重慶鐵山坪馬尾松林蒸散及其組分特征1)

王軼浩 符裕紅 王彥輝

(重慶師范大學(xué)，重慶， 401331)(貴州師范學(xué)院)(中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所)

蒸散是森林水文循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)和水量平衡的主要組成部分，也是開展森林涵養(yǎng)水源功能評價(jià)的重要指標(biāo)[1]。森林蒸散不僅與森林類型、樹種組成、林分密度(蓋度)、生長階段等植被特征密切相關(guān)[2-3]，同時(shí)還受氣象、土壤、地形等自然環(huán)境因素影響。為了解森林蒸散過程及其規(guī)律，往往把森林蒸散分為林冠截留蒸發(fā)、林冠蒸騰和林地蒸散(包括土壤蒸發(fā)、草灌蒸騰、草灌及枯落物等地被物截留)三個(gè)基本組分[4]。林冠蒸騰目前主要通過熱擴(kuò)散法實(shí)測；林地蒸散則主要采用微型蒸滲儀或大型稱重式蒸滲儀實(shí)測。秦顥萍等[5]分析了冠層結(jié)構(gòu)對華北落葉松林林冠蒸騰的影響；李振華等[6]研究了六盤山半干旱區(qū)華北落葉松林林地蒸散特征；王幼奇等[7]研究了黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)苜蓿、檸條和茵陳蒿等植被的蒸散特征。

森林具有調(diào)節(jié)氣候、固碳釋氧、保持水土等多種生態(tài)功能，其中，涵養(yǎng)水源是最基本和最重要的生態(tài)功能之一[8]。馬尾松(Pinusmassoniana)作為我國南方主要造林樹種和先鋒樹種，在當(dāng)?shù)貜V泛分布，是三峽庫區(qū)防護(hù)林體系中面積最大和最重要的森林類型[9]，對維護(hù)三峽庫區(qū)“一江碧水”和我國重要的淡水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫發(fā)揮著重要作用。因此，量化評估馬尾松林涵養(yǎng)水源功能對于科學(xué)認(rèn)識庫區(qū)森林生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值具有重要意義。以往針對馬尾松林降水再分配、枯落物持水、土壤貯水等涵養(yǎng)水源功能指標(biāo)已有不少研究[10-12]，然而由于森林下墊面及冠層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和試驗(yàn)條件的局限性，目前對馬尾松林蒸散及其組分研究還十分不足，嚴(yán)重制約著對馬尾松林涵養(yǎng)水源功能精準(zhǔn)評估和科學(xué)認(rèn)識。

本研究在三峽庫區(qū)的重慶鐵山坪林場，以林齡50～70 a的馬尾松林為研究對象，采用熱擴(kuò)散式探針、微型蒸滲儀等進(jìn)行野外長期定位觀測，分析馬尾松林林冠截留、林冠蒸騰、林地蒸散等蒸散組分及其動(dòng)態(tài)變化和影響因素，以期為三峽庫區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能精準(zhǔn)評估及其經(jīng)營管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市江北區(qū)鐵山坪林場的林中園小流域，屬亞熱帶濕潤氣候，多年平均降水量1 100 mm，年均氣溫18 ℃。該地屬四川盆東平行嶺谷地貌，海拔242～584 m，坡度5°～30°。土壤以砂巖上發(fā)育的山地黃壤為主，土壤質(zhì)地為粉砂壤土和粉砂粘壤土，土壤厚度50～80 cm。鐵山坪林場有森林面積1 200 hm2，森林覆蓋率90%以上，森林類型主要是上世紀(jì)五六十年代天然林被破壞后自然更新形成的馬尾松次生林。林分的分層明顯，優(yōu)勢層以馬尾松為主，伴有少量香樟(Cinnamomumcamphora)、楠木(Phoebezhennan)；下層主要有木荷(Schimasuperba)、茜樹(Aidiacochinchinensis)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)、杉木(Cuninhamalanceolata)、毛桐(Mallotusbarbatus)、白櫟(Quercusfabric)等；草本層以鐵芒萁(Dicranopterislinearis)為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在鐵山坪林場林中園小流域，選擇林齡62 a具有代表性的馬尾松林分，分別設(shè)置面積規(guī)格為30 m×30 m的典型樣地4個(gè)，并對各典型樣地的基本情況進(jìn)行調(diào)查(見表1)。

