酸棗耗水尺度擴展參數(shù)研究

王連春 翟明普 葉紅蓮 賈黎明 馬長明 劉春鵬

(1.西南林業(yè)大學森林培育云南省重點學科，云南 昆明 650224；2.北京林業(yè)大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083；3.河北農(nóng)業(yè)大學林學院，河北 保定 071000)

酸棗耗水尺度擴展參數(shù)研究

王連春1翟明普2葉紅蓮1賈黎明2馬長明3劉春鵬3

(1.西南林業(yè)大學森林培育云南省重點學科，云南 昆明 650224；2.北京林業(yè)大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083；3.河北農(nóng)業(yè)大學林學院，河北 保定 071000)

酸棗；耗水尺度；擴展參數(shù)；邊材面積；邊材直徑

國外有許多學者從20世紀70年代開始均在林分耗水方面作了嘗試性的研究，通過測定單株占地面積[1]、冠幅[2]、胸高斷面積[3]、胸高直徑[4-5]、葉面積[2]和邊材面積[6]等，找出林木蒸騰耗水量與這些純量間的相關(guān)關(guān)系，并建立模型來估算林分的蒸散耗水量[7-8]。有些研究者曾提出，利用單木液流量與冠幅之間的關(guān)系[2]、單木液流量與單木占地面積之間的關(guān)系[1]、液流量與樹干地徑的關(guān)系來推算林地的耗水量，但效果不佳。Zimmermann等[9]利用葉面積進行估算耗水量也沒有成功。Hatton等[1]利用單木占地面積推算林分的耗水，結(jié)果與用微氣象法測定的結(jié)果比較一致。有研究表明：邊材面積與液流之間的關(guān)系密切，推算出的液流密度較為可信；木質(zhì)部輸導斷面積、葉面積、胸徑以及基于生態(tài)地域理論的單木占地都是實現(xiàn)單木到林分耗水尺度轉(zhuǎn)換較為可信的變量[10]，其中，胸徑更易于準確測定，誤差相對較小，且胸徑與蒸散的相關(guān)性也較高。邢黎峰等[11]認為，通過對樹木多種生長的Richards生長方程可準確、完整地描述樹木的基本生長特征，其中一株累計日耗水過程擬合為一典型的S曲線取得滿意的結(jié)果。馬李一等[10]選用測定油松(Pinustabulaeformis)和刺槐(Robiniapseudoacaia)樹木胸徑處的邊材面積作為純量，對林分的耗水力進行推導，并建立了冪模型，在尺度擴展過程中獲得了較好的結(jié)果。王華田等[7]對栓皮櫟(Quercusvariabilis)不同徑階單株耗水量日變化的測定結(jié)果進行尺度擴展，所得到的單木二維耗水模型擬合效果十分理想。張小由等[12]利用熱脈沖技術(shù)，在黑河下游額濟納天然綠洲內(nèi)測定胡楊(Populuseuphratica)單木邊材液流在小同位點、方位的變化，然后根據(jù)每木檢尺的結(jié)果，應(yīng)用公式y(tǒng)=34.108x0.818 4計算出標準地的邊材總面積，乘以胡楊的月標準比導率，即可以計算出胡楊林標準地的蒸散量。Simpson[13]利用邊材液流與邊材面積、林木直徑之間的關(guān)系來推算花旗松(Pseudotsugamenziesii)林分耗水量，各徑級樹木的邊材液流密度不同，但與直徑不相關(guān)；邊材面積與莖干代表性面積增長近似于曲線相關(guān)。

本研究以酸棗(ZiziphusjujubaMill var.spinosa(Bunge)Hu ex H. F. Chow)樹高、地徑、生物量為基礎(chǔ)，通過單株尺度擴展參數(shù)模型的建立，挖掘其與邊材面積之間的回歸關(guān)系，建立回歸模型，并用實測值和相關(guān)系數(shù)等來選擇回歸模型。通過模型的建立，為酸棗單株耗水量及單株到林分耗水量的尺度擴展提供依據(jù)，也能豐富耗水量測定方法，為更精確的測定耗水量提供幫助。

1 研究方法

研究地位于河北省平山縣崗南鎮(zhèn)寺家溝村，地內(nèi)主要有黃連木(Pistaciachinensis)、柿樹(Diospyroskaki)、黑棗(Diospyroslotus)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等喬木，主要灌木有酸棗和荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)。

