亞熱帶紅壤區(qū)青岡櫟液流特征及其與氣象因子的相關(guān)性1)

涂 潔 劉琪璟 王輝民 廖迎春 李燕燕

(南昌工程學(xué)院，南昌，330099) (北京林業(yè)大學(xué)) (中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所) (南昌工程學(xué)院)

青岡櫟(Cyclobalanopsis glauca)為殼斗科櫟屬陽性植物，喜生于微堿性、中性至微酸性土壤，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，是我國(guó)亞熱帶常綠闊葉林的代表性樹種和荒山植被恢復(fù)的優(yōu)良樹種。許多學(xué)者對(duì)西南巖溶區(qū)青岡櫟葉片形態(tài)［1］、生物量［2］、群落特征［3］、光合生理生態(tài)特性［4-6］以及水分生理生態(tài)特性［7-9］等方面開展了研究。也有學(xué)者在我國(guó)亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，研究了青岡櫟光合生理生態(tài)特性［10-11］、林分空間結(jié)構(gòu)［12］以及群落學(xué)意義［13］，而對(duì)該地區(qū)青岡櫟液流特征及其影響因子的研究較少。然而，喬木在發(fā)揮生態(tài)功能的同時(shí)，也存在水分利用量大、水分傳輸速率大以及對(duì)環(huán)境影響較大的特點(diǎn)［14］。因此，準(zhǔn)確地測(cè)定和掌握整株樹木的耗水量及耗水規(guī)律，并根據(jù)樹種的耗水特性進(jìn)行樹種選擇，已成為當(dāng)前生態(tài)環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵。熱擴(kuò)散探針法可以在自然狀態(tài)下連續(xù)測(cè)定樹干液流的運(yùn)移速率，利用被測(cè)部位的邊材面積就可以推算整株樹木蒸騰耗水量［15］，被認(rèn)為是目前估測(cè)樹木耗水量廣泛采用的最準(zhǔn)確的方法之一［16］。如果與大氣和土壤因子傳感器相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境因子與樹木邊材液流速率的同步測(cè)定，從而掌握SPAC連續(xù)體水分傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)變化規(guī)律［17］。本研究以青岡櫟為研究對(duì)象，利用美國(guó)Dynamax公司生產(chǎn)的熱擴(kuò)散液流計(jì)對(duì)其樹干液流進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，通過逐步多元回歸建立青岡櫟樹干液流密度與氣象因子的統(tǒng)計(jì)模型，可為深入研究亞熱帶紅壤區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程先鋒植物的生理生態(tài)特性、退化森林的恢復(fù)與管理，以及人工林模式的組建提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省泰和縣中國(guó)科學(xué)院千煙洲試驗(yàn)站，海拔100 m左右，相對(duì)高度20～50 m，屬典型的紅壤丘陵地貌。主要土壤類型有紅壤、水稻土、潮土和草甸土等，成土母質(zhì)多為紅色砂巖、砂礫巖或泥巖以及河流沖積物。區(qū)內(nèi)年均氣溫17.9℃，≥0℃活動(dòng)積溫6 523℃，年日照時(shí)間1 406 h，太陽總輻射量4 223 MJ/m2，無霜期323 d。年均降水量1 542 mm，其中4—6月降雨量約占全年的一半，7—8月高溫少雨，易出現(xiàn)伏旱，年均相對(duì)濕度84%，具有典型亞熱帶季風(fēng)氣候特征。樣地設(shè)在試驗(yàn)站1985年前后營(yíng)造的針闊混交風(fēng)景林內(nèi)，面積149.19 m2，造林密度2334株·hm-2，郁閉度0.9以上。喬木層是以杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、木荷(Schima superba)、楓香(Liquidambar formosana)和青岡櫟為主的混交林，林下灌木層分布少量山礬(Symplocos caudate)、黃檀(Dalbergia hupeana)等，草本層以鱗毛蕨(Dryopteris filix-mas)、淡竹葉(Lophatherum gracile)為主。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)探頭的長(zhǎng)度和被測(cè)木具有代表性的原則，在針闊混交風(fēng)景林試驗(yàn)區(qū)選擇生長(zhǎng)良好、樹干通直、未被擠壓的20年生(2005年調(diào)查結(jié)果)青岡櫟作為試驗(yàn)材料，安裝液流計(jì)。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 樹干液流和環(huán)境因子的測(cè)定

