油松人工林耗水規(guī)律與環(huán)境因子關(guān)系

楊倩

油松人工林耗水規(guī)律與環(huán)境因子關(guān)系

楊倩

河南省農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 園藝園林學(xué)院, 河南 鄭州 451450

本研究所選取的研究對象為油松，為了探究不同樹齡的油松蒸騰效應(yīng)，不僅選擇了幼齡、中齡階段的油松，還選擇了老齡油松，這樣實驗對比更有針對性，此外，還對油松土壤區(qū)域的蒸發(fā)效應(yīng)加以研究對比，在此過程中借助于森林系統(tǒng)觀測站開展數(shù)據(jù)監(jiān)測，為了進(jìn)一步降低實驗誤差，本研究從2012年開始進(jìn)行為期六年的持續(xù)性實驗，在探究林木蒸騰效應(yīng)過程中重點運用了熱擴散式莖流計法，在探究土壤蒸發(fā)效應(yīng)過程中重點運用稱重法等，同時開展多因子分析研究，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)開展實地對比分析研究，并探究其影響作用因子。通過連續(xù)的觀測實驗分析得知，雖然林木樹齡存在較大差異，但是無論是該區(qū)域土壤蒸發(fā)方面，還是林木蒸騰效應(yīng)方面，雖然差異不可避免，但是其變化態(tài)勢較為接近，整體而言其先升后降的變化態(tài)勢尤為突出，且不同的生長期內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化特點，對于前四個月而言，其差異并不突出，此后出現(xiàn)明顯的上升態(tài)勢，蒸發(fā)量的峰值在七月前后，此后逐漸下降，通過綜合分析來看，樹齡的影響效果尤為突出。此外，通過研究發(fā)現(xiàn)，對于油松區(qū)域土壤而言，當(dāng)其含水量超過18%的情況下，地表植被在抑制土壤蒸發(fā)方面的效果并不突出，當(dāng)?shù)陀?8%的情況下則具有良好的抑制效應(yīng)，通過對比得知，對于土壤蒸發(fā)量而言，其不僅與土壤溫度呈現(xiàn)突出的正相關(guān)，還是土壤含水量呈現(xiàn)突出的正向變化關(guān)系。實驗研究表明，林木蒸騰受到一系列影響因子并不是單一的，且交互作用突出，尤其是溫度及濕度的直接作用，除此之外，輻射及含水量等因素的影響效果也尤為突出，地區(qū)間的環(huán)境因子差異尤為突出。

油松; 需水規(guī)律; 環(huán)境因子

對于土壤而言，其酸堿強度對于土壤的理化特性施加著必要的影響，通過土壤結(jié)構(gòu)的制約來對植被生長施加作用；此外，微生物活動也受到土壤養(yǎng)分等特點的影響[1-3]，對于新陳代謝而言，一方面受制于土壤養(yǎng)分狀況，這是直接的作用因子，另一方面依賴于濕熱條件，這是其外部環(huán)境因子，這些對于微生物產(chǎn)生直接影響，決定著其活動效率。從土壤的酸性角度來講，酸性程度成為土壤狀況的關(guān)鍵影響因子，酸性過強的土壤將嚴(yán)重抑制植被生長發(fā)育，對于微生物活動也產(chǎn)生不利影響，這是陸地生態(tài)的關(guān)鍵影響因子之一，對于土壤生態(tài)而言，無論是物質(zhì)交換還是能量交換，都對植被生長發(fā)育產(chǎn)生不可替代的作用，影響植被的養(yǎng)分供給及水熱狀況[4,5]。養(yǎng)分直接制約植株的長勢等，水分影響著根莖葉的能量傳輸，成為無可代替的關(guān)鍵作用因子之一，此外，光合作用也離不開必要的水分，否者植株將最終枯萎，可以說養(yǎng)分和水分貫穿植株生長發(fā)育的始終[6,7]。植被生長發(fā)育離不開養(yǎng)分及水分，同時在蒸騰途徑下水分輸送至大氣，加之土壤作用，就構(gòu)成了三者的有機聯(lián)系，造成了較明顯的水熱循環(huán)。對于不同的植被而言，不同類型的植株，其對水分的需求狀況并不完全相同，這就不得不提到其耐旱性，也就是抗逆性特點[4]，整體來說，對于養(yǎng)分而言，其直接制約植株的長勢等，對于水分來說，其影響著根莖葉的能量傳輸，也就是我們常說的耗水性，成為無可代替的關(guān)鍵作用因子之一[8,9]，這也是生物學(xué)研究熱點之一，在太陽作用下，植被的蒸騰作用難以避免，這就涉及到相應(yīng)的耗水量，為了對這一作用機理進(jìn)行探究，本研究重點借助蒸散率對比分析，同時開展相應(yīng)的渦度技術(shù)分析，進(jìn)而開展細(xì)化研究及對比分析，能夠在有限的水分條件下開展植被耗水特性[10,11]，根據(jù)不同的特點開展相應(yīng)的植被錯配，從而構(gòu)造較為適宜的森林植被。

