华北落叶松(Larix principi-rupprechtii)是我国北方山区的主要造林树种之一。该树种1964年引入宁夏南部山区, 表现为适应性强、生长良好。该树种造林地多属土石山区, 且坡度较大, 在水源涵养林建设中发挥着重要作用(李怀珠, 1999)。林分蒸腾耗水规律的研究不仅是森林生态学和森林水文学所关注的焦点问题之一, 同时对于林业生产实践也具有重大的指导意义, 尤其在我国北方广袤的干旱半干旱地区更是如此。迄今为止, 对于华北落叶松人工林蒸腾耗水规律的研究尚未见报道。

传统上, 森林蒸腾耗水研究常与林地土壤水分蒸发紧密联结在一起, 即在森林蒸散量(如微气象方法)中往往很难将二者分开测定, 这就为森林水分循环的进一步深入研究带来了一定困难。进入20世纪90年代以后, 随着用热脉冲技术测定单木蒸腾耗水研究的日益完善以及与生态学尺度转换方法的有机结合, 直接测定林分蒸腾耗水量成为了可能, 同时该方法还克服了微气象方法对下垫面和气体稳定度要求严格的限制以及传统森林水文法具有较大不确定性的缺点(Hatton et al., 1995;孙鹏森, 2001;魏天兴, 1999)。因此, 该方法已在国际上广为应用(Hatton et al., 1995;Vertessy et al., 1997)。

目前, 国内仅有刘奉觉(1993)、李海涛(1997)、孙鹏森¹⁾等少数学者运用热脉冲方法进行了相关研究, 这对本项研究具有很高的参考价值。本文在此基础上做了如下工作:(1)应用热脉冲技术测定了华北落叶松人工林中单木液流量的时空动态变化, 估计了单木的日蒸腾量, 并用“截干测定”(cut tree experiment)方法进行了验证; (2)分别采用胸径和边材面积作为空间纯量进行了尺度放大转换, 完成了对整个林分日蒸腾耗水量的估测; (3)利用统计分析方法研究了单株日蒸腾量与环境因子之间的相关关系, 并建立了相应的预测模型。

1) 孙鹏森.京北水源保护林格局及不同尺度树种蒸腾耗水特性研究.博士学位论文.北京林业大学, 2000。

1 试验区自然条件概况

试验区位于六盘山北侧的宁夏回族自治区固原县(东经106°09′~106°30′, 北纬35°15′~35°41′)境内的赵千户林场, 属暖温带大陆性气候。据县气象局统计, 该地区年均气温6~7 ℃, 年日照时数2 534.2 h, 年均降水量428 mm, 多集中于7~9月份, ≥10 ℃积温2 100~3 200 ℃。赵千户林场地处土石山区, 海拔约1 700 m, 土壤类型为灰褐土, 土层平均厚度为80~100 cm, 土壤容重为1.0 g·cm^-3。

2 研究方法 2.1 标准地的建立与调查

选择生长良好的落叶松林, 建立20 m ×20 m的固定标准地。北坡, 坡位中上, 平均坡度25°, 树龄13 a, 密度2 800株·hm^-2, 平均树高4.55 m, 平均胸径4.95 cm。林内有极少量的黄刺玫(Rosa hugonis)和沙棘(Hippophae rhamnoides)等灌木, 草本主要有铁杆蒿(Artemisa vestita)、冰草(Agropyron cristatum)、白颖苔草(Carex rigescens)、凤毛菊(Saussurea amara)、长芒草(Stipa bungcana)和飞燕草(Delphinium ajacis)等。

2.2 单木液流量的测定

在标准地调查的基础上, 选择有代表性和生长良好的样木, 利用热脉冲速度记录仪(heat pulse velocity recorder, 以下简称HPVR)在2001-7~10逐月测定样木树干液流情况, 每月2~3次, 每次24~72 h连续昼夜观测。仪器的安装见刘奉觉(1993)和李海涛(1998)的文献。

2.3 单木日蒸腾量的估计与验证方法

用树干液流量的24 h累积值作为单木日蒸腾量的估计值。用“截干测定”试验即整树容器法对单木日蒸腾量的估计值进行验证, 具体操作方法请参考刘奉觉(1997)的文献。

2.4 环境因子的测定

林冠层微气象因子用德国产的HUCER微型电子天气监测器测定。主要测定项目有空气温度(℃)、空气相对湿度(%)和风速(m·s^-1); 太阳辐射强度(μW·cm^-2)用FZ -A型幅照计测得; 0~20 cm地温(℃)用曲管地温表测定; 土壤含水率(%)用烘干法测定, 以上测定均与树干液流观测同步进行。

2.5 从单木到林分蒸腾耗水量的尺度放大转换

要解决尺度放大转换问题的最直接方法是测定林分中的每株树木, 然而在足够大的样地内去测定所有样木的蒸腾量是不现实的。实际采用的方法是在单木液流量测定的基础上, 通过寻找较为可靠的空间纯量(如叶面积和胸径等)并了解其在整个林分中的分布情况来完成尺度放大转换(Hatton et al., 1995;Vertessy et al., 1994)。本研究分别采用胸径和边材面积作为空间纯量, 通过单木液流量进行尺度放大来完成对整个落叶松人工林分日蒸腾耗水量的估计。