在被測(cè)木樹干1.3 m處安裝TDP探針(型號(hào)TDP-30，美國(guó)Dynamax公司)，另一端與數(shù)據(jù)采集器(DT-50，澳大利亞Data Taker公司)連接，液流觀測(cè)時(shí)間為2006年4—10月。探針的工作原理、安裝及液流密度計(jì)算方法參見文獻(xiàn)［18］。為了避免太陽直射引起的測(cè)量誤差，將探頭安裝在樹干北面。在試驗(yàn)地安裝森林小氣候自動(dòng)氣象站(氣溫、降雨量、相對(duì)濕度、輻射強(qiáng)度、風(fēng)速和風(fēng)向)和土壤溫度傳感器，另一端同樣與數(shù)據(jù)采集器連接，實(shí)現(xiàn)液流、氣象、土壤因子數(shù)據(jù)的同步自動(dòng)采集(數(shù)據(jù)采集間隔30 min)。樹干液流速率Js(cm·s-1)由Granier經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到［18］。

式中:ΔT為兩探針間的溫差;ΔTmax為連續(xù)7～10 d所測(cè) ΔT 中的最大值［19］。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

采用Dynamax公司提供的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)下載和保存，采用KaleidaGraph 3.6軟件繪圖，同時(shí)利用SPSS 16.0軟件對(duì)青岡櫟樹干液流速率與環(huán)境因子進(jìn)行多元線性回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 青岡櫟晴天樹干液流日變化規(guī)律

選取青岡櫟生長(zhǎng)季晴天液流數(shù)據(jù)分析液流日變化規(guī)律。從日變化曲線(圖1)看出，整個(gè)生長(zhǎng)季晴天青岡櫟液流基本呈典型的寬峰型變化，液流到達(dá)峰值后伴有不同程度的小幅波動(dòng)，形成多個(gè)小峰組成的“高峰平臺(tái)”。樹干液流受其自身生長(zhǎng)發(fā)育狀況和各種外界因素的影響，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，表現(xiàn)在開始啟動(dòng)、到達(dá)峰值和保持較大速率的時(shí)間不同。6月于7:30左右最早啟動(dòng)，比5、10月提前2 h，比7、8、9月提前1 h，而4月推遲到10:30左右才開始啟動(dòng)。5、6月到達(dá)峰值的時(shí)間最早，大約12:00，并且分別保持較大液流速率((0.002±0.000 5)cm·s-1和(0.004 5±0.000 5)cm·s-1)的時(shí)間在6 h以上。其它月份到達(dá)峰值的時(shí)間基本在12:30—13:00，其中7、8月均保持較大液流速率(0.004±0.000 5 cm·s-1)8 h 以上，4、10 月均保持較大液流速率(0.002±0.000 5 cm·s-1)5 h 以上，9月保持較大液流速率(0.003±0.000 5 cm·s-1)5 h以上。不同月份青岡櫟平均液流速率的大小順序依次為:7 月(0.001 847 cm·s-1)、6 月(0.001 734 cm·s-1)、8 月(0.001 517 cm·s-1)、9 月(0.001 361 cm·s-1)、5 月(0.001 350 cm·s-1)、10 月(0.001 171 cm·s-1)、4 月(0.001 108 cm·s-1)。

結(jié)合生長(zhǎng)季主要環(huán)境因子的月變化曲線(圖2)可知，4月冠層溫度低、太陽輻射弱，樹木主要靠體內(nèi)的木栓化組織運(yùn)輸水分來維持最基本的生命需求，因此液流速率較低。進(jìn)入5、6月份，隨著冠層溫度的不斷回升，青岡櫟生長(zhǎng)旺盛，液流速率逐步提高。7月平均凈輻射和冠層溫度幾乎達(dá)到了1年中的最高點(diǎn)，加上經(jīng)過前期雨季的水分補(bǔ)充，土壤水分條件大大改善，從而同時(shí)具備了充分的水分供給和較強(qiáng)的蒸騰拉力，使得土壤、植物、大氣之間形成了足夠大的水勢(shì)差，青岡櫟對(duì)耗水量急劇增加，平均液流速率最大值出現(xiàn)在7月份。雖然8月光照和溫度條件與7月不相上下，但是與此時(shí)土壤水分的嚴(yán)重虧缺形成矛盾，青岡櫟只能通過減小蒸騰來適應(yīng)當(dāng)前的土壤水分條件。進(jìn)入10月份以后，樹木生長(zhǎng)開始減慢，冠層溫度、平均凈輻射和土壤含水量均達(dá)到整個(gè)生長(zhǎng)季的最低點(diǎn)，樹木蒸騰耗水量減少，因此樹干液流速率最低。

