林业科学  2005, Vol. 41 Issue (6): 174-178   PDF    
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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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收稿日期:2005-04-08

作者相关文章

刘淑明
孙长忠
孙丙寅

花椒林地不同地面覆盖的水热效应研究
刘淑明1 , 孙长忠2 , 孙丙寅3     
1. 西北农林科技大学生命科学学院 杨凌 712100;
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
关键词: 花椒林    地面覆盖    辐射能    热量平衡    水分效应    
Water and Heat Effect of Different Ground Coverings in Zanthoxylum bungeanum Plantation
Liu Shuming1, Sun Changzhong2, Sun Bingyin3     
1. College of Life Sciences, Northwest University of Agriculture and Forestry Yangling 712100;
2. Forestry Center of North China, CAF Beijing 100091;
3. Department of Forestry, Yangling Vocational and Technological College, Shaanxi Province Yangling 712100
Abstract: The radiation energy environment, energy balance and water environment have been studied by means of the 3 treatments of covering plastic film, straw and planting Trifolium repens on the ground of Zanthoxylum bungeanum plantation in Feng County, Shaanxi. The results showed that the ground reflectivity and the canopy net radiation increased in the conditions of covering plastic film, straw and planting T. repens on the ground, so that the reflections in the middle part increased 53.3%, 26.3% and 0.8% than that of the contrast. In the heat balance, the hidden heat flux in the conditions of covering plastic film, straw and planting T. repens accounts for 60.2%, 62.4% and 65.8% of the net radiation energy, the reaction heat flux accounts for 30.4%, 29.7% and 27.1%, and the soil heat flux accounts for 9.4%, 7.9% and 7.1%. The soil water content in 0~50 cm were higher 5.6%, 8.7% and 13.9% in covering plastic film, straw and planting T. repens on the ground than in the contrast. The transpiration rate of the leaves of Z. bungeanum were 1.6, 1.4, 1.1 times in planting T. repens, covering plastic film and straw on the ground as that of the contrast in May.
Key words: Zanthoxylum bungeanum plantation    ground covering    radiation energy    energy balance    water effect    

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,1993Schmiedel et al., 2004Mueller 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。

4) 冠层热量平衡(王正非等,1985贺庆棠,1989)

式中:LE为潜热通量,P为感热通量,Qs为土壤热通量。

式中:t0.5t2.0分别为树冠上0.5、2.0 m处的温度,PZP0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+1.35Δtu),式中:u1为1.0 m高处的风速,Δt=t0.5-t2.0, Δu=u2.0-u0.5(u2.0u0.5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=-S1S2计算公式中:Δt0、Δt5、Δt10、Δt15、Δt20分别为地面及土中5、10、15、20 cm深处相邻2次测定的温度差;分别表示20 cm和10 cm深处土壤温度在τ时间间隔的平均值。

2 结果与分析 2.1 地面覆盖对冠层辐射能分布的影响

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%。

表 1 不同覆盖条件下的净辐射与反射辐射 Tab.1 The net radiation and reflection radiation under the different ground coverings

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。

表 2 花椒林地的热量平衡 Tab.2 The energy balance of Z. bungeanum plantation

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%。

表 3 0~50 cm土层含水量 Tab.3 Soil water content in 0~50 cm depth

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。

图 1 土壤含水量的垂直分布 Fig. 1 Vertical distribution of soil water content

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。

图 2 蒸腾速率日变化 Fig. 2 Diurnal change of transpiration rate

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。

图 3 生长季蒸腾速率的变化 Fig. 3 The change of transpiration rate in growth season
3 结论与讨论

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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