選擇樹(shù)干通直、長(zhǎng)勢(shì)良好的銀杏各3棵，作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)液流數(shù)據(jù)的樣樹(shù)(表1)。

表1 樣樹(shù)基本特征

1.2 研究方法

1.2.1 樹(shù)干液流速率測(cè)定 2020年5月至2021年5月采用熱擴(kuò)散法(TDP)，對(duì)6棵銀杏樹(shù)干液流進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。樣樹(shù)胸高(距地面1.3 m)處的正南方向安裝TDP探針(參考探針和加熱探針)，采集器CR1000自動(dòng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，銀杏樹(shù)干液流速率計(jì)算公式為[24]：

(1)

式中:V為液流速率/cm·h-1，ΔTmax為無(wú)液流時(shí)2個(gè)探針之間的最大溫差/℃，ΔT為瞬時(shí)溫差/℃。根據(jù)日累計(jì)液流通量和生長(zhǎng)錐測(cè)得的邊材面積，計(jì)算日蒸騰消耗水量。

(2)

式中:Fd為日尺度下單株植被的液流量/L，AS為樹(shù)干胸徑處邊材面積/cm2。

1.2.2 氣象因子的測(cè)定 常規(guī)氣象數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所氣象站獲取，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)輻射(Rs,W·m-2)、風(fēng)速(Ws,m·s-1)、空氣溫度(Ta,℃)、相對(duì)濕度(RH,%)、降雨量(Pr,mm)等。引入飽和水汽壓差(VPD,kPa)[25]，其計(jì)算公式為：

(3)

式中:Es為飽和空氣壓力/kPa。

1.2.3 土壤因子的測(cè)定 使用土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(EM 50)測(cè)定樣地5 cm和10 cm土壤溫度(ST5,ST10,℃)，使用中子儀(型號(hào)CNC503B)測(cè)定土壤體積含水量(SWC,%)。29 a銀杏試驗(yàn)地春季、夏季和秋季0～300 cm土層土壤含水量間無(wú)顯著差異，3個(gè)季節(jié)的平均值分別為26.4%、27.1%和25.9%(圖1)。

圖1 29 a銀杏試驗(yàn)地土壤體積含水量月變化

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2020和OriginPro 2020進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和繪圖，運(yùn)用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)，使用逐步剔除法建立多元回歸模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 小時(shí)尺度下樹(shù)干液流變化規(guī)律

2.1.1 生長(zhǎng)季旺盛期與盛末期樹(shù)干液流速率變化特征 從銀杏的生長(zhǎng)季旺盛期(6-8月)和盛末期(9-10月)各選取2個(gè)連續(xù)的晴天，分別為6月28-29日、10月2-3日，在小時(shí)尺度下對(duì)樹(shù)干液流變化特征進(jìn)行分析(圖2)。在生長(zhǎng)季旺盛期，24 a銀杏和29 a銀杏液流幾乎同時(shí)在6:30左右啟動(dòng)，下降至低谷和上升至峰值的時(shí)間也基本同步。24 a銀杏樹(shù)干液流速率的平均峰值為12.72 cm·h-1，29 a銀杏的平均峰值為18.99 cm·h-1。在盛末期，2種樹(shù)齡銀杏的液流啟動(dòng)時(shí)間也比較接近，均在7:30左右，全天液流速率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)也基本相同。24 a銀杏和29 a銀杏液流速率的平均峰值分別為2.14 cm·h-1和2.74 cm·h-1，盛末期2種樹(shù)齡液流速率峰值的差值小于生長(zhǎng)季旺盛期。植物在生長(zhǎng)季旺盛期與盛末期時(shí)自身生理調(diào)控有所不同，生長(zhǎng)季旺盛期為銀杏葉片和新梢的速生期，該時(shí)期液流早上的啟動(dòng)時(shí)間較盛末期提前約1 h，樹(shù)干平均液流速率表現(xiàn)為旺盛期比盛末期高5.07 cm·h-1。無(wú)論在生長(zhǎng)季旺盛期還是盛末期，銀杏都存在一定的夜間液流，不同月份白天蒸騰耗水量有所差異，但夜間耗水量無(wú)明顯差別。