表1 馬尾松林典型樣地基本概況

2.2 林冠截留量測算

馬尾松林林冠截留量(I)通過公式I=P-T-S計(jì)算得到，其中，P為林外次降雨量(利用林外空曠處設(shè)置的自動(dòng)氣象站(Weather Hawk 232)獲取)；T為林內(nèi)穿透雨量(通過在馬尾松林各典型樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)的16個(gè)雨量桶(內(nèi)徑20 cm)測定)；S為馬尾松林的干流量(在各典型樣地內(nèi)，根據(jù)馬尾松徑級大小分布選定的14棵馬尾松，并結(jié)合樣地每木檢尺數(shù)據(jù)測定[8])。

2.3 林冠蒸騰量測算

馬尾松林林冠蒸騰量采用熱擴(kuò)散法測定，首先在2號馬尾松林樣地選擇具有代表性的3株馬尾松優(yōu)勢木(見表2)，通過在各優(yōu)勢木胸徑位置處安裝SF-L樹干液流探針，獲取馬尾松單株樹干液流密度，具體測定原理及計(jì)算方法見文獻(xiàn)[13]。然后在2號馬尾松林樣地外選擇11株不同徑級馬尾松，在其胸徑位置處利用生長錐鉆取樹芯，測定邊材寬度，擬合邊材面積與胸徑的函數(shù)關(guān)系，并結(jié)合樣地每木胸徑數(shù)據(jù)，獲得樣地內(nèi)每木邊材面積。最后以邊材面積為空間純量，計(jì)算馬尾松單株蒸騰量[14]，進(jìn)而推算樣地的林冠蒸騰量。

表2 測定樹干液流的馬尾松單株特征

2.4 林地蒸散量測算

馬尾松林林地蒸散量采用微型蒸滲儀測定，具體為在馬尾松林各典型樣地內(nèi)選擇代表性地點(diǎn)，分別布設(shè)4個(gè)微型蒸滲儀(內(nèi)徑20 cm、深度40 cm，桶底帶篩孔，下方放置收集滲漏水的容器)及其附近放置1個(gè)雨量桶(用于測定穿透雨量)。微型蒸滲儀筒內(nèi)分別裝有無任何覆蓋、枯落物覆蓋、草本植物(鐵芒萁)覆蓋、枯落物和草本植物(鐵芒萁)覆蓋的原狀土柱，每周稱量2～3次，并同步觀測穿透雨量和滲漏水量，然后根據(jù)原狀土柱稱量前后兩次的質(zhì)量差以及穿透雨量、滲透水量，計(jì)算不同覆蓋條件下的林地蒸散量，再根據(jù)馬尾松林樣地的地表覆蓋情況推算樣地的林地蒸散量。

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2019軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪圖，利用SPSS23.0軟件進(jìn)行馬尾松邊材面積與胸徑的回歸方程擬合，對不同覆蓋條件下馬尾松林林地月蒸散量采用多變量方差分析，月均氣象因子采用皮爾森相關(guān)分析和多元回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 馬尾松林林冠截留量變化

由表3可知，馬尾松林林冠的月截留量變化在1.98～25.98 mm，平均值為12.94 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為7.25 mm，變異系數(shù)為0.56，說明馬尾松林林冠的月截流量變異程度較大?？傮w看，2010年馬尾松林林冠月截留量變化呈“單峰”模式，即先增加，直到7月份達(dá)最大值(19.99 mm)，之后總體呈下降趨勢；2011年馬尾松林林冠的月截留量變化則呈明顯的“雙峰”模式，表現(xiàn)為從1月份開始逐漸增加，直到6月份達(dá)第一峰值(17.72 mm)，7—9月份處于低谷狀態(tài)，10月份驟然增大，達(dá)到第二峰值(28.59 mm)，之后又呈下降趨勢。研究期間馬尾松林林冠截留量的月際變化規(guī)律與降雨量高度吻合，說明馬尾松林林冠截留量受到降雨量明顯影響。

