李永生

(山西省林業(yè)科學研究院，030012，太原)

太行山石灰?guī)r區(qū)側(cè)柏人工林蒸騰耗水及其與環(huán)境因子的關系

李永生

(山西省林業(yè)科學研究院，030012，太原)

為闡明太行山石灰?guī)r區(qū)干旱瘠薄立地側(cè)柏人工林的蒸騰變異及其與環(huán)境因子的關系，采用自動觀測技術對邊材液流速率、氣象與土壤因子進行高時間分辨率的同步測定，經(jīng)統(tǒng)計分析與模型模擬，表明：1)不同月份，蒸騰速率的晝夜變化均為單峰曲線，晝夜均值為0.025～0.041mm/h，峰值為0.078～0.150mm/h。2)除風速(vw)(P＞0.05)外，相對濕度(Hr)、氣溫(ta)、光合有效輻射(Par)、土壤體積含水量(Wv)均對蒸騰速率晝夜變化有顯著影響(P＜0.05)，可共同解釋其變異的87.7%，相關程度從大到小依次為Par、Hr、ta與Wv;林分日蒸騰量為0.2～1.6mm，平均為0.7mm，除日降雨量(R)與vw外，Par、Hr、ta與Wv均對日蒸騰量有顯著影響(P＜0.05)，可共同解釋其季節(jié)性變異的64.3%，相關程度大小依次為Par、Hr、Wv與ta;觀測期多數(shù)時段，日蒸騰量受Par的影響最為強烈，其次為ta，僅在干濕交替比較劇烈時段，Hr與Wv才明顯發(fā)揮作用;林分月蒸騰量為18.3～28.8mm，平均為21.8mm，變化趨勢為單峰曲線，6月最高，僅與Par月(月均值)有顯著的相關關系(P＜0.05)。3)觀測期林分總蒸騰量為130.5mm，占同期降雨量(306.8mm)的42.5%。

側(cè)柏林;環(huán)境因子;林分蒸騰量;石灰?guī)r區(qū)

蒸騰作為水量平衡組分，占地表水通量的40%～50%［1］，是森林水文循環(huán)和水資源管理的重要信息;作為能量平衡組分，蒸騰消耗60%以上的潛熱通量，影響系統(tǒng)的能量流動［2］;此外，蒸騰與生態(tài)系統(tǒng)的碳收支關系密切，是氣候變化研究的重要內(nèi)容［3］：因此，蒸騰是植物生理學、森林生態(tài)學、森林水文學、氣象學等及一些交叉學科共同關注的主題，也是生態(tài)系統(tǒng)水資源優(yōu)化管理的決策依據(jù)［4-5］。

蒸騰具有明顯的晝夜、季節(jié)、年際及空間變異，如 B.K?stner［6］發(fā)現(xiàn)森林年蒸騰量在 110 ～400mm波動，差異超過3倍［7］。林分蒸騰變異是生物、環(huán)境等多種因子共同作用的結(jié)果，就特定林分而言，環(huán)境因子(如氣溫、相對濕度、土壤含水量等)的影響尤為重要，但各因子的相對重要性尚未形成一致結(jié)論，孫慧珍等［8］和張彥群等［9］對此進行了詳細綜述。

側(cè)柏(Platycladus orientalis(L.)Franco)是華北主要造林樹種，國內(nèi)學者［10-16］在北京及黃土高原對其邊材液流及蒸騰特征開展過一些研究，但受區(qū)域與時間尺度限制，尚不能完整揭示側(cè)柏蒸騰與環(huán)境因子的關系。作為太行山中南部主要造林樹種的側(cè)柏，其面積占石灰?guī)r中山區(qū)人工林30%以上，并主要分布在水土流失嚴重的干旱瘠薄立地，生態(tài)地位重要，而目前對其蒸騰耗水特征缺乏系統(tǒng)研究。為此，筆者采用自動觀測技術對液流速率、氣象與土壤因子進行同步測定，對林分蒸騰耗水的晝夜、季節(jié)性變異規(guī)律，蒸騰耗水與環(huán)境因子的關系展開研究，篩選出不同時間尺度上蒸騰耗水變異的控制因子，判別各因子的相對重要性，為該區(qū)域側(cè)柏林蒸騰耗水模型構建提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域及試驗地概況

試驗區(qū)位于山西省平順縣青羊鎮(zhèn)劉家村(E 113°10'～ 113°45'，N 35°50'～ 36°30')，為典型太行山石灰?guī)r山地。具有明顯的大陸性季風氣候特征;海拔多在 1 000m以上，年平均氣溫7.9～10.3℃，無霜期 151～182 d。年平均降水量450mm，季節(jié)分配不均，主要集中在6—8月。