3 结果与分析 3.1 树干液流的时空变化规律

在固定标准地中选取生长良好的样木7株, 在7~10月份应用HPVR系统测定了它们的树干液流, 各测试样木的基本参数如表 1。

3.1.1 树干液流的昼夜变化规律

在整个测定阶段, 无论是晴天还是阴天, 落叶松树干液流日进程都呈现较明显的昼夜变化规律(见图 1), 这与刘奉觉(1993)和李海涛(1998)等的研究结论相类似。通常液流量在夜间(20 :00~22 :00开始)非常微弱, 且时断时续, 其值一般在0.000 08 m³·h^-1以下; 白天从7 :00~8 :30开始, 随着太阳辐射、空气温度的升高和空气相对湿度的下降表现为持续上升, 呈现出双峰或多峰曲线, 其峰值大小随当日气象条件、土壤湿度和土壤温度等因子变化。在观测期内白天树干液流量和液流速度的最大峰值分别可达0.001 079 m³·h^-1和0.123 9 mm·s^-1。在表 2中, 依据在部分观测日观测到的树干液流量和对应液流速度数据的大小, 列出了前3个峰值, 可以看出, 10 :00~12 :00和14 :00~16 :30左右, 为峰值出现最多的时间, 而它们在中午的值则位于两峰之间的相对“低谷”, 这种树干液流量和平均液流速度的日变化与大多数树种叶片光合速率的日进程基本同步, 因此可以认为白天树干液流的活动情况与冠层光合作用是紧密相关的。然而, 夜间液流微弱上升则是为了在树体内部蓄水, 以保证第2天冠层正常耗水所需, 其动力是根压的存在(Krammer, 1983; 李海涛等, 1998)。

3.1.2 树干液流在径向不同位点的空间变化

图 2表明, 在两种典型天气下, 华北落叶松在树干径向不同位点(形成层向里的深度)处的液流速度的昼夜变化趋势与该日树干液流量和平均流速的变化相同。同时从图中可以看出, 形成层以下10 mm处的液流速度最大, 15 mm和20 mm两点次之且区别不大, 而5 mm处的流速最低且表现为较平稳的走势, 相比之下, 其余3点的昼夜液流量大小变化更为明显。总的来说, 整个树干径向不同位点的液流速度由外到内呈现低—高—低的态势, 这与Edwards (1984)等人的研究结果基本一致。值得留意的是, 图 1和图 2中阴天的液流量及各位点流速均大于晴天的对应数值, 这是由于6号样木是固定标准地中的优势木, 具有强劲的生长势头和较大面积的水分输导组织所致。

3.2 单木蒸腾量的计算与验证

在对树干液流时空动态变化规律认识的基础上, 利用HPVR系统提供的软件可以计算出观测日各时间段和累计的液流量, 并以此作为单木蒸腾量的估计值。为了对它的精确性进行验证, 本研究采用“截干测定”, 每隔2 h观测落叶松单木的蒸腾耗水情况, 结果如图 3。可以观察到, 估计值在各时段都与观测值基本吻合, 两条曲线走势大体相同。经统计, 08 -29~08 -30连续24 h内以液流量估算的落叶松单木蒸腾量为0.002 91 m³, 而“截干测定”结果为0.003 17 m³ ·d^-1, 比前者高8.2%, 这一结论与刘奉觉(1997)利用两种方法对Ⅰ-69杨的研究结果基本一致。Vertessy (1997)认为这主要是因为目前热脉冲探头的灵敏程度还难以记录较弱液流。

3.3 林分蒸腾量的估测

本研究分别采用胸径和边材面积作为空间纯量, 在测定单木液流量的基础上, 通过尺度放大转换来估计华北落叶松人工林分的蒸腾耗水量。

3.3.1 以胸径为空间纯量估计林分蒸腾量

首先对标准地中的112株树木进行每木调查并记录胸径, 按1 cm整化后统计结果见图 4。然后计算出7株观测样木树干液流量7~10月份的平均日树干液流量, 利用SPSS统计软件建立它和胸径之间的回归方程如(1)式。

(1)

式中:Y为平均日液流量(m³·d^-1), X为胸径(cm)。利用此式计算出112株单木的日液流量后累加得标准地(400 m²)的总液流通量, 换算后得出整个林分日蒸腾量的估计值为0.64 mm。

3.3.2 以边材面积为空间纯量估计林分蒸腾量

在标准地中要测量112株树木的实际边材面积对林分破坏非常大, 而且也难以操作, 因此利用随机抽样方法调查了部分样木的边材面积, 并用SPSS软件中提供的线性函数、幂函数、指数函数和对数函数等模型建立了边材面积和胸径二者之间最佳的回归方程, 结果如表 3。林分日蒸腾耗水量估算的其余步骤与3.3.1所述方法相同。图 5比较了两种尺度放大方法, 其中以胸径为空间纯量的日蒸腾耗水量估计值(0.640 mm)最小, 以边材面积Ⅰ为纯量的方法次之(0.671 mm), 以边材面积Ⅱ为纯量的方法最大(0.711 mm), 其中边材面积的平均估计值为0.691 mm, 比以胸径为纯量的估计值高0.051 mm。这种误差的存在是由于目前对于树干边材宽度的确定仅仅是依靠颜色的差别判断, 有可能高估真实的边材面积。因为眼睛判断的边材面积实际上包含有已丧失输导能力处于向心材转化中的部分(刘盛等, 1992), 这也解释了为什么后者数值大于前者。

