生長季水曲柳樹干液流密度的特征

孫 龍，張全智，呂新雙，周曉峰

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040)

水曲柳廣泛分布于我國東北、朝鮮半島北部、俄羅斯遠東到日本北部，是珍貴的硬闊樹種。自從20世紀(jì)70年代以來，許多學(xué)者就其生態(tài)學(xué)特性和培育技術(shù)做了大量研究，對其生物生態(tài)學(xué)特征有了深入、全面的認識，但是有關(guān)水曲柳的水文生態(tài)效應(yīng)，目前報道較少［1］，況且基于傳統(tǒng)技術(shù)的森林蒸騰耗水研究數(shù)據(jù)誤差較大。本文應(yīng)用熱擴散技術(shù)對52 a生硬闊林內(nèi)不同徑級的水曲柳進行樹干液流密度的測定及分析，為進一步構(gòu)建更大尺度的林分蒸騰耗水模型提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗在東北林業(yè)大學(xué)帽兒山林場老爺嶺生態(tài)站內(nèi)進行。生態(tài)站位于黑龍江省尚志市境內(nèi)，北緯45°20'～ 45°25'，東經(jīng) 127°30'～ 127°34'。該地區(qū)屬于長白山系支脈、張廣才嶺西北部的余脈。境內(nèi)山巒綿延，丘陵起伏，平均海拔300 m，一般坡度在10°～15°，呈明顯的大陸性溫帶季風(fēng)氣候，雨量集中在7、8月份，年降水量772.9 mm，年蒸發(fā)量884.4 mm。平均氣溫2.8℃，最高溫度可達32℃，最低溫度為－31℃左右。林場的森林覆被率為70.2%。境內(nèi)天然次生林類型多樣。2004年5月，在生態(tài)站52 a生硬闊林內(nèi)選擇不同徑級的被測樣木，同時建立3個20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)固定樣地，并對樣地內(nèi)林木的相關(guān)指標(biāo)進行測量。

2 研究方法

2.1 材料的選擇

根據(jù)研究區(qū)域的實際情況，選擇52 a生硬闊葉林為試驗樣地。為了能夠進一步開展大尺度的林分冠層蒸騰外推研究，測定樣木的選擇標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)徑級而定，分為優(yōu)勢木 (胸徑為26.7～36.0 cm)、中等木 (胸徑為17.0～21.7 cm)和被壓木 (胸徑為10.9～13.6 cm)3個徑級，且具備通直、無病蟲害和生長狀況良好等特點。為了滿足統(tǒng)計學(xué)規(guī)律并且能夠真正反映硬闊林分的蒸騰狀況，每個徑級的樣木選擇3株進行測定。

2.2 測定原理

將TDP熱擴散探頭(Thermal dissipation probe)刺入樹干木質(zhì)部［2］，并接通恒定的電流以測定邊材的導(dǎo)熱率。熱擴散法需要以液流量等于零時的加熱功率及溫度變化為依據(jù)進行零值校正。熱擴散探頭有兩根探針組成，上部呈恒定連續(xù)加熱，內(nèi)含有加熱元件和熱電偶;下部探針為參考端，只有熱電偶。通過測定兩根探針在邊材的溫差值計算液流速度。當(dāng)液流速度等于0或很小時，兩根探針的溫差 (dT)最大;當(dāng)液流增大，溫差值減小。通過已知的溫差與液流密度的關(guān)系可以連續(xù)測定液流速度變化［3－5］。

樹干液流密度的測定由無量綱的K值來計算:

式中:dTM為無液流時探針的最大溫差值;dT為當(dāng)時測定的溫差值。

液流密度是單位邊材面積單位時間的液流量，用于對比不同樹種的蒸騰耗水能力及液流格局的差異。

2.3 儀器安裝

在樣木樹干胸徑處南向 (所有樣木均選擇此位置)，用刀將樹干死樹皮刮成1 cm寬、5 cm長的長方形，操作時不能損壞樹干的形成層。把兩孔距離為4 cm的鉆孔模板放在待測的位置上，然后用直徑為3 mm的鉆頭鉆兩個20 mm深的孔，兩孔盡量保持平行并與樹干保持垂直。將20 mm長、直徑為2.5 mm的探頭加熱針和參考針分別逐漸插入上部孔和下部孔。探針與樹干接觸處用凡士林封住，以免雨水接觸探針造成所測定的溫差因外界因素而波動。為防止太陽輻射對探針的影響，安裝好探針后，用鋁箔圍住探頭的外部，再用透明膠封住，然后在封口處涂上凡士林，防止水分沿樹干流下接觸探針。探針一端與數(shù)據(jù)采集器CR23X連接，通過計算機輸入編好的程序測定探針間的溫差數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)數(shù)據(jù)采集器的性能和數(shù)據(jù)采集要求，通過編程實現(xiàn)每隔15 min采集一次溫差數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)計算和分析采用TDP樹干液流測定系統(tǒng)提供的基于Excel的宏分析軟件完成。對每個徑級樣木計算的液流密度值進行平均，然后再對每小時內(nèi)的4次測量結(jié)果進行平均，得出每小時的液流密度值，從5月29日到10月29日，選擇晴天、陰天和雨天數(shù)據(jù)以及整個生長季液流數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 水曲柳樹干液流的日動態(tài)

以6月14日到16日連續(xù)3個晴天的水曲柳優(yōu)勢木、中等木和被壓木液流密度數(shù)據(jù)為代表，描述水曲柳液流密度日動態(tài)變化。其間最高氣溫29.5℃，最低氣溫 13.57℃，平均相對濕度為52.62%，水汽壓虧缺 (VPD)最小為0.46 kPa，最大為2.52 kPa。優(yōu)勢木、中等木和被壓木樣木木質(zhì)部平均面積分別為233.32 cm2、117.48 cm2和47.28 cm2。如圖1所示，水曲柳樹干液流密度晝夜變化的規(guī)律性較強，呈明顯的單峰曲線，但曲線尖削度較小，說明日間維持較大的樹干液流密度的時間較長。白天由于氣溫較高，樹木蒸騰量較大，大量的水分通過根部被吸入植物體內(nèi)，通過葉片進行蒸騰。夜間溫度降低，蒸騰拉力減小，樹木蒸騰量減小，水分通過根壓以主動形式進入植物體，補充白天蒸騰的水分損耗，所以，液流密度極小甚至達到0。中等木液流密度全天基本沒有0值出現(xiàn)，保持較高的水分需求。優(yōu)勢木和被壓木一般每天大約從清晨5∶00開始加快流動，11∶00～13∶00左右達到峰值，液流密度可持續(xù)至19∶00左右。整體液流通量水平中等木最大，其次被壓木，最小為優(yōu)勢木，原因為該硬闊林分水曲柳優(yōu)勢木基本進入成熟齡，生產(chǎn)力明顯下降，蒸騰需水能力也隨之下降。連續(xù)3 d水曲柳優(yōu)勢木、中等木和被壓木的液流密度最大值分別為2.74 cm3/(cm2·h)、18.58 cm3/(cm2·h)和8.05 cm3/(cm2·h)。另外從曲線上還可以看出，在達到峰值前后除優(yōu)勢木外，中等木和被壓木的液流密度均有一個微弱的下降，原因主要來自于正午強烈的太陽輻射，樹木自身蒸騰保護機制。從圖1中還可以看出，不同徑級的水曲柳樣木，其液流密度的變化趨勢較為一致，但差異比較明顯，優(yōu)勢木液流密度明顯大于中等木和被壓木，中等木和被壓木液流密度值非常接近。

圖1 水曲柳優(yōu)勢木、中等木和被壓木液流密度的變化Fig.1 Variation on sap flow density(SFD)of manchurian ash dominant，medium and suppressed trees

