疏伐對(duì)黃土丘陵區(qū)刺槐林蒸騰的影響

楊文慧,焦 磊,*,買(mǎi)爾當(dāng)·克依木,李宗善,高光耀,王 聰,白應(yīng)飛,孫婧雅,溫潤(rùn)泉

1 陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 3 延安市退耕還林工程管理辦公室, 延安 716000 4 延安市寶塔區(qū)南泥灣國(guó)有生態(tài)林場(chǎng),延安 716000

黃土高原是我國(guó)典型的生態(tài)脆弱區(qū),水資源短缺、水土流失嚴(yán)重[1]。為控制水土流失,從1999年起實(shí)施了“退耕還林(草)”工程,開(kāi)展了大規(guī)模的植被建設(shè)[2-3]。刺槐因其速生、耐旱、易繁殖等特點(diǎn)被用作黃土高原地區(qū)主要的水土保持樹(shù)種和造林樹(shù)種[4],其林分面積占黃土丘陵溝壑區(qū)喬木林面積的80% 以上[5],在增加區(qū)域植被覆蓋率、減緩水土流失、改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等方面發(fā)揮了重要作用[6-8]。在植被建設(shè)早期,由于人們片面追求快速郁閉而忽略了適地適樹(shù)和近自然森林經(jīng)營(yíng)理論技術(shù),導(dǎo)致刺槐林林分密度過(guò)高。林分密度是影響林木生長(zhǎng)、林分生產(chǎn)力及水分利用的關(guān)鍵因子,直接關(guān)系到造林成效的優(yōu)劣[6]。在黃土高原,土壤水分是植物的重要水源[2],植物根系從土壤中吸收的水分,通過(guò)葉片氣孔擴(kuò)散到大氣中[9],較高的造林密度導(dǎo)致刺槐林在蒸騰過(guò)程中過(guò)多地消耗土壤水分,是造成土壤干層的主要原因之一,而土壤干層的普遍存在,又使土壤供水能力大幅下降,繼而影響了刺槐的正常生長(zhǎng),出現(xiàn)大面積生長(zhǎng)減緩、冠層干枯甚至整株死亡的現(xiàn)象,不利于其生態(tài)功能的持續(xù)發(fā)揮[10-11]。

當(dāng)前,黃土高原植被建設(shè)已達(dá)到土壤水分承載力的閾值[12],未來(lái)不宜繼續(xù)開(kāi)展大規(guī)模的植樹(shù)造林,而是要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有林分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化并提升其生態(tài)功能[13]。對(duì)高密度的刺槐林進(jìn)行合理的疏伐,既可以優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)、還能夠控制蒸散發(fā)并調(diào)控土壤水分,是促進(jìn)刺槐林可持續(xù)生長(zhǎng)的有效手段[1]。蒸騰是植被重要的生理過(guò)程,也是關(guān)鍵的水文過(guò)程,精確量化樹(shù)木蒸騰是造林密度、物種選擇等林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)技術(shù)中的最關(guān)鍵問(wèn)題之一[14]。目前對(duì)于刺槐林蒸騰的研究主要集中于耗水規(guī)律及其環(huán)境因子[15-22],缺乏疏伐對(duì)其蒸騰影響的研究。為了探明疏伐對(duì)人工刺槐林蒸騰耗水的影響,本研究在黃土丘陵區(qū)建立刺槐林長(zhǎng)期固定觀測(cè)樣地,并對(duì)樣地進(jìn)行不同強(qiáng)度的疏伐,以闡明刺槐(單株、林地尺度)蒸騰隨疏伐強(qiáng)度的變化規(guī)律,并揭示在不同時(shí)間尺度上不同疏伐強(qiáng)度刺槐林蒸騰與環(huán)境關(guān)系的差異,旨在為刺槐林疏伐效果的評(píng)價(jià)、合理林分密度的確定、林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與樣地設(shè)置

