尤龍輝

（福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州350012）

樹(shù)木以及林分的蒸騰耗水計(jì)量是解決森林水資源配置管理問(wèn)題的一個(gè)有效途徑，在森林水文學(xué)、樹(shù)木生理學(xué)、森林培育學(xué)等多領(lǐng)域?qū)W科有重要研究?jī)r(jià)值，如短輪伐期人工用材林中的水分需求量化研究；區(qū)分邊界層導(dǎo)度和氣孔協(xié)同控制冠層蒸騰的作用；建立環(huán)孔、散孔、無(wú)孔徑向干流模型；解決森林水文學(xué)中森林水資源管理問(wèn)題等均有其突出優(yōu)勢(shì)。研究樹(shù)木樹(shù)干液流目前有許多方法，如熱脈沖、熱平衡、熱擴(kuò)散等技術(shù)，其中熱擴(kuò)散探針?lè)ǎ╰hermal dissipation probe，TDP法）較為常用，因?yàn)樵摷夹g(shù)可長(zhǎng)期連續(xù)針對(duì)樹(shù)木邊材液流進(jìn)行測(cè)定，精度良好且攜帶方便，配合便攜式氣象站儀可深入探討林分蒸騰耗水與環(huán)境因子之間的內(nèi)在關(guān)系［1，2］。

研究表明，在特定情況下，應(yīng)用樹(shù)干液流技術(shù)測(cè)算單木的液流速率和蒸騰耗水量會(huì)存在兩種潛在誤差，一種是樹(shù)干徑向深度液流速率的差異性，另外一種是樹(shù)干不同方位液流速率的差異性，且這兩種誤差可能交互作用影響，進(jìn)而對(duì)單株樹(shù)木的蒸騰耗水量的測(cè)算產(chǎn)生顯著性影響，推繹尺度到林分水平后，誤差的累加就會(huì)對(duì)整個(gè)林分水分管理決策產(chǎn)生誤導(dǎo)性影響［3－6］。

我國(guó)東南沿海自然災(zāi)害頻繁，風(fēng)沙侵害、臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等嚴(yán)重影響人們正常的生產(chǎn)生活，木麻黃自20世紀(jì)60年代大量引種至我國(guó)，對(duì)沿海海岸帶生態(tài)環(huán)境的改善功不可沒(méi)，也是現(xiàn)今東南沿海沙質(zhì)海岸基干林帶的主要樹(shù)種之一。目前，已有研究者對(duì)該樹(shù)種的液流特征及其與環(huán)境因子的相互關(guān)系進(jìn)行初步研究，但是對(duì)于樹(shù)干不同方位的液流差異并無(wú)相關(guān)分析報(bào)道，掌握木麻黃的樹(shù)干液流特征對(duì)于探索該樹(shù)種的水生理生態(tài)機(jī)理，林分生態(tài)水文特性，建立海岸帶人工林的區(qū)域水文模型等具有重要意義。本試驗(yàn)針對(duì)福建沿海的地理特征，分析木麻黃南北側(cè)液流速率的差異性及其與環(huán)境因子相關(guān)性，為精確計(jì)算木麻黃的蒸騰耗水和林分的水分管理提供參考，并為完善TDP徑流計(jì)的合理運(yùn)用提供理論依據(jù)。

1 研究地概況和試驗(yàn)方法

1.1 研究地概況

本試驗(yàn)地位于福建惠安縣赤湖國(guó)有林場(chǎng)木麻黃片林，地理位置24°91′N，118°90′E，海拔15.6m，為南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。年均氣溫19.8℃，無(wú)霜期約310d，年均降水量1 049mm，累積年日照時(shí)數(shù)2 120h，干濕季節(jié)分明，夏季多臺(tái)風(fēng)暴雨天，年均風(fēng)速6.8m·s－1，場(chǎng)區(qū)基本為均一性風(fēng)沙土，土壤厚度約60cm，呈弱酸性。本試驗(yàn)地木麻黃林齡約20年，株行距2.5m×2.5m，林下無(wú)其他植被，枯落物厚度約7cm，為保證試驗(yàn)期間無(wú)其他人為干擾影響，在該試驗(yàn)地布設(shè)25.82m×25.82m的標(biāo)準(zhǔn)樣地并打水泥樁用防護(hù)鐵絲圍住。

1.2 樹(shù)干液流速率監(jiān)測(cè)

本試驗(yàn)熱擴(kuò)散探針長(zhǎng)度為3cm，參考探針與加熱探針安裝間距為10cm，加熱探針的供熱功率為0.15W，探針主要根據(jù)Granier原理針對(duì)成熟木麻黃林木外側(cè)邊材的液流速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了排除個(gè)別林木自身因素的影響，樣地中選擇生長(zhǎng)良好、無(wú)病蟲(chóng)害、樹(shù)干通直的木麻黃優(yōu)勢(shì)木，在樹(shù)干1.3m處南北兩側(cè)各安裝一組探針，并用發(fā)泡和防輻射鋁鉑包裹探針，避免因太陽(yáng)輻射引起的測(cè)量誤差。數(shù)據(jù)采集器（CR1000Campbell）2min測(cè)定一次數(shù)據(jù)并記錄每10min的平均值。