3.4 单木日蒸腾量与环境因子之间的关系

为进一步探究华北落叶松单木蒸腾量对于环境因子的响应, 研究它与微气象和土壤因子之间的相关关系是十分必要的。本研究选择了土壤含水量等7个环境因子作为自变量与蒸腾量进行了偏相关分析, 结果见表 4。从中可以看出, 树木蒸腾量与太阳辐射强度、空气温度和空气湿度3因子之间呈显著相关。其中, 太阳辐射强度相关系数最高(R=0.827), 这是树干液流量呈现出明显昼夜变化节律的原因, 白昼随太阳辐射增强而加快, 夜间没有太阳辐射液流量则十分微弱; 与空气温度因子显著相关(R=0.699), 是因为它为树木蒸腾提供了所需的热能; 空气湿度与蒸腾量呈负相关(R=-0.698), 是因为空气湿度下降为树木体内水分的蒸腾创造了必要的水势梯度; 与土壤含水率的相关系数最低。以上结果与阮宏华(1999)对次生栎林的研究结论相似。

在相关分析的基础上, 可以利用多元线性回归分析确立树木蒸腾量与3个环境因子之间的数量关系, 并建立了相应的线性模型:

(2)

式中:Y为日蒸腾量(mm), X₁为太阳辐射强度(μW·cm^-2), X₂为空气相对湿度(%), X₃为空气温度(℃)。经方差分析的F检验, 表明方程(2)回归显著。然而, 经各个自变量的偏回归系数检验表明, 空气温度和相对湿度的偏回归系数被认为是不显著的, 即认为这两个自变量在方程中不起作用, 应剔除并重新建立更为简单的方程(3)作为单木日蒸腾量的预测方程。

(3)

4 结论和讨论 4.1 树干液流时空变化规律

华北落叶松的树干液流量和液流速度在生长季中均呈现出明显的昼夜变化节律, 夜间液流量十分微弱, 通常在0.000 08 m³ ·h^-1以下, 白天随太阳辐射和空气温度增强而达到高峰, 其最大值可达0.001 079 m³·h^-1; 树干径向不同位点的液流速度以形成层向内10mm处最强, 15和20mm次之, 5 mm处最弱, 树干径向液流速度变化呈现出低—高—低的态势。

4.2 单木蒸腾量的估算与验证

以树干液流量为基准估计的单木蒸腾量与“截干测定”观测值相差不大, 其昼夜变化走势基本一致。以08 -29~08 -30为例, 前者日蒸腾量(24 h)的估计值为0.002 91 m³, 而后者为0.003 17 m³, 比前者高出8.2%, 这是由于热脉冲仪探头缺乏灵敏程度而无法观测较弱液流活动。

4.3 林分日蒸腾量的估计

分别以胸径和边材面积为空间纯量, 通过尺度上升转换得到了整个林分日蒸腾量的估计值, 前者为0.64 mm·d^-1, 后者平均值为0.691 mm·d^-1, 比前者高0.051 mm·d^-1, 其主要原因是对于边材面积的估计只靠颜色判断, 还缺乏足够高的精确度。

4.4 单木蒸腾量对环境因子的响应

相关分析表明, 太阳辐射强度、空气温度和空气相对湿度是影响单木蒸腾量的3个主要因子, 其偏相关系数依次为0.827, 0.699和-0.698, 也就是说蒸腾量和前二者呈正相关, 与空气湿度呈负相关。

值得一提的是, 在本研究中, 土壤含水量与树木日蒸腾量的相关系数很低甚至为负值(-0.113)。这是因为, 通常在自然条件下二者之间的关系是非常复杂的, 并非是一种简单的因果关系。可以说, 在干旱半干旱地区土壤含水量是树木蒸腾作用的必要条件而非充分条件。具体来讲, 当处于土壤干旱阶段时, 树木的蒸腾作用会随着土壤含水量的升高而加快; 但是在天然降雨条件下, 树木的蒸腾作用同时还受到自身生理调控、生理阈值和年生长规律的制约(王孟本等, 2001)。本研究在生长季旺期的7~8月份多属高温干燥天气, 而生长季后期的9~10月份则受阴湿低温天气条件控制, 这可能与落叶松树木蒸腾作用的前强后弱有关。同时, 相关分析表明土壤含水量和空气温度及空气湿度之间存在着显著的相互关系, 说明土壤含水量也可能通过在一定程度上影响空气温度和湿度来间接地影响树木蒸腾。综上所述, 土壤含水量或水势对于树木蒸腾量的影响, 还需要进一步深入研究。