晉西黃土區刺槐和油松樹干液流比較

郭寶妮，張建軍，2?，王震，茹豪，黃明

(1.北京林業大學水土保持學院，100083，北京;2.北京林業大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京;3.國際竹藤中心，100102，北京)

晉西黃土區刺槐和油松樹干液流比較

郭寶妮1，張建軍1，2?，王震3，茹豪1，黃明1

(1.北京林業大學水土保持學院，100083，北京;2.北京林業大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京;3.國際竹藤中心，100102，北京)

應用TDP(Thermal Dissipation Probe)熱擴散探針技術，通過對晉西黃土區刺槐和油松進行一個生長季(2010－04—10)的野外實地定位觀測，結合同步測定的大氣相對濕度、大氣溫度、太陽總輻射等氣象因子，研究刺槐、油松樹干液流的日變化及季節變化規律。結果表明:1)刺槐在5月上旬僅產生微弱液流，日均液流速率小于油松，無明顯晝夜變化規律，到5月下旬，日均液流速率超過油松，并與油松呈現相同的晝夜變化規律，2樹種夜間存在一定的樹干液流，液流速率均于09:00開始快速上升，到12:00左右達到峰值;2)8月刺槐日均液流速率均大于油松，2樹種液流速率連日變化規律基本相同，液流速率開始快速上升和達到峰值的時間與5月基本一致，峰值分別為5月的1.79和1.49倍，月平均值分別為5月的3.01和1.48倍;3)刺槐、油松樹干液流和月耗水量呈現明顯的季節性變化規律，耗水旺季集中在6—9月，4月達到最小值，7月達到最大值，在整個生長季(4—10月)，油松林的總耗水量是刺槐林的1.63倍。經回歸分析可知，影響刺槐、油松液流速率的主要因子均為太陽總輻射。

樹干液流流速;耗水量;刺槐;油松;晉西黃土區

隨著全球水資源短缺和溫室效應的加劇，植被蒸散已成為國際水文計劃(IHP)國際地圈－生物圈計劃(IGBP)等國際性項目的重要研究內容之一［1］。近年來，越來越多的學者開始投入到植被蒸散問題的研究中［2－9］，特別是整株樹木的耗水量研究，受到不同學科專家和學者的共同關注。植被蒸散的測定方法有許多種，TDP熱擴散探針法由A.Granier等［10］設計并研究應用，該法操作簡便，數據采集具有準確、穩定等諸多優點［11］，在國內外被廣泛應用到森林水文學、樹木生理生態學等眾多研究領域［12－16］。刺槐和油松作為晉西黃土區的主要水土保持樹種，早已成為眾多學者研究的焦點。周曉新等［17］對不同密度刺槐林蒸騰旺季的蒸騰特性進行研究，得出了黃土區15年生刺槐林的合理密度。聶立水等［18］通過對油松樹干液流研究，得出油松在干旱地區大部分時間都受干旱脅迫的影響，應進行撫育間伐的結論。劉彩鳳等［19］對不同徑階刺槐油松混交林蒸騰耗水量進行了研究。以往學者一般只針對刺槐或油松單一樹種進行研究，對刺槐和油松樹干液流的對比研究較為少見。筆者利用TDP熱擴散探針技術，通過測定同一時期、同一生長環境下刺槐和油松的樹干液流速率，探討2樹種樹干液流的日變化規律、季節變化特征及其與環境因子的關系，并將其在林分尺度上進行擴展，對2樹種耗水量進行比較研究，以期為晉西黃土區人工林營造過程中選擇低耗水樹種以及確定合理種植密度提供依據。

1 研究區概況

試驗地位于吉縣蔡家川流域，該流域地處山西省黃土高原西南部的吉縣境內，地理坐標E110°40＇～111°48＇，N36°14＇～ 36°18＇，流域面積 39.33 km2。研究區屬暖溫帶大陸性氣候，年平均降水量575.9 mm，平均無霜期約170 d，年平均氣溫10℃，多年極端最低氣溫－20.4℃，多年極端最高氣溫38.1℃，光照時間平均2 563.8 h，穩定通過10℃的年平均積溫為3 357.9℃。流域內土壤為碳酸鹽褐土，呈微堿性。天然植被主要有遼東櫟(Quercus liaotungensis)、山楊(Populus davidiana)、側柏(Platycladus orientalis)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等，人工植被主要有油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、蘋果(Malus pumila)、苜蓿(Medicago sativa)等，農作物以玉米(Zea mays)、小麥(Triticum aestivum)、谷子(Setaria italica)、豆類為主。防護林類型為水土保持林，主要組成樹種有刺槐和油松。林分結構簡單，以純林為主，混生或伴生有山楊(Pobulus davidiana)，下層灌木有胡枝子(Lespedeza bicolor)等。

