晉西黃土區(qū)刺槐和油松樹(shù)干液流比較

郭寶妮，張建軍，2?，王震，茹豪，黃明

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京;3.國(guó)際竹藤中心，100102，北京)

晉西黃土區(qū)刺槐和油松樹(shù)干液流比較

郭寶妮1，張建軍1，2?，王震3，茹豪1，黃明1

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京;3.國(guó)際竹藤中心，100102，北京)

應(yīng)用TDP(Thermal Dissipation Probe)熱擴(kuò)散探針技術(shù)，通過(guò)對(duì)晉西黃土區(qū)刺槐和油松進(jìn)行一個(gè)生長(zhǎng)季(2010－04—10)的野外實(shí)地定位觀測(cè)，結(jié)合同步測(cè)定的大氣相對(duì)濕度、大氣溫度、太陽(yáng)總輻射等氣象因子，研究刺槐、油松樹(shù)干液流的日變化及季節(jié)變化規(guī)律。結(jié)果表明:1)刺槐在5月上旬僅產(chǎn)生微弱液流，日均液流速率小于油松，無(wú)明顯晝夜變化規(guī)律，到5月下旬，日均液流速率超過(guò)油松，并與油松呈現(xiàn)相同的晝夜變化規(guī)律，2樹(shù)種夜間存在一定的樹(shù)干液流，液流速率均于09:00開(kāi)始快速上升，到12:00左右達(dá)到峰值;2)8月刺槐日均液流速率均大于油松，2樹(shù)種液流速率連日變化規(guī)律基本相同，液流速率開(kāi)始快速上升和達(dá)到峰值的時(shí)間與5月基本一致，峰值分別為5月的1.79和1.49倍，月平均值分別為5月的3.01和1.48倍;3)刺槐、油松樹(shù)干液流和月耗水量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，耗水旺季集中在6—9月，4月達(dá)到最小值，7月達(dá)到最大值，在整個(gè)生長(zhǎng)季(4—10月)，油松林的總耗水量是刺槐林的1.63倍。經(jīng)回歸分析可知，影響刺槐、油松液流速率的主要因子均為太陽(yáng)總輻射。

樹(shù)干液流流速;耗水量;刺槐;油松;晉西黃土區(qū)

隨著全球水資源短缺和溫室效應(yīng)的加劇，植被蒸散已成為國(guó)際水文計(jì)劃(IHP)國(guó)際地圈－生物圈計(jì)劃(IGBP)等國(guó)際性項(xiàng)目的重要研究?jī)?nèi)容之一［1］。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始投入到植被蒸散問(wèn)題的研究中［2－9］，特別是整株樹(shù)木的耗水量研究，受到不同學(xué)科專(zhuān)家和學(xué)者的共同關(guān)注。植被蒸散的測(cè)定方法有許多種，TDP熱擴(kuò)散探針?lè)ㄓ葾.Granier等［10］設(shè)計(jì)并研究應(yīng)用，該法操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)采集具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)［11］，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用到森林水文學(xué)、樹(shù)木生理生態(tài)學(xué)等眾多研究領(lǐng)域［12－16］。刺槐和油松作為晉西黃土區(qū)的主要水土保持樹(shù)種，早已成為眾多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。周曉新等［17］對(duì)不同密度刺槐林蒸騰旺季的蒸騰特性進(jìn)行研究，得出了黃土區(qū)15年生刺槐林的合理密度。聶立水等［18］通過(guò)對(duì)油松樹(shù)干液流研究，得出油松在干旱地區(qū)大部分時(shí)間都受干旱脅迫的影響，應(yīng)進(jìn)行撫育間伐的結(jié)論。劉彩鳳等［19］對(duì)不同徑階刺槐油松混交林蒸騰耗水量進(jìn)行了研究。以往學(xué)者一般只針對(duì)刺槐或油松單一樹(shù)種進(jìn)行研究，對(duì)刺槐和油松樹(shù)干液流的對(duì)比研究較為少見(jiàn)。筆者利用TDP熱擴(kuò)散探針技術(shù)，通過(guò)測(cè)定同一時(shí)期、同一生長(zhǎng)環(huán)境下刺槐和油松的樹(shù)干液流速率，探討2樹(shù)種樹(shù)干液流的日變化規(guī)律、季節(jié)變化特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系，并將其在林分尺度上進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)2樹(shù)種耗水量進(jìn)行比較研究，以期為晉西黃土區(qū)人工林營(yíng)造過(guò)程中選擇低耗水樹(shù)種以及確定合理種植密度提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于吉縣蔡家川流域，該流域地處山西省黃土高原西南部的吉縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)E110°40＇～111°48＇，N36°14＇～ 36°18＇，流域面積 39.33 km2。研究區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，年平均降水量575.9 mm，平均無(wú)霜期約170 d，年平均氣溫10℃，多年極端最低氣溫－20.4℃，多年極端最高氣溫38.1℃，光照時(shí)間平均2 563.8 h，穩(wěn)定通過(guò)10℃的年平均積溫為3 357.9℃。流域內(nèi)土壤為碳酸鹽褐土，呈微堿性。天然植被主要有遼東櫟(Quercus liaotungensis)、山楊(Populus davidiana)、側(cè)柏(Platycladus orientalis)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等，人工植被主要有油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、蘋(píng)果(Malus pumila)、苜蓿(Medicago sativa)等，農(nóng)作物以玉米(Zea mays)、小麥(Triticum aestivum)、谷子(Setaria italica)、豆類(lèi)為主。防護(hù)林類(lèi)型為水土保持林，主要組成樹(shù)種有刺槐和油松。林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以純林為主，混生或伴生有山楊(Pobulus davidiana)，下層灌木有胡枝子(Lespedeza bicolor)等。

