疏伐對黃土丘陵區(qū)刺槐林蒸騰的影響

楊文慧,焦 磊,*,買爾當·克依木,李宗善,高光耀,王 聰,白應飛,孫婧雅,溫潤泉

1 陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710119 2 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 3 延安市退耕還林工程管理辦公室, 延安 716000 4 延安市寶塔區(qū)南泥灣國有生態(tài)林場,延安 716000

黃土高原是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū),水資源短缺、水土流失嚴重[1]。為控制水土流失,從1999年起實施了“退耕還林(草)”工程,開展了大規(guī)模的植被建設[2-3]。刺槐因其速生、耐旱、易繁殖等特點被用作黃土高原地區(qū)主要的水土保持樹種和造林樹種[4],其林分面積占黃土丘陵溝壑區(qū)喬木林面積的80% 以上[5],在增加區(qū)域植被覆蓋率、減緩水土流失、改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務等方面發(fā)揮了重要作用[6-8]。在植被建設早期,由于人們片面追求快速郁閉而忽略了適地適樹和近自然森林經營理論技術,導致刺槐林林分密度過高。林分密度是影響林木生長、林分生產力及水分利用的關鍵因子,直接關系到造林成效的優(yōu)劣[6]。在黃土高原,土壤水分是植物的重要水源[2],植物根系從土壤中吸收的水分,通過葉片氣孔擴散到大氣中[9],較高的造林密度導致刺槐林在蒸騰過程中過多地消耗土壤水分,是造成土壤干層的主要原因之一,而土壤干層的普遍存在,又使土壤供水能力大幅下降,繼而影響了刺槐的正常生長,出現(xiàn)大面積生長減緩、冠層干枯甚至整株死亡的現(xiàn)象,不利于其生態(tài)功能的持續(xù)發(fā)揮[10-11]。

當前,黃土高原植被建設已達到土壤水分承載力的閾值[12],未來不宜繼續(xù)開展大規(guī)模的植樹造林,而是要加強對現(xiàn)有林分的結構優(yōu)化并提升其生態(tài)功能[13]。對高密度的刺槐林進行合理的疏伐,既可以優(yōu)化林分結構、還能夠控制蒸散發(fā)并調控土壤水分,是促進刺槐林可持續(xù)生長的有效手段[1]。蒸騰是植被重要的生理過程,也是關鍵的水文過程,精確量化樹木蒸騰是造林密度、物種選擇等林業(yè)生態(tài)工程建設技術中的最關鍵問題之一[14]。目前對于刺槐林蒸騰的研究主要集中于耗水規(guī)律及其環(huán)境因子[15-22],缺乏疏伐對其蒸騰影響的研究。為了探明疏伐對人工刺槐林蒸騰耗水的影響,本研究在黃土丘陵區(qū)建立刺槐林長期固定觀測樣地,并對樣地進行不同強度的疏伐,以闡明刺槐(單株、林地尺度)蒸騰隨疏伐強度的變化規(guī)律,并揭示在不同時間尺度上不同疏伐強度刺槐林蒸騰與環(huán)境關系的差異,旨在為刺槐林疏伐效果的評價、合理林分密度的確定、林分結構優(yōu)化和功能提升提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域與樣地設置

研究區(qū)位于陜西省延安市寶塔區(qū)南泥灣國有生態(tài)林場(36°20′54″N,109°36′42″E)(圖1),平均海拔1200 m。該區(qū)域屬半濕潤氣候區(qū),是我國東部季風濕潤區(qū)與內陸干旱區(qū)過渡帶[23],多年(1960—2016年)的平均溫度與降雨量為10 ℃和537 mm[24],年內降水分布不均,多集中在6—9月[25]。研究區(qū)屬黃土高原丘陵溝壑區(qū),土壤主要為黃綿土。本研究的觀測樣地位于南泥灣林場附近中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心“黃土高原延安市人工刺槐林生態(tài)效益評估固定監(jiān)測樣地”內。

圖1 研究區(qū)域位置及樣地設置Fig.1 Location of study site and sampling site setting

1.2 疏伐措施

試驗林位于坡向、坡度相同的坡面上,坡向為東南,坡度15°左右,坡面南北長度大于300 m,東西寬大于60 m。試驗林為“退耕還林(草)”工程實施后種植,根據(jù)樹木年輪生長錐測定的林齡為18年(2019年),平均密度為1408株/hm2,種植之前為坡耕地。在刺槐試驗林平行設置4個50 m × 50 m的標準樣地,間隔15 m左右(圖1),各樣地初始密度相似。2019年7月,根據(jù)不同疏伐強度設計方案對3個樣地進行疏伐,優(yōu)先砍伐生長不良的刺槐,兼顧保留植株空間分布均勻。疏伐強度最大的為樣地1(P1),疏伐強度為52%,疏伐后林分密度為680株/hm2；其次為樣地2(P2),其疏伐強度48%,疏伐后密度為736株/hm2；再為樣地3(P3),其疏伐強度為35%,疏伐后密度為916株/hm2,樣地4是未疏伐的對照樣地(圖2)。

