內(nèi)蒙古林科院樹木園油松人工林蒸散特征

王云霓，聶正英，楊 帆，賈喜平

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古大青山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)萬家溝管理站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原種苗總站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010052； 4. 內(nèi)蒙古大青山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)上高臺(tái)管理站，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012314)

林分蒸散是森林植被耗水和水量平衡的主要組成部分，在干旱缺水地區(qū)，準(zhǔn)確量化森林蒸散及其組分有助于基于林水關(guān)系預(yù)測(cè)和保障森林植被的穩(wěn)定。林分蒸散一般分為冠層蒸騰、冠層截留及包括土壤蒸發(fā)、草灌蒸騰、草灌和枯落物等地被物截留的林地蒸散三個(gè)基本組分[1-3]，受植被類型、群落結(jié)構(gòu)及立地條件、氣象因子、土壤水分等環(huán)境因子的影響，林分蒸散及其組分所占比例存在顯著差異[4-7]，已有的研究中，冠層蒸騰、冠層截留、林地蒸散分別占林分總蒸散的 30%～90%、5%～40% 和 10%～60%[1-9]。目前，有關(guān)森林植被蒸散及其組分的研究多集中在山區(qū)，而針對(duì)城市森林植被的研究較少。而城市環(huán)境下，因城市熱島效應(yīng)、下墊面透水性差等獨(dú)特的立地條件[10-11]，更需要掌握森林植被的蒸散耗水特征，以便更好地統(tǒng)籌和利用水資源及更好地發(fā)揮城市森林的生態(tài)效益。本研究以內(nèi)蒙古林科院樹木園油松(Pinustabuliformis)人工林為研究對(duì)象，旨在城市環(huán)境下通過確定森林植被蒸散及其組分的特征，以期了解城市環(huán)境下人工林植被的耗水特征，為城市環(huán)境下基于林水關(guān)系的植被建設(shè)及精細(xì)化管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古林科院樹木園(40°49′N，111°41′E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市區(qū)，占地 21.67 hm2，海拔1 056 m。該地區(qū)屬于典型的蒙古高原大陸性氣候，四季分明，春秋干燥風(fēng)大，夏季雨熱同期，冬季漫長(zhǎng)寒冷。近57 a氣象數(shù)據(jù)(1960—2016年)顯示，年平均氣溫 6.82 ℃，7月溫度最高，多年平均為 22.58 ℃；多年平均降水量 402.6 mm，降水主要集中在7—8月；平均相對(duì)濕度 52.38%，平均風(fēng)速 1.89 m·s-1，年平均蒸發(fā)量 1 802.32 mm。無霜期135 d左右，土壤類型為沙質(zhì)栗鈣土。樹木園高覆蓋度的森林植被對(duì)當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)氣候、改善大氣環(huán)境起著重要的作用，且豐富的植物資源為當(dāng)?shù)氐牧謽I(yè)生產(chǎn)、園林綠化的樹種選擇提供物質(zhì)支撐。

油松人工林分布在樹木園的中南，林分密度為705株·hm-2，平均胸徑為 22.30 cm，平均樹高 11.60 m，平均冠幅 5.16 m，郁閉度為 0.83。油松林下灌木零星分布，有毛果繡線菊(Spiraeatrichocarpa)、美麗茶藨子(Ribespulchellum)、細(xì)葉小檗(Berberispoiretii)。草本層發(fā)育一般，蓋度小于 15%，種類主要有:陰山薹草(Carexyinshanica)、麥瓶草(Sileneconoidea)、青杞(Solanumseptemlobum)、硬阿魏(Ferulabungeana)、黃花鐵線蓮(Clematisintricata)、無芒雀麥(Bromusinermis)、抱草(Melicavirgata)、短花針茅(Stipabreviflora)、臭草(Melicascabrosa)、飛廉(Carduusnutans)、狗尾草(Setariaviridis)、車前(Plantagoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、山苦荬(Ixerischinensis)等。