圖1 晴天青岡櫟液流速率日變化

圖2 生長(zhǎng)季環(huán)境因子日變化

3.2 青岡櫟雨天樹干液流日變化規(guī)律

由于降雨時(shí)段不同，青岡櫟雨天液流日變化規(guī)律表現(xiàn)出一定的差異(圖3)。

圖3 雨天青岡櫟液流速率日變化

根據(jù)自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，5月31日處于全天降雨?duì)顟B(tài)，圖3顯示當(dāng)天液流無明顯啟動(dòng)，呈無規(guī)律的小幅波動(dòng)，這可能是由于雨天太陽輻射弱(62.9 W·m-2)、空氣相對(duì)濕度高(97%)，極大地降低了葉片氣孔內(nèi)外的蒸汽壓梯度，液流只能維持在較低的水平。同時(shí)，這些環(huán)境因素誘導(dǎo)葉片氣孔開啟比較慢，太陽輻射等環(huán)境因素變化的不規(guī)則性導(dǎo)致液流變化的不確定性。7月7日降雨發(fā)生在19:00以后，此時(shí)液流活動(dòng)基本已經(jīng)結(jié)束，降雨對(duì)液流活動(dòng)沒有影響，因此液流呈明顯的啟動(dòng)、達(dá)到峰值以后開始下降的單峰型變化。7月27日降雨發(fā)生在9:00以前，降雨結(jié)束以前，較高的空氣相對(duì)濕度(87%)和較弱的太陽輻射(24.4 W·m-2)抑制液流啟動(dòng)和上升，液流一直沒有啟動(dòng)。直到降雨結(jié)束后，隨著空氣相對(duì)濕度的降低、空氣溫度的回升和太陽輻射的增強(qiáng)，10:30左右開始啟動(dòng)，并于13:00達(dá)到峰值，之后液流由于太陽輻射和空氣溫度的下降而減小。

3.3 青岡櫟樹干液流與氣象因子的相關(guān)性

為了直觀地揭示樹干液流與氣象因子的關(guān)系，選取青岡櫟生長(zhǎng)季連續(xù)3個(gè)晴天逐小時(shí)液流速率數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，繪出樹干液流速率與各影響因子的日變化曲線(圖4)。從圖4中看出，青岡櫟樹干液流速率與平均凈輻射、大氣溫度的日變化曲線峰形基本一致，與大氣相對(duì)濕度曲線峰形正好相反，樹干液流速率與三者有較好的生態(tài)學(xué)相關(guān)性。平均凈輻射在早晨7:30左右迅速升高，液流滯后1h啟動(dòng)，之后大氣溫度不斷升高，大氣相對(duì)濕度逐漸降低，在水力梯度的作用下，根部則不斷吸收水分通過樹干木質(zhì)部向上運(yùn)移，用來補(bǔ)充耗散的水分，樹干液流速率不斷增大。中午12:30左右平均凈輻射和液流均達(dá)到峰值，此時(shí)正處于空氣溫度的最高點(diǎn)和空氣相對(duì)濕度的最低點(diǎn)，液流與上述幾個(gè)氣象因子基本上屬同步變化，不存在明顯的時(shí)滯效應(yīng)。這與王華等［20］、徐軍亮等［21］得出的樹干液流與氣象因子間存在顯著時(shí)滯效應(yīng)的結(jié)論不同。

在多個(gè)影響因子的情況下，2個(gè)變量因子間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)往往不能準(zhǔn)確地說明它們之間的真正關(guān)系。選取生長(zhǎng)季7月1—30日液流數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，對(duì)氣象因子與樹干液流數(shù)據(jù)進(jìn)行偏相關(guān)分析(表1)。由表1可知，青岡櫟液流速率與空氣相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，與平均凈輻射和空氣溫度呈顯著正相關(guān)，液流的變化與這3個(gè)因子的變化相關(guān)性很強(qiáng)。根據(jù)偏相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的高低，氣象因子對(duì)青岡櫟液流速率的影響程度由大到小依次為:平均凈輻射(0.636)、空氣溫度(0.424)、相對(duì)濕度(-0.118)?？梢?，太陽輻射是影響液流速率的主要因子。