研究區(qū)位于陜西省延安市寶塔區(qū)南泥灣國(guó)有生態(tài)林場(chǎng)(36°20′54″N,109°36′42″E)(圖1),平均海拔1200 m。該區(qū)域?qū)侔霛駶?rùn)氣候區(qū),是我國(guó)東部季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)與內(nèi)陸干旱區(qū)過(guò)渡帶[23],多年(1960—2016年)的平均溫度與降雨量為10 ℃和537 mm[24],年內(nèi)降水分布不均,多集中在6—9月[25]。研究區(qū)屬黃土高原丘陵溝壑區(qū),土壤主要為黃綿土。本研究的觀測(cè)樣地位于南泥灣林場(chǎng)附近中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心“黃土高原延安市人工刺槐林生態(tài)效益評(píng)估固定監(jiān)測(cè)樣地”內(nèi)。

圖1 研究區(qū)域位置及樣地設(shè)置Fig.1 Location of study site and sampling site setting

1.2 疏伐措施

試驗(yàn)林位于坡向、坡度相同的坡面上,坡向?yàn)闁|南,坡度15°左右,坡面南北長(zhǎng)度大于300 m,東西寬大于60 m。試驗(yàn)林為“退耕還林(草)”工程實(shí)施后種植,根據(jù)樹(shù)木年輪生長(zhǎng)錐測(cè)定的林齡為18年(2019年),平均密度為1408株/hm2,種植之前為坡耕地。在刺槐試驗(yàn)林平行設(shè)置4個(gè)50 m × 50 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地,間隔15 m左右(圖1),各樣地初始密度相似。2019年7月,根據(jù)不同疏伐強(qiáng)度設(shè)計(jì)方案對(duì)3個(gè)樣地進(jìn)行疏伐,優(yōu)先砍伐生長(zhǎng)不良的刺槐,兼顧保留植株空間分布均勻。疏伐強(qiáng)度最大的為樣地1(P1),疏伐強(qiáng)度為52%,疏伐后林分密度為680株/hm2；其次為樣地2(P2),其疏伐強(qiáng)度48%,疏伐后密度為736株/hm2；再為樣地3(P3),其疏伐強(qiáng)度為35%,疏伐后密度為916株/hm2,樣地4是未疏伐的對(duì)照樣地(圖2)。

圖2 4個(gè)樣地疏伐后林分密度與邊材面積對(duì)比Fig.2 Comparison of stand density and sapwood area of 4 plots after thinningP1表示樣地1,P2表示樣地2,以此類推

1.3 樹(shù)干液流觀測(cè)

在4個(gè)樣地中部(對(duì)角線相交的中間位置),各選擇不同徑階、生長(zhǎng)良好的刺槐8株,采用Granier式的熱擴(kuò)散探針(Thermal Dissipation Probe,TDP)對(duì)單株樹(shù)木的液流速率(sap flux density,Fd)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè) (2019-8-7—2019-10-22)。探針長(zhǎng)度10 mm,將探針安裝在莖距地1.3 m處的北側(cè),并用鋁膜覆蓋,以防止由于太陽(yáng)輻射引起誤差,用玻璃膠和膠帶封住鋁膜與樹(shù)干之間的縫隙,以免樹(shù)干徑流的影響。采用CR1000數(shù)據(jù)采集器記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),測(cè)量間隔60 s,記錄間隔30 min。

1.4 氣象因子和土壤水分觀測(cè)

氣象因子：樣地附近空曠處設(shè)有微型自動(dòng)氣象觀測(cè)站,測(cè)定的指標(biāo)主要有太陽(yáng)輻射(solar radiation,Rs,W/m2)、空氣溫度(air temperature,T,℃)、相對(duì)濕度(relative humidity,RH,%)等,測(cè)量間隔為60 s,記錄間隔30 min。采用飽和水汽壓虧缺(vapor pressure deficit,VPD,kPa)這一指標(biāo)以反映空氣溫度與空氣濕度的協(xié)同效應(yīng),基于以下公式[26]計(jì)算：

(1)

式中,T為空氣溫度(℃),RH為空氣相對(duì)濕度(%),a、b、c為參數(shù),分別為0.611 kPa、17.502、240.97 ℃。

土壤濕度：使用土壤水分傳感器(EC20)監(jiān)測(cè)各樣地土壤體積含水量(soil volumetric water content,SWC,m3/m3),在樣地內(nèi)挖掘2 m深土壤剖面,在剖面的不同深度安裝探針對(duì)土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),探針安裝深度分別為5、10、20、40、60、80、100、150、200 cm。測(cè)量間隔為60 s,記錄間隔30 min,與樹(shù)干液流觀測(cè)同步。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