本研究在田邊地頭隨機選擇17株直徑大小不同的酸棗樣株，測量其樹高、地徑、冠幅等主要測樹因子。在地面相接處截取地上部分，將枝、干、葉分離并稱其質(zhì)量，計算地上部分；對地下部分采取從大到小的次序捋清，待根系基本呈現(xiàn)后進行挖取，計算地下部分生物量。分別取地上部分各分量、地下部分的一部分帶回實驗室，在105 ℃的溫度下烘至恒質(zhì)量，稱量并計算木材密度。在帶回的樹干部分測量其樹皮厚度、心材直徑、邊材直徑等數(shù)據(jù)，其中邊材直徑=樹干直徑-心材直徑。

將各因子分別用SPSS中的曲線回歸進行擬合，以兩者間的曲線關(guān)系為基礎(chǔ)，并用復(fù)相關(guān)系數(shù)、校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)、回歸標準誤等進行綜合選擇。

2 結(jié)果與分析

2.1 邊材直徑與邊材面積的回歸模型選擇

雖然邊材直徑與邊材面積間數(shù)學關(guān)系有固定的公式，但固定公式是將整個樹干當成一個圓柱來換算，這與樹干實際形狀不符。通過對酸棗樣木的平均邊材直徑與計算的邊材面積進行回歸分析，擬合結(jié)果見圖1。

在相關(guān)系數(shù)平方中，倒數(shù)模型的值最低，僅為0.425，最高的是二次多項式和三次多項式，均為0.999，對這2個模型進行校正的相關(guān)系數(shù)平方檢驗，兩者也相同。由于直徑與面積通常呈二次關(guān)系，因此模型選擇二次三項式，其相關(guān)系數(shù)達到了1.000，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.999，校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.999，回歸標準誤為0.151。邊材直徑與邊材面積的擬合模型為：

Y=0.904 7D2+0.124D-0.003，R2=0.999 5。

2.2 樹高與邊材直徑和面積的回歸模型選擇

植物蒸騰耗水的過程首先要有外界的蒸騰拉力，在植物體內(nèi)近氣孔端與其他部位產(chǎn)生水勢后，植物整體才能產(chǎn)生水分上流的態(tài)勢，從而形成液流。這個過程必須通過植物主干來完成，因此作為主干的重要元素之一的樹高就成了影響液流速率的重要因素。將樹高與邊材面積、邊材直徑進行擬合，結(jié)果見圖2。

樹高與邊材面積曲線擬合的多個模型中，二次多項式、三次多項式等多個回歸模型的相關(guān)系數(shù)等作為模型選擇的數(shù)據(jù)均高于指數(shù)模型，但指數(shù)模型的變化趨勢更符合實際，因此選擇指數(shù)模型作為基本模型，與邊材直徑間的則選擇線性模型，回歸模型如下。

樹高與邊材面積：

Y=0.189 96×e0.013 01H，R2=0.896

樹高與邊材直徑：

D=0.014 55H-1.010 74，R2=0.9576

2個擬合模型判定指標見表1。

表1 樹高與邊材面積和直徑擬合模型的判定指標

從表1可以看出，2個模型的相關(guān)系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)、校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)均比較高且達到了極顯著的水平；樹高與邊材面積間模型的回歸標準比邊材直徑的大，這是因為誤邊材面積的數(shù)據(jù)分布范圍較廣，從0.31 cm2到23.35 cm2均有分布，而邊材直徑分布在0.52～5.01 cm。

2.3 地徑與邊材直徑和面積間的回歸模型選擇

地徑也同樣影響著液流，影響來源主要有地徑的大小以及其中輸導組織的多少。選擇的酸棗樣株地徑為0.72～6.43 cm。從分布區(qū)間看，<1 cm的有1株，1～2 cm的有9株，2～3 cm的有4株，3～4 cm的有1株，4～5 cm的1株，>5 cm的1株，基本符合正太分布格局。從相關(guān)系數(shù)來看，地徑與邊材直徑的相關(guān)系數(shù)為0.996，與邊材面積為0.982，兩者均為極顯著的正相關(guān)關(guān)系。將地徑與邊材直徑和邊材面積進行擬合，擬合結(jié)果見圖3。