馬尾松林林冠的月截留率呈不規(guī)則的波動(dòng)變化，月截留率變化在7.52%～27.78%，平均值為14.72%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.06%，變異系數(shù)為0.34，可見馬尾松林林冠的月截留率變異程度相對較小。

表3 2010—2011年馬尾松林林冠截留量動(dòng)態(tài)

3.2 馬尾松林林冠蒸騰量變化

3.2.1 馬尾松單株蒸騰耗水

由圖1可知，馬尾松樹干邊材面積(y)與胸徑(x)呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，隨胸徑增大而增大，擬合方程為y=0.665 5x1.939 1(R2=0.948 7，P<0.01，n=11)。由此可知被測樹干液流的1、2、3號馬尾松樣樹的邊材面積分別為362.88、459.58、471.59 cm2。進(jìn)一步計(jì)算得到各株樣樹的日蒸騰量，根據(jù)2號馬尾松樣樹的日蒸騰量動(dòng)態(tài)(圖2)，可知研究期間2號馬尾松樣樹的日蒸騰量變化在0.60～86.78 kg，平均值為23.02 kg，變異系數(shù)為0.83。

圖1 馬尾松邊材面積與胸徑的關(guān)系

由圖2可知，馬尾松日蒸騰量年內(nèi)變化呈“單峰”模式，即從2月中旬開始波動(dòng)上升，一般在7—8月份日蒸騰量達(dá)到峰值(2010年7—8月份蒸騰量為3.0 t，占5—12月份蒸騰量(6.58 t)45.59%；2011年7—8月份馬尾松蒸騰量為3.64 t，占5—12月份蒸騰量(7.54 t)48.28%，占年蒸騰量(9.75 t)37.33%)，且維持在一個(gè)較高水平(2010年7—8月份馬尾松日蒸騰量平均值為49.19 kg，最大值達(dá)77.61 kg，且超過50 kg的天數(shù)達(dá)36 d，占總天數(shù)58.06%；2011年7—8月份馬尾松日蒸騰量平均值為58.42 kg，最大值達(dá)86.55 kg，且超過50 kg的天數(shù)達(dá)45 d，占總天數(shù)72.58%)，之后呈波動(dòng)下降趨勢，直到11月中旬左右達(dá)到年內(nèi)低谷，且維持在低水平，一直到次年2月份(2010年11月—2011年2月份馬尾松日蒸騰量平均值為13.10 kg；2011年11—12月份平均值僅5.10 kg)。

馬尾松日蒸騰量的年內(nèi)變化規(guī)律存在一定的年際差異，表現(xiàn)為2010年馬尾松日蒸騰量年內(nèi)變化的波峰出現(xiàn)時(shí)間較晚(7月初)，波峰較窄(7—8月份)，之后下降較平緩，且低谷比2011年保持在一個(gè)較高水平；2011年馬尾松日蒸騰量年內(nèi)變化的波峰則出現(xiàn)時(shí)間較早(6月初)，波峰較寬(6—8月份)，之后下降趨勢較快。

3.2.2 馬尾松林林冠蒸騰量

由表4可知，馬尾松林林冠月蒸騰量的年內(nèi)變化規(guī)律總體為先增加后減小，呈“單峰”模式，在7—8月份達(dá)到高峰，與馬尾松日蒸騰量的年內(nèi)變化規(guī)律基本一致。馬尾松林林冠的月蒸騰量變化范圍為11.64～62.42 mm，平均為33.58 mm。2010年5—12月馬尾松林林冠蒸騰量為253.49 mm，其中7、8月份林冠蒸騰量分別51.61、55.86 mm，占5—12月份林冠蒸騰總量42.39%；2011年馬尾松林冠蒸騰量為418.16 mm，其中7、8月份林冠蒸騰量分別為59.20、62.42 mm，占林冠年蒸騰量29.08%。

