2013, Vol. 49
文章信息
- 常建国, 王庆云, 武秀娟, 崔璐, 刘世荣
- Chang Jianguo, Wang Qingyun, Wu Xiujuan, Cui Lu, Liu Shirong
- 山西太行山不同林龄油松林的水量平衡
- Water Balance of Different Age Pinus tabulaeformis Forests in Taihang Mountain,Shanxi
- 林业科学, 2013, 49(7): 1-9
- Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(7): 1-9.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130701
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文章历史
- 收稿日期：2013-04-08
- 修回日期：2013-05-30
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作者相关文章
2. 山西省林业科学研究院 太原 030012;
3. 山西省林业调查规划院 太原 030012;
4. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091
2. Shanxi Academy of Forestry Taiyuan 030012;
3. Shanxi Academy of Forestry Inventory and Planning Taiyuan 030012;
4. Research Institute of Forestry Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091
全球森林年蒸散量(503±338 mm)为降雨量(750 mm)的67.07%(Baldocchi et al.，2011)。森林变化对蒸散(包括蒸腾、蒸发和截留)的影响目前尚存分歧。一些研究采用空间代替时间的方法，在相近气候条件下同步观测，发现林龄变化(Gholz et al.，2002;Irvine et al.，2004)和演替(Iida et al.，2006;Stoy et al.，2006)对生态系统年/生长季蒸散量影响很小。但也有研究发现，在相近环境下，7年生花旗松(Pseudotsuga menziesii)林年蒸散量为19年生的52.2%(Jassal et al.，2009)。可见，森林变化对蒸散量的影响相当复杂，尚需在不同气候区、多种林型中继续深入研究，加强蒸散组分变化分析是揭示森林变化对蒸散量影响机制的关键(Naranjo et al.，2011)。
阐明林龄变化对生态系统出流量(包括地表径流和土壤出流)的影响是揭示森林流域径流变异机制的重点(Oishi et al.，2010)，也是准确预测流域产流量长期变化趋势及绝对变化量的关键(Marc et al.，2007)。
油松(Pinus tabulaeformis)是我国华北地区的主要造林树种，国内学者对其中幼林蒸散和水量平衡进行过大量报道(余新晓等，1996;魏天兴等，1998;高人，2002)，但因研究区域及研究期间的环境条件不同，结论间难以比对，不能有效分离林龄变化对水量平衡及其组分的影响。此外，现有研究多集中在黄土高原和中幼林阶段，其他区域及更大林龄尺度的研究还很缺乏。太行山是京津及华北平原的生态屏障，生态地位十分重要，油松林占该区域人工林总面积的50%以上。本研究同步观测太行山油松中龄林及成熟林的水量平衡组分，揭示二者水量平衡组分的季节性变异规律、控制因子及林龄变化对系统水量平衡的影响，为油松人工林水循环的动态模拟提供科学依据。
1 研究区概况研究区位于山西省平顺县(113°15'—113°38' E，35°57'—36°27' N)，为太行山石灰岩中山区，属暖温带季风气候，多年(1971—2008)平均气温9.3 ℃，平均风速2.1 m·s-1，平均降水量530 mm。主要土壤类型为石灰岩质山地褐土，地下水埋深300 m以上。
所研究的油松中龄林(22年生)和成熟林(58年生)地处太行山森林生态站，位于阴坡，海拔1 300 m，2块林地相距800 m，林分密度分别为1 650和450株·hm-2，郁闭度分别为0.85和0.65。前者主要林下灌木为胡枝子(Lespedeza bicolor)和黄刺玫(Rosa xanthina)，后者主要为虎榛子(Ostryopsis davidiana)与黄刺玫;林下草本均为矮苔草(Carex humilis)与披针苔草(Carex lanceolata)，土厚30～40 cm。
