木麻黃南北方位邊材液流季節(jié)動態(tài)及其對蒸騰耗水測算的影響

尤龍輝

（福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州350012）

樹木以及林分的蒸騰耗水計量是解決森林水資源配置管理問題的一個有效途徑，在森林水文學(xué)、樹木生理學(xué)、森林培育學(xué)等多領(lǐng)域?qū)W科有重要研究價值，如短輪伐期人工用材林中的水分需求量化研究；區(qū)分邊界層導(dǎo)度和氣孔協(xié)同控制冠層蒸騰的作用；建立環(huán)孔、散孔、無孔徑向干流模型；解決森林水文學(xué)中森林水資源管理問題等均有其突出優(yōu)勢。研究樹木樹干液流目前有許多方法，如熱脈沖、熱平衡、熱擴散等技術(shù)，其中熱擴散探針法（thermal dissipation probe，TDP法）較為常用，因為該技術(shù)可長期連續(xù)針對樹木邊材液流進行測定，精度良好且攜帶方便，配合便攜式氣象站儀可深入探討林分蒸騰耗水與環(huán)境因子之間的內(nèi)在關(guān)系［1，2］。

研究表明，在特定情況下，應(yīng)用樹干液流技術(shù)測算單木的液流速率和蒸騰耗水量會存在兩種潛在誤差，一種是樹干徑向深度液流速率的差異性，另外一種是樹干不同方位液流速率的差異性，且這兩種誤差可能交互作用影響，進而對單株樹木的蒸騰耗水量的測算產(chǎn)生顯著性影響，推繹尺度到林分水平后，誤差的累加就會對整個林分水分管理決策產(chǎn)生誤導(dǎo)性影響［3－6］。

我國東南沿海自然災(zāi)害頻繁，風(fēng)沙侵害、臺風(fēng)、風(fēng)暴潮等嚴(yán)重影響人們正常的生產(chǎn)生活，木麻黃自20世紀(jì)60年代大量引種至我國，對沿海海岸帶生態(tài)環(huán)境的改善功不可沒，也是現(xiàn)今東南沿海沙質(zhì)海岸基干林帶的主要樹種之一。目前，已有研究者對該樹種的液流特征及其與環(huán)境因子的相互關(guān)系進行初步研究，但是對于樹干不同方位的液流差異并無相關(guān)分析報道，掌握木麻黃的樹干液流特征對于探索該樹種的水生理生態(tài)機理，林分生態(tài)水文特性，建立海岸帶人工林的區(qū)域水文模型等具有重要意義。本試驗針對福建沿海的地理特征，分析木麻黃南北側(cè)液流速率的差異性及其與環(huán)境因子相關(guān)性，為精確計算木麻黃的蒸騰耗水和林分的水分管理提供參考，并為完善TDP徑流計的合理運用提供理論依據(jù)。

1 研究地概況和試驗方法

1.1 研究地概況

本試驗地位于福建惠安縣赤湖國有林場木麻黃片林，地理位置24°91′N，118°90′E，海拔15.6m，為南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。年均氣溫19.8℃，無霜期約310d，年均降水量1 049mm，累積年日照時數(shù)2 120h，干濕季節(jié)分明，夏季多臺風(fēng)暴雨天，年均風(fēng)速6.8m·s－1，場區(qū)基本為均一性風(fēng)沙土，土壤厚度約60cm，呈弱酸性。本試驗地木麻黃林齡約20年，株行距2.5m×2.5m，林下無其他植被，枯落物厚度約7cm，為保證試驗期間無其他人為干擾影響，在該試驗地布設(shè)25.82m×25.82m的標(biāo)準(zhǔn)樣地并打水泥樁用防護鐵絲圍住。

1.2 樹干液流速率監(jiān)測

本試驗熱擴散探針長度為3cm，參考探針與加熱探針安裝間距為10cm，加熱探針的供熱功率為0.15W，探針主要根據(jù)Granier原理針對成熟木麻黃林木外側(cè)邊材的液流速率進行監(jiān)測。為了排除個別林木自身因素的影響，樣地中選擇生長良好、無病蟲害、樹干通直的木麻黃優(yōu)勢木，在樹干1.3m處南北兩側(cè)各安裝一組探針，并用發(fā)泡和防輻射鋁鉑包裹探針，避免因太陽輻射引起的測量誤差。數(shù)據(jù)采集器（CR1000Campbell）2min測定一次數(shù)據(jù)并記錄每10min的平均值。