2 研究方法

1)樣地設(shè)置。試驗(yàn)設(shè)置刺槐、油松2塊調(diào)查樣地，調(diào)查樣地基本情況見(jiàn)表1。

2)調(diào)查方法。2010年8月，通過(guò)對(duì)調(diào)查樣地刺槐林和油松林進(jìn)行每木調(diào)查(主要測(cè)定樹(shù)高、胸徑、枯落物厚度、草本覆蓋度等指標(biāo))，選擇樹(shù)干圓滿(mǎn)、不偏心、不偏冠且胸徑上下50 cm處無(wú)結(jié)疤的刺槐、油松各3株作為觀測(cè)樣木，觀測(cè)樣木的基本情況記錄見(jiàn)表1。然后按照TDP插針式熱擴(kuò)散植物莖流計(jì)安裝說(shuō)明書(shū)［20－21］，在觀測(cè)樣木上安裝 TDP 熱擴(kuò)散探針。在2010年整個(gè)生長(zhǎng)季(4—10月份)，每隔10 min測(cè)定1次樹(shù)干液流速率，將30 min內(nèi)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行平均運(yùn)算并記錄存儲(chǔ)，最后運(yùn)用 Granier公式［22］對(duì)液流速率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在樹(shù)干液流觀測(cè)的同時(shí)，利用自動(dòng)氣象站(Campbell公司生產(chǎn)的CR3000型)同步記錄大氣相對(duì)濕度、大氣溫度、太陽(yáng)總輻射等氣象因子數(shù)據(jù)，每隔1 h采集1次數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

3)蒸騰耗水量測(cè)算方法。由于樹(shù)木液流量99.8%以上是用于蒸騰耗水，所以可以用液流量直接反映樹(shù)木的蒸騰耗水能力［7］。馬李一等［6］在油松、刺槐單木與林分水平耗水量的尺度轉(zhuǎn)換研究中指出，刺槐、油松2樹(shù)種邊材面積與胸徑之間存在較高的相關(guān)性，二者之間的關(guān)系可以用冪函數(shù)模型得到很好的擬合，刺槐邊材面積與胸徑之間的擬合模型為y1=0.824 4x1.94941，油松邊材面積與胸徑之間的擬合模型為y2=1.045 2x1.67112，式中y1、y2、x1、x2分別為刺槐、油松的邊材面積(cm2)和胸徑(cm)。根據(jù)該擬合模型以及研究區(qū)林分密度(表1)擴(kuò)展至林分水平，最終可估算出刺槐林、油松林4—10月份的蒸騰耗水量。

4)分析方法。運(yùn)用Spass18.0軟件在0.01著性水平下，對(duì)刺槐、油松液流速率與大氣相對(duì)濕度、大氣溫度、太陽(yáng)總輻射進(jìn)行相關(guān)性分析，并在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，利用多元線(xiàn)性回歸方法對(duì)刺槐、油松樹(shù)干液流速率和氣象因子進(jìn)行逐步回歸分析。