本研究通過(guò)構(gòu)建樹(shù)木胸徑與邊材面積及樹(shù)皮厚度之間的數(shù)量關(guān)系來(lái)計(jì)算樣木的邊材面積與樹(shù)皮厚度。邊材面積和胸徑之間的關(guān)系可以采用冪函數(shù)(y=axb)表示[27],樹(shù)皮厚度與胸徑之間的關(guān)系可以用函數(shù)(y=ax+b)來(lái)估算[28],將樣地中刺槐樹(shù)干橫截面樣本的胸徑分別與邊材面積及樹(shù)皮厚度進(jìn)行擬合建立公式(圖3)。

圖3 刺槐邊材面積及樹(shù)皮厚度與胸徑之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between sapwood area (As) and diameter at breast height (DBH) and bark thickness (Tb) and diameter at breast height (DBH) of R.pseudoacacia

研究表明應(yīng)用熱擴(kuò)散技術(shù)會(huì)低估樹(shù)干液流速率值,需進(jìn)行物種特異性校準(zhǔn)[29],有研究[8]根據(jù)Granier液流計(jì)算公式對(duì)刺槐樹(shù)干液流速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn),得到校準(zhǔn)后的公式如下：

Fd=0.0510K1.180

(2)

(3)

式中,Fd(g cm-2s-1)為邊材液流速率,ΔT(℃)為加熱探針與參考探針的瞬時(shí)溫差值,ΔTmax(℃)為無(wú)液流時(shí)加熱探針與參考探針的最大溫差值,即ΔT(℃)的最大值。

當(dāng)探針的長(zhǎng)度大于邊材寬度時(shí),一部分被插入非導(dǎo)水木材,計(jì)算得到的液流速率存在誤差[30],為避免Fd(g cm-2s-1)值被低估,利用公式4[31]對(duì)ΔT(℃)進(jìn)行校正。

(4)

(5)

式中,a為探針在邊材中的部分占整個(gè)探針長(zhǎng)度的比例,b為探針在非邊材即心材中的部分占整個(gè)探針的比例(b=1-a),ΔTsw(℃)為校正后兩探針之間的溫差,以替代公式3中的ΔT(℃)。為確定參數(shù)a、b,需估算邊材厚度[28](公式5)。式(5)中,Ts(cm)為邊材厚度,DBH(cm)為胸徑,Tb(cm)為樹(shù)皮厚度,As(cm2)為邊材面積。

樣地尺度平均液流速Js(kg cm-2d-1)的計(jì)算采用如下公式：

(6)

(7)

式中,Js(kg cm-2d-1)是樣地尺度平均液流速率,Fdi(kg cm-2d-1)是第i株樣木液流速率,Asi(cm2)是第i株樣木的邊材面積,n為樣地被測(cè)樣木總數(shù)。式(7)中,Q(mm/d)是林分蒸騰,Js(kg cm-2d-1)是樣地尺度液流速率,AST(cm2)是樣地邊材面積總和,AG(m2)是樣地面積。

采用Spearman相關(guān)分析探究單株及林分尺度蒸騰與環(huán)境因子之間的關(guān)系,采用非參數(shù)檢驗(yàn)的方法對(duì)不同疏伐強(qiáng)度樣地蒸騰差異性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 疏伐前后林地樹(shù)木徑級(jí)、邊材面積的變化

將疏伐強(qiáng)度不同的4個(gè)樣地中所有的樹(shù)木的調(diào)查數(shù)據(jù)歸納整理后進(jìn)行徑階劃分,結(jié)果如圖4。疏伐前后4個(gè)人工樣地的刺槐徑級(jí)分布均呈現(xiàn)“正態(tài)分布”的形式。疏伐前,樣地1、樣地3、樣地4(對(duì)照樣地)徑階分布峰值為5—10 cm徑階,樣地2的分布峰值為10—15 cm徑階。疏伐后徑級(jí)分布得到調(diào)整,樣地1、樣地4(對(duì)照樣地)徑階分布峰值仍為5—10 cm徑階,但樣地1該徑階刺槐占比由59.86% 減小為51.76%；樣地2徑階分布峰值仍為10—15 cm徑階,該徑階刺槐占比由41.27% 增加至50.54%；樣地3的分布峰值由5—10 cm徑階變?yōu)?0—15 cm徑階,疏伐使樣地3中5—10 cm徑階刺槐占比由43.44% 降至28.82%,10—15 cm徑階刺槐占比由42.24% 變?yōu)?5.46%；整體而言,疏伐后樣地1—3的徑級(jí)分布均呈現(xiàn)出0—5 cm徑階、5—10 cm徑階刺槐的占比減小,10—15 cm徑階、15—20 cm徑階刺槐占比增大的趨勢(shì)。