圖2 馬尾松(A2)單株日蒸騰量動(dòng)態(tài)

馬尾松林林冠的各月蒸騰量組分均以馬尾松蒸騰量占絕對優(yōu)勢，2010年5—12月、2011年馬尾松蒸騰量分別為221.85、364.66 mm，分別占林冠總蒸騰量的87.52%、87.21%。香樟、木荷等其他樹種的林冠蒸騰量較少，林冠的月蒸騰量變化范圍為1.45～8.14 mm，平均值為4.46 mm；2010年5—12月、2011年其他樹種的林冠蒸騰量為31.62、53.49 mm，分別占林冠總蒸騰量的12.48%、12.79%。

表4 2010—2011年馬尾松林林冠的月蒸騰量變化

3.3 馬尾松林林地蒸散量變化

3.3.1 不同覆蓋條件下馬尾松林林地蒸散量

由表5可知，無覆蓋林地的月蒸散量為2.98～37.23 mm，平均月蒸散量為9.61 mm；枯落物覆蓋林地的月蒸散量為2.98～37.23 mm，平均月蒸散量為9.26 mm；草本植物覆蓋林地的月蒸散量為4.32～57.01 mm，平均月蒸散量為14.77 mm；枯落物+草本植物覆蓋林地的月蒸散量為3.89～47.64 mm，平均月蒸散量為12.98 mm。不同覆蓋條件下馬尾松林林地的月蒸散量年內(nèi)變化規(guī)律基本一致，均呈“單峰”模式，表現(xiàn)為先增加后降低，在7—8月份達(dá)到最高峰，這與馬尾松林林冠蒸騰量年內(nèi)變化規(guī)律相同。

表5 不同覆蓋條件下馬尾松林林地月蒸散量動(dòng)態(tài)

不同覆蓋條件下馬尾松林林地蒸散量由大到小的順序?yàn)椴荼局参锔采w、枯落物+草本植物覆蓋、無覆蓋、枯落物覆蓋。多變量方差分析表明，相比無覆蓋林地，草本植物覆蓋和枯落物+草本植物覆蓋增加林地蒸散量的作用明顯(P<0.01)，但枯落物覆蓋對林地蒸散量的抑制作用并不顯著(P>0.05)。

3.3.2 馬尾松林林地蒸散量與氣象因子的關(guān)系

由表6可知，不同覆蓋條件下馬尾松林林地月蒸散量均受到器皿蒸發(fā)量、太陽輻射總量、氣溫、空氣濕度和最大風(fēng)速的顯著影響，其中，除無覆蓋林地與最大風(fēng)速呈顯著正相關(guān)(P<0.05)外，各覆蓋條件下林地月蒸散量與器皿蒸發(fā)量、太陽輻射總量、氣溫和最大風(fēng)速均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，說明林地蒸散量隨器皿蒸發(fā)量、太陽輻射總量、氣溫和最大風(fēng)速增大而增加，但與空氣濕度均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.783、-0.715、-0.814和-0.796，說明林地蒸散量隨空氣濕度增大而減少。

由表7可知，進(jìn)一步對不同覆蓋條件下馬尾松林林地月土壤蒸散量與器皿蒸發(fā)量、太陽輻射總量、氣溫、空氣濕度、最大風(fēng)速等月均氣象因子進(jìn)行逐步回歸分析，表明除草本植物覆蓋下林地月蒸散量(Y)與月太陽輻射總量(X2)呈極顯著的線性函數(shù)關(guān)系外(P<0.01)，其他覆蓋條件下的林地月蒸散量均與器皿月蒸發(fā)量(X1)呈極顯著的線性函數(shù)關(guān)系(P<0.01)。

表6 不同覆蓋條件下馬尾松林林地月蒸散量與月均氣象因子相關(guān)性(n=20)

