甘肅涇川中溝小流域刺槐生長(zhǎng)盛期樹干液流動(dòng)態(tài)分析

費(fèi)俊娥 王正安 邸利

摘要：文章通過對(duì)涇川縣中溝小流域生長(zhǎng)盛期刺槐樹干液流特征與氣象因子相互關(guān)系研究，揭示該區(qū)域刺槐蒸騰耗水及其適應(yīng)環(huán)境因子的內(nèi)在聯(lián)系，為實(shí)現(xiàn)森林資源健康可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考依據(jù)。應(yīng)用熱擴(kuò)散式探針（TDP）于2017年8月1日至31日，對(duì)人工刺槐林樹干液流速率與氣象因子進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。結(jié)果表明，刺槐晴天樹干液流速率的變化呈單峰型曲線，日平均液流速率分別為22.09g/h、22.43g/h和20.66g/h，生長(zhǎng)盛期日平均液流速率為17.07g/h;刺槐樹干單位邊材面積的液流速率與空氣溫度、光合有效輻射、水汽壓虧缺呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)，其相關(guān)程度絕對(duì)值依次為光合有效輻射>水汽壓虧缺>空氣溫度>相對(duì)濕度>風(fēng)速;單位邊材面積的液流速率隨胸徑的增大而減小。

關(guān)鍵詞：刺槐林;樹干液流;環(huán)境因子

刺槐具有耐旱耐貧瘠、成活率高等優(yōu)勢(shì)，成為黃土高原水土保持造林的樹種之一，然而，黃土高原半干旱區(qū)降水較少、多數(shù)人工林的樹種單一、林下植被覆蓋度較低嚴(yán)重影響了水土保持生態(tài)效益的發(fā)揮與林分的可持續(xù)發(fā)展。樹干液流反映植物體內(nèi)生理活動(dòng)和水分動(dòng)態(tài)變化，準(zhǔn)確測(cè)定單位邊材面積樹干液流及尺度上推到林分蒸騰耗水速率是樹木應(yīng)對(duì)干旱脅迫和延長(zhǎng)健康壽命的重要指標(biāo)。王連春等研究酸棗樹干液流發(fā)現(xiàn)其呈單峰型變化;凡超等對(duì)荔枝樹干液流研究認(rèn)為樹干液流日變化具有明顯的晝夜節(jié)律。樹木瞬時(shí)液流與土壤水分以及環(huán)境因子密切相關(guān)，通過研究樹木邊材液流變化趨勢(shì)與環(huán)境因子的關(guān)系，可定量分析樹木生長(zhǎng)與林分蒸騰耗水的相互關(guān)系。不同地區(qū)不同樹種的樹干液流已有大量研究，但對(duì)黃土高原半干旱區(qū)人工刺槐林生長(zhǎng)盛期液流特征研究較少，因此，探討生長(zhǎng)盛期刺槐的耗水特征、平衡林水供需關(guān)系，是該區(qū)域當(dāng)前亟待解決的問題。本研究以甘肅涇川中溝小流域25年生人工刺槐林為研究對(duì)象，采用熱擴(kuò)散探針對(duì)樹干液流與氣象因子進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，分析刺槐蒸騰耗水與環(huán)境因子之間的關(guān)系及水分傳輸與環(huán)境因子的內(nèi)在聯(lián)系，為實(shí)現(xiàn)林木撫育與健康經(jīng)營(yíng)提供理論參考。

一、研究區(qū)概況與研究方法

（一）研究區(qū)概況

研究區(qū)位于隴東黃土高原的涇川縣中溝小流域，在東經(jīng)107°15′～107°45′，北緯35°11′～35°31′之間，氣候類型為典型的大陸性氣候，四季分明，降雨多集中于夏季。年蒸發(fā)量1339.6 mm，相對(duì)濕度69%，干燥度0.95～1.28。地貌地形屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤以黃土為主，現(xiàn)有林地面積54.2萬hm2，森林覆蓋率達(dá)38%，僅官山林場(chǎng)栽植以刺槐為主的人工林就達(dá)1327 hm2。植被類型屬于森林-草地過渡帶，刺槐林面積占林木總面積的92%，立體結(jié)構(gòu)林分少，林下草本植物主要為灰條菜（Chenopodium allbum）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等。

（二）研究方法

1. 樣木選取

建立面積為20×20m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，對(duì)樣地進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)木胸徑為16.86cm，選擇生長(zhǎng)狀況良好、樹干通直的3株接近標(biāo)準(zhǔn)木胸徑的刺槐作為監(jiān)測(cè)木（表1）。應(yīng)用熱擴(kuò)散探針在8月1日到8月31日對(duì)其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。為避免太陽(yáng)直射引起的測(cè)量誤差，將探針統(tǒng)一安裝在樹干北側(cè)1.3米處。數(shù)據(jù)記錄間隔設(shè)置為10min。

液流速率采用Granier（1987）的公式來計(jì)算，即：

Vs=0.0119K1.231

K=（dTm-dT）/dT

式中：Vs為瞬時(shí)液流速率;dTm為無液流時(shí)加熱探針與參考探針的最大溫差值;dT為瞬時(shí)溫差值。

2. 環(huán)境因子的測(cè)定

利用樣地旁安裝的自動(dòng)氣象站，采集太陽(yáng)有效輻射、空氣溫度、風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度等氣象要素。用水汽壓虧缺（VPD）來綜合反映相對(duì)濕度和空氣溫度的協(xié)同效應(yīng)。