圖4 疏伐前后不同疏伐強(qiáng)度各徑階數(shù)量、比例分布圖 Fig.4 Number and frequency of trees in different diameter at breast height (DBH) classes of 4 plots in pre-thinning and after-thinning,thinning intensity decreases from plot 1 to plot 4,the curves are made by Gaussian fit圖中曲線通過(guò)高斯曲線擬合得到

疏伐后各樣地邊材面積總和的大小順序與林分密度大小順序一致(圖2),樣地邊材面積由大到小分別為樣地4(9960 cm2)、樣地3(7890 cm2)、樣地2(6836 cm2)、樣地1(4397 cm2)。

2.2 單株尺度液流速率變化

2.2.1半小時(shí)尺度單株液流速率變化

液流速率是衡量單株尺度蒸騰速率的指標(biāo)。在半小時(shí)尺度上,3個(gè)連續(xù)的晴天(2019-9-3—2019-9-5)各樣地單株尺度液流速率日動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖5所示。樣地1—4單株尺度液流速率呈現(xiàn)規(guī)律性的晝夜交替變化,啟動(dòng)時(shí)刻約為8:00,達(dá)到峰值的時(shí)刻約為11:00,迅速下降的時(shí)刻約為16:00,凌晨與午夜仍有液流存在。樣地1、樣地2、樣地3、樣地4典型日單株液流速率的平均值分別為：0.0088、0.0068、0.0054、0.0053 g cm-2s-1,各樣地半小時(shí)尺度液流速率在午夜與凌晨時(shí)段差異小,其余時(shí)段差異明顯,將樣地1—4在3個(gè)典型日液流速率峰值的平均值進(jìn)行對(duì)比,樣地1最高(0.0221 g cm-2s-1),其次為樣地2(0.0187 g cm-2s-1),均高于樣地3(0.0146 g cm-2s-1)與樣地4(0.0144 g cm-2s-1)。

圖5 半小時(shí)與日尺度樣地1—4液流速率變化動(dòng)態(tài) Fig.5 Changes of sap flux density (Fd) in 4 plots in half hour and daily scale

2.2.2日尺度單株液流速率變化

觀測(cè)期內(nèi),樣地1—4日尺度單株液流速率整體呈下降趨勢(shì),樣地間差異逐漸縮小(圖5)。8月,樣地1液流速率最大,其次為樣地2,再為樣地3,樣地4最??；9月樣地4液流速率超過(guò)樣地3,樣地3液流速率最小,樣地1與其它樣地之間的差異縮小,至10月,樣地1、樣地2、樣地4的液流速率差異細(xì)微,仍高于樣地3。觀測(cè)期內(nèi)樣地1、樣地2、樣地3、樣地4單株液流速率平均值分別為0.53、0.41、0.31、0.33 kg cm-2d-1(圖6)。與變化趨勢(shì)圖展現(xiàn)出的樣地間差異一致,Kruskal-Wallis H檢驗(yàn)結(jié)果表明,樣地1、2之間液流速率差異不顯著,但均顯著高于樣地3(P<0.05),而樣地3、4之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。整體而言,日尺度單株液流速率隨林分密度增大(疏伐強(qiáng)度減小)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖6 觀測(cè)期日尺度單株液流速率平均值 Fig.6 Average day scale sap flux density (Fd) of 4 plots in experimental periods不同小寫(xiě)字母表示樣地間日尺度單株液流速率差異顯著(P<0.05)