圖2 24 a和29 a銀杏生長(zhǎng)季盛期和末期樹(shù)干液流速率日變化特征

2.1.2 不同天氣樹(shù)干液流速率變化特征 小時(shí)尺度上的液流速率變化曲線具有多樣性，圖3-圖5分別為春季、夏季和秋季不同天氣情況下29 a 銀杏樹(shù)干液流速率日變化特征。銀杏樹(shù)干液流速率日變化均呈現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律性，白天液流速率均大于夜晚，在晴天這種變化規(guī)律相較于雨天更加明顯，且同一季節(jié)的晴天液流速率顯著大于雨天(P<0.05)。

圖3 春季晴天和雨天液流速率與環(huán)境因子的日變化

圖4 夏季晴天和雨天液流速率與環(huán)境因子的日變化

圖5 秋季晴天和雨天液流速率與環(huán)境因子的日變化

在晴天，春、夏和秋季銀杏樹(shù)干液流速率分別于7:00、6:30和7:30開(kāi)始隨太陽(yáng)輻射的升高而穩(wěn)步升高，分別于12:30、11:00和13:30到達(dá)峰值，隨后逐步波動(dòng)下降，在20:00-22:00降到低谷。晴天，春季和夏季的銀杏液流速率變化曲線為“雙峰”形，出現(xiàn)“蒸騰午休”現(xiàn)象，秋季則呈現(xiàn)“單峰”型變化曲線。液流速率的峰值夏季>春季>秋季，并且在夏季維持峰值的時(shí)間最長(zhǎng)。在小時(shí)尺度上樹(shù)干液流相對(duì)更依賴于太陽(yáng)輻射的變化，環(huán)境因子對(duì)液流的影響存在季節(jié)差異性。液流與環(huán)境因子在小時(shí)尺度上的變化存在一定的時(shí)滯性。這種現(xiàn)象是由于植物夜間的組織補(bǔ)水作用，使得白天會(huì)對(duì)這部分儲(chǔ)存水進(jìn)行蒸騰；同時(shí)，導(dǎo)管或管胞的輸水效率也會(huì)造成這種時(shí)滯效應(yīng)[26]。

在雨天，影響銀杏樹(shù)干液流速率變化的主要環(huán)境因子是降雨，通過(guò)減輕樹(shù)木受到的水分脅迫，直接影響樹(shù)木的蒸騰作用。隨著降雨的形成，銀杏樹(shù)干液流速率大幅度降低，呈現(xiàn)不規(guī)則“多峰”形變化曲線。降雨結(jié)束后，液流速率有快速升高的趨勢(shì)。以夏季雨天為例，13:00發(fā)生降雨，液流速率低至0.41 cm·h-1，而隨著降雨結(jié)束，在16:00液流速率升高至1.32 cm·h-1，這一時(shí)段峰值是谷值的3倍左右。

2.1.3 樹(shù)干液流速率與環(huán)境因子的關(guān)系 土壤因子(溫度和濕度)和氣象因子都是影響植物液流的關(guān)鍵要素[27]，不同季節(jié)銀杏樹(shù)干液流速率的主導(dǎo)環(huán)境因子不同。分析表明，園林綠地銀杏樹(shù)干液流速率對(duì)氣象因子的響應(yīng)更強(qiáng)(表2、表3)。在春季和夏季，銀杏樹(shù)干液流速率與太陽(yáng)輻射的相關(guān)性最強(qiáng)，在秋季則與飽和水汽壓差的相關(guān)性最強(qiáng)。不同季節(jié)，銀杏樹(shù)干液流速率與淺層(5 cm和10 cm)土壤溫度存在一定的相關(guān)性。夏季和秋季液流速率與5 cm土壤溫度呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)(P<0.01)，而春季則沒(méi)有相關(guān)性。3個(gè)季節(jié)均與10 cm土壤溫度呈現(xiàn)顯著性相關(guān)(P<0.01)，夏季和秋季呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)，而春季則呈現(xiàn)顯著性負(fù)相關(guān)且相關(guān)系數(shù)最小。可以看出，雖然土壤因子的變化在一定程度上受溫度和太陽(yáng)輻射等影響，但與樹(shù)干液流速率相關(guān)性的季節(jié)性規(guī)律與氣象因子不盡相同。在城市園林中，會(huì)隨時(shí)根據(jù)不同天氣和土壤干濕狀況進(jìn)行及時(shí)合理的澆灌，土壤水分條件在各季節(jié)都保持較好，土壤含水量沒(méi)有明顯的季節(jié)性差異，因此土壤含水量可能不是城市園林銀杏樹(shù)干液流的關(guān)鍵制約因子。