2 研究方法 2.1 样地设置及调查2010年8月，在2林分内分别设2块40 m×40 m样地，调查乔木层生长状况;在各样地内分别设10个2 m×2 m样方调查灌草生长状况，并随机选择50个样点，测定灌草盖度、枯落物盖度及厚度;在各样地内分别设30个0.25 m×0.25 m样方，收集其中20个样方的凋落物，测算其现存量，其余10个样方的凋落物收集后泡水36 h，测定其饱和持水量。所有样方均为随机设置。
2.2 环境因子测定2010年5—10月，用HOBO自动气象站(OnsetComputer Corporation，Bourne，MA，USA)测定林外降雨量、气温、空气相对湿度、风速和光合有效辐射，用CR10X数据采集器10 min采集1次数据。水汽压亏缺用Campbell等(1998)提供的公式计算。
在每个样地典型地段，用EM 50自动测定仪(Decagon Devices Inc，Pullman，WA，USA)每隔10 cm测定所有土层温度和土壤含水量。用CR10X数据采集器10 min采集1次数据，取各土层均值用于数据分析。田间持水量用小区灌水法测定。
2.3 树干茎流在每块样地周围另设1个15 m×15 m样方，于2010年5—10月测定其中所有树木的树干茎流。单位面积林地树干茎流(Fs，mm)用下式计算:
Fs=n×Fs(a)/225。
式中: Fs(a)为平均单株树干流(L);n为株数。 2.4 穿透水及截留量 2.4.1 乔木层穿透水测定及截留量和截留参数估算2010年5—10月，在每块样地内，将口径25 cm的30个漏斗随机固定在1 m高处接收穿透水(Ftr)，依漏斗面积换算为水深(mm)。乔木层截留量(Itr，mm)用下式计算:
Itr=P-Fs-Ftr。
式中: P为降雨量(mm)。用“平均法”估算乔木层饱和持水量、平均蒸发速率和平均雨强比值及自由透流系数3个截留参数(Pypker et al.，2005)。
2.4.2 灌草层穿透水及截留量2010年5—10月，在灌草高度以下随机布设与乔木层规格、数量相同的漏斗(口部距地表 20 cm)接收穿透水(Fsg，mm)，用下式计算灌草层截留量(Isg，mm);
Isg=Ftr-Fsg。
2.4.3 枯落物截留量2010年5—10月，在每块样地内随机布设15组(每个测点1组，每组2个)规格为30 cm(长)×30 cm(宽)×20 cm(高)、底部有排水孔的塑料容器。容器用纱网分割成上、下2层。每个测点的一个容器上层放置原状枯落物，下层接收雨水，另一个为对照。用下式计算枯落物截留量(IL，mm):
IL = Fc-FL。
式中: FL和Fc分别为枯落物容器和对照容器接收的雨水(mm)。 2.5 灌草群落蒸散量和土壤出流量2010年5—10月，采用杨帆等(2008)的方法，在每块样地具平均特征的地段建1个1.0 m(长)×1.0 m(宽)×0.6 m(深)蒸渗池，池上边沿高出土表10 cm，池底铺设10 cm厚卵石，将灌草群落切块移入池内。通过池底排水孔及地表排水槽分别收集土壤出流(包括壤中流和渗漏)和地表径流;用EM 50测定池内土壤含水量，据此估算其蓄变量;用林分净降雨估算池内土表接受的雨水;用水量平衡法推算不同时段(5～7天)的灌草群落蒸散量(包括灌草蒸腾和土壤蒸发)，若遇降雨则延长时段(Naranjo et al.，2011)，取其日均值用于数据分析。
2.6 林分地表径流2010年5—10月，用20 m×20 m的径流场测定林分地表径流。
2.7 林分截留量及出流量林分截留流量(Is)为乔木层、灌草层和枯落物层截留量之和，林分出流量为地表径流和土壤出流之和。
2.8 乔木层蒸腾在每块样地周围选取30株林木，用生长锥在1.3 m高处钻取木芯测算边材宽度和面积，建立边材面积(As，cm2)与胸径(DBH，cm)关系式(成熟林为As=0.527×DBH1.935 8，R2=0.994 6;中林龄为As=0.693 5×DBH1.995 1，R2=0.998 9)推算样地边材总面积，用于蒸腾测算。
成熟林、中龄林分别按4和2 cm划分径阶，在每个径阶选择2株标准木，依As与DBH关系估算其边材宽度。在此基础上，于2010年5—10月选用长度为30和50 mm的Grainer热扩散液流探针(Dynamax，USA)插入树干北侧1.3 m高处测定液流速率(Grainer，1987)，用CR10X数据采集器10 min记录1次均值。试验结束后，实测标准木边材宽度，若小于探针长度，用Clearwater等(1999)的方法校正。林分蒸腾量用Grainer(1987)的方法推算。
