冀州區(qū)欒樹耗水特征研究

肖永青 劉志煒 王冰鶴 許 葉 董 陽(yáng)

(1.河北省林業(yè)和草原局，石家莊 050081；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001)

水分是樹木生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖等行為活動(dòng)的重要因素之一，水分是維持樹木新陳代謝以及各種活動(dòng)不可或缺的因子。廣義地說(shuō),林木個(gè)體耗水性指的是林木的根吸收土壤中的水然后通過葉片蒸騰耗散的能力。隨著近年來(lái)水資源的緊缺，研究樹木的耗水特征對(duì)選擇造林樹種、調(diào)整的種植結(jié)構(gòu)以及對(duì)節(jié)省水資源有著重要意義。因此，樹木的耗水特征受到許多學(xué)者的關(guān)注與研究。該研究采用熱擴(kuò)散式探針法原理測(cè)量液流以獲得植物的耗水量。由于通常只加熱升高1～5 ℃，因而對(duì)作物無(wú)害。熱擴(kuò)散式探針法原理被科學(xué)證明對(duì)絕大部分作物和許多樹種有效。液流探頭無(wú)須標(biāo)定，可直接通過能量平衡和植物液體流動(dòng)的熱對(duì)流速率測(cè)量液流通量來(lái)測(cè)定活體樹木的液流量[1]，進(jìn)而從時(shí)間的維度上分析樹木蒸騰耗水速率和耗水量。因此該文采用熱擴(kuò)散式探針法原理設(shè)計(jì)的熱擴(kuò)散探針(Granier方法)從時(shí)間的角度上對(duì)欒樹的耗水特征進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省冀州區(qū)北漳淮鄉(xiāng)林場(chǎng)，屬于典型平原區(qū)，地理位置為37°24′05″N，115°26′17″E，海拔約22 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)是四季分明。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。多年平均氣溫13.4 ℃，1月平均氣溫-4.3 ℃，7月平均氣溫26.4 ℃。年平均降水量511.6 mm，年平均降水日數(shù)為68 d；降水集中在每年6-8月，7月最多。年平均風(fēng)速1.8 m/s。年平均蒸發(fā)量為1 430.5 mm。全年光照時(shí)間達(dá) 2 779.7 h，光照率達(dá)67%。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欒樹(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、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。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

該次研究對(duì)象為欒樹主要樹種。依托2014—2016年實(shí)施的地下水超采綜合治理試點(diǎn)林業(yè)項(xiàng)目在冀州區(qū)北漳淮鄉(xiāng)林場(chǎng)樣地內(nèi)布設(shè)長(zhǎng)期協(xié)同固定觀測(cè)樣地。標(biāo)準(zhǔn)地面積為20 m×20 m。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行樣樹的每木檢尺，并在此基礎(chǔ)上選取10棵生長(zhǎng)良好、樹形因子差別不大的標(biāo)準(zhǔn)樣樹。采用熱擴(kuò)散式液流測(cè)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(jìn)行包裹，探針與CR1000 數(shù)據(jù)采集器連接，進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，采集頻率1次/min。

每木檢尺調(diào)查采用如下方法(如圖2-1所示)。首先在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)用測(cè)繩打出小網(wǎng)格，并簡(jiǎn)單標(biāo)定小網(wǎng)格的邊界點(diǎn)(如左圖中A1、B1、C1、D14點(diǎn))。小網(wǎng)格調(diào)查路線按照S型路徑進(jìn)行，并按調(diào)查的先后對(duì)網(wǎng)格小樣地編號(hào)記錄。小網(wǎng)格具體尺寸視樣地狀況而定，該次調(diào)查評(píng)估每塊樣地面積為20 m×20 m，小網(wǎng)格面積為5 m×5 m。對(duì)喬木樹種(包括枯立木)、胸徑、樹高、枝下高、冠幅、樹齡、優(yōu)勢(shì)度、層次、起源、損傷、干形質(zhì)量、樹齡和病蟲害狀況等進(jìn)行調(diào)查并記錄于表。

圖2-1 每木檢尺調(diào)查圖

2.2 耗水測(cè)定方法

該實(shí)驗(yàn)采用樹干邊材液流速率利用熱擴(kuò)散式邊材液流探針TDP(ThermalDissipationProbe)進(jìn)行測(cè)定[1]。將熱擴(kuò)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(cè)量2個(gè)固定探針的溫度之差，用 Grainer經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算樹干液流速率。

式中 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(shí)刻瞬時(shí)溫差值(℃)，即當(dāng)時(shí)測(cè)定的溫差值。

2.3 蒸騰耗水量的計(jì)算

為避免對(duì)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(yàn)樹[1]，植被耗水采用在固定樣地內(nèi)設(shè)立樹干液流計(jì)并結(jié)合文獻(xiàn)資料獲取,基于樹干液流的林木蒸騰耗水量的計(jì)算的流程如下。

K=(dTM-dT)/d

Js=0.0119×K1.231×3600

其中K為無(wú)量綱常數(shù)；dTM為液流速率較弱或?yàn)榱銜r(shí)的最大溫度值；dT為測(cè)定時(shí)的溫度值；Js為液流密度(cm3·cm-2·h-1)。在一定的時(shí)間段Δt內(nèi)，單株的液流總通量Qt可以表示為：

Qt=JstAsΔt

其中Qt是Δt時(shí)間內(nèi)單株樹干液流通量(mL)；As為被測(cè)樹木的邊材面積(cm2)；Jst是Δt時(shí)間段內(nèi)的平均液流密度(cm3·cm-2·h-1);為測(cè)定時(shí)間。