表2 液流速率與氣象因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

表3 液流速率與土壤因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

為進(jìn)一步說(shuō)明不同季節(jié)園林綠地銀杏液流速率與環(huán)境因子的關(guān)系，采用逐步剔除法分季節(jié)進(jìn)行多元線性回歸分析(表4)。以太陽(yáng)輻射、空氣溫度、飽和水汽壓差、相對(duì)濕度、風(fēng)速和土壤溫度為自變量，銀杏液流速率為因變量，在小時(shí)尺度上建立銀杏樹(shù)干液流速率與環(huán)境因子的回歸模型。3個(gè)模型的常數(shù)和系數(shù)的t檢驗(yàn)都呈現(xiàn)極顯著水平(P<0.01)，決定系數(shù)R2均大于0.75，在晴天環(huán)境因子能很好地解釋園林銀杏樹(shù)干液流速率的變化。

表4 液流速率與環(huán)境因子的多元回歸模型

2.2 日尺度下樹(shù)干液流速率變化特征

不同樹(shù)齡的銀杏樹(shù)干液流速率都呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化(圖6)，日平均液流速率夏季>春季>秋季>冬季。24 a銀杏春、夏、秋、冬4季平均樹(shù)干液流速率分別為2.09、3.79、0.99和0.47 cm·h-1，29 a銀杏的分別為3.16、6.05、1.89和0.69 cm·h-1。從不同月份上看，在夏季及前后1個(gè)月銀杏樹(shù)干的液流速率顯著高于其他月份(P<0.05)，24 a和29 a 銀杏的月平均液流速率都在6月達(dá)到最大值，分別為4.44 cm·h-1和6.62 cm·h-1。從不同樹(shù)齡上看，全年各個(gè)時(shí)期29 a銀杏的液流速率均顯著高于24 a銀杏(P<0.05)，7月兩者相差最大，月平均液流速率相差值為2.33 cm·h-1。

圖6 24 a和29 a銀杏樹(shù)干液流速率季節(jié)變化

2.3 月尺度下蒸騰耗水量

29 a銀杏全年的月累計(jì)耗水量均顯著高于24 a銀杏(圖7)。24 a銀杏和29 a銀杏均在6月耗水最多，月耗水量分別達(dá)到245.88 kg和383.71 kg，分別占全年耗水量的20.18%和18.80%。其次是7月，24 a和29 a銀杏的耗水量分別為223.18 kg和368.55 kg。24 a和29 a銀杏12個(gè)月的累計(jì)耗水量分別為1 218.46 kg和2 051.54 kg。本研究觀測(cè)并記錄了研究區(qū)銀杏的物候期，展葉期為3月25日-4月25日，落葉期為10月1-20日。夏季耗水量最多，秋季銀杏開(kāi)始落葉，根系活力下降，其耗水量較春夏有明顯降低，這一規(guī)律與本研究區(qū)域銀杏的物候期基本一致。