3 结果与分析 3.1 林分特征中龄林密度和郁闭度分别是成熟林的3.67和1.31倍，但其平均胸径、平均树高、平均冠幅及平均活枝下高均显著低于后者(P＜0.05);除灌木基径和草本高度无显著差异外，成熟林的灌木高度、灌草层盖度和地上生物量均显著高于中龄林(P＜0.05);2林分枯落物盖度、厚度、现存量和饱和持水量均无显著差异(P＞0.05)(表 1)。
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生长季52场降雨平均雨强为3.95 mm·h-1，总量445.4 mm。中、小降雨量占降雨总量的85.2%。83.74%的降雨量分布在6月末至9月上旬。相对湿度、气温、光合有效辐射、风速和水汽压亏缺均值分别为75.18%，16.81 ℃，31.07 mol·m-2 d-1，0.64m·s-1和0.50 kPa，变异系数分别为23.76%，30.45%，40.70%，75.83%和82.75%(图 1)。
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图 1 气候因子的季节性变化
Fig. 1 Seasonal change of climate factors
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2010年生长季降雨量和气温分别为多年生长季均值的91.8%和96.6%，其季节性变化代表了该区域典型的气候特点，即5—6月干旱少雨，7—9月高温高湿，10月明显降温。
成熟林、中龄林土壤温湿度季节性变化模式相近(图 2)，含水量均值分别为0.20和0.14 m3·m-3，前者显著高于后者(P＜0.05)，但后者的变异系数(31.54%)为前者(18.57%)的1.70倍;土壤温度均值分别为13.96和13.65 ℃，无显著差异(P＞0.05)，变异系数相近，分别为23.23%和23.91%。
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图 2 土壤温湿度的季节性变化
Fig. 2 Seasonal change of soil water content and soil temperature
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降雨量≥4.4 mm时，2林分产生树干茎流;成熟林、中龄林茎流总量分别为5.03和9.00 mm，茎流率分别为1.13%和2.02%，后者是前者的1.79倍。树干茎流量及茎流率均和降雨量呈显著线性函数关系，后者可解释2林分茎流量变异的91.77%～93.34%、茎流率变异的83.28%～84.77%。
3.4 截留量和截留率成熟林乔木层、枯落物层总截留量分别比中林龄下降11.82%和6.79%，而其灌草层总截留量是中龄林的1.49倍(表 2)。在组分变化作用下，2林分总截留量仅差0.42 mm。各截留层及林分水平截留量均和降雨量呈显著对数函数关系，后者可解释2林分前者变异的72.52%～85.34%(表 3)。
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随降雨增加，2林分乔木层截留率(Itr/P)、林分水平截留率(IS/P)均呈幂函数下降(表 3，图 3)，而枯落物截留率(IL/P)以4.0 mm降雨量为界，先线性增加，后幂函数下降(表 3，图 3);2林分灌草层截留率(Isg/P)变化模式不尽相同(表 3，图 3)，成熟林和乔木层相近，中龄林和枯落物层相近。
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图 3 截留率随降雨量的变化
Fig. 3 Changes in interception proportion with increasing precipitation
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2林分中，乔木层总截留率均最大，其次为枯落物层，灌草层均最小;成熟林灌草和枯落物截留率总和为20.19%，超过了乔木层，而中龄林中二者基本持平;2林分总截留率仅差0.09%(表 2)。
