沿海沙地木麻黃人工林樹干液流對臺風(fēng)的響應(yīng)

白永會 ,葉功富,查軒,游水生,尤龍輝,高偉

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，南昌330013；2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院 生態(tài)所，福州350012；3. 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福州350007；4.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福州350002)

0 引言

水是影響植物生長的重要生態(tài)因子，估測植物蒸騰速率有助于深入了解植物水分的利用機(jī)理[1-2]。林木水分利用是林木生理活動和水分循環(huán)的關(guān)鍵過程，植物水分利用特征形成了本身的適應(yīng)性策略，定量研究林木的蒸騰耗水是樹木生理學(xué)和生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域的研究熱點[3]。液流可反映植物體內(nèi)的水分傳輸狀況，單株尺度上液流測定法具有安裝操作簡單、數(shù)據(jù)可靠性高、零污染和連續(xù)觀測的優(yōu)點，目前被國內(nèi)外植物生理學(xué)家和生態(tài)學(xué)家廣泛應(yīng)用[3-6]。

臺風(fēng)是中國東南沿海區(qū)域主要的災(zāi)害性天氣之一，對近岸海域的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，尤其是沿海區(qū)域防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)[7]。同時臺風(fēng)對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響以及臺風(fēng)降水的評估和評價體系在國內(nèi)外已經(jīng)是很多學(xué)者關(guān)注的焦點[8-11]。木麻黃(Casuarinaeguisetfolia)是類針葉的被子植物，它抗風(fēng)沙、抗干旱、耐鹽堿，根系具有根瘤菌可固氮，適應(yīng)性強(qiáng)的特點，木麻黃林帶處于防護(hù)林前沿，自20世紀(jì)50年代引種以來已成為中國東南沿海7 000多km海岸帶的“綠色長城”，是沿海防護(hù)林的重要組成部分。國內(nèi)對臺風(fēng)天氣下林木液流和蒸騰耗水的研究較少，僅見對馬尾松[12]和尾巨桉的研究[13]，鑒于此，研究不同直徑木麻黃樹干液流對臺風(fēng)“南馬都”登錄前后的響應(yīng)，可為探討木麻黃人工林對臺風(fēng)天氣的響應(yīng)以及臺風(fēng)降水是否增加木麻黃可利用水分提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于福建省泉州市惠安縣崇武鎮(zhèn)赤湖防護(hù)林場(118°40′E～118°55′E，24°30′N ～24°55′N )，該地屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫達(dá)到19.8 ℃，全年無霜期320 d，多年平均降雨量為1 029 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 000 mm，夏季7—9月多臺風(fēng)雨，秋冬季節(jié)東北風(fēng)強(qiáng)盛，多年平均風(fēng)速7.0 m·s-1。土壤是風(fēng)積沙土。2011年第11號熱帶風(fēng)暴“南瑪都”于8月31日2時20分在福建晉江市登陸。

2 材料與方法

選取1986年栽植木麻黃人工林，平均胸徑9 cm、平均樹高9.5 m，至2011年林齡25 a，樣地面積20 m×20 m，密度2.0 m×2.0 m (2 500 株·hm-2)，現(xiàn)密度為1 648株·hm-2，郁閉度0.7。樣地內(nèi)選擇生長良好、樹干通直和樹冠受周圍植株遮擋較小，具代表性不同胸徑大小的樣木。為避免林下灌木草本對實驗產(chǎn)生影響，選擇林下無林被樣地，樣地內(nèi)木麻黃凋落物厚度約2～3 cm。試驗地不受人為干擾和破壞。樣木基本指標(biāo)如表1。

2.1 木麻黃邊材面積

目前測量邊材厚度并沒有統(tǒng)一方法，因不同的樹種而異[14]，樣地內(nèi)隨機(jī)選取不同徑級、生長狀況良好的木麻黃共計25株(不含測定液流的樣木)，用生長錐法測定邊材厚度(取其平均值)，量取其胸圍(Cir)，并轉(zhuǎn)換為直徑(DBH=Cir/π)，測定樹皮厚度，然后由邊材厚度求算邊材面積[15]。木麻黃邊材與心材顏色區(qū)別明顯，確定邊材厚度后計算邊材面積(As) :