圖7 24 a和29 a銀杏月蒸騰耗水量

3 結(jié)論與討論

3.1 銀杏樹(shù)干液流變化特征

銀杏樹(shù)干液流變化呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律性和季節(jié)差異性。本研究中，銀杏樹(shù)干日平均液流速率最大的時(shí)期是夏季，其次是春季和秋季，而李廣德等[28]對(duì)北京園林綠地內(nèi)銀杏的研究結(jié)果為，春、夏、秋3個(gè)季節(jié)之間的樹(shù)干液流速率沒(méi)有顯著性差異?？赡芤?yàn)椴煌貐^(qū)的溫度、降雨等環(huán)境因子有所不同、不同樹(shù)齡銀杏的自身調(diào)節(jié)策略也有所差異。本研究表明銀杏樹(shù)干液流速率與氣象因子的相關(guān)系數(shù)較土壤因子的更大，這與劉鑫等[29]對(duì)南京市杉木(Cunninghamialanceolata)液流影響因子的研究結(jié)果一致。土壤因子中，淺層土壤溫度與樹(shù)干液流速率的相關(guān)性相對(duì)較大，主要是因?yàn)? cm和10 cm土壤溫度與太陽(yáng)輻射關(guān)系密切，而整個(gè)生長(zhǎng)季樹(shù)干液流速率又對(duì)太陽(yáng)輻射的變化敏感。

不同季節(jié)或不同天氣情況下影響樹(shù)干液流的主要環(huán)境因子有所不同，針對(duì)不同季節(jié)選用不同的回歸模型，便于通過(guò)環(huán)境因子估測(cè)銀杏的樹(shù)干液流速率。春、夏2季與銀杏樹(shù)干液流速率相關(guān)性最大的是太陽(yáng)輻射，而秋季則是飽和水汽壓差，這與王華等[30]得出的研究結(jié)果略有不同，在1 a中不同季節(jié)影響馬占相思樹(shù)蒸騰作用的主要驅(qū)動(dòng)因子都是太陽(yáng)輻射和飽和水汽壓。但都表明這2種氣象因子與植物液流速率的變化密切相關(guān)，太陽(yáng)輻射直接影響葉片氣孔開(kāi)閉和植物的光合作用，飽和水汽壓差與葉內(nèi)外的水勢(shì)梯度相關(guān)。氣象因子對(duì)蒸騰作用的影響既存在促進(jìn)也存在抑制作用，當(dāng)超過(guò)一定閾值后，植物會(huì)對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行自我適應(yīng)，例如夏季的“蒸騰午休”現(xiàn)象。

3.2 不同樹(shù)齡銀杏的蒸騰耗水量

利用液流速率以及邊材面積計(jì)算單木整株的蒸騰耗水量[31]結(jié)果表明，園林綠地內(nèi)24 a和29 a銀杏樹(shù)干液流速率均在6月達(dá)到最大值，此時(shí)單株植被的月累計(jì)蒸騰耗水量也為全年最大值。主要因?yàn)橄募緶囟容^高且此時(shí)處于銀杏生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，這與許蕊[32]以13 a銀杏為研究對(duì)象得出的結(jié)論一致。值得注意的是春季植被的蒸騰耗水量也很大，此時(shí)處于銀杏的芽膨大期和展葉期，并且降雨量相對(duì)夏季較少，應(yīng)注意及時(shí)灌溉。不同季節(jié)銀杏都存在夜間液流，可能是由于夜間在根壓的推動(dòng)下，恢復(fù)白天蒸騰作用消耗的水分[33]。從不同樹(shù)齡上看，全年29 a銀杏的樹(shù)干液流速率均大于24 a銀杏，該差異性在生長(zhǎng)季旺盛期更加顯著。雖然2種不同樹(shù)齡的銀杏只相差5 a，但是由于2處園林綠地移栽苗木的時(shí)期不同，導(dǎo)致2處園林中銀杏的胸徑和冠幅有明顯的差異性，有研究表明植物樹(shù)干液流速率與其直徑大小具有正相關(guān)關(guān)系[34]。在對(duì)園林植被進(jìn)行灌溉時(shí)，應(yīng)綜合考慮具體的因素，依據(jù)季節(jié)變化以及植被的生物學(xué)特性及時(shí)調(diào)整。