故城縣五角楓耗水特征研究

肖永青,劉志煒,王冰鶴,許 葉,董 陽

(1.河北省林業(yè)和草原局，河北 石家莊 050081；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071002)

1 引言

我國干旱缺水現(xiàn)象日益嚴(yán)重, 水資源短缺已成為制約我國綠化建設(shè)的主要因素[1]。近年來，水資源日益稀缺，受到了諸多學(xué)者的關(guān)注，并對植物耗水量方面展開了諸多研究，但針對在農(nóng)耕區(qū)大田耕地條件下的樹種耗水量研究相對較少。尤其是隨著全球氣候的變化以及我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程急劇變化的大背景下, 我國水資源在原本就貧乏的基礎(chǔ)上, 數(shù)量和質(zhì)量進一步降低[2]。水是植物體生長、發(fā)育、繁殖等行為活動的重要因子之一，水分是維持樹木新陳代謝以及各種行為活動不可或缺的因子。植物蒸騰是一個復(fù)雜的物理與生理過程, 在植物的水分代謝中起著支配作用[3]。蒸騰耗水約占植物體水分消耗總量的90%左右[4]。廣義上來說 ,林木個體耗水性指的是林木的根系吸收土壤中的水分然后通過葉片蒸騰耗散的能力[14]，從而促進植物體的生長。樹種蒸騰速率主要受太陽輻射強度和葉片氣孔阻力的影響[5]。近年來，研究樹木的耗水特征對選擇造林樹種、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)對節(jié)省水資源有著重大意義。因此，樹木的耗水特性受到許多學(xué)者的關(guān)注與研究。本研究采用熱擴散式探針法原理測量液流以獲得植物的耗水量。由于探針通常只加熱升高1～5 ℃就可對植物體耗水量進行檢測，對植物體無害。熱擴散式探針法原理被科學(xué)證明對絕大部分作物和許多樹種有效。液流探頭無須標(biāo)定，可直接通過能量平衡和植物液體流動的熱對流速率測量液流通量來測定活體樹木的液流量[6]，進而從時間的維度和不同生長季節(jié)的角度分析五角楓日耗水量、平均日耗水量和不同生長季節(jié)的日耗水量。因此本文采用熱擴散式探針法原理設(shè)計的熱擴散探針(Granier方法)從時間的維度與不同生長季節(jié)角度對五角楓的耗水特征進行研究。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省衡水市故城縣饒陽店林場，屬于典型農(nóng)耕區(qū)，地理位置為北緯37°26′39″，東經(jīng)115°53′46″。故城縣屬黃土地貌, 海拔150～763 m, 平均海拔436 m, 農(nóng)業(yè)區(qū)平均海拔300 m[7]。故城氣候條件屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，特點是四季分明，年平均氣溫12.9 ℃，年降雨量575.4 mm，年平均降水日數(shù)為66 d，多集中在7月份和8月份，7月份最多。無霜期188.8 d，年平均日照總時間2636.2 h，光照率達 67%。春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，雨、熱同季，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。1月份平均氣溫-4.2 ℃，7月份平均氣溫26.7 ℃。年平均風(fēng)速1.88 m/s。年平均蒸發(fā)量為1433.5 mm[8]。該地區(qū)的風(fēng)向以北風(fēng)、西北風(fēng)為主，冬、春 兩季多風(fēng)。人工造林樣地樹種主要有五角楓(AcermonoMaxim.)、榆葉梅(Amygdalustriloba)、海棠(Malus)、白蠟(Fraxinuschinesis)等。農(nóng)田主要作物為小麥、玉米、辣椒；主要草本植物有千屈菜(LythrumsalicariaL.)、狗尾草(Setariaviridis)、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)、刺兒菜(Cirsiumsetosum)等物種。

3 材料與方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與調(diào)查

在故城縣饒陽店林場樣地內(nèi)布設(shè)長期協(xié)同固定觀測樣地。標(biāo)準(zhǔn)地面積為20 m×20 m。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進行樣樹的每木檢尺，并在此基礎(chǔ)上選取10棵生長良好、樹形因子差別不大的標(biāo)準(zhǔn)樣樹。采用熱擴散式液流測定系統(tǒng)TDP在樹干上安裝10 mm探針，TDP安裝高度為40 cm。利用專用塑料泡沫固定探針尾部，防輻射鋁箔進行包裹，探針與 CR1000 數(shù)據(jù)采集器連接，進行連續(xù)測定，采集頻率每10 min 1次。