2.3 林分尺度蒸騰的變化

有關(guān)研究顯示樹(shù)木根部吸收的水分99.9% 用于蒸騰,通過(guò)精確計(jì)算液流積累量可以基本確定植物蒸騰耗水量[18]。林分尺度蒸騰量跟邊材面積和樣地平均液流速率關(guān)系密切。在觀測(cè)期(2019-8-7—2019-10-22)內(nèi),各樣地日平均蒸騰量由高到低為樣地4(1.44 mm/d)、樣地2(1.18 mm/d)、樣地3(1.04 mm/d)、樣地1(0.90 mm/d)(圖7),這與樣地液流速率及邊材面積的大小關(guān)系有所不同。樣地1、3、4的日均蒸騰量與其邊材面積的大小關(guān)系相對(duì)一致,樣地1的平均液流速率最高,其日均蒸騰量卻小于液流速率最低的樣地3,這說(shuō)明大的邊材面積可以在一定程度上彌補(bǔ)較低液流速率帶來(lái)的影響；而樣地邊材面積較小的樣地2由于較高的液流速率獲得高于樣地3的日均蒸騰量,也說(shuō)明當(dāng)邊材面積差異不大的情況下,液流速率大可以使邊材面積較小的樣地獲得較高的日均蒸騰量。整體而言,隨林分密度增大(疏伐強(qiáng)度減小),林分日均蒸騰量整體呈上升趨勢(shì)。

圖7 觀測(cè)期日均蒸騰量Fig.7 Transpiration (Q) of 4 plots

2.4 液流速率與環(huán)境因子的關(guān)系

2.4.1半小時(shí)尺度

將3個(gè)典型日(2019-9-3—2019-9-5)半小時(shí)尺度液流速率與對(duì)應(yīng)時(shí)刻各環(huán)境因子做相關(guān)分析,結(jié)果顯示(表1),在4個(gè)樣地中半小時(shí)尺度單株液流速率均與太陽(yáng)輻射、空氣溫度、飽和水汽壓虧缺、土壤體積含水量呈現(xiàn)正相關(guān),與相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。影響4個(gè)樣地半小時(shí)尺度液流速率的主要環(huán)境因子為太陽(yáng)輻射與空氣溫度,4個(gè)樣地半小時(shí)尺度單株液流速率均受太陽(yáng)輻射的影響最大,Spearman相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.8；樣地1—3液流速率與空氣溫度的相關(guān)系數(shù)僅次于液流速率與太陽(yáng)輻射的相關(guān)系數(shù),樣地4液流速率與空氣溫度的相關(guān)系數(shù)為0.806,與相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值排在第二位的0.808相差較小,因此認(rèn)為空氣溫度對(duì)液流速率的影響僅次于太陽(yáng)輻射。相對(duì)濕度、飽和水汽壓虧缺也對(duì)液流速率都有較大的影響。4個(gè)樣地半小時(shí)尺度單株液流速率與環(huán)境因子之間的相關(guān)性呈現(xiàn)出較為一致的情況,說(shuō)明在半小時(shí)尺度上,樣地間單株液流速率與環(huán)境因子關(guān)系沒(méi)有顯著差異。

表1 環(huán)境因子與半小時(shí)尺度液流速率的Spearman相關(guān)系數(shù)

液流速率的日動(dòng)態(tài)曲線與太陽(yáng)輻射、空氣溫度、相對(duì)濕度、飽和水汽壓虧缺的變化規(guī)律相吻合。太陽(yáng)輻射與空氣溫度的啟動(dòng)時(shí)刻早于液流速率,達(dá)到峰值的時(shí)間滯后于液流速率；空氣相對(duì)濕度與液流速率呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì),其迅速下降的時(shí)刻與液流速率啟動(dòng)時(shí)刻基本一致,達(dá)到谷值的時(shí)刻滯后于液流速率達(dá)到峰值的時(shí)刻；飽和水汽壓虧缺的迅速增加的時(shí)刻與液流速率啟動(dòng)時(shí)刻基本一致,但其達(dá)到峰值的時(shí)刻滯后于液流速率。由于4個(gè)樣地液流速率的啟動(dòng)時(shí)刻、達(dá)到峰值時(shí)刻、迅速下降時(shí)刻基本一致,因此各樣地液流速率與環(huán)境因子的時(shí)滯沒(méi)有顯著差異。氣象因子與液流速率時(shí)滯現(xiàn)象是由于清晨太陽(yáng)輻射弱,氣溫低,液流速率變化緩慢,隨著太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng),空氣相對(duì)濕度下降,氣孔導(dǎo)度不斷升高,液流速率增強(qiáng)達(dá)到峰值,此時(shí)有利于蒸騰的氣象因子仍在不斷增加(減小)至峰值(谷值)的過(guò)程中,植物為防止大量耗水,液流速率開(kāi)始緩慢下降,表現(xiàn)為液流速率達(dá)到峰值的時(shí)刻提前于氣象因子[7]。

