華北石質(zhì)山區(qū)山杏耗水預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

劉澤勇，馬長(zhǎng)明，劉春鵬，李向軍，徐振華，楊 飛

（1.河北省林業(yè)科學(xué)研究院 河北省林木良種工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050061；2.河北豐寧沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，河北 承德 068357；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；4.柏鄉(xiāng)縣林業(yè)局，河北 邢臺(tái) 055450）

干旱缺水一直是我國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)的主要限制因子[1-2]，尤其是石質(zhì)山區(qū)，由于土層淺薄、氣候干旱、保水能力低下，一直是北方植被恢復(fù)的難點(diǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)“年年造林不成林”的現(xiàn)象[3]。對(duì)于干旱區(qū)的植被恢復(fù)，節(jié)水型造林樹種的選擇以及造林密度的配置尤為重要，而這兩方面均與植物自身的耗水特性有直接關(guān)系，因此研究植物的耗水特性對(duì)干旱半干旱區(qū)植被的快速恢復(fù)具有極其重要的意義。

目前，有關(guān)植物蒸騰耗水的研究很多，研究方法各有不同，其中熱擴(kuò)散探針?lè)ǎ═DP）由于具有操作簡(jiǎn)便、精確度高、能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)且對(duì)植物傷害較小等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛采用的方法之一[4-8]?？v觀植物蒸騰耗水的相關(guān)研究，研究方向大多集中于樹干液流的變化規(guī)律、樹干液流與環(huán)境因子的關(guān)系等方面[9-11]。而對(duì)于構(gòu)建耗水模型的研究較少，有些研究雖然構(gòu)建了耗水模型，但對(duì)耗水模型的可靠性缺乏驗(yàn)證[12-13]，因此植物耗水模型的構(gòu)建與驗(yàn)證是其研究發(fā)展的一個(gè)新方向。

山杏Prunus sibirica作為我國(guó)北方的鄉(xiāng)土樹種，具有抗旱、耐瘠薄、少有病蟲害等優(yōu)點(diǎn)，并且兼有生態(tài)和經(jīng)濟(jì)兩大效益，一直是我國(guó)北方干旱地區(qū)造林的首選樹種之一[14]。研究其耗水特性，構(gòu)建其耗水預(yù)測(cè)模型，對(duì)華北石質(zhì)山區(qū)造林具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。因此，本研究以山杏為研究對(duì)象，利用莖流儀和小型自動(dòng)氣象站，對(duì)其樹干液流和環(huán)境因子進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，采用多元逐步回歸的方法，構(gòu)建其耗水預(yù)測(cè)模型，并對(duì)其可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，以期為石質(zhì)山區(qū)山杏的造林提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于河北平山縣（113°31′～114°15′E，38°9′～38°45′N）寺家溝村進(jìn)行。該地區(qū)位于河北省西部、太行山東麓，屬于低山丘陵區(qū)，海拔一般在500 m以下。氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)型大陸性氣候，立體氣候明顯，季節(jié)分明，光照充足。年均氣溫12.7 ℃，歷史最高溫度達(dá)40.8℃，歷史最低溫度達(dá)-16.4 ℃；全年平均太陽(yáng)輻射量為131～136千卡/cm2，日照時(shí)數(shù)為2 600～2 750 h；年均降水量約為500 mm，蒸發(fā)量為1 815.4 mm，干燥度為1.38；年均風(fēng)速為2 m/s，無(wú)霜期為185 d；土壤類型為石灰性褐土。

試驗(yàn)地設(shè)置于陽(yáng)坡坡中位置，周圍主要植被有喬木樹種山杏Prunus sibirica、黃連木Pistacia chinensis、刺槐Robinia pseudoacacia、君遷子Diospyros lotus等；灌木主要樹種有荊條Vitex negundovar.heterophylla、酸 棗Zizyphus jujuba等；草本主要有黃背草Themeda triandra、白羊草Bothriochloa ischaemum、蒺藜Tribulus terrestris等。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料的選擇

