白永會 ,葉功富,查軒,游水生,尤龍輝,高偉

(1.東華理工大學 地球科學學院，南昌330013；2.福建省林業(yè)科學研究院 生態(tài)所，福州350012；3. 福建師范大學 地理科學學院，福州350007；4.福建農(nóng)林大學 林學院，福州350002)

0 引言

水是影響植物生長的重要生態(tài)因子，估測植物蒸騰速率有助于深入了解植物水分的利用機理[1-2]。林木水分利用是林木生理活動和水分循環(huán)的關鍵過程，植物水分利用特征形成了本身的適應性策略，定量研究林木的蒸騰耗水是樹木生理學和生態(tài)水文學領域的研究熱點[3]。液流可反映植物體內(nèi)的水分傳輸狀況，單株尺度上液流測定法具有安裝操作簡單、數(shù)據(jù)可靠性高、零污染和連續(xù)觀測的優(yōu)點，目前被國內(nèi)外植物生理學家和生態(tài)學家廣泛應用[3-6]。

臺風是中國東南沿海區(qū)域主要的災害性天氣之一，對近岸海域的經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響，尤其是沿海區(qū)域防護林生態(tài)系統(tǒng)[7]。同時臺風對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響以及臺風降水的評估和評價體系在國內(nèi)外已經(jīng)是很多學者關注的焦點[8-11]。木麻黃(Casuarinaeguisetfolia)是類針葉的被子植物，它抗風沙、抗干旱、耐鹽堿，根系具有根瘤菌可固氮，適應性強的特點，木麻黃林帶處于防護林前沿，自20世紀50年代引種以來已成為中國東南沿海7 000多km海岸帶的“綠色長城”，是沿海防護林的重要組成部分。國內(nèi)對臺風天氣下林木液流和蒸騰耗水的研究較少，僅見對馬尾松[12]和尾巨桉的研究[13]，鑒于此，研究不同直徑木麻黃樹干液流對臺風“南馬都”登錄前后的響應，可為探討木麻黃人工林對臺風天氣的響應以及臺風降水是否增加木麻黃可利用水分提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于福建省泉州市惠安縣崇武鎮(zhèn)赤湖防護林場(118°40′E～118°55′E，24°30′N ～24°55′N )，該地屬于南亞熱帶海洋性季風氣候，多年平均氣溫達到19.8 ℃，全年無霜期320 d，多年平均降雨量為1 029 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 000 mm，夏季7—9月多臺風雨，秋冬季節(jié)東北風強盛，多年平均風速7.0 m·s-1。土壤是風積沙土。2011年第11號熱帶風暴“南瑪都”于8月31日2時20分在福建晉江市登陸。

2 材料與方法

選取1986年栽植木麻黃人工林，平均胸徑9 cm、平均樹高9.5 m，至2011年林齡25 a，樣地面積20 m×20 m，密度2.0 m×2.0 m (2 500 株·hm-2)，現(xiàn)密度為1 648株·hm-2，郁閉度0.7。樣地內(nèi)選擇生長良好、樹干通直和樹冠受周圍植株遮擋較小，具代表性不同胸徑大小的樣木。為避免林下灌木草本對實驗產(chǎn)生影響，選擇林下無林被樣地，樣地內(nèi)木麻黃凋落物厚度約2～3 cm。試驗地不受人為干擾和破壞。樣木基本指標如表1。

2.1 木麻黃邊材面積

目前測量邊材厚度并沒有統(tǒng)一方法，因不同的樹種而異[14]，樣地內(nèi)隨機選取不同徑級、生長狀況良好的木麻黃共計25株(不含測定液流的樣木)，用生長錐法測定邊材厚度(取其平均值)，量取其胸圍(Cir)，并轉換為直徑(DBH=Cir/π)，測定樹皮厚度，然后由邊材厚度求算邊材面積[15]。木麻黃邊材與心材顏色區(qū)別明顯，確定邊材厚度后計算邊材面積(As) :

表 1 供試木麻黃樣木基本指標 Table 1 Basic parameters of sample trees(Casuarina equisetifolia)

樣木胸徑/cm樹高/m冠幅/m2枝下高/m樹皮厚度/cm邊材寬度/cm心材寬度/cm邊材面積/cm217.67.01.2×1.33.30.32.41.134.728.610.51.3×1.46.20.42.51.441.6310.811.01.5×1.85.40.53.01.965.9

As=π(2r-2rb-rs)×rs=π(DBH-2rb-rs)×rs

(1)

式(1)中：DBH是直徑，r是樹干半徑 (DBH/2)，rb是樹皮厚度，rs是邊材厚度。樣木直徑為12.5 cm以下，邊材厚度不超過3 cm，TDP-30探針長度為3 cm，探針能完全進入樣木的邊材部分。