從油松林的角度來看，其生長的山地海拔接近于兩千五百米，之所以其能夠具有較強的適應(yīng)性，不僅在于其對養(yǎng)分、土壤等要求并不高，而且其耗水特點也有密切關(guān)系[12,13]，其不僅生長速度優(yōu)于其他樹種，且樹干較為筆直，能夠形成較好的利用材質(zhì)，整體來看，其不僅憑借較好的環(huán)境適應(yīng)性而成為重要的人工林樹種，而且在經(jīng)濟價值方面的效應(yīng)顯著，這也是其成為該區(qū)域尤為重要的樹種的原因所在[14]。由于其水熱條件要求并不高，其耐旱性較為明顯，尤其適宜種植在山區(qū)，一方面通過涵養(yǎng)水源調(diào)節(jié)局地氣候，對水熱循環(huán)產(chǎn)生影響，另一方面降低水土流失問題，增強土壤蓄水能力。林木在生長過程中對于水分的消耗是難以避免的，蒸騰效應(yīng)是其一方面，不少學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，植被耗水很大一部分并不是因為蒸發(fā)引起的，土壤水分揮發(fā)也起著重要作用，蒸騰作用也是主要的耗水途徑[15-17]。目前對于蒸騰效應(yīng)的研究手段越來越多，樹干液流法具有較廣泛的應(yīng)用，此外，蒸滲儀稱量法也起著重要的作用。從水量平衡法的角度來看，其不僅與總降雨量、地面徑流密切相關(guān)，同時與林冠對于雨水的截流效應(yīng)息息相關(guān)，加之土壤對水分具有明顯的蓄水效應(yīng)，這些因素綜合影響林木的耗水，但是在計算過程中難免出現(xiàn)誤差，為了提升準(zhǔn)確性，加以渦度法開展更進(jìn)一步的研究[5-6,8]。對于樹干液流法來說，其具有較為簡單的測量系統(tǒng)，能夠根據(jù)多種地形加以利用，整體而言具有較低的成本，在實際運用中較為廣泛，成為重要的研究方法之一。基于此，本研究以油松為研究對象，從其耗水的角度來探究其水分條件及作用機理，為強化林木種植提供有益參考及借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本實驗區(qū)域位于秦嶺鰲山腳下，具體研究地點是太白縣南灘苗圃林場，位于東經(jīng)107°20、北緯34°02'，海拔1700 m，年降雨量接近1000 mm，無霜期207 d，年平均氣溫接近于7.7 ℃，該地區(qū)屬于秦嶺谷地小氣候帶，土壤類型為山地黃棕土壤，其土層厚度接近于66 cm，主要分布林木、灌木及草本植物，典型林下植物分布為六道木、胡枝子、大油芒等。

1.2 研究區(qū)概況

本研究所選擇的實驗區(qū)域位于南灘苗圃林場，該區(qū)域位于秦嶺腳下的太白縣，海拔超過了2 km，受制于地理位置分布，其雨熱同期特點較為明顯，降雨量近1000 mm，且主要分布在夏季，其無霜期達(dá)到了200 d，冬季氣溫相對較低，受制于山地分布居多的影響因素，使得該區(qū)域呈現(xiàn)8℃的年均溫；尤其是山地分布的制約，谷地小氣候特點較為明顯，以黃棕土為主，不僅分布著林木及灌木等，還分布草本植被，尤其是六道木、胡枝子等。

表1 觀測樣地基本情況

1.3 土壤蒸發(fā)耗水

在太陽照射作用影響下，熱量作用于土壤表層，從而很容易形成蒸發(fā)及蒸騰作用，這將難以避免地產(chǎn)生水分消耗，這就是我們常說的蒸發(fā)效應(yīng)及蒸騰效應(yīng)，這將直接影響植被生長發(fā)育，為了探究該因素對植被生長發(fā)育的作用機理，特進(jìn)行量化研究分析，對于本研究而言，采取的是稱重法進(jìn)行，首先將采集的土樣置于鐵桶，每日定量加水，每天對其水量狀況進(jìn)行記錄，每月進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理分析，為了有效探究其對植被生長作用機理，特設(shè)置對照組，此外，為了降低實驗誤差，本研究開展連續(xù)3次的重復(fù)實驗，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