表1 試驗(yàn)地及樣本基本情況Tab．1 Basic situation of the experiment sites and the samples

3 結(jié)果與分析

3.1 生長(zhǎng)季初期刺槐、油松樹(shù)干液流的比較

圖1為生長(zhǎng)季初期(5月)刺槐、油松樹(shù)干液流日平均流速動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)?？梢?jiàn)，在該研究區(qū)，刺槐在5月1—16日液流速率較低，日間變化不明顯，受氣象因子影響較小，日均液流速率小于油松，從17日開(kāi)始，刺槐液流速率逐漸上升，日均液流速率逐漸超過(guò)油松，并持續(xù)停留在大于油松的水平上。在整個(gè)5月份，油松樹(shù)干液流速率波動(dòng)較小，較為穩(wěn)定。5月21、26、27日為陰雨天氣，刺槐和油松液流速率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖1 5月刺槐、油松樹(shù)干液流日平均液流速率Fig．1 Daily average sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in May

圖2為5月刺槐、油松樹(shù)干液流速率連日變化曲線(xiàn)?？梢?jiàn)，刺槐在5月1—16日液流速率未呈現(xiàn)明顯的晝夜變化規(guī)律，僅產(chǎn)生微弱液流，液流速率遠(yuǎn)小于油松，17日之后，刺槐液流速率開(kāi)始呈現(xiàn)明顯的晝夜變化規(guī)律，與油松變化規(guī)律基本一致，刺槐液流速率開(kāi)始逐漸增大，并超過(guò)油松樹(shù)干液流速率。

4月末至5月中旬，是黃土高原半干旱區(qū)刺槐的展葉期，展葉期間可分為芽期、展葉初期、中期和全葉期4個(gè)時(shí)期［23］。出現(xiàn)上述變化趨勢(shì)的原因可能是刺槐的芽期持續(xù)到5月16日，在芽期葉片未展開(kāi)，蒸騰作用較弱，液流速率較低，受環(huán)境因子影響較小，從展葉初期(5月17日)開(kāi)始，葉片逐漸展開(kāi)，蒸騰作用逐漸增強(qiáng)，液流速率逐漸上升，并明顯受到環(huán)境因子的影響。

在5月份選擇4個(gè)典型晴天(5月17—20日)，利用此間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制了刺槐、油松樹(shù)干液流連日變化曲線(xiàn)(圖3)。由圖3可見(jiàn)，刺槐從5月17日開(kāi)始，液流速率連日變化曲線(xiàn)與油松相似，均于09:00左右開(kāi)始快速上升，12:00左右達(dá)到峰值，達(dá)到峰值后仍有較小幅度的波動(dòng)，形成多個(gè)小峰組成的“高峰平臺(tái)”，在峰值持續(xù)時(shí)間為6 h左右，呈寬峰型曲線(xiàn)，于18:00左右開(kāi)始下降，到23:00到達(dá)谷底。這與吳芳等［24］的研究結(jié)果類(lèi)似。2樹(shù)種白天的樹(shù)干液流速率較大是由于白天樹(shù)木蒸騰量大，大量水分通過(guò)根系以被動(dòng)方式吸入體內(nèi)，在夜間樹(shù)干內(nèi)仍然存在一定的液流量主要是由根壓引起的，水分以主動(dòng)方式進(jìn)入樹(shù)體補(bǔ)充白天蒸騰失水［25］。

圖2 5月份刺槐、油松樹(shù)干液流速率連日變化Fig．2 Diurnal variation in sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in May

圖3 5月17—20日刺槐、油松樹(shù)干液流速率連日變化Fig．3 Diurnal variation in sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis from May 17 to May 20

3.2 生長(zhǎng)盛期刺槐、油松樹(shù)干液流比較

生長(zhǎng)盛期(8月)降雨充沛，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，是一年的蒸騰旺季。圖4為8月份刺槐、油松樹(shù)干液流日平均流速動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)，圖5為8月份刺槐、油松液流速率連日變化曲線(xiàn)。由圖4和圖5可知，整個(gè)8月份，刺槐日平均液流速率均大于油松，2樹(shù)種樹(shù)干液流速率連日變化趨勢(shì)基本相同，均表現(xiàn)出明顯的晝夜變化規(guī)律，白天液流速率明顯大于夜間。8月上旬持續(xù)的陰雨天氣，導(dǎo)致樹(shù)干液流保持在較低水平，日間差距較小，到19日開(kāi)始，液流速率開(kāi)始呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這是由于陰雨天過(guò)后，充沛的土壤水分和充足的光照使得樹(shù)木的蒸騰作用持續(xù)增大，到27日開(kāi)始隨著土壤水分含量的逐漸降低，呈下降趨勢(shì)。

