2.1 樟树树干液流与环境因子的动态变化特征
图1展现了在2019年6月—2020年5月期间樟树树干液流及其环境因子的逐日变化。太阳辐射的变化范围为3.7~331.9 W/m2,日均太阳辐射为143.9 W/m2,最大值出现在7月,最小值出现在1月,春夏高,秋冬低; 温度的变化范围为2.5~33.3℃,日均温度为18.5℃,其变化趋势与太阳辐射一致; 相对湿度的变化范围为36.4%~99.9%,平均值为73.3%,8—10月(平均值为55.2%)明显低于其他月。饱和水汽压差的变化范围为0.1~3.2 kPa,平均值为0.8 kPa,8—10月(平均值为1.7 kPa)明显高于其他月。日降水量在0.1~101.0 mm范围内变化,监测期间降水天数共计133 d,累积降水量为1 390.5 mm,低于多年平均降水量。全年降水分布不均,8—9月降水最少,两个月的累积降水量为16.3 mm,仅占全年降水量的1.2%。土壤水分相对亏缺时期(RDP)降水较少,累积降水量为179.1 mm。土壤水分相对充足时期(RSP)降水较多,累积降水量为1 211.6 mm。SWC0-40和SWC40-100的变化范围分别为23.0%~36.2%和29.7%~37.4%,总体上SWC40-100高于SWC0-40,仅在1月10日至20日浅层高于深层。RDP时期降水较少,土壤含水量较低,SWC0-40和SWC40-100的平均值分别为25.2%和30.5%; RSP时期降水较多,SWC0-40和SWC40-100的平均值分别为32.7%和35.3%。
樟树树干液流的日液流量在0.03~47.67 kg/d范围内变化,平均值为18.81 kg/d,最大值出现在7月,最小值出现在1月。低值一般出现在降水日。樟树树干液流具有明显的季节变化特征,表现为春夏高,秋冬低。春夏季正值樟树的生长旺季,其累积液流量为3 672.33 kg,占总液流量的75.0%,液流水平明显高于秋冬季。无论是非降水日还是降水日,RSP时期的平均液流均大于RDP时期的平液流,其中非降水日RSP与RDP时期的平均液流分别为20.09 kg/d和16.89 kg/d,RDP时期比RSP时期减少15.9%; 降水日RSP与RDP时期的平均液流分别为13.6 kg/d和11.2 kg/d,RDP时期比RSP时期减少17.3%,土壤含水量对樟树树干液流影响较大。
2.2 不同天气条件下樟树树干液流与气象因子的日变化
樟树树干液流的变化与环境因子的变化密切相关,不同的天气条件具有不同的环境条件,进而不同程度地影响液流变化。研究期间雨天和晴天日液流量的变化范围分别为0.03~33.81 kg/d和5.77~47.67 kg/d。为避免樟树自身物候期以及其他无关变量对液流的干扰,在樟树生长旺期的6—7月选取7月23日—7月27日5个连续典型晴天(前后一天没有降水且白天的平均太阳辐射大于200 W/m2,下同)和5个典型雨天(6:00—19:00有降水)对不同天气条件下樟树与气象因子的关系进行研究(图2)。
图2A显示,晴天樟树树干液流日变化表现为白天高夜间低,呈倒“U”型单峰曲线。液流在6:00左右启动,随着太阳辐射的增强,温度逐渐升高,相对湿度降低,树干液流迅速上升,于13:00左右达到最大值。之后,液流随太阳辐射的降低而降低,于19:00左右趋于稳定并逐渐接近零。太阳辐射的日变化与液流具有一致的单峰曲线,于12:00左右到达峰值,提前于液流峰值时间1 h左右。饱和水汽压差的日变化同样呈单峰曲线,随太阳辐射上升而上升,于16:00左右达到峰值,滞后于液流峰值时间3~4 h。温度与相对湿度日变化也呈明显的单峰曲线,在16:00左右达到极值,温度与饱和水汽压差的变化具有同步性,相对湿度则与饱和水汽压差呈反相位变化。图2B显示,在雨天,液流在小范围内上下波动,呈单峰、多峰变化或一直处于较低值状态,这种变化与降水的时间分布有关。7月8日与7月12日降水历时较长,液流一直处于较低值状态,没有明显的峰值变化; 6月1日与7月5日,降水发生在液流启动前,降水期间液流处于低值,降水后液流上升,整体呈现多峰变化; 6月16日降水发生在液流启动后,液流正常启动并呈单峰曲线,随后出现降水,降水期间液流下降至低值。雨天太阳辐射小,5个典型雨天的平均太阳辐射为59.9 W/m2; 饱和水汽压差、温度和相对湿度不再呈单峰曲线变化,饱和水汽压差与温度处于低值,相对湿度一直处于高值,平均值分别为0.2 kPa,23.8℃和92.9%。