將實驗數(shù)據(jù)對比分析得知，植被覆蓋狀況的差異對于蒸發(fā)量產(chǎn)生尤為突出的差異，與植被覆蓋的土樣相比，對于缺乏植被覆蓋的土壤而言，其蒸發(fā)量更為劇烈，在涵養(yǎng)水源方面的效果較差，不利于局地濕度調(diào)節(jié)，這說明植被能夠起到較好的涵養(yǎng)水源功能，能夠有效調(diào)節(jié)局地氣候，降低相應(yīng)的蒸發(fā)量，這對于植被生長發(fā)育過程中水分的需求起著積極的促進(jìn)作用。其蒸發(fā)量、裸地分別用S、B代表，為進(jìn)一步細(xì)化研究，特對蒸發(fā)量差E計算如下：E=S－B。

當(dāng)?shù)乇碚舭l(fā)量明顯高于裸地的情況下，說明其在涵養(yǎng)水源方面并無較大效果，無法起著降低水耗的作用，說明其植被無法明顯改善當(dāng)?shù)氐木值丨h(huán)境，對于土壤水源保持效果較差；相反，植被具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，對于增加土壤水分起著積極作用，在有效固土的同時降低水耗，說明其林地種植具有較高的現(xiàn)實意義。

1.4 植被蒸騰耗水

為詳細(xì)研究植被在蒸騰過程中對水分的消耗，本研究首先對林地進(jìn)行了每木調(diào)查，并通過熱擴散式莖流計法對所選取的標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行耗水測量，實驗中將TDP樹干液流測量儀置于樹干，通過液流運移速率的測量來計算蒸騰耗水；為了衡量溫度、風(fēng)速等外在因素對植被蒸騰作用的影響，本研究區(qū)內(nèi)建設(shè)了小型氣象站，實時記錄相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，及時掌握土壤的溫度及濕度等數(shù)據(jù)，進(jìn)而便于多方位分析植被蒸騰耗水作用機理及過程。

1.5 數(shù)據(jù)處理

通過實驗本研究獲取了一系列的觀測數(shù)據(jù)，首先對其進(jìn)行整理,接下來通過SPSS 18.0開展相應(yīng)的分析對比，在開展相關(guān)分析的同時進(jìn)行方差分析，并從0.01、0.05的檢驗水平下開展統(tǒng)計檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤蒸發(fā)耗水

2.1.1 植被對土壤蒸發(fā)的調(diào)節(jié)作用通過對圖1的分析得知，對于樣地油松來講，該區(qū)域林木在樹齡方面的差異尤為突出，但是在水分蒸發(fā)方面，其雖然存在較大差異，但是其先升后降的變化態(tài)勢尤為突出，且不同的生長期內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化特點，對于前四個月而言，其差異并不突出，此后出現(xiàn)明顯的上升態(tài)勢，蒸發(fā)量的峰值在七月前后，此后逐漸下降，通過綜合分析來看，樹齡的影響效果尤為突出。

圖1 不同林齡土壤蒸發(fā)量

通過對圖2的分析可知，第一，對于幼齡土樣來說，其含水量在19%之上的情況下會出現(xiàn)＞0，這表明在植被的作用下水分蒸發(fā)量并沒有減小，說明植被未能抑制水分蒸發(fā)，對于水分的保持并未起到應(yīng)有的作用；反之，當(dāng)其含水量低于19%的情況下，值則低于0，在這種情況下水分蒸發(fā)相對減弱，說明在植被的作用下，水分保持能力進(jìn)一步增強，對于降低水土流失起到了積極作用。第二，對于中齡土樣而言，其與幼齡土樣則存在較大的蒸發(fā)量差異，土樣含水量并未對蒸發(fā)產(chǎn)生顯著影響，其變化區(qū)間基本維持在0左右；當(dāng)含水量在22%以下的情況下，變化范圍稍微上升，但在植被的作用下水分蒸發(fā)出現(xiàn)了較明顯的抑制；當(dāng)含水量超過該值的情況下，并未出現(xiàn)較明顯的浮動，但是就整體而言，植被對于水分保持產(chǎn)生的作用也不夠明顯。第三，從老齡土樣而言，其測量結(jié)果基本接近于幼齡土樣的變化，在含水量上升的情況下出現(xiàn)了較大的蒸發(fā)量差，當(dāng)含水量在15%以下的情況下，植被能夠起到較為明顯的水分保持效果，能夠明顯抑制水分蒸發(fā)，此時值小于零；當(dāng)含水量超過該值的情況下，在植被的作用下水分蒸發(fā)量并沒有減小，說明植被未能抑制水分蒸發(fā)，對于水分的保持并未起到應(yīng)有的作用；綜合來看，其含水量超過18%的情況下，雖然有植被的作用，但是水分蒸發(fā)量并沒有減小，說明植被未能抑制水分蒸發(fā)，對于水分的保持并未起到應(yīng)有的作用；當(dāng)其含水量低于該值的情況下，水分蒸發(fā)相對減弱，說明在植被的作用下，水分保持能力進(jìn)一步增強，對于降低水土流失起到了積極作用。