2.2 儀器安裝

用手持羅盤儀定位樣木的北方位，在樹干胸徑處北側用砍刀將樹干樹皮刮掉，刮樹皮時不要損壞樹干的韌皮部；考慮樣木重要性，在鉆孔前，鉆頭用10%的次氯酸鈉漂洗，在鉆另一棵樣木時，重新漂洗鉆頭，用直徑2 mm的鉆頭，鉆2個3 cm長的孔，將3 cm長的熱源探針(紅色導線)和感應探針分別逐漸插入上部孔和下部孔；用儀器自帶硅膠將探針與樣木之間的空隙封好，以防止樹干流下的水分與探針接觸；在TDP的每一邊都安裝1/4球狀泡沫，為保護傳感器不受扭彎的壓力；避免太陽輻射，用錫箔護罩將安裝探頭所在的樹干部分包裹，使用膠帶把錫箔隔熱膜與樹干上部和下部粘在一起，再與數(shù)據(jù)采集器電源連接。

2.3 樹干液流測定和耗水量計算

使用CR1000數(shù)據(jù)采集器( Data Logger-Campbell Scientific, USA)采樣，數(shù)據(jù)記錄10 min取1次液流平均值，樹干液流計算[4]:

K=(dTM-dT)/dT

(2)

Fd=0.011 9K1.231

(3)

單株樣木日耗水量計算:

Q=Fd×As×T

(4)

式(2～4)中：dT為兩探針之間的瞬時溫差，dTM為記錄的晝夜最大溫差，K是無量綱量，Q為日耗水量，單位(g·d-1)，F(xiàn)d為液流速率(cm·s-1)，As為邊材面積(cm2)，T為86 400(s)。

2.4 木麻黃林內(nèi)氣象因子測定

氣象站(Weatherpak～2000USA)同步監(jiān)測2 m高度林內(nèi)光合有效輻射(PAR)、大陽輻射(RAD)、溫度(T)、相對濕度(RH)、風速(Ws)氣象因子，10 min存儲數(shù)據(jù)。為有效表達溫度與相對濕度2個氣象因子的共同作用，運用水汽壓差這一指標分析，計算水汽壓差[16]:

es(T)=0.611×exp[17.502T/(T+240.97)]

(5)

VPD=es(T)-ea=es(T)(1-RH)

(6)

式 (5～6)中，es(T)為T大氣溫度下的飽和水汽壓( Pa)，T為溫度(℃)，ea為周圍氣體水汽壓(Pa)，RH為相對濕度(%)，VPD為水汽壓差(kPa)。降雨量采用惠安縣崇武鎮(zhèn)氣象站點降雨數(shù)據(jù)，降雨采用8：00—20：00時日降水量，精度0.1 mm。

2.5 數(shù)據(jù)處理

運用Excel計算2011年8月20日—9月1日樹干液流及氣象因子，利用SPSS 17.0對樹干液流與氣象因子相關性分析，運用Origin 8.5進行制圖。

3 結果與分析

3.1 監(jiān)測期間氣象因子動態(tài)變化

8月20日—9月1日期間各氣象因子(T、RH、PAR、RAD、VPD、Ws)以及降雨量日變化(圖1)。T先高后低，最高溫度出現(xiàn)在8月26日是33.6 ℃，最低溫度出現(xiàn)在8月31日，RH浮動范圍在50%～94%，表現(xiàn)出“高-低-高”的趨勢，PAR和RAD表現(xiàn)出“高-低”的趨勢，最大值分別為772 umol·s-1·m-2和1 386 w·m-2，VPD先增后降，最大值出現(xiàn)在20日是2.33 kpa，最小值出現(xiàn)在9月1日是0.191 kpa，8月29日風速最大值高達1.1 m·s-1，最低值為0 m·s-1；8月20日—9月1日期間，8月21日降水量少于10 mm，由于該時伏旱，處于副高控制下的伏旱天氣，臺風登陸期間，8月29日8時—8月30日8時降水量達到413.6 mm，8月30日8時—8月31日8時降水量550.6 mm，8月31日8時—9月1日8時降水量242.3 mm，9月1日20—24:00降水量125.1 mm。

圖 1 監(jiān)測期間氣象因子的變化Figure 1 Variations of meteorological parameters during the period of monitoring

3.2 木麻黃樹干液流速率日變化動態(tài)

如表2所示，木麻黃樹干液流速率在晴天、陰天、臺風天氣液流的總體特征是：晴天陰天液流呈單峰型，液流啟動時間和峰值時間較規(guī)律，但臺風天氣液流沒有明顯規(guī)律，夜間液流表現(xiàn)為晴天陰天晚間存在微弱液流，但臺風天氣晚間液流較高，液流平均值速率和液流最大值在臺風天氣較大。

3.3 不同直徑木麻黃耗水量特征

研究認為樹干液流速率與邊材面積密切相關[17]，不同天氣木麻黃樣木1、2、3日均耗水量和平均值(3株樣木液流平均值)(圖2)，晴天8月20日—8月25日均耗水量分別0.86、0.62和5.74 kg，平均值2.40 kg，陰天8月26日—8月28日均耗水量分別是0.80、0.47和4.94 kg，平均值是2.07 kg，臺風天8月29日—9月1日均耗水量分別是8.10、0.30和10.01 kg，平均值6.14 kg；樣木日均耗水量未呈現(xiàn)隨直徑增大而增大趨勢，不同天氣日均耗水量大小順序為臺風天>晴天>陰天。