1.3 整株液流通量及耗水量測(cè)算

目前沒(méi)有對(duì)木麻黃徑向液流速率差異的相關(guān)研究報(bào)道，本試驗(yàn)僅先探討樹(shù)干南北方位液流速率差異。液流通量計(jì)算公式：F＝Fd·（D－Lsw）·π·Lsw式中：F—液流通量（L/h）；D—1.3m 處去皮胸徑；Lsw—1.3m處邊材厚度，在試驗(yàn)完成后用生長(zhǎng)錐在樹(shù)干南北兩側(cè)1.3m處取樣，測(cè)得邊材厚度分別為3.6、4.1cm。測(cè)定期間內(nèi)整株蒸騰耗水量計(jì)算公式：Q＝Ft·t式中：Q—t時(shí)間內(nèi)的整株蒸騰耗水量（L）；Ft—t時(shí)間內(nèi)的平均液流通量（L·h－1）；t—測(cè)定時(shí)間（s）。

1.4 環(huán)境因子監(jiān)測(cè)

在標(biāo)準(zhǔn)樣地中心位置架設(shè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站（Weatherpak～2000，made in USA），對(duì)林內(nèi)空氣相對(duì)濕度（RH）、空氣溫度（T）、太陽(yáng)輻射（Rs）等主要?dú)庀笠蜃舆M(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)定位觀測(cè)，儀器設(shè)定每2 min自動(dòng)測(cè)定一次數(shù)據(jù)，每10min對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。研究表明，空氣水汽壓虧缺是樹(shù)木水分蒸騰的主要影響因子之一，為此，另外引入空氣水汽壓虧缺指標(biāo)，計(jì)算公式：

VPD＝0.611e［17.502T/（T＋240.97）］（1－RH）

式中：T—空氣溫度（℃）；RH—空氣相對(duì)濕度；VPD—空氣水汽壓虧缺（kPa）。

2 結(jié)果與分析

2.1 南北側(cè)樹(shù)干液流速率的關(guān)系分析

到目前為止，許多研究者為了避免由于太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的背景熱梯度對(duì)溫度測(cè)定的誤差影響，一般只將探針安裝于樹(shù)干北側(cè)方位。本試驗(yàn)對(duì)樹(shù)干南北側(cè)的液流速率進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示，南北側(cè)液流速率呈現(xiàn)簡(jiǎn)單線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.889 8，并達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），圖1顯示，北側(cè)液流速率稍大于南側(cè)液流速率。

圖1 木麻黃南北方位樹(shù)干液流速率的相關(guān)關(guān)系

2.2 南北側(cè)蒸騰耗水量對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

在木麻黃生長(zhǎng)季（5—10月）期間連續(xù)測(cè)定其南北側(cè)每日蒸騰耗水量、日總太陽(yáng)輻射和晝間平均水汽壓虧缺，分析蒸騰耗水量對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)，結(jié)果表明，木麻黃生長(zhǎng)季內(nèi)南北側(cè)的蒸騰耗水量與各環(huán)境因子的變化趨勢(shì)基本一致，在日總太陽(yáng)輻射和晝間平均水汽壓差較低的5—7月，其對(duì)應(yīng)日的日總耗水量較低，8—9月則較高，10月數(shù)值又有所下降；在陰雨天氣的情況下，日總太陽(yáng)輻射、晝間平均水汽壓差和日總耗水量均較低，在晴天天氣情況下則相反。

圖2 生長(zhǎng)季木麻黃南北方位每日蒸騰耗水量與日總太陽(yáng)輻射和晝間平均空氣水汽壓虧缺

為了探討木麻黃蒸騰耗水與主要?dú)庀蟓h(huán)境因子的相互關(guān)系，分別用線性和指數(shù)飽和曲線方程對(duì)其進(jìn)行擬合，通過(guò)可決系數(shù)選擇更符合實(shí)際情況的擬合方程。結(jié)果表明，用指數(shù)飽和曲線方程擬合的可決系數(shù)基本高于線性方程，且全部大于0.500，其中有6個(gè)方程大于0.700，占全部方程的50%。各擬合方程可決系數(shù)表明，木麻黃蒸騰耗水除了受太陽(yáng)輻射和水汽壓虧缺因素的影響外，還受其他環(huán)境因子的影響。從各月份單株累積蒸騰耗水量占整個(gè)生長(zhǎng)季耗水總量的百分比可以看出，6—9月較高，分別為18.3%、18.9%、20.6%和17.5%；5月和10月則較低，分別為13.6%和12.1%。見(jiàn)圖2、表1。