圖2 不同林齡蒸發(fā)量差與土壤含水量的關(guān)系

2.1.2 土壤蒸發(fā)量與環(huán)境因子的關(guān)系通過對表2進(jìn)行分析可知，土壤蒸發(fā)量與環(huán)境因子之間存在較為密切的聯(lián)系，當(dāng)檢驗水平在0.05的情況下，雖然林齡不同，但是蒸發(fā)量與植被蓋度之間并未通過統(tǒng)計檢驗，說明二者并沒有突出的相關(guān)性。不同林齡之間的土壤蒸發(fā)與含水量之間存在不同的相關(guān)性，從幼齡土樣來說，二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.51，這表明二者之間的正相關(guān)較為明顯，蒸發(fā)量與溫度之間不僅呈現(xiàn)正相關(guān)，其系數(shù)高達(dá)0.68；從中齡土樣來說，通過因子分析得知，二者雖然具有一定的相關(guān)性，但是其程度并不高，系數(shù)僅為0.23；而其與溫度之間的相關(guān)程度更高，其系數(shù)高達(dá)0.59，而其與蒸發(fā)量差的變化呈負(fù)向變化；對于老齡土樣而言，通過因子分析得知，二者雖然具有一定的相關(guān)性，但是其程度并不高，系數(shù)僅為0.32，而其與溫度之間的相關(guān)程度更高，其系數(shù)高達(dá)0.54，且達(dá)到了顯著；其與蒸發(fā)量差的變化呈負(fù)向變化；綜合來看，對于土壤蒸發(fā)而言，其不僅與含水量及溫度關(guān)系密切，還與蒸發(fā)量差存在較大關(guān)系，其具有較為明顯的線性關(guān)系，能夠開展后續(xù)的回歸分析。

通過表3不難看出，土壤蒸發(fā)受到外界環(huán)境因子的影響，其與含水量之間存在較為明顯的正相關(guān)，且在溫度的綜合作用下依然呈現(xiàn)正相關(guān)，而其與蒸發(fā)量差負(fù)向變化關(guān)系顯著。

表2 土壤蒸發(fā)量與其他因子相關(guān)性

注：**表示在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)，下同。

Note: ** indicates a significant correlation at the level of 0.01 (two-tail);* indicates a significant correlation at the 0.05 level(two-tail), the same as below.

表3 土壤蒸發(fā)量與各因子的關(guān)系模型

注：為土壤含水量（%）；為溫度（℃）；為蒸發(fā)量（mm）。

Note:means soil moisture (%),means temperature (℃),means evaporation (mm).

圖3 不同林齡蒸騰耗水量

2.2 油松蒸騰耗水

2.2.1 油松蒸騰耗水規(guī)律對于油松來講，該區(qū)域林木在樹齡方面的差異尤為突出，但是在水分蒸發(fā)方面，其雖然存在較大差異，但是其先升后降的變化態(tài)勢尤為突出，且不同的生長期內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化特點，對于前四個月而言，其差異并不突出，此后出現(xiàn)明顯的上升態(tài)勢，蒸發(fā)量的峰值在七月前后，此后下降態(tài)勢明顯，綜合來看，樹齡的影響效果尤為突出，從蒸騰耗水的角度來看，耗水量最大的是老齡油松，其次是中齡，而幼齡較低。