1.2 研究方法

1.2.1冠層截留

林外降水量采用Dynamet小型自動(dòng)氣象站(USA)測(cè)定；在林內(nèi)放置3個(gè)自制式穿透雨接水桶(長(zhǎng)200 cm，寬20 cm，高120 cm)，桶下的接水口通過PVC管流到自動(dòng)雨量計(jì)(HOBO，USA)，數(shù)據(jù)記錄頻率為5 min；樹干莖流采用PVC管蛇形纏繞法進(jìn)行收集[3]，樹干莖流計(jì)算見公式(1)。數(shù)據(jù)測(cè)定時(shí)間為2017年5月1日至9月30日。

(1)

式中：S為樣地的樹干莖流(mm)，Cn為監(jiān)測(cè)樹木的樹干莖流(mL)，Mn為每一徑級(jí)的樹木株數(shù)，A為樣地面積(m2)，n為徑級(jí)數(shù)。

次降水后，利用降水量(P，mm)減去林內(nèi)穿透雨(TF，mm)和樹干莖流(S，mm)，得到冠層截留(I，mm)，見公式(2)。

I=P-TF-S

(2)

1.2.2冠層蒸騰

利用樹干液流探針(TDP sensors)測(cè)定樣樹液流速率，基于液流密度和邊材面積計(jì)算油松人工林的冠層蒸騰(T，mm)具體安裝方法及計(jì)算方法見文獻(xiàn)[11]，文中冠層蒸騰數(shù)據(jù)來源于陳勝楠等[11]。

1.2.3林地蒸散

在樣地內(nèi)機(jī)械安裝5個(gè)自制微型蒸滲筒，每天在固定時(shí)間稱重1次，根據(jù)公式(3)計(jì)算林地蒸散(ETf，mm)。

ETf=(W1-W2)/ρ/D+TF-L

(3)

式中：W1、W2為蒸滲筒前后的重量(kg)，ρ為水的密度，D為蒸滲筒的斷面積(m2)，TF為林內(nèi)穿透雨(mm)，L為滲漏水量(mm)。

2 結(jié)果分析

2.1 冠層截留特征

整個(gè)生長(zhǎng)季油松人工林穿透雨占降水量的比重達(dá)到 71.26%，6月和8月的穿透雨最大，分別為 46.93 mm和 59.95 mm，分別占同期降水量的 76.67% 和 72.40%，5月和9月的穿透雨最小，分別為 14.67 mm和 12.85 mm，分別占同期降水量的 51.56% 和 68.35%，7月穿透雨為 36.83 mm，占同期降水量的 75.13%。觀測(cè)期內(nèi)，樹干莖流均較小，整個(gè)生長(zhǎng)季的樹干莖流總和僅為 0.16 mm，不同月份樹干莖流量為 0.02～0.05 mm，占同期降水量的 0.03%～0.27%。整個(gè)生長(zhǎng)季，油松人工林冠層截留達(dá)到 68.90 mm，占生長(zhǎng)季總降水量的 28.67%；冠層截留呈先增大后減小的月變化特征。其中，8月冠層截留最大，為 22.82 mm，占同期降水的 27.56%；6月和7月的冠層截留分別為 14.26 mm和 12.16 mm，分別占同期降水量的 23.30% 和 24.81%；5月和9月的冠層截留分別為 13.76 mm和 5.90 mm，但是占同期降水量的比例卻是最大，分別達(dá)到 48.37% 和 31.38%。具體見表1。

表1 穿透雨、樹干莖流及蒸散組分的數(shù)量及占同期降水量的比例Tab.1 Through fall, stem flow and evapotranspiration components and their proportionsto the total precipitation

2.2 冠層蒸騰的月變化

整個(gè)生長(zhǎng)季油松人工林冠層蒸騰為 83.68 mm，占同期降水量的比重達(dá)到 34.83%，整個(gè)生長(zhǎng)季冠層蒸騰總體呈下降趨勢(shì)。其中，5月和7月的冠層蒸騰最大，分別為 20.96 mm和 19.89 mm，分別占同期降水量的 73.67% 和 40.58%；8月和6月的冠層蒸騰次之，分別為 18.09 mm和 17.25 mm，分別占同期降水量的 21.85% 和 28.18%；9月的冠層蒸騰最小，僅為 7.49 mm，占同期降水量的 39.84%。具體見表1和圖1。

圖1 冠層蒸騰、冠層截留和林地蒸散的月變化Fig.1 Monthly variations of canopy transpiration, canopy interception, forest floor evapotranspiration