每木檢尺調(diào)查采用如下方法(圖1)：首先在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)用測繩打出小網(wǎng)格，并簡單標(biāo)定小網(wǎng)格的邊界點(如圖1中A1、B1、C1、D1)。小網(wǎng)格調(diào)查路線按照S型路徑進行，并按調(diào)查的先后對網(wǎng)格小樣地編號記錄。小網(wǎng)格具體尺寸，視樣地狀況而定，本次調(diào)查評估每塊樣地面積為20 m×20 m，小網(wǎng)格面積為5 m×5 m。對喬木樹種(包括枯立木)、胸徑、樹高、枝下高、冠幅、樹齡、優(yōu)勢度、層次、起源、損傷、干形質(zhì)量、樹齡和病蟲害狀況等，進行調(diào)查并記錄于表。

3.2 耗水測定方法

本實驗采用樹干邊材液流速率利用熱擴散式邊材液流探針 TDP(Thermal Dissipation Probe)進行測定[1]。將熱擴散式邊材液流探針TDP探頭的2枚探針，分上下方向插入樹干，下方探針為環(huán)境探針，上方探針持續(xù)加熱，測量兩個固定探針的溫度之差，用 Grainer經(jīng)驗公式計算樹干液流速率:

(1)

式(1)中Vs為液流速率(cm/s)；dTm為分析日24 h內(nèi)上下探針的最大溫差值(℃)；dT為某時刻瞬時溫差值(℃)，即當(dāng)時測定的溫差值。

3.3 蒸騰耗水量的計算

為避免對標(biāo)準(zhǔn)樣樹的傷害，在樣地內(nèi)選取 10 棵與樣樹胸徑差別較小的試驗樹[1]，植被耗水采用在固定樣地內(nèi)設(shè)立樹干液流計并結(jié)合文獻資料獲取,基于樹干液流的林木蒸騰耗水量的計算的流程如下：

K=(dTM-dT)/dT

(2)

Js=0.0119×K1.231×3600

(3)

式(2)、(3)中，K為無量綱常數(shù)；dTM為液流速率較弱或為零時的最大溫度值；dT為測定時的溫度值；Js為液流密度[cm3/(cm2·h)]。在一定的時間段Δt內(nèi)，單株的液流總通量Qt可以表示為：

Qt=JstAsΔt

(4)

式(4)中，Qt是Δt時間內(nèi)單株樹干液流通量(mL)；As為被測樹木的邊材面積(cm2)；Jst是Δt時間段內(nèi)的平均液流密度[cm3/(cm2·h)]；Δt為測定時間。

而對于林分某一時間段內(nèi)的總蒸騰耗水量，計算方法為：

(5)

式(5)中，Ta為一定時間段Δt內(nèi)林分喬木的總蒸騰耗水量(mL)；n為所測樣地中的喬木的總數(shù)，i為編號；Qti為Δt時間段內(nèi)第i棵樹的樹干液流通量；Di為第i棵樹的胸徑(cm)，而a、b是胸徑—邊材面積回歸模型，該模型需要針對樣地單獨建立。其建立方式就是在樣地中選擇一定數(shù)量的喬木測定其胸徑計邊材面積，進行回歸分析得出，其一般形式呈指數(shù)型。

4 結(jié)果與分析

4.1 五角楓在春季4～6月份的耗水量特性

春季是植物開枝散葉的季節(jié)，本研究根據(jù)衡水市故城縣饒陽店氣候規(guī)律，選取4～6月份作為春季調(diào)查期，著重對植被耗水進行了監(jiān)測與分析。通過一系列的數(shù)據(jù)研究，如圖2所示，研究表明五角楓在春季4～6月份時五角楓生長的重要時期，五角楓的單日耗水量在4月份范圍1.23～1.47 mm/d，平均日耗水量1.35 mm/d。5月份五角楓的單日耗水量范圍為1.22～1.5 mm/d，平均日耗水量為1.36 mm/d。6月份五角楓的單日耗水量范圍為1.29～1.45 mm/d，平均日耗水量為1.37 mm/d。平均日耗水量出現(xiàn)逐月小幅上升的態(tài)勢，且在春季時5月份日耗水量波動最大，這一現(xiàn)象與氣溫變化和五角楓的耗水特性有著密切關(guān)聯(lián)。

4.2 五角楓在夏季7～9月份的耗水量特性

夏季是植物生長旺盛的季節(jié)，其耗水量也是最多且波動較大的，本研究根據(jù)衡水市故城縣饒陽店的氣候特征，選取7～9月份。作為夏季調(diào)查期，對五角楓的日耗水量進行了監(jiān)測與分析。通過(圖3)可以看出：7月份典型天氣條件下日耗水量波動變化較平緩，9月份波動最大，呈現(xiàn)出逐月波動增大的趨勢。7月份五角楓的日耗水量在1.21～1.43 mm/d，平均日耗水量為1.32 mm/d。8月份五角楓的日耗水量在1.12～1.42 mm/d，平均日耗水量為1.27 mm/d。9月份五角楓的日耗水量在1.0～1.6 mm/d，平均日耗水量為1.3 mm/d?？偠灾?，五角楓日耗水量在夏季波動較大，且出現(xiàn)增多的趨勢。