2.4.2日尺度

將樣地1—4觀測(cè)期(2019-8-7—2019-10-22)日尺度單株液流速率與環(huán)境因子做相關(guān)分析,結(jié)果表明(表2),樣地1—4日尺度單株液流速率均與太陽(yáng)輻射、大氣溫度、空氣相對(duì)濕度、飽和水汽壓虧缺、土壤體積含水量存在顯著相關(guān)性,4個(gè)樣地日尺度單株液流速率均受飽和水汽壓虧缺影響最大(Spearman相關(guān)系數(shù)分別為0.868、0.913、0.843、0.881),樣地1、樣地2、樣地4日尺度單株液流速率與太陽(yáng)輻射的相關(guān)系數(shù)僅次于飽和水汽壓虧缺,樣地3則受氣溫影響較大。各樣地日尺度單株液流速率均與相對(duì)濕度、土壤體積含水量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。整體來(lái)看,4個(gè)樣地日尺度單株液流速率與環(huán)境因子之間的關(guān)系無(wú)明顯差異。利用指數(shù)飽和模型(y=a(1-e-bx))來(lái)擬合飽和水汽壓虧缺與日尺度單株液流速率[32],發(fā)現(xiàn)飽和水汽壓虧缺日均值與液流速率的關(guān)系符合指數(shù)飽和曲線的形式(圖8),曲線的斜率可以反映從土壤到大氣的水力傳導(dǎo),斜率大說(shuō)明導(dǎo)度高[33-34],VPD<0.8 kPa時(shí),樣地1斜率最大,其次為樣地2,再為樣地4,樣地3斜率最小,表明導(dǎo)度由高到低為樣地1、樣地2、樣地4、樣地3。在VPD約為0.8 kPa時(shí),樣地4首先接近閾值,此后樣地4液流速率趨于平穩(wěn),樣地1—3曲線斜率減小。Kruskal-Wallis H檢驗(yàn)結(jié)果表明,不同VPD級(jí)別下,樣地間日尺度單株液流速率差異不同(圖8)。VPD<0.2 kPa、0.2 kPa< VPD<0.5 kPa、兩個(gè)級(jí)別下,4個(gè)樣地間日尺度單株液流速率無(wú)顯著差異,隨飽和水汽壓虧缺增大,樣地間的差異增大。

表2 日尺度環(huán)境因子與單株液流速率的Spearman相關(guān)系數(shù)

圖8 飽和水汽壓虧缺(VPD)與樣地1—4刺槐邊材液流速率的關(guān)系Fig.8 Relationship between vapor pressure deficit (VPD) and sap flux density (Fd) during the experimental period in 4 plots不同小寫(xiě)字母表示表示樣地間液流速率差異顯著(P<0.05)

3 討論

在本研究中,單株蒸騰速率隨疏伐強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)整體增大的趨勢(shì),這可能是因?yàn)槭璺ソ档土肆址置芏?林分郁閉度減小,林分內(nèi)部氣象條件改變,冠層能夠獲得更多的太陽(yáng)輻射,提高了樹(shù)木的蒸騰速率[35-37]。一方面,本研究發(fā)現(xiàn),半小時(shí)液流速率受太陽(yáng)輻射影響最大(表1)。太陽(yáng)輻射是調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)的主要環(huán)境信號(hào),其促使氣孔開(kāi)放,減少內(nèi)部阻力,從而增強(qiáng)蒸騰作用[35]。疏伐后,冠層接受更多的有效輻射,不僅直接影響樹(shù)干液流速率,而且還會(huì)通過(guò)影響大氣溫度及濕度間接對(duì)樹(shù)干液流產(chǎn)生影響[36]。另一方面,林分內(nèi)的夏季氣溫隨疏伐強(qiáng)度的加大而提高[37],大氣溫度增高使葉內(nèi)外蒸氣壓差加大,有利于水分從葉內(nèi)溢出,有可能促使蒸騰加強(qiáng)。疏伐使空氣的流動(dòng)速度增大,林內(nèi)大氣相對(duì)濕度隨疏伐的強(qiáng)度的增加而降低[37],空氣相對(duì)濕度降低使葉內(nèi)外蒸氣壓差增大,加速蒸騰[35]。