3.2 不同天氣條件下液流密度的變化

樹木液流密度在不同天氣條件下的日變化規(guī)律也大不相同，如圖2所示。分別選擇陰天 (7月1日)、雨天 (7月2日)和晴天 (7月3、4日)的液流密度變化來說明天氣條件對液流密度的影響。從圖2可明顯看出，對于優(yōu)勢木、中等木和被壓木而言，陰雨天液流密度值都較小且變化曲線十分不規(guī)則，出現(xiàn)多峰曲線，而且夜間液流密度明顯增大，液流密度峰值出現(xiàn)的時間也不一定位于正午時間。優(yōu)勢木的液流密度只有在夜間才稍大于中等木和被壓木，而且被壓木的液流密度在陰雨天以及陰雨后轉(zhuǎn)晴的第一天占據(jù)優(yōu)勢，比中等木液流密度要大。甚至在降雨后的第二個晴天，液流密度也和中等木變化基本一致，迅速回升。優(yōu)勢木和中等木和被壓木的液流密度變化曲線在降雨后的第一個晴天液流密度迅速回升，并呈現(xiàn)正常的近似梯形曲線。說明在正午和下午溫度較高的時間較長，水分補給充足，所以液流密度持續(xù)高值的時間較長。該特征與胡桃楸的研究結(jié)果基本一致。值得注意的是中等木在天氣恢復(fù)晴天以后，夜間液流密度明顯增大，原因可能來自于充足的土壤水分補給。

圖2 不同天氣條件下水曲柳優(yōu)勢木、中等木和被壓木液流密度的變化Fig.2 Variation on sap flow density(SFD)of manchurian ash dominant，medium and suppressed trees in diffenent weather conditions

3.3 季節(jié)動態(tài)分析

如圖3所示，水曲柳優(yōu)勢木、中等木和被壓木在178 d～244 d之間具有變化趨勢和數(shù)值大小基本一致的液流通量變化規(guī)律。6月初至6月末(150 d至178 d)，中等木日液流通量相對較高，明顯高于優(yōu)勢木和被壓木，中等木和被壓木變化趨勢基本一致，與優(yōu)勢木差異較大，優(yōu)勢木、中等木和被壓木日液流通量最大值分別為648.46 L/(m2·d)、2 260.91 L/(m2·d)和 857.29 L/(m2·d);最小值分別為 123.64L/(m2·d)、224.51 L/(m2·d)和130.63 L/(m2·d);平均值分別為268.16 L/(m2·d)、1 396.19 L/(m2·d)和573.42 L/(m2·d)。進入7月初至8月末 (179～244 d)，日液流通量明顯減小，優(yōu)勢木、中等木和被壓木日液流通量最大值分別為1 032.48 L/(m2·d)、1 114.16 L/(m2·d)和 1 063.78 L/(m2·d);最小值分別為131.30 L/(m2·d)、88.34 L/(m2·d)和86.39 L/(m2·d);平均值分別為665.13 L/(m2·d)、634.44 L/(m2·d)和638.45 L/(m2·d)。可見，三者的最大值、最小值和均值基本差別不大，從變化曲線上也能看出日液流通量值非常接近。主要由于該時期降雨比較頻繁，雖然土壤水分充足，但太陽輻射較弱，蒸騰拉力和時間不夠，導(dǎo)致液流通量明顯減小;9月份優(yōu)勢木的日液流通量有一個反彈 (245～273 d)，而中等木和被壓木的日液流通量在這段時間內(nèi)持續(xù)下降，分析245～273 d數(shù)據(jù)，優(yōu)勢木、中等木和被壓木日液流通量最大值分別為605.58 L/(m2·d)、1 251.72 L/(m2·d)和724.22 L/(m2·d);最小值分別為26.36 L/(m2·d)、136.94 L/(m2·d)和56.17 L/(m2·d);平均值分別為94.36 L/(m2·d)、848.28 L/(m2·d)和 295.89 L/(m2·d)。10月份 (274～303 d)屬于生長季末期，液流通量明顯減小，且呈不規(guī)則波動。優(yōu)勢木、中等木和被壓木日液流通量最大值分別為479.75 L/(m2·d)、609.89 L/(m2·d)和574.34 L/(m2·d);最小值分別為60.53 L/(m2·d)、61.57 L/(m2·d)和80.81 L/(m2·d);平均值分別為277.09 L/(m2· d)、299.83 L/(m2· d)和346.69 L/(m2·d)，優(yōu)勢木和中等木這段時期的液流變化不大，極值和均值都比較接近。尤其是在生長季結(jié)束以后，樹木體內(nèi)仍然有水分流動，所以在10月末日液流通量并未隨著生長季的結(jié)束而變?yōu)?，而且夜間和白天液流無明顯差異，全天液流呈波動狀態(tài)，說明受環(huán)境因子影響大。