側(cè)柏林1987年營造，位于陽坡中上部，海拔1 201m，坡度23°，土壤為石灰?guī)r質(zhì)山地褐土，厚度20 cm左右;林分密度2 800株/hm2，郁閉度0.5，平均樹高2.8m;林下灌木稀少，草本蓋度0.3，枯落物層厚度0.5 cm。

2 材料與方法

2.1 測樹因子調(diào)查與邊材面積測算

經(jīng)對研究區(qū)域側(cè)柏林分的調(diào)查，在典型地段設置20m×20m的標準地對樹高、冠幅、距地0.6m處(液流速率測定位置)樹干直徑(D0.6，cm)進行檢尺。依檢尺結(jié)果，在標準地外圍選取20株樣木，用生長錐鉆取木芯確定邊材寬度(0.6m樹高處)，建立邊材面積(As，cm2)與D0.6關系式(式1)，推算不同徑階的邊材總面積。結(jié)果見表1。

2.2 邊材液流速率測定及蒸騰量估算

根據(jù)徑階及邊材寬度分布(表1)，在3.0～4.9、5.0～6.9和7.0～8.9 cm徑階內(nèi)選干形通直、冠形良好的標準木各2株，加上9.0～11.0 cm徑階內(nèi)的2株，共計8株樹木用于液流速率測定。選用的 Granier熱擴散探針(Dynamax Inc.，Houston，TX，USA)［17-18］包括 TDP20 與 TDP30。測定時，將探針插入樹干北側(cè)0.6m處(枝下高在1m左右)，用硅膠密封，用鋁箔包裹。測定結(jié)果用CR10X數(shù)據(jù)采集器(Campbell Scientific Inc.，USA)每10min掃描1次，每1 h存儲1次均值，測定時間為2009年4月1日—9月30日。液流速率用式(2)計算，當探針插入心材時，根據(jù)m.J.Clearwater等［19］的方法校正。

式中：Fs為邊材液流速率，cm/h;dt為某時刻溫差值，℃;dtm為一日內(nèi)最大溫差值，℃。

林分蒸騰速率用式(3)計算，在此基礎上推算日、月蒸騰總量。根據(jù) R.G.Benyon［20］、M.Daley等［21］的判別方法，發(fā)現(xiàn)側(cè)柏夜間液流是樹木補水所致，因此不納入蒸騰量計算。

表1 標準地基本狀況Tab．1 Characteristics of standard plot

式中：T為林分蒸騰速率，mm/h;Fsi為i徑階平均液流速率，cm/h;SAi為i徑階邊材總面積，cm2;Ni為i徑階的株數(shù);A為標準地面積，m2。

2.3 氣象及土壤因子觀測

在距側(cè)柏標準地1 km的空曠處，安裝HOBO氣象站(Onset Computer Corporation，Pocasset，USA)測定空氣溫度(ta，℃)、空氣相對濕度(Hr，%)、光合有效輻射(Par)、降雨量(R，mm)以及風速(vw，m/s);用 EM50(Decagon Devices Inc，Pullman，WA，USA)對0～10 cm的含水量進行測定，共4個重復。氣象、土壤數(shù)據(jù)的掃描與存儲方法與液流的一致。

2.4 數(shù)據(jù)處理

以月為單元，取不同日期相同時刻的林分蒸騰速率均值，展示晝夜變化。林分日、月蒸騰量均為對應時段的蒸騰總量。用SPSS18.0的曲線估計法(curve estimation)擬合邊材面積(As)與直徑(D0.6)間的關系;用逐步回歸法(stepwise)構建蒸騰速率、蒸騰量與環(huán)境因子的多元回歸模型，同步輸出偏相關系數(shù)，判別各因子的相對重要性;用 One-Way ANOVA模塊進行方差分析，Correlation模塊計算Pearson相關系數(shù)。用累積距平法分析日蒸騰量的季節(jié)性變化趨勢。圖形用Origin 8.0與Sigma 11.0軟件繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒸騰速率的晝夜變化及其與環(huán)境因子的關系

觀測期各月，05：00—07：00林分蒸騰啟動后，蒸騰速率隨時間攀升，12：00—13：00達到最高，然后開始下降，17：00—19：00明顯回落，夜間為0，晝夜變化均為單峰曲線，與Par的變化規(guī)律最為接近，但蒸騰啟動時間滯后Par1 h，峰值滯后0～2 h。4—9月，白天蒸騰速率與Hr的變化模式(指曲線形狀)相反，與Wv、ta、vw的一致，夜間蒸騰速率與這些因子的變化均明顯不同(圖 1)。此外，Hr、Wv、ta、vw與蒸騰速率在峰值出現(xiàn)時間上也不盡同步。單月尺度上，Wv晝夜變化很小，幾乎成直線(圖1)，與蒸騰速率的差異較大。因此，不同環(huán)境因子與蒸騰速率晝夜變化的一致性、同步性存在較大差別。