VPD=0.611e■（1-RH）

式中：VPD為水汽壓虧缺（kPa），T為空氣溫度（℃），RH為空氣相對(duì)濕度（%）。

二、結(jié)果與分析

（一）刺槐液流變化特征

1. 刺槐液流日變化特征

選取8月份3個(gè)典型連續(xù)晴天的樹干液流速率來反映其日變化（圖1-a）。由圖可知，人工刺槐樹干液流日變化呈“單峰型”變化規(guī)律，樣木3的啟動(dòng)時(shí)間在6：00～7：00，樣木1、2的啟動(dòng)時(shí)間在7：00～8：00，啟動(dòng)后的樹干液流平均速率分別為30.40g/h（8月9日）>16.10g/h（8月10日）>18.41g/h（8月11日），液流到達(dá)峰值的時(shí)間為9：00～11：00，就單株的峰值而言，樣木3（76.17g/h）>樣木2（33.39g/h）>樣木1（30.08g/h），樣木3的胸徑最小，但蒸騰耗水量最多，這可能與樣樹的胸徑有關(guān)。22：00左右刺槐液流速率逐漸降到低谷。日平均液流速率分別為22.09、22.43和20.66g/h。8月1日至31日平均液流速率為17.07g/h。

2. 不同徑級(jí)刺槐樹干液流變化

研究表明，單株林木的樹干液流與其胸徑顯著相關(guān)，計(jì)算單位邊材面積的液流速率可實(shí)現(xiàn)單木到林分蒸騰量的尺度轉(zhuǎn)換。圖1-b為不同胸徑的單位邊材液流日變化，3株刺槐的液流速率變化大致相同，根據(jù)所選樣木的參數(shù)差異分析其個(gè)體特征，發(fā)現(xiàn)胸徑小的樣木單位邊材也小，但單位邊材面積的液流速率較大。隨樣木胸徑增大，單位邊材面積液流速率（g/h）依次為22.90、14.30、14.01，呈減小趨勢(shì)。

（二）刺槐樹干液流與影響因子關(guān)系

1. 刺槐樹干液流與環(huán)境因子

為揭示刺槐樹干液流速率與各氣象因子的相互作用，選取8月份的氣象數(shù)據(jù)對(duì)3株樣木樹干液流與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析（表2）;以樹干液流速率為因變量，以氣象因子為自變量，采用多元逐步回歸建立樹干液流速率與環(huán)境因子回歸模型（表3）。三個(gè)回歸模型可較好揭示單位邊材面積樹干液流與氣象因子的相互關(guān)系。

2. 刺槐液流動(dòng)態(tài)與土壤水分

土壤的供水水平限制著樹木蒸騰耗水能力，生長(zhǎng)盛期降雨較多且天數(shù)較分散，空氣溫度較高，蒸發(fā)量較大，1米深度的林地土層的土壤水分呈減少趨勢(shì)（圖2），8月6～8日、8月12～14日、8月18～31日均有不同程度的降雨，按0～2 mm、2～5 mm、5～10 mm的區(qū)間劃分降雨強(qiáng)度，分別選取8月7日（降雨為14.8 mm）、8月18日（降雨為2.2 mm）、8月27日（降雨為0.4 mm）以及無降雨的8月3日不同土層土壤含水量數(shù)據(jù)作圖，由圖2可知，連續(xù)短歷時(shí)的少量降雨加之空氣溫度的影響，林地內(nèi)20 cm以下的土壤水分仍然呈虧缺態(tài)勢(shì)。與降雨前比較，8月7日有14.8 mm的降雨，降雨歷時(shí)較長(zhǎng)，空氣溫度和水汽壓虧缺均降低，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減小，風(fēng)速加大，致使樹干液流速率發(fā)生了顯著性的變化;12日（4.8mm）有短歷時(shí)的少量降雨，但環(huán)境因子的起伏波動(dòng)不大，液流速率并未發(fā)生明顯的變化，說明土壤水分在一定程度上影響樹木的蒸騰耗水。

三、結(jié)語

對(duì)隴東黃土高原25年生長(zhǎng)盛期人工刺槐研究發(fā)現(xiàn)，樣木晴天日變化基本呈單峰型曲線，刺槐樹干液流啟動(dòng)時(shí)間、到達(dá)峰值時(shí)間與降到最低值時(shí)間分別為6：00～8：00、9：00～11：00、22：00，日平均液流速率分別為22.09、22.43和20.66g/h。8月1日至31日的平均液流速率為17.07g/h。

刺槐胸徑與邊材面積存在顯著線性關(guān)系，關(guān)系式為y=36.8x-566.95，R2=0.9917。刺槐液流速率隨胸徑增大而減小，隨樣木胸徑增大，單位邊材面積液流速率（g/h）依次為22.90、14.30、14.01，呈減小趨勢(shì)。

刺槐單位邊材面積的液流速率與空氣溫度、太陽(yáng)有效輻射、水汽壓虧缺呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)，影響刺槐液流程度的絕對(duì)值順序?yàn)楣夂嫌行л椛?水汽壓虧缺>空氣溫度>相對(duì)濕度>風(fēng)速。建立單位邊材面積樹干液流與環(huán)境因子的線性模型，可較好的揭示兩者的相互關(guān)系。研究期土壤水分呈逐漸增加的趨勢(shì)，基本滿足自身生長(zhǎng)需要，液流隨土壤水分的變化不顯著，主要受環(huán)境因子的影響。

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（作者單位：費(fèi)俊娥、邸利，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院;王正安，寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院。王正安為通訊作者）