而對(duì)于林分某一時(shí)間段內(nèi)的總蒸騰耗水量，計(jì)算方法為：

其中Ta為一定時(shí)間段Δt內(nèi)林分喬木的總蒸騰耗水量(mL)；n為所測(cè)樣地中的喬木的總數(shù)，i為編號(hào)；Qti為Δt時(shí)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(duì)樣地單獨(dú)建立。其建立方式就是在樣地中選擇一定數(shù)量的喬木測(cè)定其胸徑計(jì)邊材面積，進(jìn)行回歸分析得出，其形式呈指數(shù)型。

3 結(jié)果與分析

3.1 欒樹在春季4-6月的耗水量特性

春季是植物開枝散葉的重要時(shí)期，該研究根據(jù)衡水市冀州區(qū)氣候規(guī)律，選取4-6月作為春季調(diào)查期，著重對(duì)植被耗水進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。通過一系列的數(shù)據(jù)研究，如圖3-2所示發(fā)現(xiàn)欒樹在春季4-6月中欒樹生長(zhǎng)的重要時(shí)期，欒樹的單日耗水量在4月份范圍1.21～1.41 mm/d，平均日耗水量1.31 mm/d。5月份欒樹單日耗水量范圍為1.25～1.53 mm/d，平均日耗水量為1.39 mm/d。6月份欒樹單日耗水量范圍為1.36～1.6 mm/d，平均日耗水量為1.48 mm/d。平均日耗水量連月上升，與氣溫變化息息相關(guān)[2-4]。

圖 3-2 欒樹在春季4-6月的耗水量變化

3.2 欒樹在夏季7-9月的耗水量特性

夏季是植物生長(zhǎng)旺盛的季節(jié)，其耗水量也是最為活躍且多變的，該研究根據(jù)衡水市冀州區(qū)氣候規(guī)律，選取7-9月作為夏季調(diào)查期，對(duì)欒樹的耗水進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。通過圖3-3所示可以看出7月份典型天氣條件下1 d內(nèi)耗水差異變化較小，8月、9月波動(dòng)較大，呈現(xiàn)逐月波動(dòng)增大的趨勢(shì)。7月份欒樹的日耗水量為1.11～1.46 mm/d，平均日耗水量為1.28 mm/d。8月份欒樹的日耗水量在1.23～1.51 mm/d，平均日耗水量為1.37 mm/d。9月份欒樹的日耗水量在1.38～1.6 mm/d，平均日耗水量為1.49 mm/d?？傮w上，欒樹平均日耗水量波動(dòng)較大，并存在減小的趨勢(shì)，且每日耗水量波動(dòng)趨勢(shì)呈逐月減小的趨勢(shì)[5-7]。

圖 3-3 欒樹在夏季7-9月的耗水量變化

3.3 欒樹在秋季10-11月的耗水量特性

秋季是植物生長(zhǎng)放緩并為越冬進(jìn)行準(zhǔn)備的時(shí)期，不同樹種體現(xiàn)出了較大的差異，該研究選取10-11月作為秋季調(diào)查期，對(duì)欒樹耗水進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。通過圖3-4所示可以觀察到欒樹平均日耗水量在這個(gè)階段變化幅度較小。10月份欒樹的日耗水量在1.3～1.46 mm/d之間，平均日耗水量為1.38 mm/d。11月份欒樹的日耗水量在1.1～1.3 mm/d，平均日耗水量為1.2 mm/d。欒樹的平均日耗水量在這個(gè)階段變化幅度較小[8-10]。10月份與11月份的波動(dòng)幅度明顯變小與溫度、植物為越冬做準(zhǔn)備等因素有關(guān)[11-13]。

圖 3-4 欒樹在秋季10-11月的耗水量變化

4 結(jié)論與討論

該研究表明，在平原耕地條件下欒樹的耗水特征，在不同的生長(zhǎng)季節(jié)、不同時(shí)間維度下有著不同的耗水量趨勢(shì)。參考以往的研究發(fā)現(xiàn)欒樹的日平均耗水量約為1.75 mm/d，結(jié)果與該研究結(jié)果相近。通過對(duì)該實(shí)驗(yàn)的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)在1 d內(nèi)溫度高的時(shí)刻，耗水量比一般時(shí)刻要低，經(jīng)過對(duì)欒樹的研究與查找相關(guān)文獻(xiàn)得知由于氣溫的升高植物體為避免水分的過度蒸騰進(jìn)行了氣孔的關(guān)閉，這是植物體進(jìn)行避旱的1種措施，所以在下午的時(shí)候耗水量反而比一般時(shí)刻低，植物體在夜間進(jìn)行呼吸作用消耗一定量的水，所以在夜間時(shí)耗水量趨于平緩，差值不大。當(dāng)太陽(yáng)生起時(shí)植物體開始進(jìn)行光合作用，耗水量明顯加大[14-16]。

通過分析欒樹各月耗水量趨勢(shì)得出：4-6月春季時(shí)期，欒樹耗水量逐月升高。7-8月夏季時(shí)期，欒樹耗水量較4-6月春季時(shí)期耗水量趨勢(shì)波動(dòng)大，且平均耗水量逐月上升。10-11月秋季時(shí)期，欒樹耗水量相比春季的耗水量與夏季的耗水量相比有所下降，且11月的耗水量波動(dòng)不大，耗水量變化幅度趨于平穩(wěn)維持在1.2 mm/d左右，其原因通過分析得出：由于欒樹進(jìn)行越冬、氣溫低等氣候條件因素所導(dǎo)致欒樹在11月份耗水量下降[17]。