4.3 五角楓在秋季10～11月份的耗水量特性

秋季是植物生長放緩并為越冬進行準(zhǔn)備的時期，不同樹種體現(xiàn)出了較大的差異，本研究選取10～11月份作為秋季調(diào)查期，對五角楓的日耗水量進行了監(jiān)測與分析。通過圖4可以觀察到五角楓日耗水量在這個階段變化幅度較小，尤其是11月份。10月份五角楓的日耗水量在1.33～1.61 mm/d之間，平均日耗水量為1.47 mm/d。11月份五角楓的日耗水量在1.77～1.86 mm/d之間，平均日耗水量為1.83 mm/d。五角楓的日耗水量在這個階段變化幅度較小。11月份的波動幅度明顯變小與溫度、植物為越冬做準(zhǔn)備等因素有關(guān)，但10月份、11月份的日耗水量相較于前兩個季度有明顯升高，尤其是11月份的耗水量是最高的，通過研究分析得出其耗水量升高應(yīng)該與落種等植物體自身行為有關(guān)。

5 結(jié)論與討論

本研究表明：在大田耕地條件下五角楓的耗水特性而言，在不同的生長季節(jié)，不同時間維度下有著不同的耗水量趨勢，參考前人的研究發(fā)現(xiàn)五角楓的日平均耗水量約為1.29 mm/d，結(jié)果與本研究結(jié)果相近。通過對本實驗的研究數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)在一天內(nèi)溫度高的時刻，耗水量比一般時刻要低，經(jīng)過對五角楓的研究與查找相關(guān)文獻得知由于氣溫的升高植物體為避免水分的過度蒸騰進行了氣孔的關(guān)閉，這是植物體進行避旱的一種措施。一般情況下, 蒸騰速率會隨著光合有效輻射的增加而增加, 但當(dāng)光合有效輻射持續(xù)增強時, 植物葉片會由于蒸騰失水過多而導(dǎo)致氣孔關(guān)閉, 氣孔導(dǎo)度減小, 蒸騰速率反而會出現(xiàn)下降的趨勢[11，12]。所以在下午的時候耗水量反而比一般時刻低，植物體在夜間進行呼吸作用消耗一定量的水，在夜間時耗水量趨于平緩，差值不大。當(dāng)太陽生起時植物體開始進行光合作用，耗水量明顯加大。環(huán)境因子主要通過影響氣孔運動進而間接調(diào)節(jié)植物蒸騰耗水, 氣孔導(dǎo)度可以揭示植物蒸騰耗水的生理響應(yīng)機制[13]。

通過分析五角楓各月耗水量趨勢得出：4～6月份春季時期，五角楓的日耗水量逐月平緩上升，上升幅度較小。7～9月份夏季時期，五角楓的耗水量較4～6月份春季時期耗水量趨勢波動大，且平均耗水量與春季的平均耗水量相差不大，9月份的波動最大。10～11月份秋季時期，五角楓的日耗水量相比春季的耗水量與夏季的耗水量相比有明顯上升，10月份的耗水量有所波動，耗水量也相較于之前的幾個季度有所增長，11月份的耗水量波動不大，耗水量變化幅度趨于平穩(wěn)維持與1.83 mm/d左右，其原因通過分析得出：由于五角楓進行的一些自身行為因素有關(guān)，如：五角楓的喜冷特性、落種、種子成熟和氣候條件等因素所導(dǎo)致五角楓在11月份耗水量有所升高。通過研究發(fā)現(xiàn),植物的耗水速率的大小與氣象因子等諸要素有著密切關(guān)聯(lián)[9，10，16]。

可見，了解樹種的耗水特性是我國北方植樹造林的重要環(huán)節(jié)，也是樹種合理密植的有力參考依據(jù)。這有利于促進樹種充分利用水分、充分利用光能、充分利用地力、延長水分滯留時間、提高樹種成活率，增加森林覆蓋率的有效措施。另外，還要在此基礎(chǔ)上，積極的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)，利用先進科學(xué)手段，提升造林成活率和質(zhì)量，為我國生態(tài)文明建設(shè)以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的有力踐行奠定堅實的基礎(chǔ)[15]。