文章信息
- 刘淑明, 孙长忠, 孙丙寅.
- Liu Shuming, Sun Changzhong, Sun Bingyin.
- 花椒林地不同地面覆盖的水热效应研究
- Water and Heat Effect of Different Ground Coverings in Zanthoxylum bungeanum Plantation
- 林业科学, 2005, 41(6): 174-178.
- Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(6): 174-178.
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文章历史
- 收稿日期:2005-04-08
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作者相关文章
2. 中国林业科学研究院华北林业中心 北京 100091;
3. 陕西杨凌职业技术学院林学系 杨凌 712100
2. Forestry Center of North China, CAF Beijing 100091;
3. Department of Forestry, Yangling Vocational and Technological College, Shaanxi Province Yangling 712100
花椒(Zanthoxylum bungeanum)为芸香科(Rutaceae)花椒属落叶灌木或小乔木,是重要的调味品、香料及木本油料树种。我国花椒主产于四川、甘肃、陕西、山东、河北、河南等省,栽培历史悠久(曾京京,2000)。花椒耐干旱瘠薄,根系发达,表层根系密度大,水平根的分布大于冠幅3~4倍(余晓林,2003),因而是山区生态造林的重要树种。近年来,在退耕还林项目中被列为生态经济树种,在发展山区经济中发挥了重要作用(魏玉君等,1996;何腾兵等,2000)。研究(李洪钵等,1991;曹彬等,2002)表明,通过施肥、整形修剪等措施可提高花椒的产量。然而,目前花椒园土壤管理中仍然采用深翻施肥、中耕除草的清耕管理方式,不利于土壤水分和养分的提高,在一定程度上制约着花椒的产量和质量。目前,国内外采用行间种植生草(牛俊玲等,2000;李国怀等,1997;王卿,1994;王隽英,1993;Schmiedel et al., 2004;Mueller et al., 2005)、铺反光膜(杜川利等,1999;任军荣等,2001;仇化民等,1996)的方法,改善树冠光照条件,减小土壤水分蒸发,提高土壤有机质含量,改善土壤结构,取得了明显的壮树增产效果。但不同的覆盖种类具有自身的特点,本试验通过同一地点种植白三叶、覆膜、覆秸秆,研究了不同地面覆盖形式对花椒林地光能环境、水分环境的影响,为花椒园确定合理的土壤管理制度提供理论依据。
1 试验区概况与研究方法试验地设在陕西省凤县(106°24′54″—107°07′30″E,33°34′57″—34°18′21″N)平木镇,该地位于秦岭南坡中山地带,属暖温带半湿润山地气候,海拔约1 400 m。年平均气温11.4 ℃,年降水量613 mm,无霜期188 d,≥10 ℃年积温3 556.3 ℃。试验地为1999年退耕地,坡度25°,坡向东南,面积约2.5 hm2,土壤为褐土,土层厚40~60 cm。1999年栽植大红袍花椒,采用反坡梯田整地,株行距3 m×3 m。
1.2 试验布设采用3种地面覆盖方式:1)种植白三叶(Trifolium repens),2000年播种,播种量0.5 g·m-2;2)覆盖地膜,2003年4月布设;3)覆盖秸秆,厚度3 cm左右,2003年4月布设。覆盖宽度为60 cm,长50 m,每处理布设5行,另设对照(地面无覆盖)。
1.3 测定方法1) 小气候 在行向的两侧,距树干中心1.0 m处,用通风干湿表和磁感风向风速表测定距地面0.5、1.0 m处的温度、湿度、风速;在距地面0.5 m处(树冠下表面)、树冠中部、树冠表面用天空辐射表和净辐射表测定太阳总辐射、反射辐射和净辐射,同时测定地面及土壤中5、10、15、20 cm深度处的温度。于2003年5—8月,选择晴天天气,每旬测定2 d,每天7:00—17:00每2 h测定1次。