由于受莖流儀數(shù)據(jù)采集線的限制，要求在試驗(yàn)點(diǎn)方圓40 m的范圍內(nèi)，選擇胸徑大小相近、無(wú)病蟲害、生長(zhǎng)良好的山杏3株作為試驗(yàn)材料，經(jīng)篩選試驗(yàn)材料的胸徑大小分別為14.1、12.6、11.1 cm，冠幅分別為4.9、4.7、4.0 m，枝下高分別為1.2、1.3、1.6 m。

2.2 樹干液流的測(cè)定

采用熱擴(kuò)散式液流探針（TDP）法，利用RR-8210莖流儀（國(guó)內(nèi)北京雨根科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)）對(duì)選定的山杏進(jìn)行樹干液流的測(cè)定，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2009年4月21日—11月8日。安裝前，于山杏樹干正南方向胸徑（距地面1.3 m）處，上下垂直，削去長(zhǎng)度為10～15 cm的一小片樹皮，削割深度剛好削去韌皮部而不傷木質(zhì)部為宜；然后，用直徑為2.5 mm的鉆頭依靠打孔板打2個(gè)孔，打孔深度略大于10 mm，將10 mm的探針插入孔中，用泡沫盒子罩上，外部用反光紙包上，進(jìn)而防止自然環(huán)境對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響；將探針通過(guò)數(shù)據(jù)采集線與數(shù)據(jù)采集器相連，連接電源，設(shè)置每隔2 s測(cè)讀1次，每隔10 min自動(dòng)平均并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

2.3 環(huán)境因子的測(cè)定

在試驗(yàn)地范圍內(nèi)，采用美國(guó)SPECTRUM設(shè)計(jì)生產(chǎn)的watchdog900ET小型全自動(dòng)氣象站，對(duì)林內(nèi)環(huán)境因子進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，即同樣設(shè)置每2 s測(cè)讀一次，每10 min進(jìn)行平均并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)的指標(biāo)有太陽(yáng)輻射（wat/m2）、大氣溫度（℃）、空氣濕度（%）、20 cm土壤溫度（℃）、20 cm土壤濕度（%）、風(fēng)速（km/h），其中太陽(yáng)輻射、大氣溫度、空氣濕度以及風(fēng)速監(jiān)測(cè)裝置距地面高度為1.5 m。

2.4 邊材面積的測(cè)定

試驗(yàn)結(jié)束后，于監(jiān)測(cè)樹木探針安裝處，利用生長(zhǎng)錐鉆取木芯，觀察量取去皮直徑和邊材厚度，并計(jì)算邊材面積。經(jīng)計(jì)算，監(jiān)測(cè)樹木的邊材面積分別為97.2、86.9、76.6 cm2。

2.5 數(shù)據(jù)處理

2.5.1 不同月份耗水特征分析

由于樹干液流受天氣變化的影響很大，陰雨天氣往往會(huì)造成樹干液流的不規(guī)律變化，因此，本研究將各月所有晴天的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后，分析討論山杏不同月份的耗水特征。選擇的晴天日期為：4月，25—27日、29—30日；5月，1—8日、12—13日、17—20日、22—26日、29日、31日；6月，1—2日、4—5日、9—12日、20—25日、28—30日；7月，1—4日、7日、9—10日、12日、14日、18日、20日、22日、25—26日、28日；8月，2日、10—15日、23日、26—28日、30—31日；9月，9—13日、15—17日；10月，1—5日、12—14日、28日；11月，1—6日。