圖1 林分蒸騰速率與環(huán)境因子的晝夜變化Fig．1 Diurnal change of transpiration rate and environmental factors

隨月份推移，各環(huán)境因子晝夜變化曲線的中心位置(均值)、極值與扁平程度(變幅)發(fā)生了變化(圖1)。除Par外，其他環(huán)境因子的晝夜變化在不同月份間均有顯著差異性(P＜0.05)。期間，除蒸騰速率的最小值不變外，其他統(tǒng)計量均出現(xiàn)不同程度的變異，其中以6月的均值、最大值與變幅最高，其他月份比較接近(表2)。觀測期內(nèi)，晝夜蒸騰速率最大值出現(xiàn)在高溫、低濕、高輻射、高風速與高土壤含水量的條件下。

回歸分析表明：除vw外，Hr、Ta、Par、Wv均對蒸騰速率在不同月份的晝夜變化產(chǎn)生顯著影響(P＜0.05)，其相對重要性依次為Par、Hr、ta與Wv，可共同解釋整個觀測期蒸騰速率晝夜變異的87.7%?；貧w模型為

式中：T、Par與ta的單位分別為mm/h、μmol/(m2·s)與℃;Wv與Hr量綱為1，以小數(shù)計量。

表2 晝夜蒸騰速率的季節(jié)性變異Tab．2 Seasonal variation of diurnal transpiration rate μm/h

3.2 日蒸騰量的季節(jié)變化及其與環(huán)境因子的關系

土壤含水量先后經(jīng)歷了3個變化過程。4月1日—5月9日，含水量從9.3%持續(xù)緩降至6.0%;5月10日降雨量高達41.2mm，含水量劇增為35.1%(最大值);5月10日—8月4日，含水量從35.1%波動降到6.1%;8月5日，降水量為12.6mm，含水量升至11.8%后在較高水平上波動緩增，直到9月30日。土壤含水量變異情況見表3。其中，有84天的含水量高于觀測期均值(13%)，為土壤相對濕潤期，其余時段的含水量低于13%，為土壤相對干旱期(圖2)，2個時期的日蒸騰量差異顯著(P＜0.05)。

風速隨時間推移總體呈下降趨勢(擬合結(jié)果)，除4月20日(2.7m/s)與4月24日(2.9m/s)較大外，其他均小于 2.0m/s。其中 1.5m/s＜vw日＜2.0m/s的 7 d，1.0m/s＜vw日≤1.5m/s的 26 天，0.5m/s＜vw日≤1.0m/s的 89 d，0 ＜vw日≤0.5m/s的59 d(圖2)?；厩闆r見表3。4個風速區(qū)間的日蒸騰量無顯著差異(P＞0.05)。

表3 日蒸騰量與環(huán)境因子的季節(jié)性變化Tab．3 Seasonal variation of daily transpiration and environmental factors

4月1日—6月25日，氣溫處于明顯回升階段，于6月25日達到最高(27.9℃)，其間變幅27.6℃，平均15.2℃;6月26日—7月24日在高位徘徊，變幅6.2℃，平均22.6℃;7月25日—9月30日在波動中緩慢回落，變幅10.6℃，平均17.2℃，季節(jié)變化過程為單峰曲線(圖2)。氣溫的基本情況見表3。氣溫與日蒸騰量呈顯著正相關(P＜0.05)。

4月1日—6月20日，Hr在60%上下徘徊，平均58.8%，比觀測期的均值(65.5%)低6.5%;6月21日—7月5日，Hr在60%以下波動，平均濕度41.8%，低于觀測期均值14.5%，這2個時段屬大氣相對干燥期。7月6日—9月30日，濕度明顯增加，平均75.4%，屬大氣相對濕潤期。Hr整體上隨時間呈增加趨勢(擬合結(jié)果)(圖2)。Hr的基本情況見表3，與日蒸騰量存在顯著的負相關關系(P＜0.05)。

4月1日—6月22日，Par日在波動中上升，于6月22日達到最高，為60.2mol/(m2·d)，高位徘徊至7月11日后開始下降，表現(xiàn)為單峰曲線，Par日基本情況見表3，Par日與日蒸騰量存在顯著的正相關關系(P＞0.05)。