表 1 供試木麻黃樣木基本指標(biāo) Table 1 Basic parameters of sample trees(Casuarina equisetifolia)

樣木胸徑/cm樹高/m冠幅/m2枝下高/m樹皮厚度/cm邊材寬度/cm心材寬度/cm邊材面積/cm217.67.01.2×1.33.30.32.41.134.728.610.51.3×1.46.20.42.51.441.6310.811.01.5×1.85.40.53.01.965.9

As=π(2r-2rb-rs)×rs=π(DBH-2rb-rs)×rs

(1)

式(1)中：DBH是直徑，r是樹干半徑 (DBH/2)，rb是樹皮厚度，rs是邊材厚度。樣木直徑為12.5 cm以下，邊材厚度不超過3 cm，TDP-30探針長度為3 cm，探針能完全進(jìn)入樣木的邊材部分。

2.2 儀器安裝

用手持羅盤儀定位樣木的北方位，在樹干胸徑處北側(cè)用砍刀將樹干樹皮刮掉，刮樹皮時不要損壞樹干的韌皮部；考慮樣木重要性，在鉆孔前，鉆頭用10%的次氯酸鈉漂洗，在鉆另一棵樣木時，重新漂洗鉆頭，用直徑2 mm的鉆頭，鉆2個3 cm長的孔，將3 cm長的熱源探針(紅色導(dǎo)線)和感應(yīng)探針分別逐漸插入上部孔和下部孔；用儀器自帶硅膠將探針與樣木之間的空隙封好，以防止樹干流下的水分與探針接觸；在TDP的每一邊都安裝1/4球狀泡沫，為保護(hù)傳感器不受扭彎的壓力；避免太陽輻射，用錫箔護(hù)罩將安裝探頭所在的樹干部分包裹，使用膠帶把錫箔隔熱膜與樹干上部和下部粘在一起，再與數(shù)據(jù)采集器電源連接。

2.3 樹干液流測定和耗水量計算

使用CR1000數(shù)據(jù)采集器( Data Logger-Campbell Scientific, USA)采樣，數(shù)據(jù)記錄10 min取1次液流平均值，樹干液流計算[4]:

K=(dTM-dT)/dT

(2)

Fd=0.011 9K1.231

(3)

單株樣木日耗水量計算:

Q=Fd×As×T

(4)

式(2～4)中：dT為兩探針之間的瞬時溫差，dTM為記錄的晝夜最大溫差，K是無量綱量，Q為日耗水量，單位(g·d-1)，F(xiàn)d為液流速率(cm·s-1)，As為邊材面積(cm2)，T為86 400(s)。

2.4 木麻黃林內(nèi)氣象因子測定

氣象站(Weatherpak～2000USA)同步監(jiān)測2 m高度林內(nèi)光合有效輻射(PAR)、大陽輻射(RAD)、溫度(T)、相對濕度(RH)、風(fēng)速(Ws)氣象因子，10 min存儲數(shù)據(jù)。為有效表達(dá)溫度與相對濕度2個氣象因子的共同作用，運(yùn)用水汽壓差這一指標(biāo)分析，計算水汽壓差[16]:

es(T)=0.611×exp[17.502T/(T+240.97)]

(5)

VPD=es(T)-ea=es(T)(1-RH)

(6)

式 (5～6)中，es(T)為T大氣溫度下的飽和水汽壓( Pa)，T為溫度(℃)，ea為周圍氣體水汽壓(Pa)，RH為相對濕度(%)，VPD為水汽壓差(kPa)。降雨量采用惠安縣崇武鎮(zhèn)氣象站點降雨數(shù)據(jù)，降雨采用8：00—20：00時日降水量，精度0.1 mm。