经过归一化后可以将各变量数量级的影响从分析中除去,表2统计了研究期间晴天(太阳辐射大于200 W/m2)和雨天(P>1 mm)经过归一化后樟树树干液流与气象因子的关系。在晴天和雨天,樟树树干液流与太阳辐射、温度和饱和水汽压差显著正相关(p<0.01),晴天时太阳辐射是液流的最主要驱动因子。液流在晴天和雨天与气象因子的回归模型经F检验均达到极显著水平(p<0.01),与气象因子的回归方程拟合良好。晴天(R2=0.76)回归模型的拟合优于雨天(R2=0.67),说明晴天樟树受气象因子的影响比雨天大。
2.3 不同降水量对樟树树干液流的影响
将研究期间的降水按24 h制降水量等级进行划分,并统计不同量级的降水天数与降水量(图3)。0~5 mm降水发生比较频繁,占总降水天数的53.4%,其他各量级的降水频率不超过总降水天数的20%。25~50 mm降水事件对总降水量的贡献最大,占总降水量的42.3%,20~25 mm降水事件对总降水量的贡献次之(29.3%),其他量级的降水量占总降水量的百分比不超过15%。结合图1可以发现,0~5 mm降水事件仅能影响浅层土壤含水量(SWC0-40),大雨20 mm降水后SWC0-40和深层土壤含水量(SWC40-100)均先升高后恢复正常水平,SWC40-100保持高值时间较长,SWC0-40下降较快。
为选取足够多的降水事件并避免降水之间的相互影响,将连续多天降水算作一次降水,并将同一量级降水前后对应时刻的液流进行平均(降水前指降水前的典型晴天,降水后指降水后液流达到最大值的当天)。不同降水事件前后樟树树干液流的日变化见图4。小于5 mm降水前后液流没有显著差异,大于5 mm降水后液流较降水前显著提高。5~10 mm,10~25 mm,25~50 mm和大于50 mm降水后液流较降水前分别提高了13.2%,47.3%,20.6%和5.5%。
2.4 不同土壤水分条件下樟树树干液流对环境因子的响应
通过对樟树在土壤水分相对充足时期(RSP)与土壤水分相对亏缺时期(RDP)的树干液流进行T检验发现,在RSP与RDP时期液流的差异性显著(p<0.01)。图5给出了不同土壤水分条件下的樟树树干液流与各气象因子的关系,可以看出二次函数均能很好地解释RSP和RDP时期液流与各气象因子间的关系,决定系数R2达到0.80以上(p<0.01)。在气象因子相同的情况下,RDP时期的液流低于RSP时期,从曲线变化幅度可以发现,RSP时期液流对气象因子的敏感性比RDP时期更大。
为了更加直观和深入地揭示樟树树干液流对环境变化的适应性,利用指数饱和曲线模型(公式6)对不同土壤水分条件下的樟树树干液流与蒸腾变量(VT)进行拟合得到图6。在RSP和RDP时期,液流与VT的曲线变化均符合指数饱和曲线的关系(R2分别为0.73,0.67)。液流随着VT的增加逐渐上升,在RDP时期和在RSP时期VT分别增加到约80 kPa·(W·m-2)1/2时和约60 kPa·(W·m-2)1/2时,液流趋于稳定。这说明在不同土壤水分条件下樟树均根据外界环境对叶片气孔的开放程度进行了调节。RSP时期较RDP时期拟合曲线明显上移,拟合参数a值由3.13上升到4.08,表明RSP时期樟树对环境因子变化响应的敏感性较RDP时期高,这也与图5中的结果相同。拟合参数b值由RSP时期的0.02上升到RDP时期的0.07,RDP时期液流上升缓慢,RSP时期拟合曲线斜率更大,液流更快地达到饱和值,RSP时期樟树的导水能力较RDP时期增强。
图2 晴天(A)、雨天(B)樟树树干液流与环境因子的日内变化