2) 蒸腾速率 2004年5—9月份,利用Li-6400型便携式光合仪测定蒸腾速率。在花椒树冠中部南向取样,每处理重复测定3株,每株取3片叶。
3) 土壤水分 在距树干中心0.5 m处,用土钻取样,每10 cm取一土样,测定深度为0~50 cm,采用烘干法测定土壤含水量。测定时间与蒸腾速率的测定一致,样树相同。
式中:LE为潜热通量,P为感热通量,Qs为土壤热通量。
式中:t0.5、t2.0分别为树冠上0.5、2.0 m处的温度,PZ和P0分别为标准气压和测点气压,K1为乱流交换系数。K1可通过下式计算:K1=0.104u1(1+1.35Δt/Δu),式中:u1为1.0 m高处的风速,Δt=t0.5-t2.0, Δu=u2.0-u0.5(u2.0和u0.5分别为树冠上2.0 m和0.5 m处的风速。
式中:Cv为土壤容积热容量,τ是相邻2次测量的时间间隔,K为土壤导温系数,S1=20(0.080Δt0+0.333Δt5+0.175Δt10+0.156Δt15+0.004Δt20),S2=
1) 反射辐射 不同地面覆盖条件下,树冠下表面得到的反射辐射差异最大。表 1表明,覆膜地的反射辐射较对照地高69.1%,其次是秸秆覆盖,比对照高48.0%。在树冠中部,反射辐射明显减小,覆膜、种植白三叶和覆秸秆分别比树冠下表面低30.5%、24.8%和26.3%,表明随着离地距离的增加以及枝叶的阻挡,反射辐射减弱,其中,覆膜树冠减小幅度最大,主要是由于覆膜条件下,叶面积指数增加(曹彬等,2002),因而对地面反射的减弱增强。从表 1可以看出,树冠中部获得的反射辐射仍然是覆膜最大,覆秸秆次之,种植白三叶最小,分别比对照高48.2%、37.6%和28.7%。
2) 净辐射 从表 1看出,不同的地面覆盖均能增加冠层净辐射,改善树冠内的光照条件,树冠中部净辐射能分别较对照提高53.3%、26.3%和0.8%。其中,覆膜条件下,树冠表面、树冠中部和树冠下部的净辐射均高于其他覆盖形式,分别比秸秆覆盖高11.5%、21.4%、7.5%,较对照高55.6%、53.3%、50.4%;其次为秸秆覆盖,分别比对照高39.6%、26.3%、39.9%。由于树冠表面获得的太阳辐射能最多,因而净辐射最大。
2.2 地面覆盖对热量平衡的影响1) 乱流热交换量(P) 研究表明(表 2),一天中,不同覆盖条件下,13:00左右乱流交换量均达最大值,覆膜、覆秸秆、种植白三叶和对照林地乱流交换量分别占净辐射的36.5%、34.0%、30.6%和38.9%,这是由于此时气温常处于超绝热梯度,热力作用使乱流扩散加强,加快了乱流交换过程的进行,19:00后,P一般为负值,作用面以乱流交换的方式吸收周围空气的热量。另外,不同覆盖处理中,无论是P,还是P/R,均是覆膜地最大,表明白天覆膜花椒林中乱流交换较强,获得的太阳辐射能较多地用于增加空气温度,因而气温较高。
2) 潜热通量(LE) 从表 2可以看出,日出后,林地蒸发散消耗的热量急剧增加,该能量在辐射平衡中的比例也随之增大,但13:00左右潜热通量减小,LE/R降低,出现了一个低峰,13:00以后,LE/R逐渐增大。这种现象主要是由于太阳辐射较强,气温较高,导致叶面气孔阻力增大,蒸腾速率减小。19:00潜热通量为负值,表明蒸发蒸腾已经停止,水汽通过凝结向地面释放热量。7:00—19:00覆膜、覆秸秆、种植白三叶和对照的潜热通量平均值分别为227.45、214.91、171.85、134.41 W·m-2,分别占净辐射的60.2%、62.4%、65.8%、57.6%。高比例的潜热能消耗主要是充足的水源所致。同时,可以看出,种植白三叶的花椒林,LE/R最大,表明该林地的水分条件较好,消耗在水分蒸发与蒸腾的热量较多。