對(duì)于林分尺度而言,疏伐后樣地林分密度得到調(diào)整,10—15 cm徑階、15—20 cm徑階的刺槐數(shù)量占比增大,最終樣地之間邊材面積總和的大小順序與林分密度的大小順序一致：樣地1<樣地2<樣地3<樣地4。林分密度大(疏伐強(qiáng)度小)的樣地單株液流速率更低,但其更大的邊材面積可以在一定程度上彌補(bǔ)液流速率低這一劣勢(shì),使林分日均蒸騰量隨林分密度增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。對(duì)照樣地(樣地4)在半小時(shí)與日尺度的單株液流速率均低于樣地1和樣地2,但更大的樣地邊材面積使樣地4的日均蒸騰量高于樣地1和樣地2。

在4個(gè)樣地中,液流速率每天的啟動(dòng)時(shí)間以及到達(dá)峰值的時(shí)間與氣象因子迅速增長(zhǎng)以及到達(dá)峰值存在一定的時(shí)滯。在有利于蒸騰的環(huán)境因子不斷增加至峰值的過(guò)程中,為防止大量耗水,大多數(shù)溫帶樹(shù)種在中午之前實(shí)施氣孔調(diào)節(jié),使液流速率不再持續(xù)增加,在較為干燥的夏季,多數(shù)植物會(huì)通過(guò)迅速關(guān)閉氣孔來(lái)維持水勢(shì)[38],這體現(xiàn)了植物的耗水策略。已有研究表明,疏伐后冠層接受更多的太陽(yáng)輻射使葉片更易受到水分脅迫,導(dǎo)致樹(shù)木水分利用對(duì)環(huán)境條件更加敏感[39],在本研究中,半小時(shí)尺度單株液流速率與環(huán)境因子的時(shí)滯差異并不明顯,而日尺度上飽和水汽壓差的增大使蒸騰作用逐漸增強(qiáng)且樣地間液流速率的差異逐漸顯著。這說(shuō)明樣地間液流速率的差異受到環(huán)境因子的限制,在有利于蒸騰的環(huán)境因子達(dá)到一定程度時(shí)差異出現(xiàn),但該環(huán)境因子的影響有限,隨飽和水汽壓虧缺增大,液流速率逐漸趨于穩(wěn)定,差異也趨于穩(wěn)定。