3.5 乔木层蒸腾量的季节性变化2林分乔木层日蒸腾量的季节性变化大致相同，在干旱少雨的5，6月呈下降趋势，在雨热充沛的7，8月増至较高水平，随后逐渐下降(图 4)。成熟林、中龄林最大日蒸腾量分别为3.05和3.52 mm(2010-07-21);日均值分别为0.97和1.12 mm，前者显著低于后者(P＜0.05);总量分别为178.16和205.33 mm，分别占降雨量的40.00%和46.10%。
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图 4 乔木层蒸腾量的季节性变化
Fig. 4 Seasonal change of arbor canopy transpiration
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光合有效辐射和土壤含水量共同解释了2林分生长季蒸腾量变异的56.0%～67.4%;8个环境变量中，除土壤温度和风速对蒸腾量无影响外，其他变量单独或相互组合，解释了2林分不同月份日蒸腾量变异的53.9%～89.3%(表 4)。在SWC最低且差异很小(0.03 m3·m-3)的6月29日，中龄林蒸腾量(0.10 mm)不及成熟林(0.24 mm)的一半(图 4)，干旱对前者影响更大。
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成熟林、中龄林灌草群落蒸散的季节性变化和乔木层蒸腾大致相同(图 4，5)，平均分别为0.42和0.20 mm·d-1，前者显著高于后者(P＜05);变异系数分别为43.82%和55.85%;总量分别为76.75和37.55 mm，分别占降雨量的17.23%和8.43%。8个环境变量共同解释了成熟林灌草群落蒸散变异的78.8%和中龄林的59.4%。
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图 5 灌草群落蒸散量的季节性变化
Fig. 5 Seasonal change of evapotranspiration of shrub and herb community
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成熟林、中龄林日平均蒸散量分别为2.27和2.21 mm;系统总蒸散(包括截留、蒸腾和灌草群落蒸散)量分别为418.49和406.87 mm，分别占降雨量的93.96%和91.35%，二者仅差11.62 mm。成熟林总蒸散量中，乔木层蒸腾量、林分截留量和灌草群落蒸散量的贡献率分别为42.57%，39.09%和18.34%，中龄林中分别为50.47%，40.31%和9.23%。灌草群落蒸散量贡献率随林龄的变化最大，其次为乔木层蒸腾量，林分截留量变化最小。
3.8 地表径流、土壤出流及林分出流量从表 5可知，成熟林、中龄林地表径流总量分别为降雨量的0.94%和1.02%，前者总量的63.10%、后者总量的83.77%均发生在含水量低于田间持水量的条件下(二者田间持水量分别为0.26和0.23 m3·m-3);二者单次径流量均和10 min最大雨强显著正相关(P＜0.03)，相关系数分别为0.978和0.997。2林分地表径流以超渗产流为主。
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成熟林、中龄林土壤出流总量分别占降雨量的8.28%和4.41%，前者是后者的1.88倍，主要发生在含水量超过田间持水量的条件下(表 5)。2林分土壤单次出流量均与降雨量及雨前土壤储水量之和正相关，而均与平均雨强及10 min最大雨强负相关。
成熟林、中龄林的总出流量分别为41.08和24.2 mm，分别占降雨量的9.22%和5.43%，前者为后者的1.70倍。
3.9 水量平衡特征观测期，成熟林、中龄林水分总支出分别为降雨量的103.18%(459.57 mm)和96.78%(431.07mm)，仅差28.50 mm。成熟林土壤水分略有下降，中龄林小幅增加(表 6，7)。乔木层蒸腾量、乔木层截留量、凋落物截留量和地表径流量对成熟林总支出的贡献率分别比中龄林下降了8.86%，3.34%，1.56%和0.15%，而灌草群落蒸散量、灌草层截留量和土壤出流量的贡献率分别比中龄林增加了7.99%，2.46%和3.46%，后者弥补了前者下降对总支出的影响。将组分整合为蒸散量和林分出流量，则蒸散量和林分出流量对中龄林总支出的贡献率分别为94.39%和5.61%，对成熟林分别为91.06%和8.94%(表 6，7)。线性回归表明，月降雨量可分别解释成熟林、中龄林月支出量变异的92.40%和83.61%(P＜0.05)。