表7 不同覆蓋條件下馬尾松林林地月蒸散量與月均氣象因子的擬合方程

3.4 馬尾松林總蒸散量及其組分比例

由表8可知，馬尾松林月蒸散量的年內(nèi)變化規(guī)律呈“單峰”模式，表現(xiàn)為先增加后降低，同樣在7—8月份達(dá)到峰值，而在1、12月份為最低值。馬尾松林的月蒸散量為18.69～109.90 mm，平均為64.21 mm，總蒸散量為1 284.26 mm，占同期降水量的70.06%，其中，2010年5—12月份蒸散量為502.61 mm；2011年蒸散量為781.66 mm。馬尾松林各蒸散組分中，林冠蒸騰量最多(671.65 mm)，占總蒸散量52.30%，月蒸散量所占比例變化為35.57%～83.19%；其次為林地蒸散量為353.80 mm，占總蒸散量27.55%，林地月蒸散量為2.99～38.61 mm，平均為17.69 mm，林地月蒸散量所占比例變化為10.09%～42.38%；以林冠截留量最少，為258.81 mm，占總蒸散量20.15%，其林冠月截留量所占比例變化為5.53%～51.58%。

表8 2010—2011年馬尾松林總蒸散量及其組分比例

4 討論

林冠截留量是森林蒸散三個(gè)基本組分之一[15]，通常根據(jù)冠層水量平衡獲得，所占森林蒸散的比例一般最小，并受到林分密度、冠層結(jié)構(gòu)特征及降水條件等因素共同影響[8，12]。本研究馬尾松林林冠截留量為258.81 mm(其中2011年林冠截留量為146 mm)，所占馬尾松林總蒸散量的比例為20.15%，這與李振華等[6]研究的結(jié)果一致，但均低于江西千煙洲20年生馬尾松人工林林冠年均截留量(165 mm)及其占總蒸散量的比例(23%)[16]。我國森林的林冠截留率一般為11.4%～36.5%，且針葉林的林冠截留率高于闊葉林[17]，本研究馬尾松林林冠的月截留率變化為7.52%～27.78%，低于我國森林林冠截留率的變化范圍；平均月截留率僅為14.72%，遠(yuǎn)低于我國森林林冠平均截留率(21.6%)[17]，主要與本研究區(qū)馬尾松林密度較小且受酸沉降危害影響明顯，冠層落葉率較高、葉面積指數(shù)小、冠層稀疏有關(guān)。

林冠蒸騰一般占森林蒸散的40%～70%[18-19]。本研究表明，研究期間馬尾松林林冠蒸騰量占總蒸散量的52.30%，也是馬尾松林蒸散的最大組分，高于李振華等[6]在六盤山半干旱區(qū)華北落葉松林林冠蒸騰的研究結(jié)果，但明顯低于江西千煙洲20年生馬尾松人工林林冠蒸騰量占總蒸散量65%的水平[16]。主要是因?yàn)樵诟珊等彼畢^(qū)土壤水分和大氣降水條件限制了林冠蒸騰，而中亞熱帶水熱條件好，更利于林冠蒸騰。同時(shí)，馬尾松林林冠年蒸騰量(2011年為418.16 mm)也低于江西千煙洲20年生馬尾松人工林(479 mm)[16]，主要原因是林分的優(yōu)勢度、樹高、胸徑、冠長等林分特征均顯著影響著液流速率[20]，樹干液流密度還受樹冠重疊度影響[14]，并隨林冠層葉面積增大而線性增大[5]。本研究馬尾松林林分密度小、冠層稀疏且葉面積指數(shù)小。除此之外，氣溫、空氣濕度、光合有效輻射、水汽壓虧缺等氣象環(huán)境因子均顯著影響著馬尾松樹干液流密度[21]。