1.3 整株液流通量及耗水量測算

目前沒有對木麻黃徑向液流速率差異的相關(guān)研究報道，本試驗僅先探討樹干南北方位液流速率差異。液流通量計算公式：F＝Fd·（D－Lsw）·π·Lsw式中：F—液流通量（L/h）；D—1.3m 處去皮胸徑；Lsw—1.3m處邊材厚度，在試驗完成后用生長錐在樹干南北兩側(cè)1.3m處取樣，測得邊材厚度分別為3.6、4.1cm。測定期間內(nèi)整株蒸騰耗水量計算公式：Q＝Ft·t式中：Q—t時間內(nèi)的整株蒸騰耗水量（L）；Ft—t時間內(nèi)的平均液流通量（L·h－1）；t—測定時間（s）。

1.4 環(huán)境因子監(jiān)測

在標(biāo)準(zhǔn)樣地中心位置架設(shè)自動氣象觀測站（Weatherpak～2000，made in USA），對林內(nèi)空氣相對濕度（RH）、空氣溫度（T）、太陽輻射（Rs）等主要氣象因子進行長期連續(xù)定位觀測，儀器設(shè)定每2 min自動測定一次數(shù)據(jù)，每10min對數(shù)據(jù)進行平均并存儲數(shù)據(jù)。研究表明，空氣水汽壓虧缺是樹木水分蒸騰的主要影響因子之一，為此，另外引入空氣水汽壓虧缺指標(biāo)，計算公式：

VPD＝0.611e［17.502T/（T＋240.97）］（1－RH）

式中：T—空氣溫度（℃）；RH—空氣相對濕度；VPD—空氣水汽壓虧缺（kPa）。

2 結(jié)果與分析

2.1 南北側(cè)樹干液流速率的關(guān)系分析

到目前為止，許多研究者為了避免由于太陽輻射產(chǎn)生的背景熱梯度對溫度測定的誤差影響，一般只將探針安裝于樹干北側(cè)方位。本試驗對樹干南北側(cè)的液流速率進行相關(guān)分析，結(jié)果顯示，南北側(cè)液流速率呈現(xiàn)簡單線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.889 8，并達到顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），圖1顯示，北側(cè)液流速率稍大于南側(cè)液流速率。

圖1 木麻黃南北方位樹干液流速率的相關(guān)關(guān)系

2.2 南北側(cè)蒸騰耗水量對環(huán)境因子的響應(yīng)

在木麻黃生長季（5—10月）期間連續(xù)測定其南北側(cè)每日蒸騰耗水量、日總太陽輻射和晝間平均水汽壓虧缺，分析蒸騰耗水量對環(huán)境因子變化的響應(yīng)，結(jié)果表明，木麻黃生長季內(nèi)南北側(cè)的蒸騰耗水量與各環(huán)境因子的變化趨勢基本一致，在日總太陽輻射和晝間平均水汽壓差較低的5—7月，其對應(yīng)日的日總耗水量較低，8—9月則較高，10月數(shù)值又有所下降；在陰雨天氣的情況下，日總太陽輻射、晝間平均水汽壓差和日總耗水量均較低，在晴天天氣情況下則相反。

圖2 生長季木麻黃南北方位每日蒸騰耗水量與日總太陽輻射和晝間平均空氣水汽壓虧缺

為了探討木麻黃蒸騰耗水與主要氣象環(huán)境因子的相互關(guān)系，分別用線性和指數(shù)飽和曲線方程對其進行擬合，通過可決系數(shù)選擇更符合實際情況的擬合方程。結(jié)果表明，用指數(shù)飽和曲線方程擬合的可決系數(shù)基本高于線性方程，且全部大于0.500，其中有6個方程大于0.700，占全部方程的50%。各擬合方程可決系數(shù)表明，木麻黃蒸騰耗水除了受太陽輻射和水汽壓虧缺因素的影響外，還受其他環(huán)境因子的影響。從各月份單株累積蒸騰耗水量占整個生長季耗水總量的百分比可以看出，6—9月較高，分別為18.3%、18.9%、20.6%和17.5%；5月和10月則較低，分別為13.6%和12.1%。見圖2、表1。