為了揭示氣象因子對(duì)液流速率的綜合影響，以0.01的可靠性作為入選和剔除臨界值，采用逐步剔除法建立青岡櫟液流速率與氣象因子的多元回歸模型 Js=-0.004-9.159×10-6Rh+3.297×10-6Anr。式中:Rh為空氣相對(duì)濕度;Anr為平均凈輻射。所有參數(shù)的估計(jì)結(jié)果見表1?？諝鉁囟纫蜃記]有入選回歸方程，這是由于在空氣溫度適宜時(shí)，樹干液流速率主要是由太陽輻射(Anr)和空氣相對(duì)濕度(Rh)決定的。方差分析結(jié)果表明，回歸方程的擬合效果良好，決定系數(shù)R2達(dá)到0.93?；貧w方程的顯著性概率為Sig.＜0.001，達(dá)到了極顯著水平。

圖4 青岡櫟液流速率與氣象因子日變化

表1 回歸分析結(jié)果

4 結(jié)論與討論

青岡櫟生長(zhǎng)季晴天液流為典型的寬峰型變化，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律，表現(xiàn)在開始啟動(dòng)、到達(dá)峰值和保持較大速率的時(shí)間不同。不同月份平均液流速率的大小順序依次為:7月(0.001 847 cm·s-1)、6月(0.001 734 cm·s-1)＞8 月(0.001 517 cm·s-1)、9 月(0.001 361 cm·s-1)、5 月(0.001 350 cm·s-1)、10 月(0.001 171 cm·s-1)、4 月(0.001 108 cm·s-1)。由于降雨時(shí)段不同，青岡櫟雨天液流日變化規(guī)律表現(xiàn)一定的差異。全天降雨?duì)顟B(tài)下，液流無明顯啟動(dòng)，呈無規(guī)律的小幅波動(dòng);降雨發(fā)生在液流活動(dòng)結(jié)束以后，降雨對(duì)液流活動(dòng)無影響;降雨發(fā)生在液流活動(dòng)結(jié)束以前，降雨過程中，液流活動(dòng)受到抑制，降雨結(jié)束后，液流開始啟動(dòng)、達(dá)到峰值，之后逐步下降。

液流速率與平均凈輻射、空氣溫度呈顯著正相關(guān)，與空氣相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。氣象因子對(duì)青岡櫟液流速率的影響程度由大到小順序依次為:平均 凈輻射(0.636)、空氣溫度(0.424)、相對(duì)濕度(-0.118)。這與張中峰等［7］對(duì)巖溶區(qū)青岡櫟、孫龍等［22］對(duì)紅松(Pinus koraiensi)的結(jié)論一致，而與馬長(zhǎng)明等［23］得出果實(shí)生長(zhǎng)期核桃(Juglans regia)樹干液流主要受空氣相對(duì)濕度影響、劉健等［24］認(rèn)為大氣溫度是銀杏(Gingkgo biloba)莖流主導(dǎo)因子的結(jié)論不一致。此外，大量研究表明，影響樹干液流的環(huán)境因子會(huì) 因 樹 木 生 長(zhǎng) 季［7，23］、天 氣 條 件［25］、時(shí) 空 位移［26-27］、土壤水分條件［28-29］的差異而發(fā)生變化，不同條件下環(huán)境因子對(duì)樹干液流的影響程度有較大差異。樹種和地區(qū)差異是否會(huì)造成樹干液流速率主導(dǎo)因子的差異有待于進(jìn)一步研究。因此，影響液流密度的環(huán)境因子十分復(fù)雜，除了植物自身的生理學(xué)特性外，對(duì)環(huán)境因子如土壤水分、大氣溫度、大氣相對(duì)濕度和太陽輻射等的監(jiān)測(cè)和研究也具有十分重要的意義。

致謝:感謝中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室千煙洲生態(tài)站楊鳳亭老師和徐飛師妹為本論文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集提供幫助。

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