林地蒸散作為森林蒸散的重要組成部分，對于掌握林地水分消長動(dòng)態(tài)和水量平衡具有重要意義。本研究馬尾松林林地蒸散量為353.80 mm(其中2011年為217.50 mm)，占總蒸散量的27.55%，低于六盤山華北落葉松林地蒸散量所占總蒸散量的比例[6]，主要是因?yàn)槿A北落葉松林下分布著較多草本植物，蓋度高達(dá)75%，而本研究馬尾松林下草本植物蓋度僅為48.62%。相比無覆蓋林地，草本植物覆蓋均能顯著增加林地蒸散量(P<0.01)。本研究枯落物覆蓋雖然能減少馬尾松林林地蒸散量，但其抑制作用并不顯著(P>0.05)，這與朱金兆等[22]研究的結(jié)果不同，原因是因?yàn)轳R尾松林內(nèi)微氣候條件致使林下枯落物和土壤的蒸發(fā)速率基本相同。本研究無覆蓋林地2011年蒸發(fā)量為192.87 mm，是江西千煙洲20年生馬尾松人工林(87 mm)的2.2倍[16]，這與林內(nèi)微氣象條件有關(guān)。本研究表明不同覆蓋條件下，馬尾松林林地蒸散量均與器皿蒸發(fā)量、太陽輻射總量、氣溫、最大風(fēng)速呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與空氣濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

馬尾松林總蒸散量為1 284.26 mm，其中2011年蒸散量為781.66 mm，與熱帶雨林(795.68 mm)及橡膠林(774.54 mm)相近、略高于亞熱帶常綠闊葉林(767.69 mm)和馬尾松人工林(731 mm)，明顯高于熱帶稀樹灌草叢(435.35 mm)和亞熱帶亞高山針葉林(438.83 mm)[23]，這是由林分特征和氣象條件共同決定，同時(shí)，也與研究方法有關(guān)，采用不同方法估算的森林蒸散存在一定差異，長期觀測結(jié)果相對更可信[23]。由此可見，根據(jù)長期定位實(shí)測數(shù)據(jù)量化的馬尾松林蒸散量及其組分較為精確，由于本研究未考慮林下灌木蒸騰量使馬尾松林總蒸散量被低估，因此，今后還需進(jìn)一步開展馬尾松林下灌木蒸騰量研究，以更加精準(zhǔn)評估馬尾松林總蒸散量。本研究馬尾松林蒸散量占同期降水量的70.06%，與顏廷武等[24]研究結(jié)果相似，略高于魏煥奇等[16]研究結(jié)果，但明顯低于長白山闊葉紅松林[24]?？梢姡终羯⑷允邱R尾松林最主要的水量支出項(xiàng)。

馬尾松林總蒸散量及其各組分均呈明顯的年內(nèi)變化規(guī)律，其中除林冠截留量年內(nèi)變化規(guī)律的年際差異較大外，其他蒸散組分及總蒸散量各年的年內(nèi)變化規(guī)律均呈規(guī)則的“單峰”模式，這與云南省熱帶雨林、橡膠林及亞熱帶常綠闊葉林等森林類型[23]，遼東山區(qū)天然次生林[24]，我國東部典型森林類型[25]的總蒸散量及其各組分均呈明顯的年內(nèi)變化規(guī)律相似，基本在1、12月份為最低值，7—8月份達(dá)到峰值。這是因?yàn)榱止诮亓袅恐饕芙邓畻l件和研究地點(diǎn)的月降水量年內(nèi)變化規(guī)律的影響較大[6，26]；其他蒸散組分及總蒸散量主要受氣溫、太陽輻射強(qiáng)度等氣象因子影響。

5 結(jié)論

馬尾松林冠截留量年內(nèi)變化規(guī)律呈“單峰”或“雙峰”模式，且年際差異較大，受降水量影響明顯；馬尾松林冠蒸騰量、林地蒸散量和總蒸散量年內(nèi)變化規(guī)律均呈“單峰”模式；草本植物覆蓋能顯著增加林地蒸散量，枯落物覆蓋雖能抑制林地蒸散量，但其作用不明顯；不同覆蓋條件下馬尾松林地蒸散量均與器皿蒸發(fā)量、太陽輻射總量、氣溫、最大風(fēng)速呈顯著或極顯著正相關(guān)，與空氣濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。蒸散是馬尾松林最主要的水量支出項(xiàng)，各蒸散組分中以林冠蒸騰量最多，其次為林地蒸散量，林冠截留量最少。