2.3 南北側(cè)蒸騰耗水差異分析

以南北方位組合測(cè)算的單株蒸騰耗水量為基準(zhǔn)，對(duì)單個(gè)方位的測(cè)算誤差進(jìn)行分析。結(jié)果表明，采用北側(cè)單組探針測(cè)算的蒸騰耗水量的相對(duì)誤差絕對(duì)值大于南側(cè)，南北側(cè)測(cè)算誤差絕對(duì)值均值為18.19%，對(duì)南北側(cè)探針組合測(cè)算的單株日均蒸騰耗水量與南、北側(cè)單組探針用DUNCAN新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，它們之間的差異性達(dá)到顯著水平（P＜0.01）。測(cè)算樣木整個(gè)生長(zhǎng)季的總蒸騰耗水量為3.870t。見(jiàn)表3。

表1 日太陽(yáng)總輻射和日均白天空氣水汽壓虧缺與單株木麻黃日蒸騰耗水量的關(guān)系

表2 木麻黃各月總蒸騰耗水量及其所占比例、總太陽(yáng)輻射和白天平均空氣水汽壓虧缺

表3 木麻黃南北側(cè)樹(shù)干液流計(jì)算單株耗水量的差異

3 結(jié)論與討論

3.1 為了節(jié)省測(cè)算費(fèi)用和降低對(duì)測(cè)算樹(shù)體的影響，在假設(shè)樹(shù)體各方位液流速率一致的情況下，采用單組探針測(cè)定液流動(dòng)態(tài)具有其優(yōu)越性。但是在實(shí)際情況下，樹(shù)木南北半斷面邊材厚度、導(dǎo)水組織結(jié)構(gòu)的差異性，會(huì)影響精確測(cè)定樹(shù)木液流速率日動(dòng)態(tài)和日蒸騰耗水總量，因此必須重視不同方位液流速率所引起的誤差。本試驗(yàn)?zāi)韭辄S供試木南北側(cè)液流速率存在顯著差異，北側(cè)高于南側(cè)，這與張建國(guó)等［6］對(duì)遼東櫟的研究結(jié)果相似。用線性方程擬合南北側(cè)液流速率的關(guān)系，表現(xiàn)出顯著性擬合效果（P＜0.01；R2＝0.889 8），表明在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中可通過(guò)單側(cè)液流速率模擬相對(duì)方位液流速率。造成南北側(cè)液流速率差異的原因較難確定，本試驗(yàn)不作探討。

3.2 指數(shù)飽和曲線擬合供試木整株蒸騰耗水量與對(duì)應(yīng)日的總太陽(yáng)輻射和晝間平均空氣水汽壓虧缺優(yōu)于線性擬合效果，符合植物蒸騰對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)規(guī)律，植物氣孔會(huì)在太陽(yáng)輻射或空氣水汽壓虧缺的上限閾值關(guān)閉，顯示指數(shù)型的關(guān)系。曲線擬合的可決系數(shù)表明，除了這兩種主要環(huán)境因子的影響外，還有土壤水分條件，物候狀況等因素也會(huì)制約蒸騰速率。如在多雨的7、8月，濕葉蒸騰不同于晴天的氣孔蒸騰，其擬合方程較為接近；干旱的5、6月，葉面很難達(dá)到蒸騰耗水量的飽和閾值，擬合方程相對(duì)接近。

3.3 在木麻黃的生長(zhǎng)季，各月累積蒸騰耗水量、總太陽(yáng)輻射和晝間平均空氣水汽壓虧缺表現(xiàn)出一定的差異。5月，總太輻射、晝間平均空氣水汽壓虧缺較低，蒸騰耗水量較低；6月隨著總太陽(yáng)輻射、晝間平均空氣水汽壓虧缺的升高有所增加；7—9月雖然太陽(yáng)輻射較低，但是降雨量高，土壤水分大，加上較高的空氣水汽壓虧缺，蒸騰耗水量還是保持在一個(gè)較高的水平；10月總蒸騰耗水量隨著總太陽(yáng)輻射和晝間平均空氣水汽壓虧缺的降低而下降。采用南北兩側(cè)方位液流速率測(cè)算生長(zhǎng)季供試木的蒸騰耗水總量約為3.870t；采用1個(gè)方位液流速率測(cè)算的整株耗水量與2個(gè)方位的測(cè)算值相差18.19%。因此，不同方位樹(shù)干液流速率會(huì)對(duì)單株樹(shù)木的耗水測(cè)算產(chǎn)生顯著影響，必須引起重視，否則將產(chǎn)生較大誤差，進(jìn)而影響林分水分管理決策。

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