地徑與邊材面積曲線擬合的多個模型中，選擇二次多項式作為基本模型；在邊材直徑的各模型中，雖然二次、三次多項式的相關(guān)系數(shù)等方面均優(yōu)于線性模型，但地徑與邊材直徑的關(guān)系只能是平次關(guān)系，因此仍然選擇線性模型，模型如下。

地徑與邊材面積：

地徑與邊材直徑：

D=0.803 89D地-0.026 72，R2=0.992

2個擬合模型的判定指標見表2。

表2 地徑與邊材面積和直徑擬合模型的判定指標

從表2中可以看出，2個模型的相關(guān)系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)、校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)均較高，且達到極顯著水平。

2.4 生物量與邊材直徑和面積間的回歸模型選擇

生物量是生態(tài)系統(tǒng)性質(zhì)、狀態(tài)的重要指示特征，也是深入了解森林生態(tài)系統(tǒng)變化規(guī)律的重要途徑。生物量是衡量生態(tài)系統(tǒng)在一定時間內(nèi)固碳能力大小的重要指示[14]。關(guān)于生物量的研究成果很多，但目前還沒有用生物量來推算液流通量的相關(guān)報道。因生物量的總量與水分利用關(guān)系密切，因此試驗希望通過生物量與邊材面積、邊材直徑建立良好的回歸關(guān)系后來推算液流通量。研究將生物量分為地上部分生物量和全株生物量來推算。

酸棗全株生物量變化幅度較大，最小的僅有69.20 g，最大的達到了 24 691.97 g，為最小生物量的300多倍；全株生物量多集中在較小的范圍，<1 000 g的有12株，占70.59%，生物量極大的有2株，均超過 10 000 g。酸棗屬根蘗能力較強的植物，對其根系刻傷后極有可能產(chǎn)生新的植株，這些新的植株可能具有很小的根系，從地上部分生物量與全株生物量的比值也不難看出這種現(xiàn)象，如地上部分占全株的比例最大的達到了96%，最小的占41.71%，這也說明酸棗地上部分與地下部分的生長特點沒有規(guī)律，某一植株并不單獨依賴地上部分來進行，地上部分也不完全依賴自身的地下部分來吸收養(yǎng)分。至于酸棗地上部分與地下部分的養(yǎng)分循環(huán)及分配的機制還有待進一步的試驗來完成。從相關(guān)系數(shù)來看，邊材直徑與全株生物量的相關(guān)系數(shù)為0.924，與地上部分生物量為0.918；邊材面積與全株生物量的相關(guān)系數(shù)為0.984，與地上部分的為0.981，相關(guān)性均達到極顯著水平。從相關(guān)系數(shù)大小來看，邊材面積與全株生物量和地上部分生物量的相關(guān)系數(shù)更大，在樣本數(shù)一致的條件下，表明邊材面積與生物量的相關(guān)性更強。將全株生物量、地上部分生物量分別與邊材面積和邊材直徑進行擬合，擬合趨勢見圖4。

全株生物量、地上部分生物量與邊材直徑和面積曲線擬合的多個模型中，三次多項式無論從相關(guān)系數(shù)還是復(fù)相關(guān)系數(shù)來看均優(yōu)于其他模型，因此選擇三次多項式作為擬合模型。具體模型如下。

全株生物量與邊材直徑：D=1.0×10-12W3-6×10-8W2+0.000 7W+1.013 1，R2=0.957

全株生物量與邊材面積：Y=2.6×10-12W3-1.1×10-7W2+0.002 15W+0.964 32，R2=0.994

4個擬合模型判定指標見表3。

表3 生物量與邊材面積和直徑擬合模型的判定指標

從表3中可以看出，4個模型的相關(guān)系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)、校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)均較高，且達到極顯著水平。

由于樹高、地徑可以直接測定，而全株生物量、地上部分生物量、邊材直徑、邊材面積要破壞性獲取后才能測定，因此在不進行破壞性試驗的前提下，需要建立這些參數(shù)與樹高或地徑間的中間關(guān)系，通過建立模型并根據(jù)其復(fù)相關(guān)系數(shù)等因子來選擇中間模型。