2.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel計算2011年8月20日—9月1日樹干液流及氣象因子，利用SPSS 17.0對樹干液流與氣象因子相關(guān)性分析，運(yùn)用Origin 8.5進(jìn)行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測期間氣象因子動態(tài)變化

8月20日—9月1日期間各氣象因子(T、RH、PAR、RAD、VPD、Ws)以及降雨量日變化(圖1)。T先高后低，最高溫度出現(xiàn)在8月26日是33.6 ℃，最低溫度出現(xiàn)在8月31日，RH浮動范圍在50%～94%，表現(xiàn)出“高-低-高”的趨勢，PAR和RAD表現(xiàn)出“高-低”的趨勢，最大值分別為772 umol·s-1·m-2和1 386 w·m-2，VPD先增后降，最大值出現(xiàn)在20日是2.33 kpa，最小值出現(xiàn)在9月1日是0.191 kpa，8月29日風(fēng)速最大值高達(dá)1.1 m·s-1，最低值為0 m·s-1；8月20日—9月1日期間，8月21日降水量少于10 mm，由于該時伏旱，處于副高控制下的伏旱天氣，臺風(fēng)登陸期間，8月29日8時—8月30日8時降水量達(dá)到413.6 mm，8月30日8時—8月31日8時降水量550.6 mm，8月31日8時—9月1日8時降水量242.3 mm，9月1日20—24:00降水量125.1 mm。

圖 1 監(jiān)測期間氣象因子的變化Figure 1 Variations of meteorological parameters during the period of monitoring

3.2 木麻黃樹干液流速率日變化動態(tài)

如表2所示，木麻黃樹干液流速率在晴天、陰天、臺風(fēng)天氣液流的總體特征是：晴天陰天液流呈單峰型，液流啟動時間和峰值時間較規(guī)律，但臺風(fēng)天氣液流沒有明顯規(guī)律，夜間液流表現(xiàn)為晴天陰天晚間存在微弱液流，但臺風(fēng)天氣晚間液流較高，液流平均值速率和液流最大值在臺風(fēng)天氣較大。

3.3 不同直徑木麻黃耗水量特征

研究認(rèn)為樹干液流速率與邊材面積密切相關(guān)[17]，不同天氣木麻黃樣木1、2、3日均耗水量和平均值(3株樣木液流平均值)(圖2)，晴天8月20日—8月25日均耗水量分別0.86、0.62和5.74 kg，平均值2.40 kg，陰天8月26日—8月28日均耗水量分別是0.80、0.47和4.94 kg，平均值是2.07 kg，臺風(fēng)天8月29日—9月1日均耗水量分別是8.10、0.30和10.01 kg，平均值6.14 kg；樣木日均耗水量未呈現(xiàn)隨直徑增大而增大趨勢，不同天氣日均耗水量大小順序為臺風(fēng)天>晴天>陰天。

表 2 不同天氣木麻黃單位邊材液流速率日變化動態(tài)Table 2 Diurnal variation of sap flow velocity per unit of C. equisetifolia in different weather

圖 2 不同天氣木麻黃日均耗水量特征Figure 2 Characteristics of average daily water consumption of C.equisetifolia under different weather

3.4 小時尺度樹干液流與氣象因子的關(guān)系

小時尺度木麻黃液流與各氣象因子的相關(guān)分析結(jié)果見表3。晴天、陰天、臺風(fēng)天氣液流與太陽輻射的相關(guān)程度大于有效輻射，且均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。晴天、陰天液流速率與水汽壓差呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，且相關(guān)性最大，臺風(fēng)天與水汽壓差呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，且相關(guān)程度和晴天陰天比絕對值最低。晴天、陰天、臺風(fēng)天液流與相對濕度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，小時尺度降水量與液流表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)順序是樣木3>樣木1>平均值>樣木2，晴天、陰天液流與相對濕度顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與風(fēng)速顯著正相關(guān)(P<0.05) ，與水汽壓差顯著正相關(guān)(P<0.05)。臺風(fēng)天液流與相對濕度和水汽壓差顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與風(fēng)速極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與降水量顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表 3 小時尺度樹干液流速率與氣象因子的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis between sap flow and meteorological factors in hour scale