2.5.2 不同月份耗水與環(huán)境因子關(guān)系及耗水模型的構(gòu)建

于各月選擇典型連續(xù)的三個(gè)晴天（天空晴朗無(wú)云、無(wú)大風(fēng)），將樹干液流與各環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析，并以樹干液流速度為因變量，以各環(huán)境因子為變量，進(jìn)行逐步回歸分析，以5 %和10 %作為變量入選和剔除臨界值，進(jìn)而得到山杏不同月份的耗水預(yù)測(cè)模型。選擇的日期分別為：4月，25—27日；5月，5—7日；6月，9—11日；7月，2—4日；8月，11—13日；9月，11—13日；10月，3—5日；11月，4—6日。

2.5.3 不同月份耗水模型的驗(yàn)證

利用未參與建模的3個(gè)典型晴天（盡量連續(xù)）的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，利用預(yù)測(cè)模型計(jì)算樹干液流速度以及耗水量，并于實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，進(jìn)而評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型的可靠性。選擇的用于驗(yàn)證耗水模型的晴天為：4月，22、29—30日；5月，8、12—13日；6月，12、20—21日；7月，7—10日；8月，10、14—15日；9月，15—17日；10月，12—14日；11月，1—3日。

將獲取的數(shù)據(jù)利用EXCEL 2003對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和作圖。利用SPSS 13.0中的相關(guān)分析處理程序，進(jìn)行樹干液流與各環(huán)境因子間的簡(jiǎn)單相關(guān)分析；利用多元回歸分析處理程序，進(jìn)行以樹干液流速度為因變量，以各環(huán)境因子為變量的多元逐步回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同月份耗水特征分析

如圖1和表1所示，各月份樹干液流均呈現(xiàn)“晝高夜低”的變化規(guī)律，白天樹干液流較大，夜間樹干液流較小，但依然存在。除6月樹干液流呈現(xiàn)“雙峰”外，其他各月份樹干液流均呈現(xiàn)“單峰”。液流啟動(dòng)時(shí)間呈現(xiàn)“晚-早-晚”的趨勢(shì)，4—6月逐漸變?cè)纾?—11月逐漸變晚；液流達(dá)到峰值時(shí)間4月份較早，5—8月較晚，9—11月更晚；而低谷出現(xiàn)時(shí)間并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。各月蒸騰耗水呈現(xiàn)“低-高-低”的趨勢(shì)，其中以5月最大，之后逐月降低，至11月份，其樹干液流僅為5月的10%。在整個(gè)生長(zhǎng)季中，山杏耗水集中于4—7月，其耗水量占整個(gè)生長(zhǎng)季的78.2%。

圖1 不同月份的樹干液流變化Fig.1 The fluctuation of sap flow velocity in different months

表1 不同月份的蒸騰耗水進(jìn)程?Table 1 The process of transpiration water consumption in different months

3.2 不同月份耗水與環(huán)境因子的關(guān)系

表2匯總了山杏各月份樹干液流與各環(huán)境因子的相關(guān)性。山杏各月份樹干液流均與太陽(yáng)輻射、大氣溫度、空氣濕度三者呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性，表現(xiàn)出與太陽(yáng)輻射和大氣溫度呈正相關(guān)、與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)。就相關(guān)性大小而言，除5月外，其他月份的樹干液流與太陽(yáng)輻射、大氣溫度和空氣濕度的相關(guān)性最大，而5月樹干液流與大氣溫度、空氣濕度和風(fēng)速的相關(guān)性最大。樹干液流與土壤溫度、土壤濕度和風(fēng)速并沒(méi)有表現(xiàn)出穩(wěn)定的相關(guān)性，但就其與風(fēng)速的相關(guān)性而言，除了8月份以外，其他月份樹干液流均與風(fēng)速表現(xiàn)出或大或小的極顯著正相關(guān)性。