表 2 不同天氣木麻黃單位邊材液流速率日變化動態(tài)Table 2 Diurnal variation of sap flow velocity per unit of C. equisetifolia in different weather

圖 2 不同天氣木麻黃日均耗水量特征Figure 2 Characteristics of average daily water consumption of C.equisetifolia under different weather

3.4 小時尺度樹干液流與氣象因子的關系

小時尺度木麻黃液流與各氣象因子的相關分析結果見表3。晴天、陰天、臺風天氣液流與太陽輻射的相關程度大于有效輻射，且均呈顯著正相關關系(P<0.05)。晴天、陰天液流速率與水汽壓差呈正相關關系(P<0.05)，且相關性最大，臺風天與水汽壓差呈顯著負相關關系(P<0.05)，且相關程度和晴天陰天比絕對值最低。晴天、陰天、臺風天液流與相對濕度均呈負相關關系(P<0.05)，小時尺度降水量與液流表現(xiàn)出顯著正相關關系(P<0.05)，相關順序是樣木3>樣木1>平均值>樣木2，晴天、陰天液流與相對濕度顯著負相關(P<0.05)，與風速顯著正相關(P<0.05) ，與水汽壓差顯著正相關(P<0.05)。臺風天液流與相對濕度和水汽壓差顯著負相關(P<0.05)，與風速極顯著正相關(P<0.01)，與降水量顯著正相關(P<0.05)。

表 3 小時尺度樹干液流速率與氣象因子的相關分析Table 3 Correlation analysis between sap flow and meteorological factors in hour scale

注：**極顯著相關(P<0.01)，*顯著相關(P<0.05)， 平均值為1，2，3號樣木均值，其中，降雨量為大于10 mm,降雨8—20時實時數(shù)據(jù)。

4 討論

晴天、陰天和臺風天氣液流峰型不一致，陰天液流速率日變化啟動時間和峰值時間比晴天提前，且陰天液流速率明顯低于晴天液流速率。因為晴天(8月20日—8月25日)太陽輻射、有效輻射、空氣溫度高促進木麻黃葉子氣孔開放，蒸騰作用增強(圖2)，而陰天(8月26日—8月28日)太陽輻射、空氣溫度和水汽壓差降低、相對濕度增大，所以木麻黃液流速率明顯低于晴天，該現(xiàn)象與孫慧珍[18]、熊偉[19]、夏桂敏[20]研究白樺樹干液流、華北落葉松、荒漠區(qū)檸條樹干液流特征結果一致。臺風天液流速率啟動時間和峰值沒有明顯時段，夜間液流存在且數(shù)值大于晴天、陰天液流，白天降雨引起輻射低，較低水汽壓差阻礙葉子氣孔開放，引起白天液流啟動和峰值不穩(wěn)定，且可能白天土壤水分沒有充分被木麻黃吸收，在根壓作用下，根系吸水方式由主動變?yōu)楸粍?，恢復植物體內(nèi)的水分平衡,進而夜間液流補充恢復木麻黃水分平衡[21]。8月29日—9月1日臺風天木麻黃樣木1、2、3日均耗水量分別是8.10、0.30和10.01 kg，平均值6.14 kg(圖2)，出現(xiàn)樣木2的液流最小，原因是臺風過后發(fā)現(xiàn)樣木2的葉片凋落最嚴重，而且有部分小枝凋落，可以認為是樣木2葉子和小枝的光合作用下降導致的耗水量最小。臺風天降雨量大引起土壤含水量增加，認為臺風降水能夠增加木麻黃的水分利用，這一結論與鄭懷舟等[17]研究的馬尾松的臺風降水不能提高植物的水分利用結論相反。8月29日—9月1日降水量大，土壤水分含量增加，所以土壤水分、根系分布是今后研究木麻黃水分利用的重點。

5 結論

1) 晴天、陰天木麻黃液流日變化呈現(xiàn) “單峰型”，臺風天木麻黃液流日變化呈現(xiàn) “不規(guī)則”峰型，陰天木麻黃樹干液流啟動時間和達到峰值時間早于晴天液流啟動時間和達到峰值時間，晴天、陰天夜間液流在21:00之后明顯降低。臺風天液流啟動時間和達到峰值時間沒有明顯時間段，夜間液流存在且數(shù)值最大。

2)小時尺度下，晴天、陰天、臺風天氣液流與太陽輻射相關程度大于有效輻射且均呈顯著正相關關系，晴天、陰天液流與相對濕度顯著負相關，與風速和水汽壓差顯著正相關；臺風天氣液流與相對濕度和水汽壓差顯著負相關，與風速呈極顯著正相關關系，與降水量呈顯著正相關關系。

3)監(jiān)測期木麻黃日均耗水量未表現(xiàn)隨直徑增大而增大的規(guī)律，日均耗水量順序為臺風>晴天>陰天。

4)木麻黃能夠適應臺風天氣的大風和強降水，且臺風降水能夠增加木麻黃可利用水分，是沿海防護林經(jīng)營的首選樹種之一。