圖2 4個樣地疏伐后林分密度與邊材面積對比Fig.2 Comparison of stand density and sapwood area of 4 plots after thinningP1表示樣地1,P2表示樣地2,以此類推

1.3 樹干液流觀測

在4個樣地中部(對角線相交的中間位置),各選擇不同徑階、生長良好的刺槐8株,采用Granier式的熱擴散探針(Thermal Dissipation Probe,TDP)對單株樹木的液流速率(sap flux density,Fd)進行連續(xù)監(jiān)測 (2019-8-7—2019-10-22)。探針長度10 mm,將探針安裝在莖距地1.3 m處的北側,并用鋁膜覆蓋,以防止由于太陽輻射引起誤差,用玻璃膠和膠帶封住鋁膜與樹干之間的縫隙,以免樹干徑流的影響。采用CR1000數(shù)據(jù)采集器記錄監(jiān)測數(shù)據(jù),測量間隔60 s,記錄間隔30 min。

1.4 氣象因子和土壤水分觀測

氣象因子：樣地附近空曠處設有微型自動氣象觀測站,測定的指標主要有太陽輻射(solar radiation,Rs,W/m2)、空氣溫度(air temperature,T,℃)、相對濕度(relative humidity,RH,%)等,測量間隔為60 s,記錄間隔30 min。采用飽和水汽壓虧缺(vapor pressure deficit,VPD,kPa)這一指標以反映空氣溫度與空氣濕度的協(xié)同效應,基于以下公式[26]計算：

(1)

式中,T為空氣溫度(℃),RH為空氣相對濕度(%),a、b、c為參數(shù),分別為0.611 kPa、17.502、240.97 ℃。

土壤濕度：使用土壤水分傳感器(EC20)監(jiān)測各樣地土壤體積含水量(soil volumetric water content,SWC,m3/m3),在樣地內挖掘2 m深土壤剖面,在剖面的不同深度安裝探針對土壤濕度進行實時監(jiān)測,探針安裝深度分別為5、10、20、40、60、80、100、150、200 cm。測量間隔為60 s,記錄間隔30 min,與樹干液流觀測同步。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

本研究通過構建樹木胸徑與邊材面積及樹皮厚度之間的數(shù)量關系來計算樣木的邊材面積與樹皮厚度。邊材面積和胸徑之間的關系可以采用冪函數(shù)(y=axb)表示[27],樹皮厚度與胸徑之間的關系可以用函數(shù)(y=ax+b)來估算[28],將樣地中刺槐樹干橫截面樣本的胸徑分別與邊材面積及樹皮厚度進行擬合建立公式(圖3)。

圖3 刺槐邊材面積及樹皮厚度與胸徑之間的關系Fig.3 The relationship between sapwood area (As) and diameter at breast height (DBH) and bark thickness (Tb) and diameter at breast height (DBH) of R.pseudoacacia

研究表明應用熱擴散技術會低估樹干液流速率值,需進行物種特異性校準[29],有研究[8]根據(jù)Granier液流計算公式對刺槐樹干液流速率進行實驗室校準,得到校準后的公式如下：

Fd=0.0510K1.180

(2)

(3)

式中,Fd(g cm-2s-1)為邊材液流速率,ΔT(℃)為加熱探針與參考探針的瞬時溫差值,ΔTmax(℃)為無液流時加熱探針與參考探針的最大溫差值,即ΔT(℃)的最大值。

當探針的長度大于邊材寬度時,一部分被插入非導水木材,計算得到的液流速率存在誤差[30],為避免Fd(g cm-2s-1)值被低估,利用公式4[31]對ΔT(℃)進行校正。

(4)

(5)

式中,a為探針在邊材中的部分占整個探針長度的比例,b為探針在非邊材即心材中的部分占整個探針的比例(b=1-a),ΔTsw(℃)為校正后兩探針之間的溫差,以替代公式3中的ΔT(℃)。為確定參數(shù)a、b,需估算邊材厚度[28](公式5)。式(5)中,Ts(cm)為邊材厚度,DBH(cm)為胸徑,Tb(cm)為樹皮厚度,As(cm2)為邊材面積。

樣地尺度平均液流速Js(kg cm-2d-1)的計算采用如下公式：

(6)

(7)