2 研究方法

1)樣地設置。試驗設置刺槐、油松2塊調查樣地，調查樣地基本情況見表1。

2)調查方法。2010年8月，通過對調查樣地刺槐林和油松林進行每木調查(主要測定樹高、胸徑、枯落物厚度、草本覆蓋度等指標)，選擇樹干圓滿、不偏心、不偏冠且胸徑上下50 cm處無結疤的刺槐、油松各3株作為觀測樣木，觀測樣木的基本情況記錄見表1。然后按照TDP插針式熱擴散植物莖流計安裝說明書［20－21］，在觀測樣木上安裝 TDP 熱擴散探針。在2010年整個生長季(4—10月份)，每隔10 min測定1次樹干液流速率，將30 min內測定數據進行平均運算并記錄存儲，最后運用 Granier公式［22］對液流速率數據進行計算。在樹干液流觀測的同時，利用自動氣象站(Campbell公司生產的CR3000型)同步記錄大氣相對濕度、大氣溫度、太陽總輻射等氣象因子數據，每隔1 h采集1次數據并存儲。

3)蒸騰耗水量測算方法。由于樹木液流量99.8%以上是用于蒸騰耗水，所以可以用液流量直接反映樹木的蒸騰耗水能力［7］。馬李一等［6］在油松、刺槐單木與林分水平耗水量的尺度轉換研究中指出，刺槐、油松2樹種邊材面積與胸徑之間存在較高的相關性，二者之間的關系可以用冪函數模型得到很好的擬合，刺槐邊材面積與胸徑之間的擬合模型為y1=0.824 4x1.94941，油松邊材面積與胸徑之間的擬合模型為y2=1.045 2x1.67112，式中y1、y2、x1、x2分別為刺槐、油松的邊材面積(cm2)和胸徑(cm)。根據該擬合模型以及研究區林分密度(表1)擴展至林分水平，最終可估算出刺槐林、油松林4—10月份的蒸騰耗水量。

4)分析方法。運用Spass18.0軟件在0.01著性水平下，對刺槐、油松液流速率與大氣相對濕度、大氣溫度、太陽總輻射進行相關性分析，并在相關性分析的基礎上，利用多元線性回歸方法對刺槐、油松樹干液流速率和氣象因子進行逐步回歸分析。

表1 試驗地及樣本基本情況Tab．1 Basic situation of the experiment sites and the samples

3 結果與分析

3.1 生長季初期刺槐、油松樹干液流的比較

圖1為生長季初期(5月)刺槐、油松樹干液流日平均流速動態變化曲線。可見，在該研究區，刺槐在5月1—16日液流速率較低，日間變化不明顯，受氣象因子影響較小，日均液流速率小于油松，從17日開始，刺槐液流速率逐漸上升，日均液流速率逐漸超過油松，并持續停留在大于油松的水平上。在整個5月份，油松樹干液流速率波動較小，較為穩定。5月21、26、27日為陰雨天氣，刺槐和油松液流速率均呈現下降趨勢。

圖1 5月刺槐、油松樹干液流日平均液流速率Fig．1 Daily average sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in May

圖2為5月刺槐、油松樹干液流速率連日變化曲線。可見，刺槐在5月1—16日液流速率未呈現明顯的晝夜變化規律，僅產生微弱液流，液流速率遠小于油松，17日之后，刺槐液流速率開始呈現明顯的晝夜變化規律，與油松變化規律基本一致，刺槐液流速率開始逐漸增大，并超過油松樹干液流速率。

4月末至5月中旬，是黃土高原半干旱區刺槐的展葉期，展葉期間可分為芽期、展葉初期、中期和全葉期4個時期［23］。出現上述變化趨勢的原因可能是刺槐的芽期持續到5月16日，在芽期葉片未展開，蒸騰作用較弱，液流速率較低，受環境因子影響較小，從展葉初期(5月17日)開始，葉片逐漸展開，蒸騰作用逐漸增強，液流速率逐漸上升，并明顯受到環境因子的影響。

在5月份選擇4個典型晴天(5月17—20日)，利用此間的觀測數據，繪制了刺槐、油松樹干液流連日變化曲線(圖3)。由圖3可見，刺槐從5月17日開始，液流速率連日變化曲線與油松相似，均于09:00左右開始快速上升，12:00左右達到峰值，達到峰值后仍有較小幅度的波動，形成多個小峰組成的“高峰平臺”，在峰值持續時間為6 h左右，呈寬峰型曲線，于18:00左右開始下降，到23:00到達谷底。這與吳芳等［24］的研究結果類似。2樹種白天的樹干液流速率較大是由于白天樹木蒸騰量大，大量水分通過根系以被動方式吸入體內，在夜間樹干內仍然存在一定的液流量主要是由根壓引起的，水分以主動方式進入樹體補充白天蒸騰失水［25］。