3) 土壤热通量(Qs) 由于花椒树冠较小,林分未郁闭,且林木蓄热量在辐射平衡中所占比例很小(王正非等,1985),因此本研究中不计林木蓄热量的变化,而仅考虑土壤热通量。研究结果(表 2)表明,各处理的土壤热通量均有明显日变化,且趋势一致,在13:00左右达到最大,日落后变为负值。3种覆盖方式中,覆膜地的土壤热通量及其占总辐射的比例(Qs/R)均最大,秸秆覆盖最小。主要由于薄膜覆盖后,土壤温度增加,向土壤中传递的热量增多,而秸秆覆盖条件下,地面获得的太阳辐射减少,因而土壤温度低,土壤热通量较小。地面覆膜、覆秸秆和种植白三叶条件下,土壤热通量分别占净辐射能的9.4%、7.9%和7.1%。
2.3 不同地面覆盖的水分效应1) 土壤含水量的变化 2004年的测定结果(表 3)表明,不同覆盖条件下,土壤含水量存在差异。差异最大出现在7月,其次是8月。表明不同覆盖条件下,改变了地面上的水分平衡。秸秆覆盖时,阻挡了地面与大气的水分及热量交换,土壤温度低,因而土壤含水量高,蓄水能力强;薄膜覆盖时,尽管有密闭效应,但限制了降水的入渗,因而土壤含水量低。可以看出,3种覆盖条件下的土壤含水量均高于对照,覆膜、种植白三叶和秸秆覆盖分别较对照地高5.6%、8.7%和13.9%。
图 1是花椒林地2004年6月份土壤含水量的垂直分布。研究表明,随土层深度的增加,土壤含水量呈下降趋势,且各处理变化规律相似。花椒属于浅根性树种,主根深20~40 cm,侧根发达,主要分布在10~40 cm土层(邓振义,2004)。由图 1可见,30 cm土层含水量最低,表明此深度为根系密集层。30 cm以下土壤水分开始恢复,种植白三叶林地含水量急剧升高,50 cm处达到132.5 g·kg-1,主要是由于上层根系分布较多,土壤疏松,降水入渗较多。
2) 蒸腾速率的变化 由图 2看出,5月份,不同覆盖条件下花椒蒸腾速率日变化趋势基本相同,均呈单峰型,覆膜地和对照最高值出现在12:00左右,白三叶和秸秆覆盖最高值出现在14:00左右。随着太阳高度角的变化,不同覆盖林地的温度、湿度也发生相应变化(表 3)。同时,各处理的土壤含水量存在差异,从而影响了花椒蒸腾速率的变化,白三叶林地温度较高,同时土壤含水量较高,因而蒸腾较强烈。而秸秆覆盖地虽然土壤含水量高,但温度低,不利于蒸腾。蒸腾速率的日平均值为种植白三叶>覆膜>秸秆覆盖>对照。
研究结果(图 3)表明,无论何种覆盖方式,6—7月份蒸腾速率明显高于其他月份,与该年降雨量的分布一致,也是花椒生长、发育的高峰期(邓振义,2004)。6月份,种植白三叶、覆膜和覆秸秆处理的蒸腾速率分别为对照的1.6、1.4、1.1倍。
地面覆膜、覆秸秆和种植白三叶明显地提高了地面反射率,增加了冠层净辐射,树冠中部接受的反射辐射分别较对照提高48.2%、37.6%和28.7%;树冠中部净辐射分别较对照高53.3%、26.3%、0.8%。虽然提高了冠层的反射辐射能,但远小于苹果园的覆膜效果。据测定,地面覆膜可使苹果(Malus domestica)树冠下层及内膛的反射辐射增加8~13倍(杜川利等,1999),可能与薄膜的种类有关。
白天,在热量平衡中,地面覆膜、覆秸秆、种植白三叶的花椒林的感热通量分别占净辐射的30.4%、29.7%和27.1%,潜热通量分别占净辐射能的60.2%、62.4%、65.8%,土壤热通量分别占净辐射能的9.4%、7.9%、7.1%。因此,达到树冠表面的辐射能主要消耗在林地蒸发和树木蒸腾上。
地面覆盖使土壤含水量发生变化,变化大小决定于覆盖物的种类、气候、植物的种类等。橘园栽植百喜草(Paspalum notatum)1年后,土壤含水量比对照高2.1%(李国怀等,1997);梨园栽植白三叶草后,0~20 cm土层含水量比清耕区提高了16.2%(王卿,1994);而旱地油菜采用薄膜覆盖栽植,生育期土壤含水量提高了0.42%~0.88%(任军荣等,2001)。试验表明,不同地面覆盖形式,花椒林地0~50 cm土层中,覆膜、种植白三叶和覆秸秆的土壤含水量均高于对照,分别较对照提高5.6%、8.7%和13.9%。
土壤含水量的差异,影响了花椒林的蒸腾作用,5月份蒸腾速率日平均值大小为白三叶覆盖>覆膜>秸秆覆盖>对照。生长季中,花椒蒸腾速率最大值在6—7月份。
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