圖3 水曲柳優(yōu)勢木、中等木和被壓木日液流通量季節(jié)變化Fig.3 The seasonal changes of daily sap flow flux of the dominant，medium and suppressed trees of manchurian ash.

進一步分析水曲柳生長季樹干液流的動態(tài)特征可以發(fā)現(xiàn) (見表1)，優(yōu)勢木、被壓木6月份和9月份液流密度平均值均小于中等木，7月份、8月份和10月份液流密度月平均值非常接近;中等木液流密度平均值6月份最大，9月、7月、8月和10月份液流密度均值依次下降，10月份液流密度波動較大，大部分液流都出現(xiàn)在夜間或者凌晨。優(yōu)勢木的液流密度最大，月均值出現(xiàn)在7月份，8月、6月、10月和9月份依次減小;中等木液流密度最大月均值出現(xiàn)在7月份，6月、8月、10月和9月份依次減小。需要說明的是雖然10月份的液流密度高于9月份，但是10月份水曲柳已經(jīng)生長季結(jié)束，基本上具有很少或者沒有蒸騰水分的消耗，應(yīng)該來自于樹木體內(nèi)水分的自然擾動。通過液流密度的月均值也充分體現(xiàn)了樹干液流通量的季節(jié)變化趨勢。

表1 各月份液流密度平均值/cm3·cm－2·h－1Tab.1 Average sap flow density in each month/cm3·cm－2·h－1

4 結(jié)論與討論

水曲柳樹中等木日液流通量大于被壓木和優(yōu)勢木，中等木液流密度變化呈單峰曲線;被壓木液流密度變化曲線近似梯形;優(yōu)勢木由于年齡較大，液流密度曲線變化平緩，沒有明顯的峰值，呈弧形曲線。

不同天氣條件下，液流密度日變化規(guī)律大不相同，陰雨天液流密度值較小且變化曲線十分不規(guī)則，波動性較大，甚至出現(xiàn)多峰曲線。生長季，優(yōu)勢木和被壓木日液流通量最大值均出現(xiàn)在7月初至8月末 (179～244 d)，分別為1 032.48 L/m2·d、1 063.78 L/m2·d;中等木液流通量最大值出現(xiàn)在6月初至6月末 (150～178 d)，為2 260.91 L/m2·d;優(yōu)勢木和被壓木日液流通量最小值出現(xiàn)在9月份 (245～273 d)，分別為26.36 L/m2·d和56.17 L/m2·d;中等木日液流通量最小值出現(xiàn)在生長季末期 (274～303 d)，為61.57 L/m2·d。隨季節(jié)推移，生長季各月份液流密度均值基本逐漸減小，進入生長季末期 (10月)基本處于微弱波動狀態(tài)。水曲柳優(yōu)勢木、被壓木6月份和9月份液流密度平均值均小于中等木，7月份、8月份和10月份液流密度月平均值非常接近;中等木液流密度平均值6月份最大，優(yōu)勢木和中等木的液流密度最大月均值出現(xiàn)在7月份。

樹干液流密度特征僅是揭示水曲柳不同徑級樹木的水分利用動態(tài)變化趨勢，只能反映單位邊材面積的液流速度，研究整樹蒸騰耗水量還需進一步測定樣木及林分的邊材面積，才能實現(xiàn)蒸騰耗水在個體水平至林分水平的尺度上推。

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