3.3 不同月份耗水模型的構(gòu)建

表3列出了山杏各月樹干液流與環(huán)境因子的逐步回歸方程。如表3所示，各月份山杏耗水預(yù)測(cè)模型的調(diào)整R2有所差異，4—7月調(diào)整R2較高，均達(dá)到了0.85以上，說(shuō)明4—7月山杏耗水預(yù)測(cè)模型擬合度較高，其中以5月擬合度最高，調(diào)整R2達(dá)到0.935。而8—11月耗水預(yù)測(cè)模型的調(diào)整R2一般在0.63～0.78之間，說(shuō)明4—7月山杏耗水預(yù)測(cè)模型擬合度較低，其中以10月份最低，其調(diào)整R2僅為0.635。另外，山杏各月份耗水預(yù)測(cè)模型經(jīng)F檢驗(yàn)均達(dá)到了顯著或極顯著水平。

表2 不同月份樹干液流與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)?Table 2 Correlation coefficients between sap flow velocity and environmental factors in different months

表3 不同月份耗水預(yù)測(cè)模型?Table 3 The water-consumption prediction models in different months

3.4 不同月份耗水模型的驗(yàn)證

利用山杏各月份耗水預(yù)測(cè)模型，選擇未參與建模的3個(gè)典型晴天，通過(guò)監(jiān)測(cè)的各環(huán)境因子指標(biāo)，計(jì)算山杏各月份各時(shí)間點(diǎn)的樹干液流速度，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。圖2所示，各月份樹干液流速度的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值雖然存在一些偏差，但變化趨勢(shì)基本重合。通過(guò)預(yù)測(cè)模型計(jì)算山杏各月份典型晴天的日均耗水量與實(shí)測(cè)值進(jìn)行t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二者不存在顯著性差異（P＞0.05）。統(tǒng)計(jì)各月日均耗水量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值，計(jì)算相對(duì)誤差率，山杏各月份典型晴天日均耗水量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差率均在10%以下（表4），按生物統(tǒng)計(jì)的要求，10%以內(nèi)的誤差都是可接受的[15]，因此，說(shuō)明本研究構(gòu)建的山杏各月份耗水預(yù)測(cè)模型具有一定的可靠性。

4 討 論

整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)，山杏樹干液流均呈現(xiàn)“晝高夜低”的規(guī)律，夜間液流較小，但仍然存在。這與眾多[11,16-17]研究結(jié)果一致。眾多研究一致認(rèn)為夜間液流存在的原因在于“根壓”。除6月份山杏樹干液流呈現(xiàn)“雙峰”外，其他各月份樹干液流均呈現(xiàn)“單峰”。筆者認(rèn)為，6月份山杏處于果實(shí)成熟期，水分需求較大，而此時(shí)期降水較少，土壤水分很難滿足其需求，因此植物在蒸騰耗水最大的中午，采用閉合部分氣孔的措施，進(jìn)行暫時(shí)休眠，減少自身的蒸騰，進(jìn)而達(dá)到節(jié)水的目的。這與劉龍等[18]以及劉瀟瀟等[19]的觀點(diǎn)相近。山杏樹干液流啟動(dòng)4月份較晚，5—6月份逐漸變?cè)纾?—11月份逐漸變晚；樹干液流的啟動(dòng)與氣象因子的變化有關(guān)，太陽(yáng)輻射、大氣溫度與空氣濕度均伴隨日出而發(fā)生變化，日出早其各氣象因子開始變化的時(shí)間就早，樹干液流啟動(dòng)就早。4—6月日出時(shí)間逐漸變?cè)纾?月份（夏至之后）日出時(shí)間逐漸變晚，進(jìn)而導(dǎo)致樹干液流啟動(dòng)出現(xiàn)“晚-早-晚”的變化趨勢(shì)。這與任啟文等[20]的觀點(diǎn)一致。山杏各月蒸騰耗水主要集中在4—7月。這主要是因?yàn)?—7月是山杏開花、快速生長(zhǎng)、結(jié)果的時(shí)期，生長(zhǎng)旺盛，水分需求大，耗水量隨之增大；之后山杏生長(zhǎng)逐漸進(jìn)入衰退期，水分需求變小，其耗水量隨之減少，這與高峻等[21]的觀點(diǎn)一致。