圖6為8月18—20日(其中19日為雨天)刺槐、油松樹(shù)干液流速率連日變化曲線(xiàn)。可以看出，刺槐、油松樹(shù)干液流速率變化趨勢(shì)基本相同，夜間存在一定的液流速率，09:00開(kāi)始快速上升，11:00達(dá)到峰值，在峰值持續(xù)4 h左右，14:00開(kāi)始快速下降，刺槐17:00降到谷底，油松18:00降到谷底。在雨天，刺槐和油松液流速率基本上沒(méi)有波動(dòng)，白天夜間液流速率相差不大。雨后的晴天，2樹(shù)種均于12:00達(dá)到峰值，然后迅速下降，19:00左右降到谷底，呈現(xiàn)窄峰型曲線(xiàn)。

圖4 8月份刺槐、油松樹(shù)干液流日平均液流速率Fig．4 Daily average sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in August

圖5 8月份刺槐、油松樹(shù)干液流速率連日變化Fig．5 Diurnal variation in sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in August

3.3 刺槐、油松樹(shù)干液流速率季節(jié)性變化及其典型月份的比較

圖7為刺槐、油松不同月份月平均液流速率變化曲線(xiàn)?？芍?，刺槐、油松樹(shù)干液流呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，最小值出現(xiàn)在干旱的4月，分別為1.30和1.80 cm/h，降雨充沛的7月達(dá)最大值，分別為5.60和4.50 cm/h，分別是4月份的4.30和2.50倍。刺槐月平均液流速率在溫度較低、降雨較少的4、10月均小于油松的，在生長(zhǎng)旺季5—9月均大于油松的。

圖7 刺槐、油松不同月份月平均流速變化Fig．7 Monthly average sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in different months

5月份，刺槐(展葉初期以后)、油松樹(shù)干液流速率于09:00開(kāi)始快速上升，到12:00左右達(dá)到峰值，分別為4.11和4.50 cm/h，月平均液流速率分別為1.76和2.09 cm/h;8月份刺槐、油松樹(shù)干液流速率快速上升，到達(dá)峰值的時(shí)間與5月份基本一致，峰值分別為7.34和6.70 cm/h，分別是5月份刺槐、油松峰值的1.79和1.49倍，月平均液流速率分別為5.30和3.10 cm/h，分別是5月份的3.01和1.48倍。

3.4 林分的樹(shù)木蒸騰耗水量估算

圖8為刺槐、油松不同月份蒸騰耗水量直方圖?？梢?jiàn)，刺槐、油松的耗水旺季集中在6—9月份，耗水量最大值均出現(xiàn)在7月份，分別為89.58和52.79 mm，最小值出現(xiàn)在4月份，分別為20.80和21.11 mm，分別是7月份的0.23和0.40倍。在整個(gè)生長(zhǎng)季(4—10月)，刺槐的總耗水量為388.72 mm，油松的總耗水量為238.24 mm，油松耗水量是刺槐耗水量的1.63倍，4和10月，耗水量刺槐略小于油松，5—9月份，刺槐明顯大于油松。

圖8 刺槐、油松不同月份蒸騰耗水量Fig．8 Transpiration water consumption of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaepormif in different months

3.5 氣象因子對(duì)樹(shù)木樹(shù)干液流速率的影響

對(duì)刺槐、油松液流速率與大氣相對(duì)濕度、大氣溫度、太陽(yáng)總輻射進(jìn)行相關(guān)性分析。顯著性水平為0.01時(shí)，刺槐液流速率與上述氣象因子的相關(guān)系數(shù)分別為－0.435、0.510和0.725，油松液流速率與它們的相關(guān)系數(shù)分別為－0.322、0.532和0.895?？梢耘袛啵鲜鰵庀笠蜃訉?duì)刺槐、油松液流速率產(chǎn)生的影響由強(qiáng)到弱的順序依次為太陽(yáng)總輻射＞大氣溫度＞大氣相對(duì)濕度。

經(jīng)回歸分析，得到刺槐樹(shù)干液流速率(vs1/(cm·h－1))、油松樹(shù)干液流速率(vs2/(cm·h－1))與氣象因子的多元回歸模型如下:

式中:x1、x2、x3分別為大氣相對(duì)濕度，%;大氣溫度，℃;太陽(yáng)總輻射，J。從式(1)可以看出，影響刺槐液流速率的主要因子是太陽(yáng)總輻射，其次是大氣溫度，最后是大氣相對(duì)濕度。式(2)中被剔除的因子是大氣相對(duì)濕度，可知，影響油松液流速率的主要因子是太陽(yáng)總輻射，其次是大氣溫度。