注：**極顯著相關(guān)(P<0.01)，*顯著相關(guān)(P<0.05)， 平均值為1，2，3號樣木均值，其中，降雨量為大于10 mm,降雨8—20時實時數(shù)據(jù)。

4 討論

晴天、陰天和臺風(fēng)天氣液流峰型不一致，陰天液流速率日變化啟動時間和峰值時間比晴天提前，且陰天液流速率明顯低于晴天液流速率。因為晴天(8月20日—8月25日)太陽輻射、有效輻射、空氣溫度高促進(jìn)木麻黃葉子氣孔開放，蒸騰作用增強(qiáng)(圖2)，而陰天(8月26日—8月28日)太陽輻射、空氣溫度和水汽壓差降低、相對濕度增大，所以木麻黃液流速率明顯低于晴天，該現(xiàn)象與孫慧珍[18]、熊偉[19]、夏桂敏[20]研究白樺樹干液流、華北落葉松、荒漠區(qū)檸條樹干液流特征結(jié)果一致。臺風(fēng)天液流速率啟動時間和峰值沒有明顯時段，夜間液流存在且數(shù)值大于晴天、陰天液流，白天降雨引起輻射低，較低水汽壓差阻礙葉子氣孔開放，引起白天液流啟動和峰值不穩(wěn)定，且可能白天土壤水分沒有充分被木麻黃吸收，在根壓作用下，根系吸水方式由主動變?yōu)楸粍樱謴?fù)植物體內(nèi)的水分平衡,進(jìn)而夜間液流補(bǔ)充恢復(fù)木麻黃水分平衡[21]。8月29日—9月1日臺風(fēng)天木麻黃樣木1、2、3日均耗水量分別是8.10、0.30和10.01 kg，平均值6.14 kg(圖2)，出現(xiàn)樣木2的液流最小，原因是臺風(fēng)過后發(fā)現(xiàn)樣木2的葉片凋落最嚴(yán)重，而且有部分小枝凋落，可以認(rèn)為是樣木2葉子和小枝的光合作用下降導(dǎo)致的耗水量最小。臺風(fēng)天降雨量大引起土壤含水量增加，認(rèn)為臺風(fēng)降水能夠增加木麻黃的水分利用，這一結(jié)論與鄭懷舟等[17]研究的馬尾松的臺風(fēng)降水不能提高植物的水分利用結(jié)論相反。8月29日—9月1日降水量大，土壤水分含量增加，所以土壤水分、根系分布是今后研究木麻黃水分利用的重點。

5 結(jié)論

1) 晴天、陰天木麻黃液流日變化呈現(xiàn) “單峰型”，臺風(fēng)天木麻黃液流日變化呈現(xiàn) “不規(guī)則”峰型，陰天木麻黃樹干液流啟動時間和達(dá)到峰值時間早于晴天液流啟動時間和達(dá)到峰值時間，晴天、陰天夜間液流在21:00之后明顯降低。臺風(fēng)天液流啟動時間和達(dá)到峰值時間沒有明顯時間段，夜間液流存在且數(shù)值最大。

2)小時尺度下，晴天、陰天、臺風(fēng)天氣液流與太陽輻射相關(guān)程度大于有效輻射且均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，晴天、陰天液流與相對濕度顯著負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速和水汽壓差顯著正相關(guān)；臺風(fēng)天氣液流與相對濕度和水汽壓差顯著負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3)監(jiān)測期木麻黃日均耗水量未表現(xiàn)隨直徑增大而增大的規(guī)律，日均耗水量順序為臺風(fēng)>晴天>陰天。

4)木麻黃能夠適應(yīng)臺風(fēng)天氣的大風(fēng)和強(qiáng)降水，且臺風(fēng)降水能夠增加木麻黃可利用水分，是沿海防護(hù)林經(jīng)營的首選樹種之一。