表4 林木蒸騰量與其他因子相關(guān)性

2.2.2 油松蒸騰與環(huán)境因子的關(guān)系大量學(xué)者的實驗研究表明，林木蒸騰受到一系列影響因子并不是單一的，且交互作用突出，尤其是溫度及濕度的直接作用，除此之外，輻射及含水量等因素的影響效果也尤為突出，地區(qū)間的環(huán)境因子差異尤為突出。在本實驗過程中，本研究選擇的環(huán)境因子包含了蓋度等八個方面，并對其產(chǎn)生的影響程度進(jìn)行了對比分析。

通過對表4的分析不難得知，受制于不同的環(huán)境因子作用，對于油松而言，其蒸騰效果的差異也尤為突出，無論是幼齡落葉松，還是中齡落葉松，均受到輻射溫度的制約，且與之存在明顯正向變化關(guān)系；而冠層、胸徑以及株高的負(fù)向變化關(guān)系也尤為突出；此外，無論是土壤含水量，還是溫度、輻射強度，其正相作用機理尤為突出。

表 5 林木蒸騰量與各因子的關(guān)系模型

注：；為土壤含水量；為冠幅（m）；為胸徑（mm）；為株高（m）。

Note:means soil moisture (%),means canopy (m),DBH (mm),plant height (m).

3 結(jié)論與討論

從森林耗水的角度來講，其主要的途徑如下：一方面，在熱力蒸發(fā)過程中不可避免地產(chǎn)生了土壤耗水，二是植被在生長過程中對水的消耗；綜合來看，其含水量超過18%的情況下，水分蒸發(fā)量并沒有減小，說明其未能充分抑制水分蒸發(fā)；當(dāng)其含水量低于該值的情況下，水分蒸發(fā)相對減弱，說明植被的作用下，水分保持能力進(jìn)一步增強，對于降低水土流失起到了積極作用。對于前四個月而言，其差異并不突出，此后出現(xiàn)明顯的上升態(tài)勢，蒸發(fā)量的峰值在七月前后，此后逐漸下降。

對于土壤含水量而言，其在林木蒸騰過程中呈現(xiàn)明顯的動態(tài)變化性，主要原因在于其含水量的不斷變化，其含量較低的情形下，其變化對于蒸騰作用產(chǎn)生了較大制約，影響了蒸騰量；而其含量較高的情況下，蒸騰作用并沒有受到制約，但是其他環(huán)境因子則產(chǎn)生了較大制約效果[12,13,18]。通過對比分析可知，即使土壤含水量處于較低水平，水分也是優(yōu)先作用在植被生長，基于此，為了提高人工林建造的效率，必須充分考慮其需水性，這就需要開展林木錯配，進(jìn)而在涵養(yǎng)水源的基礎(chǔ)上降低水分消耗[19-21]。從相關(guān)分析得知，對于油松而言，其蒸騰作用與太陽輻射、氣溫、濕度的相關(guān)性達(dá)到顯著，其中相關(guān)性較強的是空氣相對濕度，綜合來講，一系列環(huán)境因子作用于林木蒸騰，且其交互作用尤為突出。

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Relationship between Environmental Factors and Water Consumption Regularity ofPlantation

YANG Qian

451450,

Relying on national forest ecosystem research station,in Qinling Mountains was taken as the study area by five years. In order to quantitative reveal the levels of transpiration and evaporation intensity and their relationship with environmental factors, theplantations water consumption and related environmental factors were monitored in this region. Then the effects of vegetation structure on vegetation characteristics of water consumption were analyzed. The weighing method was used to measure the soil evaporation and thermal dissipation probe (TDP) was used to measure the sap-flow dynamics. Combing with the investigation of environmental factors, the data were analyzed. The results showed that soil evaporation and water consumption ofplantations vegetation increased and then decreased, which were the highest in July and August, and then decreased. When the soilwatercontent was above 18%, the ground cover plants not inhibit soil moisture evaporation. Soil evaporation model showed: the soil evaporation was positively correlated with soil moisture content and temperature. Correlation analysis showed thatplantations was positively related to the soil water content, the solar radiation intensity, soil temperature, namely forest transpiration intensity will be increased with the increase of the environmental factor variable values. However, the forest transpiration intensity and own properties ( crown breadth, diameter at breast height, plant height ) showed a negative correlation, which was with the growth, forest transpiration will be suppressed. Overall, the mainly factors that affect forest water consumption was the soil moisture, if the soil water content decreased, the forest vegetation would solve their demand for water in the first place.

; water demand regulation; environmental factors

S715.4

A

1000-2324(2021)06-0971-06

2021-02-26

2021-11-12

楊倩(1985-),女,碩士研究生,講師,研究方向:城市園林規(guī)劃. E-mail:chenggexinmei@163.com