圖2 5月份刺槐、油松樹干液流速率連日變化Fig．2 Diurnal variation in sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in May

圖3 5月17—20日刺槐、油松樹干液流速率連日變化Fig．3 Diurnal variation in sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis from May 17 to May 20

3.2 生長盛期刺槐、油松樹干液流比較

生長盛期(8月)降雨充沛，太陽輻射強度較大，是一年的蒸騰旺季。圖4為8月份刺槐、油松樹干液流日平均流速動態變化曲線，圖5為8月份刺槐、油松液流速率連日變化曲線。由圖4和圖5可知，整個8月份，刺槐日平均液流速率均大于油松，2樹種樹干液流速率連日變化趨勢基本相同，均表現出明顯的晝夜變化規律，白天液流速率明顯大于夜間。8月上旬持續的陰雨天氣，導致樹干液流保持在較低水平，日間差距較小，到19日開始，液流速率開始呈現增大趨勢。這是由于陰雨天過后，充沛的土壤水分和充足的光照使得樹木的蒸騰作用持續增大，到27日開始隨著土壤水分含量的逐漸降低，呈下降趨勢。

圖6為8月18—20日(其中19日為雨天)刺槐、油松樹干液流速率連日變化曲線。可以看出，刺槐、油松樹干液流速率變化趨勢基本相同，夜間存在一定的液流速率，09:00開始快速上升，11:00達到峰值，在峰值持續4 h左右，14:00開始快速下降，刺槐17:00降到谷底，油松18:00降到谷底。在雨天，刺槐和油松液流速率基本上沒有波動，白天夜間液流速率相差不大。雨后的晴天，2樹種均于12:00達到峰值，然后迅速下降，19:00左右降到谷底，呈現窄峰型曲線。

圖4 8月份刺槐、油松樹干液流日平均液流速率Fig．4 Daily average sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in August

圖5 8月份刺槐、油松樹干液流速率連日變化Fig．5 Diurnal variation in sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in August

3.3 刺槐、油松樹干液流速率季節性變化及其典型月份的比較

圖7為刺槐、油松不同月份月平均液流速率變化曲線。可知，刺槐、油松樹干液流呈現明顯的季節性變化規律，最小值出現在干旱的4月，分別為1.30和1.80 cm/h，降雨充沛的7月達最大值，分別為5.60和4.50 cm/h，分別是4月份的4.30和2.50倍。刺槐月平均液流速率在溫度較低、降雨較少的4、10月均小于油松的，在生長旺季5—9月均大于油松的。

圖7 刺槐、油松不同月份月平均流速變化Fig．7 Monthly average sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in different months

5月份，刺槐(展葉初期以后)、油松樹干液流速率于09:00開始快速上升，到12:00左右達到峰值，分別為4.11和4.50 cm/h，月平均液流速率分別為1.76和2.09 cm/h;8月份刺槐、油松樹干液流速率快速上升，到達峰值的時間與5月份基本一致，峰值分別為7.34和6.70 cm/h，分別是5月份刺槐、油松峰值的1.79和1.49倍，月平均液流速率分別為5.30和3.10 cm/h，分別是5月份的3.01和1.48倍。

3.4 林分的樹木蒸騰耗水量估算

圖8為刺槐、油松不同月份蒸騰耗水量直方圖。可見，刺槐、油松的耗水旺季集中在6—9月份，耗水量最大值均出現在7月份，分別為89.58和52.79 mm，最小值出現在4月份，分別為20.80和21.11 mm，分別是7月份的0.23和0.40倍。在整個生長季(4—10月)，刺槐的總耗水量為388.72 mm，油松的總耗水量為238.24 mm，油松耗水量是刺槐耗水量的1.63倍，4和10月，耗水量刺槐略小于油松，5—9月份，刺槐明顯大于油松。

圖8 刺槐、油松不同月份蒸騰耗水量Fig．8 Transpiration water consumption of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaepormif in different months

3.5 氣象因子對樹木樹干液流速率的影響

對刺槐、油松液流速率與大氣相對濕度、大氣溫度、太陽總輻射進行相關性分析。顯著性水平為0.01時，刺槐液流速率與上述氣象因子的相關系數分別為－0.435、0.510和0.725，油松液流速率與它們的相關系數分別為－0.322、0.532和0.895。可以判斷，上述氣象因子對刺槐、油松液流速率產生的影響由強到弱的順序依次為太陽總輻射＞大氣溫度＞大氣相對濕度。