本研究存在一些不足之處,一方面本研究?jī)H設(shè)置了4個(gè)樣地,且疏伐強(qiáng)度集中在35% 至52%之間,由于疏伐強(qiáng)度的梯度不夠多,難以刻畫(huà)刺槐林林分日均蒸騰量隨疏伐強(qiáng)度變化的精準(zhǔn)情形,且其它疏伐強(qiáng)度對(duì)刺槐林林分日均蒸騰量的影響也無(wú)法得知。已有研究[6]表明,在1400株/hm2至2200株/hm2之間,林分蒸騰耗水量先增大后減小,當(dāng)密度在1400—1800株/hm2,日均蒸騰量隨林分密度增大呈上升趨勢(shì),林分密度為1800株/hm2時(shí),日均蒸騰量達(dá)到最大值,當(dāng)林分密度繼續(xù)增大到2000和2200株/hm2時(shí),日均蒸騰量處于較低的水平。在本研究中樣地3(疏伐強(qiáng)度35%)林分日均蒸騰量低于樣地4(對(duì)照樣地),不符合疏伐強(qiáng)度與日均蒸騰量展現(xiàn)出的整體規(guī)律,該現(xiàn)象是否可以印證蒸騰耗水量隨疏伐強(qiáng)度減小(林分密度增大)先增大后減小的規(guī)律,仍需要設(shè)置更多的疏伐強(qiáng)度梯度以探明疏伐強(qiáng)度對(duì)蒸騰的影響規(guī)律。另一方面,本研究只探究了疏伐對(duì)蒸騰的短期影響(疏伐后1—2個(gè)月),其中單株刺槐蒸騰在未疏伐的對(duì)照樣地與疏伐強(qiáng)度35%及疏伐強(qiáng)度48%的樣地之間并不存在顯著的差異,這可能是由于采取疏伐措施后不久就進(jìn)行觀測(cè),此時(shí)林地土壤水分狀況尚未因林分密度變化而改變[40],因此在不同的樣地間單株蒸騰并未出現(xiàn)顯著差異。疏伐長(zhǎng)時(shí)間后,林分密度的變化造成土壤水分狀況改變的同時(shí)也會(huì)影響樹(shù)木生長(zhǎng),進(jìn)而影響蒸騰。研究發(fā)現(xiàn),由于間伐林分的高胸徑生長(zhǎng)率,間伐林分和未間伐林分的斷面積差異在間伐后的3年觀察期內(nèi)逐漸減小[41]。疏伐后30年,低密度林分的胸徑生長(zhǎng)速率高于中密度林分,疏生林在個(gè)體水平上的邊材面積隨樹(shù)木生長(zhǎng)而增大[39]。在林分水平上,由于胸徑生長(zhǎng)速度較快,疏伐導(dǎo)致減少的林分總斷面積和邊材面積可以更快地恢復(fù),并隨著時(shí)間的推移達(dá)到接近密林的水平,在生長(zhǎng)季稀疏林分的液流速率以及林分蒸騰量高于高密度林分[39]。除此之外,樹(shù)干液流與環(huán)境因子的關(guān)系受時(shí)間尺度影響較大。較小時(shí)間尺度下,樹(shù)干液流受與葉片相關(guān)的環(huán)境因子影響較大,較大時(shí)間尺度下,受與根系相關(guān)的生態(tài)因子影響更明顯[42]。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn),不同疏伐強(qiáng)度的樣地間環(huán)境因子與液流速率的相關(guān)系數(shù)的大小關(guān)系相對(duì)一致,說(shuō)明在短期內(nèi)(2個(gè)月),疏伐未對(duì)蒸騰—環(huán)境關(guān)系產(chǎn)生明顯的影響。因此采取疏伐措施長(zhǎng)時(shí)間后,由林分密度的改變?cè)斐傻挠绊懭孕柽M(jìn)一步研究。最后,合理密度是指在該密度條件下, 土壤的供水能力能夠滿足林木生長(zhǎng)需要, 而不出現(xiàn)土壤水分虧缺造成干化的造林密度[43],本文僅從植被蒸騰的角度探討了林分密度對(duì)植被水分利用的影響,未來(lái)應(yīng)遵循“量水植樹(shù)”的基本原則,以水量平衡為前提對(duì)土壤—植被系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析,從而確定合理的林分密度[44]。

4 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展刺槐林不同疏伐強(qiáng)度的控制試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),疏伐對(duì)刺槐蒸騰的影響在單株尺度與樣地尺度不同,即隨著疏伐強(qiáng)度的增加刺槐單株尺度蒸騰呈增加的趨勢(shì),而林分尺度蒸騰呈下降的趨勢(shì)。但是,未疏伐的對(duì)照樣地與疏伐強(qiáng)度35% 及疏伐強(qiáng)度48% 樣地的單株尺度蒸騰在短期內(nèi)(2個(gè)月)并未體現(xiàn)顯著的差異。另外,大氣蒸騰動(dòng)力(VPD)越大,各疏伐強(qiáng)度樣地之間蒸騰差異越明顯,表明環(huán)境條件在一定程度上也會(huì)對(duì)疏伐的蒸騰變化產(chǎn)生影響。研究結(jié)果初步反映了疏伐導(dǎo)致的林分密度變化對(duì)刺槐蒸騰的影響,將為黃土丘陵區(qū)刺槐林的結(jié)構(gòu)改造、功能提升和土壤水分調(diào)控提供理論支持。