通過對酸棗中間模型的相關(guān)系數(shù)等進行分析發(fā)現(xiàn)，地上部分生物量、全株生物量與地徑擬合模型效果較好，模型如下。

地上部分生物量與地徑：

全株生物量與地徑：

2.5 參數(shù)比較

為比較各參數(shù)的差異，對試驗布置時選取的3株酸棗通過莖流計測定其液流速率，與邊材面積擴展成單株液流通量，液流通量的計算參考王華田等[15]所用計算公式，并將該計算值作為實測值，其他各參數(shù)通過與邊材面積的關(guān)系求得其液流通量，作為該參數(shù)的測定值，與實測值進行比較。酸棗樣株基本信息見表4、各擬合模型計算的液流通量結(jié)果見表5。

表4 酸棗樣株生長基本信息

由表4可以看出，3株酸棗的地徑相差不大，最大和最小植株的差異為0.05 cm，去皮直徑差異更小，為0.02 cm，心材直徑則沒有差異。樹高相差也比較小，僅為2.00 cm。

從酸棗11號在7月19日各模型計算結(jié)果看，邊材直徑模型計算值最大，為0.604 L/d，最小值僅為0.231 L/d。各模型模擬結(jié)果均小于邊材面積直接的計算結(jié)果，這些模型中，與邊材面積模型更為接近的是地徑，與邊材面積計算結(jié)果相差僅2.2%，全株生物量雖然也經(jīng)過了中間模型的轉(zhuǎn)化，但模擬值與邊材面積計算結(jié)果相差也很少，僅有3.8%。

表5 各擬合模型7月19日液流通量的計算結(jié)果

各擬合模型與邊材面積實測計算的液流通量值酸棗11號按從小到大排序：樹高、邊材直徑、地上部生物量、全株生物量、地徑；酸棗15號從小到大的排列順序為：樹高、地上部生物量、邊材直徑、全株生物量、地徑；酸棗16號從小到大的排列順序為：樹高、邊材直徑、地上部生物量、全株生物量、地徑。從排序結(jié)果可以看出，各擬合模型同一天不同單株間的變化趨勢不同，但始終是地徑、全株生物量等2參數(shù)模型擬合值更接近，差異性最大的為邊材導管面積、樹高等。這些差異的來源有樹高、地徑、邊材面積以及心材侵填體的多少等。綜合測定難易程度、模型模擬的計算結(jié)果，在酸棗耗水模型的參數(shù)擴展中，可用地徑、地上部生物量、全株生物量作為主要參數(shù)進行擴展。

3 結(jié)論與討論

從邊材直徑、樹高、地徑、全株生物量、地上部生物量等5個因子的擴展參數(shù)模擬來看，模型的模擬差異較大。酸棗的耗水擴展參數(shù)選擇結(jié)果為：地徑、全株生物量(中間模型為全株生物量與地徑)、地上部生物量(中間模型為：地上部生物量與地徑)。模型選擇結(jié)果為：

林分尺度蒸散耗水的研究方法很多，直接測定的方法主要有水汽循環(huán)、溫度遙感等，間接的方法更多，以較為精確的單株測定為基礎(chǔ)通過尺度擴展參數(shù)來推導林分和區(qū)域的耗水為其中較為常用的方法，但這些參數(shù)不穩(wěn)定，需要通過很多試驗反復(fù)驗證。本研究應(yīng)用了較多的參數(shù)，需經(jīng)過了驗證，如果能結(jié)合大型蒸滲儀或者熱擴散式液流探針進行實測，就能更精確的校正各參數(shù)系數(shù)，為林分或更大尺度的耗水提供更科學的測算方法。

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(責任編輯 韓明躍)

Water Consuming Scaling Parameter ofZizyphusjujubavar.spinosa

WANG Lian-chun1，ZHAI Ming-pu2，YE Hong-lian1，JIA Li-ming2，MA Chang-ming3，LIU Chun-peng3

(1.College of Forestry，Southeast Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China;2.Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education， Beijing Forestry University，Beijin 100083， China;3. College of Forestry，Hebei Agricultural University，Baoding Hebei 071000，China)

Zizyphusjujubavar.spinosa;water consuming scale;expansion parameter;sap wood area;sap wood diameter

2014-03-26

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題(2011BAD38B0605)資助。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.04.009

S718.51

A

2095-1914(2014)04-0047-06

第1作者：王連春(1973—)，男，博士，副教授。研究方向：森林培育、經(jīng)濟林栽培、森林生態(tài)、植物生理。Email：kaixianlc@126.com。