經回歸分析，得到刺槐樹干液流速率(vs1/(cm·h－1))、油松樹干液流速率(vs2/(cm·h－1))與氣象因子的多元回歸模型如下:

式中:x1、x2、x3分別為大氣相對濕度，%;大氣溫度，℃;太陽總輻射，J。從式(1)可以看出，影響刺槐液流速率的主要因子是太陽總輻射，其次是大氣溫度，最后是大氣相對濕度。式(2)中被剔除的因子是大氣相對濕度，可知，影響油松液流速率的主要因子是太陽總輻射，其次是大氣溫度。

4 結論

1)生長季初期(5月份)，刺槐在芽期僅產生微弱液流，日均液流速率小于油松，未表現出明顯的晝夜變化規律，從展葉初期開始，液流速率迅速上升，到展葉中期和全葉期，刺槐液流流速開始呈現明顯的晝夜變化規律，且與油松的變化規律基本一致。在生長盛期(8月份)，日均液流速率刺槐均大于油松，2樹種液流速率連日變化規律基本相同，均表現出明顯的晝夜變化規律。

2)生長季初期，刺槐(展葉初期以后)、油松樹干液流速率12:00左右達到峰值，在峰值持續時間為6 h;8月份刺槐、油松樹干液流速率到達峰值的時間與5月份基本一致，在峰值持續時間為4 h，峰值和月平均液流速率均分別大于5月份。

3)刺槐、油松樹干液流呈現明顯的季節性變化規律，最小值出現在干旱的4月，降雨充沛的7月達最大值。刺槐林、油松林的耗水旺季集中在6—9月，耗水量最大值均出現在7月份，最小值出現在4月份。在整個生長季(4—10月)，油松林的總耗水量明顯大于刺槐林耗水量，4和10月，刺槐耗水量略小于油松，5—9月，刺槐明顯大于油松。

4)氣象因子對刺槐、油松液流速率的影響強度依次均為太陽總輻射＞大氣溫度＞大氣相對濕度。經回歸分析得，影響刺槐液流速率的主要因子均是太陽總輻射。

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Sap flow in forests ofRobinia pseudoaciaandPinus tabulaepormisby using TDP method

Guo Baoni1，Zhang Jianjun1，2，Wang Zhen3，Ru Hao1，Huang Ming1

(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing;2.Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing;3.International Center for Bamboo and Rattan，100102，Beijing:China)

Stem sap flow ofRobinia pseudoaciaandPinus tabulaepormistrees on the Loess Plateau，western Shanxi Province，was measured with the thermal dissipation probe(TDP)method during the growing season from April to October，2010.Combined with some concurrent meteorological factors，the diurnal and seasonal variations of stem sap flow of both species were comparatively studied.The model of sap flow and meteorological factors was established.The results showed that:1)the sap velocity ofR.pseudoaciawas lower than that ofP.tabulaepormisand no significant diurnal variation in early May.In late May，the average diurnal flow velocity ofR.pseudoaciawas higher than that ofP.tabulaepormis.Their diurnal variations were similar，and their flow velocity began to increase quickly from 9:00am and peaked at about 12:00am.2)In August，the average diurnal flow velocity ofR.pseudoaciawas also higher than that ofP.tabulaepormis.Their diurnal fluctuations were approximately same，and the time when flow velocity began to increase quickly and peaked was basically identical with that in May，but the diurnal peak values were 1.79 and 1.49 times as much as that in May.The average value of flow velocity in August was 3.01 and 1.48 times as much as that in May，respectively.3)Stem sap flow and monthly water consumption present seasonality law.Water consumption was high from June to September.Sap flow velocity reached a minimum at April and a maximum at July.From April to October during the whole growing season，the water consumption ofR.pseudoaciawas 1.63 times as much as that ofP.tabulaepormis.The regression analysis revealed that the main affecting factors of sap flow velocity were solar total radiation and vapor pressure deficit forR.pseudoaciaand solar total radiation and atmospheric temperature forP.tabulaepormis，respectively.

sap flow velocity;water consumption;Robinia pseudoacia;Pinus tabulaepormis;Loess Plateau in western Shanxi Province

2012－01－12

2012－05－17

“十二五”國家科技支撐項目“晉陜黃土丘陵溝壑區生態經濟型水土保持林研究與示范”(2011BAD38B0603)

郭寶妮(1986—)，女，碩士研究生。主要研究方向:生態環境工程。E－mail:guobaoni1111@163.com

?責任作者簡介:張建軍(1964—)，男，博士，副教授，碩士生導師。主要研究方向:水土保持。E－mail:zhangjianjun@bjfu.edu.cn

(責任編輯:宋如華)