2.3 林地蒸散的月變化

整個(gè)生長(zhǎng)季油松人工林林地蒸散為 239.95 mm，占同期降水量的比重達(dá)到 99.86%。8月和7月的林地蒸散最大，分別為 62.95 mm和 53.28 mm，占同期降水量的 76.03% 和 108.69%；9月和6月的林地蒸散次之，分別為 46.62 mm和 45.78 mm，分別占同期降水量的 247.98% 和 74.79%；5月的林地蒸散最小，為 31.32 mm，占同期降水量的 110.09%。具體見表1。

2.4 林分蒸散及其組分的月變化

生長(zhǎng)季林分蒸散為 392.53mm，遠(yuǎn)大于同期降水量，占同期降水量的 163.36%，說明目前同期降水量不能滿足樹木園油松人工林的需水量，需要額外水分的補(bǔ)充。林分蒸散在生長(zhǎng)季內(nèi)的月變化總體呈先增大后減小的變化趨勢(shì)(圖1)。

在生長(zhǎng)季初的5月林分蒸散較低，僅為 66.04 mm，占生長(zhǎng)季總蒸散的 16.82%，占同期降水量的 232.13%，此時(shí)的降水量遠(yuǎn)低于林分需求；林地蒸散占5月林分蒸散的比例最大，達(dá)到 47.42%，冠層蒸騰和冠層截留分別占5月林分蒸散的 31.74% 和 20.84%。在6月、7月，林分蒸散分別為 77.29 mm和 85.33 mm，分別占生長(zhǎng)季總蒸散的 19.69% 和 21.74%，但是分別占同期降水量的 126.27% 和 174.07%，此時(shí)降水量也是遠(yuǎn)低于林分需水量；林地蒸散在6月、7月中占林分蒸散的比例仍然是最大的，分別為 59.23% 和 62.44%；6月、7月冠層截留占各月林分蒸散的比例最小，分別為 18.45% 和 14.25%。8月林分蒸散最大，達(dá)到 103.86 mm，占生長(zhǎng)季總蒸散的 26.46%，占同期降水量的 125.43%；8月的冠層截留、冠層蒸騰和林地蒸散分別占該月林分蒸散的 21.97%、17.42% 和 60.61%。9月林分蒸散最小，僅為 60.01 mm，但是占同期降水量的 319.20%，林分需水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同期降水量；冠層截留、冠層蒸騰和林地蒸散分別占該月林分蒸散的 9.83%、12.48% 和 77.69%。Pearson相關(guān)分析表明，林分蒸散主要受降水量(R2=0.88，P<0.01)和氣溫(R2=0.79，P<0.05)的影響，對(duì)其他氣象因子的影響較小，見表2。

表2 林分蒸散與氣象因子的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation Coefficient between stand evapotranspiration and meteorological factors

3 結(jié)論

(1)整個(gè)生長(zhǎng)季，油松人工林林分蒸散、冠層蒸騰、冠層截留、林地蒸散分別為 392.53 mm、83.68mm、68.90 mm和 239.95 mm，分別占同期降水量的 163.36%、34.83%、28.67% 和 99.86%；林分蒸散的月變化總體呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在8月，其次是7月、6月、5月和9月，分別占同期降水量的 125.43%、174.07%、126.27%、232.13%、319.20%，不同月份蒸散耗水量均大于同期降水量，自然降水已不能滿足林分的蒸散消耗。

(2)整個(gè)生長(zhǎng)季油松人工林冠層蒸騰為 83.68 mm，冠層蒸騰的季節(jié)變化總體呈下降趨勢(shì)，5月、6月、7月、8月和9月的冠層蒸騰分別占同期林分總蒸散的 31.74%、22.32%、23.31%、17.42% 和 12.48%，占同期降水量的 73.67%、28.18%、40.58%、21.85% 和 39.84%。冠層截留的季節(jié)變化與降水量的變化趨勢(shì)一致，呈先增大后減小的月變化特征，最大值出現(xiàn)在8月，5—9月冠層截留分別占同期降水的 48.37%、23.30%、24.81%、27.56% 和 31.38%。林地月蒸散呈單峰型的變化趨勢(shì)，8月和7月的林地蒸散最大，分別占同期降水量的 76.03% 和 108.69%；5月的林地蒸散最小，占同期降水量的 110.09%。