觀測期的總降雨量為306.8mm，降雨歷時為55 d，主要集中在 5、8與 9月。其中日降雨量≤5mm 33 d;總量為48.6mm;5mm＜R日≤10mm的10 d，總量為65.2mm;10mm＜R日≤15mm的7 d，總量為 89.2mm;15＜R日≤41.2mm 的4 d，總量為103.8mm，占總降雨量的33.9%(圖2);R日的基本情況見表3，降雨量與日蒸騰無顯著的相關關系(P＞0.05)。

圖2 林分日蒸騰量與環(huán)境因子的季節(jié)性變化Fig．2 Seasonal variation of daily transpiration and environmental factors

從累積距平曲線來看，林分日蒸騰量的季節(jié)性變化有4個轉(zhuǎn)折點，分別為4月23日、7月11日、8月7日與8月15日，將變化過程分為5個時段(圖3)。4月1日—4月23日，日蒸騰量平穩(wěn)而緩慢上升(圖4)，僅與ta日與Par日的波動一致(圖 2)，這 2個因子共同解釋了該時段日蒸騰量變異的86.7%(表4);4月24日—7月11日蒸騰量在波動中增加，ta日與Par日在此期間達到峰值并在高位徘徊(圖2、圖4)，二者共同解釋了蒸騰量變異的50.5%，其他4個環(huán)境因子對日蒸騰量均無顯著影響(表4);7月12日—8月7日蒸騰量明顯下降，期間風速變化不大，Par日處于下降階段，氣溫從高位徘徊轉(zhuǎn)入緩慢下降，空氣濕度由相對干燥向相對濕潤躍變、土壤也由相對干旱向相對濕潤轉(zhuǎn)變，是一個典型的干濕交替期(圖2、圖4)，該時段內(nèi)僅Wv與Hr對日蒸騰量有顯著影響，二者共同解釋了變異的73.0%(表4);8月8日—8月15日蒸騰量又出現(xiàn)了一個短期的明顯回升，此時段日蒸騰量與Hr的相關性最高(圖2、圖4);8月16日—9月30日，蒸騰量處于相對平穩(wěn)的緩慢下降階段，與Par日、ta日的變化趨勢一致(圖2、圖4)，此時段Par日、ta日與R日對日蒸騰量的變異有顯著影響，三者共同解釋了變異的70.8%(表4)。由此看來，多數(shù)時期(占觀測期81%)以Par日的影響最為強烈，其次為溫度，僅在干濕交替比較劇烈的時段，水分(Hr與Wv)才明顯發(fā)揮作用。不論哪個時段，風速均對日蒸騰量無顯著影響，這可能是風速較小的緣故。從整個觀測期來看，Par日、Hr、ta日、與Wv對日蒸騰量均有顯著影響，可共同解釋日蒸騰量季節(jié)性變異的64.3%(表4)，與日蒸騰量的偏相關系數(shù)依次為0.420、-0.342、0.285與0.267，對日蒸騰量影響的相對重要性依次為Par日＞Hr＞W(wǎng)v＞ta日。

圖3 日蒸騰量累積距平值的動態(tài)變化Fig．3 Seasonal change of accumulative anomaly value of daily transpiration

圖4 不同時段日蒸騰量變化趨勢Fig．4 Variation of daily transpiration during different time intervals

表4 日蒸騰量與環(huán)境因子關系Tab．4 Relationship of daily transpiration and environmental factors

3.3 月蒸騰量的變化及其與環(huán)境因子的關系

4—9月，月尺度上的R月(月總量)、Hr月(月均值)、Wv月(月均值)、vw月(月均值)、ta月(月均值)、Par月(月均值)與T月(月總量)的波動很大。6月的林分蒸騰量最高(28.8mm)，其后依次為5月(24.7mm)、7 月(20.4mm)、4 月(19.3mm)、8 月(19.0mm)與9月(18.3mm);最大、最小蒸騰量分別發(fā)生在高溫低濕(6月)與中溫高濕(9月)的環(huán)境下(圖5)。觀測期林分的總蒸騰量為130.5mm，占總降雨量(306.8mm)的42.5%;4—9月，各月蒸騰量占降水的比例依次為 6.3%、8.1%、9.4%、6.6%、6.2%與6.0%。

圖5 月蒸騰量與環(huán)境因子的季節(jié)變異Fig．5 Variation of accumulativemonthly transpiration and environment factors

從變化模式看，月蒸騰量從4月起攀升，5月沒有受到R月、Wv月與Hr月下降的影響，與Par月和ta月一同持續(xù)增加，6月達到最高;6—9月，月蒸騰量沒有受ta月、R與Wv月波動的影響，與Par月、vw月一同持續(xù)回落，9 月跌至最小(圖 5)。R月、Hr月與Wv月的變化趨勢并不一致，可能是Wv月與Hr月除受降雨量影響外，可能還受降雨強度、降雨持續(xù)時間等的影響。