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与讨论树干茎流产生的最小林外降水量一般为2.0～10.0 mm，茎流率通常在5.0%以下(鲍文等，2004)，本研究2油松林对应参数在此范围内。油松中龄林的茎流高于成熟林，主要是冠层结构和林分密度差异所致。
我国森林乔木层截留率为11.40%～34.34%(刘世荣等，1996)，2油松林为16.54% ～18.75%，属中等水平。降雨特征相近，林分冠层截留差异取决于冠层饱和持水量(S，mm)、自由透流系数(ptr)、平均蒸发速率及平均雨强比值(Ē/$ \bar R $)(Pypker et al.，2005;Muzylo et al.，2009)。成熟林的S，ptr和Ē/$ \bar R $分别为1.63 mm、0.40和0.04，中龄林分别为1.83 mm、0.20和0.04。后者显著较小的ptr及略大的S是其乔木层截留较高的主要原因。
成熟林灌草截留量显著高于中龄林，主要因其乔木层穿透水及灌草盖度较大。未考虑灌木茎流可能高估其截留量，不过West等(2006)认为灌木基径小于2.0 cm，茎流可忽略。
枯落物截留率通常为2.0%(Helvey et al.，1965)～18%(Miller et al.，1990)。2油松林的差异不大，均与赵鸿雁等(2003)5年的观测均值(12.4%)相近，这是穿透水和枯落物特征及林内小气候共同作用的结果。枯落物截留机制和植被不尽相同，形状完整的与叶片相似，分解严重的有吸水效应，截留模拟应区别对待(Guevara-Escobar et al.，2007)，本研究发现，降雨量对形状较为完整的枯落物的截留变异有较高的解释能力。
油松成熟林乔木层蒸腾量显著低于中龄林。大量研究均发现蒸腾量随林龄增加而明显下降，如32年生海岸松(Pinus pinaster)林比4年生的下降了29.9%～51.4%(Delzon et al.，2005)，450年生花旗松林比40年生的下降了76.6%(Moore et al.，2004)。有的认为是林分水分传导力和边材面积变化所致(Moore et al.，2004);或认为是叶面积指数和单位叶面积蒸腾速率下降所致(Delzon et al.，2005);或认为与林分细根生物量关系密切(Ewers et al.，2005)。系统揭示上述参数随林龄的变化规律及对蒸腾量影响的相对重要性仍是相关机制研究的重点。环境变量解释了2林分蒸腾变异的53.9%～89.3%，其余变异的控制因子及其作用规律尚需深入探索。
成熟林灌草群落蒸散量显著高于中龄林，普遍认为这是乔木层结构及相应的林下环境和灌草群落变化造成的(Delzon et al.，2005;Simonin et al.，2007)。随林龄增大，乔木层叶面积减小，林下净辐射及气温增加(Delzon et al.，2005)，再加上成熟林显著较高的土壤含水量及灌草生物量，均为蒸散量提供了有利条件。本研究22和58年生油松林生长季蒸散量相当接近。
与其他研究结果(魏天兴等，1998;Irvine et al.，2004;Delzon et al.，2005)一样，本研究发现林龄变化主要改变了组分贡献率及相对重要性而不是蒸散总量，但这是否具普遍性尚需扩大立地和林龄加以证实。
本研究2油松林地表径流均以超渗产流为主，径流系数很小且十分接近。二者土壤总出流量占降雨量比率远低于曹建生等(2007)在相近立地类型区的观测结果(38.55%)，主要是观测期降雨量及土壤水分差异造成的。成熟林总出流高于中龄林，这种变化趋势关系着森林流域河道生态系统健康和地下水补给的长期变化特征(Oishi et al.，2010)。
整个生长季，中林龄的土壤含水量增加，而成熟林减少，从支出组分可以看出，主要是因后者较大的林下灌草群落蒸散量及土壤出流量所致，加强成熟林灌草耗水干预(如割灌等)对维持其水量平衡十分必要。生长季初期(5—6月)，干旱对中林龄水分支出影响更大，主要表现为对其蒸腾的明显抑制，这是因为年龄较小树木的气孔导度对干旱胁迫更为敏感(Delzon et al.，2005)，不过，干旱的抑制效应在湿润期得到了弥补。
2林分水量平衡中，最突出的变化不是收、支总量，而是组分贡献率，这是系统综合特征变异所致的(Barbier et al.，2009)。每个组分均有特定的生态功能(Barbier et al.，2009)，上述变化可能对系统功能影响更大。
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