4 結(jié)論

1)生長(zhǎng)季初期(5月份)，刺槐在芽期僅產(chǎn)生微弱液流，日均液流速率小于油松，未表現(xiàn)出明顯的晝夜變化規(guī)律，從展葉初期開(kāi)始，液流速率迅速上升，到展葉中期和全葉期，刺槐液流流速開(kāi)始呈現(xiàn)明顯的晝夜變化規(guī)律，且與油松的變化規(guī)律基本一致。在生長(zhǎng)盛期(8月份)，日均液流速率刺槐均大于油松，2樹(shù)種液流速率連日變化規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)出明顯的晝夜變化規(guī)律。

2)生長(zhǎng)季初期，刺槐(展葉初期以后)、油松樹(shù)干液流速率12:00左右達(dá)到峰值，在峰值持續(xù)時(shí)間為6 h;8月份刺槐、油松樹(shù)干液流速率到達(dá)峰值的時(shí)間與5月份基本一致，在峰值持續(xù)時(shí)間為4 h，峰值和月平均液流速率均分別大于5月份。

3)刺槐、油松樹(shù)干液流呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，最小值出現(xiàn)在干旱的4月，降雨充沛的7月達(dá)最大值。刺槐林、油松林的耗水旺季集中在6—9月，耗水量最大值均出現(xiàn)在7月份，最小值出現(xiàn)在4月份。在整個(gè)生長(zhǎng)季(4—10月)，油松林的總耗水量明顯大于刺槐林耗水量，4和10月，刺槐耗水量略小于油松，5—9月，刺槐明顯大于油松。

4)氣象因子對(duì)刺槐、油松液流速率的影響強(qiáng)度依次均為太陽(yáng)總輻射＞大氣溫度＞大氣相對(duì)濕度。經(jīng)回歸分析得，影響刺槐液流速率的主要因子均是太陽(yáng)總輻射。

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Sap flow in forests ofRobinia pseudoaciaandPinus tabulaepormisby using TDP method

Guo Baoni1，Zhang Jianjun1，2，Wang Zhen3，Ru Hao1，Huang Ming1

(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing;2.Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing;3.International Center for Bamboo and Rattan，100102，Beijing:China)

Stem sap flow ofRobinia pseudoaciaandPinus tabulaepormistrees on the Loess Plateau，western Shanxi Province，was measured with the thermal dissipation probe(TDP)method during the growing season from April to October，2010.Combined with some concurrent meteorological factors，the diurnal and seasonal variations of stem sap flow of both species were comparatively studied.The model of sap flow and meteorological factors was established.The results showed that:1)the sap velocity ofR.pseudoaciawas lower than that ofP.tabulaepormisand no significant diurnal variation in early May.In late May，the average diurnal flow velocity ofR.pseudoaciawas higher than that ofP.tabulaepormis.Their diurnal variations were similar，and their flow velocity began to increase quickly from 9:00am and peaked at about 12:00am.2)In August，the average diurnal flow velocity ofR.pseudoaciawas also higher than that ofP.tabulaepormis.Their diurnal fluctuations were approximately same，and the time when flow velocity began to increase quickly and peaked was basically identical with that in May，but the diurnal peak values were 1.79 and 1.49 times as much as that in May.The average value of flow velocity in August was 3.01 and 1.48 times as much as that in May，respectively.3)Stem sap flow and monthly water consumption present seasonality law.Water consumption was high from June to September.Sap flow velocity reached a minimum at April and a maximum at July.From April to October during the whole growing season，the water consumption ofR.pseudoaciawas 1.63 times as much as that ofP.tabulaepormis.The regression analysis revealed that the main affecting factors of sap flow velocity were solar total radiation and vapor pressure deficit forR.pseudoaciaand solar total radiation and atmospheric temperature forP.tabulaepormis，respectively.

sap flow velocity;water consumption;Robinia pseudoacia;Pinus tabulaepormis;Loess Plateau in western Shanxi Province

2012－01－12

2012－05－17

“十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目“晉陜黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)型水土保持林研究與示范”(2011BAD38B0603)

郭寶妮(1986—)，女，碩士研究生。主要研究方向:生態(tài)環(huán)境工程。E－mail:guobaoni1111@163.com

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:張建軍(1964—)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持。E－mail:zhangjianjun@bjfu.edu.cn

(責(zé)任編輯:宋如華)