圖2 樹干液流預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值比較Fig.2 Comparison between predicted and measured value of sap flow velocity

表4 耗水預(yù)測(cè)模型誤差評(píng)價(jià)Table 4 Error evaluation of water-consumption prediction models

山杏各月份樹干液流主要與太陽(yáng)輻射、大氣溫度、空氣濕度三者極顯著相關(guān)，表現(xiàn)出與太陽(yáng)輻射和大氣溫度呈正相關(guān)、與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)。這與陳婧等[13]的觀點(diǎn)一致。另外，除了8月份以外，山杏樹干液流均與風(fēng)速也表現(xiàn)出或大或小的極顯著正相關(guān)性。有關(guān)樹干液流與風(fēng)速間相關(guān)性的研究存在兩種不同的觀點(diǎn)，許文豪等[10]與Kitaya Y等[22]認(rèn)為二者存在顯著相關(guān)性，而Fisher J B等[23]和李廣德等[24]的觀點(diǎn)恰恰相反。本研究結(jié)論恰處于兩種觀點(diǎn)之間，筆者認(rèn)為與太陽(yáng)輻射、大氣溫度和空氣濕度等氣象因素相比，風(fēng)速變化規(guī)律性較弱，且經(jīng)常沒(méi)有連續(xù)性，因此，其與樹干液流的相關(guān)性不穩(wěn)定。

本研究對(duì)各月山杏的樹干液流和各環(huán)境因子進(jìn)行了逐步回歸分析，得到了山杏各月耗水預(yù)測(cè)模型，其中4—7月耗水模型調(diào)整R2達(dá)到了0.85以上，說(shuō)明擬合度較好。而8—11月耗水預(yù)測(cè)模型調(diào)整R2較低，擬合度稍弱。筆者認(rèn)為，在生長(zhǎng)旺盛的時(shí)期（4—7月），山杏的蒸騰耗水對(duì)環(huán)境因子的反應(yīng)更靈敏，因而模型擬合度較高；而生長(zhǎng)衰退時(shí)期，其蒸騰耗水對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)遲鈍，因此擬合度較低。

5 結(jié) 論

整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)，山杏樹干液流表現(xiàn)出“晝高夜低”的變化規(guī)律，除6月呈現(xiàn)“雙峰”外，其他各月份均呈現(xiàn)“單峰”。液流啟動(dòng)時(shí)間呈現(xiàn)“晚-早-晚”的趨勢(shì)，達(dá)到峰值時(shí)間4月份較早，5—8月較晚，9—11月更晚。各月蒸騰耗水呈現(xiàn)“低-高-低”的趨勢(shì)，且多集中于4—7月。

山杏各月份樹干液流與太陽(yáng)輻射、大氣溫度、空氣濕度均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性，且相關(guān)性最大，表現(xiàn)出與太陽(yáng)輻射和大氣溫度呈正相關(guān)、與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)。另外，除8月份外，山杏樹干液流與風(fēng)速也表現(xiàn)出或大或小的極顯著正相關(guān)性。

通過(guò)多元逐步回歸分析，本研究得到了山杏各月的耗水預(yù)測(cè)模型，經(jīng)F檢驗(yàn)均達(dá)到極顯著水平，調(diào)整R2達(dá)到了0.85以上，擬合良好。

通過(guò)檢驗(yàn)，山杏各月份日均耗水量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差率均在10%以下，說(shuō)明山杏各月耗水模型均具有一定的可靠性。

綜上所述，本研究所構(gòu)建的山杏耗水模型具有一定的實(shí)際應(yīng)用性。在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)，可以根據(jù)不同時(shí)間段內(nèi)的各環(huán)境因子，利用耗水預(yù)測(cè)模型，對(duì)山杏耗水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合降雨情況，以水循環(huán)和平衡原理為基礎(chǔ)，計(jì)算出該地區(qū)山杏最佳的造林密度，進(jìn)而為山杏的造林實(shí)踐提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。