相關分析顯示T月僅與Par月有顯著的相關關系(R=0.926，P＜0.05)，與其他因子相關性由大到小依次為Hr月(R=-0.751)、vw月(R=0.430)、ta月(R=0.387)、R月(R=-0.038 8)與Wv月(R=0.038 7)。

4 結(jié)論與討論

1)晝夜尺度上，蒸騰速率的變化趨勢均為單峰曲線，不同月份的晝夜均值為0.025～0.041mm/h，峰值為 0.078 ～0.150mm/h，除vw外，Hr、ta、Par、Wv均對蒸騰速率的晝夜變化有顯著影響，可共同解釋變異的87.7%，相對重要性從大到小依次為Par、Hr、ta與Wv。

2)觀測期內(nèi)，林分日蒸騰量為0.2～1.6mm，平均為 0.7mm，Par日、Hr、ta日與Wv均對日蒸騰量有顯著影響，可共同解釋其季節(jié)性變異的64.3%，環(huán)境因子的相對重要性依次為Par日、Hr、Wv與ta日;多數(shù)時段日蒸騰量受Par日的影響最為強烈，其次為溫度，僅在干濕交替比較劇烈的時段，Hr與Wv才明顯發(fā)揮作用。張彥群等［9］認為，溫帶針葉林在生長季的日蒸騰量均值為1.51mm，最大值平均為2.68mm。F.M.Kelliher等［22］由林分的冠層導度最大值推測，任何一種林型在光照充足、水分不受限條件下的最大日蒸騰量約為4.5mm［23］，本研究測算的日蒸騰量在此范圍內(nèi)。

3)林分月蒸騰總量的變幅為18.3～28.8mm，變化趨勢為單峰曲線，6月最高，月蒸騰總量僅與Par月有顯著的相關關系。觀測期林分的總蒸騰量為130.5mm，占總降雨量(306.8mm)的42.5%。

總體來看，環(huán)境因子對蒸騰變異的解釋能力為50.5%～80.7%，尚有部分變異不能得到解釋，因此，從生物因子、生理角度開展蒸騰控制機制研究十分必要。

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Transpiration ofPlatycladus orientalisplantation and its relationship with environmental factors in limestone area，Taihangmountains

Li Yongsheng
(Shanxi Academy of Forestry Sciences，030012，Taiyuan，China)

In order to ascertain the transpiration variation of oriental arborvitae(Platycladus orientalis(L.)Franco)plantation and its relationship with environmental factors in limestone area of Taihangmountains，flow-based transpiration wasmeasured simultaneously with environmental variables，including soil volumetric water content(Wv)，photosynthetically active radiation(Par)，relative humidity(Hr)，air temperature(ta)，wind speed(vw)and rainfall(R).Transpiration rate showed unimodal diurnal variations with diurnalmean value 0.025-0.041mm/h andmaximum value 0.078-0.150mm/h over the experiment period.Diurnal transpiration rate was significantly affected byHr，ta，ParandWv(P＜0.05)，which could give 87.7%variation together.The descending order of correlation degree wasPar，Hr，taandWv.Accumulative andmean daily transpiration of standmean was 0.2-1.6mm and 0.7mm respectively.They were significantly affected byHr，ta，ParandWv，which could give 64.3%seasonal variation together.The descending order of correlation degree wasPar，Hr，Wvandtaover the experiment period.Parhad themost significant effects on daily transpiration，followed bytainmost of period intervals.HrandWvhad significant effects on daily transpiration only during the wetting and drying alternation intervals.Accumulative andmeanmonthly transpiration were 18.3-28.8mm and 21.8mm respectively.The seasonal variation of accumulativemonthly transpiration occurred unimodal pattern with peak value observed in June.Accumulativemonthly transpiration only greatly correlated withPar(P＜0.05).The seasonal(1 April to 30 September)total transpiration amounts to 130.5mm，representing 42.5%of rainfall over the period.

Platycladus orientalisplantation;environmental factors;stand level transpiration;lime stone area

2011-03-28

2011-07-07

“十一五”國家科技支撐計劃“石灰?guī)r中山區(qū)雨水資源高效利用與固土蓄水技術試驗示范”(2006BAD03A1103)

李永生(1965—)，男，高級工程師。主要研究方向：森林培育與林業(yè)生態(tài)工程。E-mail：lys0427@163.com

(責任編輯：程 云)