2.3 南北側(cè)蒸騰耗水差異分析

以南北方位組合測算的單株蒸騰耗水量為基準(zhǔn)，對單個方位的測算誤差進行分析。結(jié)果表明，采用北側(cè)單組探針測算的蒸騰耗水量的相對誤差絕對值大于南側(cè)，南北側(cè)測算誤差絕對值均值為18.19%，對南北側(cè)探針組合測算的單株日均蒸騰耗水量與南、北側(cè)單組探針用DUNCAN新復(fù)極差法進行差異顯著性檢驗，結(jié)果顯示，它們之間的差異性達到顯著水平（P＜0.01）。測算樣木整個生長季的總蒸騰耗水量為3.870t。見表3。

表1 日太陽總輻射和日均白天空氣水汽壓虧缺與單株木麻黃日蒸騰耗水量的關(guān)系

表2 木麻黃各月總蒸騰耗水量及其所占比例、總太陽輻射和白天平均空氣水汽壓虧缺

表3 木麻黃南北側(cè)樹干液流計算單株耗水量的差異

3 結(jié)論與討論

3.1 為了節(jié)省測算費用和降低對測算樹體的影響，在假設(shè)樹體各方位液流速率一致的情況下，采用單組探針測定液流動態(tài)具有其優(yōu)越性。但是在實際情況下，樹木南北半斷面邊材厚度、導(dǎo)水組織結(jié)構(gòu)的差異性，會影響精確測定樹木液流速率日動態(tài)和日蒸騰耗水總量，因此必須重視不同方位液流速率所引起的誤差。本試驗?zāi)韭辄S供試木南北側(cè)液流速率存在顯著差異，北側(cè)高于南側(cè)，這與張建國等［6］對遼東櫟的研究結(jié)果相似。用線性方程擬合南北側(cè)液流速率的關(guān)系，表現(xiàn)出顯著性擬合效果（P＜0.01；R2＝0.889 8），表明在長期監(jiān)測中可通過單側(cè)液流速率模擬相對方位液流速率。造成南北側(cè)液流速率差異的原因較難確定，本試驗不作探討。

3.2 指數(shù)飽和曲線擬合供試木整株蒸騰耗水量與對應(yīng)日的總太陽輻射和晝間平均空氣水汽壓虧缺優(yōu)于線性擬合效果，符合植物蒸騰對環(huán)境因子變化的響應(yīng)規(guī)律，植物氣孔會在太陽輻射或空氣水汽壓虧缺的上限閾值關(guān)閉，顯示指數(shù)型的關(guān)系。曲線擬合的可決系數(shù)表明，除了這兩種主要環(huán)境因子的影響外，還有土壤水分條件，物候狀況等因素也會制約蒸騰速率。如在多雨的7、8月，濕葉蒸騰不同于晴天的氣孔蒸騰，其擬合方程較為接近；干旱的5、6月，葉面很難達到蒸騰耗水量的飽和閾值，擬合方程相對接近。

3.3 在木麻黃的生長季，各月累積蒸騰耗水量、總太陽輻射和晝間平均空氣水汽壓虧缺表現(xiàn)出一定的差異。5月，總太輻射、晝間平均空氣水汽壓虧缺較低，蒸騰耗水量較低；6月隨著總太陽輻射、晝間平均空氣水汽壓虧缺的升高有所增加；7—9月雖然太陽輻射較低，但是降雨量高，土壤水分大，加上較高的空氣水汽壓虧缺，蒸騰耗水量還是保持在一個較高的水平；10月總蒸騰耗水量隨著總太陽輻射和晝間平均空氣水汽壓虧缺的降低而下降。采用南北兩側(cè)方位液流速率測算生長季供試木的蒸騰耗水總量約為3.870t；采用1個方位液流速率測算的整株耗水量與2個方位的測算值相差18.19%。因此，不同方位樹干液流速率會對單株樹木的耗水測算產(chǎn)生顯著影響，必須引起重視，否則將產(chǎn)生較大誤差，進而影響林分水分管理決策。

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