式中,Js(kg cm-2d-1)是樣地尺度平均液流速率,Fdi(kg cm-2d-1)是第i株樣木液流速率,Asi(cm2)是第i株樣木的邊材面積,n為樣地被測樣木總數(shù)。式(7)中,Q(mm/d)是林分蒸騰,Js(kg cm-2d-1)是樣地尺度液流速率,AST(cm2)是樣地邊材面積總和,AG(m2)是樣地面積。

采用Spearman相關分析探究單株及林分尺度蒸騰與環(huán)境因子之間的關系,采用非參數(shù)檢驗的方法對不同疏伐強度樣地蒸騰差異性進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 疏伐前后林地樹木徑級、邊材面積的變化

將疏伐強度不同的4個樣地中所有的樹木的調查數(shù)據(jù)歸納整理后進行徑階劃分,結果如圖4。疏伐前后4個人工樣地的刺槐徑級分布均呈現(xiàn)“正態(tài)分布”的形式。疏伐前,樣地1、樣地3、樣地4(對照樣地)徑階分布峰值為5—10 cm徑階,樣地2的分布峰值為10—15 cm徑階。疏伐后徑級分布得到調整,樣地1、樣地4(對照樣地)徑階分布峰值仍為5—10 cm徑階,但樣地1該徑階刺槐占比由59.86% 減小為51.76%；樣地2徑階分布峰值仍為10—15 cm徑階,該徑階刺槐占比由41.27% 增加至50.54%；樣地3的分布峰值由5—10 cm徑階變?yōu)?0—15 cm徑階,疏伐使樣地3中5—10 cm徑階刺槐占比由43.44% 降至28.82%,10—15 cm徑階刺槐占比由42.24% 變?yōu)?5.46%；整體而言,疏伐后樣地1—3的徑級分布均呈現(xiàn)出0—5 cm徑階、5—10 cm徑階刺槐的占比減小,10—15 cm徑階、15—20 cm徑階刺槐占比增大的趨勢。

圖4 疏伐前后不同疏伐強度各徑階數(shù)量、比例分布圖 Fig.4 Number and frequency of trees in different diameter at breast height (DBH) classes of 4 plots in pre-thinning and after-thinning,thinning intensity decreases from plot 1 to plot 4,the curves are made by Gaussian fit圖中曲線通過高斯曲線擬合得到

疏伐后各樣地邊材面積總和的大小順序與林分密度大小順序一致(圖2),樣地邊材面積由大到小分別為樣地4(9960 cm2)、樣地3(7890 cm2)、樣地2(6836 cm2)、樣地1(4397 cm2)。

2.2 單株尺度液流速率變化

2.2.1半小時尺度單株液流速率變化

液流速率是衡量單株尺度蒸騰速率的指標。在半小時尺度上,3個連續(xù)的晴天(2019-9-3—2019-9-5)各樣地單株尺度液流速率日動態(tài)過程如圖5所示。樣地1—4單株尺度液流速率呈現(xiàn)規(guī)律性的晝夜交替變化,啟動時刻約為8:00,達到峰值的時刻約為11:00,迅速下降的時刻約為16:00,凌晨與午夜仍有液流存在。樣地1、樣地2、樣地3、樣地4典型日單株液流速率的平均值分別為：0.0088、0.0068、0.0054、0.0053 g cm-2s-1,各樣地半小時尺度液流速率在午夜與凌晨時段差異小,其余時段差異明顯,將樣地1—4在3個典型日液流速率峰值的平均值進行對比,樣地1最高(0.0221 g cm-2s-1),其次為樣地2(0.0187 g cm-2s-1),均高于樣地3(0.0146 g cm-2s-1)與樣地4(0.0144 g cm-2s-1)。

圖5 半小時與日尺度樣地1—4液流速率變化動態(tài) Fig.5 Changes of sap flux density (Fd) in 4 plots in half hour and daily scale

2.2.2日尺度單株液流速率變化

觀測期內,樣地1—4日尺度單株液流速率整體呈下降趨勢,樣地間差異逐漸縮小(圖5)。8月,樣地1液流速率最大,其次為樣地2,再為樣地3,樣地4最小；9月樣地4液流速率超過樣地3,樣地3液流速率最小,樣地1與其它樣地之間的差異縮小,至10月,樣地1、樣地2、樣地4的液流速率差異細微,仍高于樣地3。觀測期內樣地1、樣地2、樣地3、樣地4單株液流速率平均值分別為0.53、0.41、0.31、0.33 kg cm-2d-1(圖6)。與變化趨勢圖展現(xiàn)出的樣地間差異一致,Kruskal-Wallis H檢驗結果表明,樣地1、2之間液流速率差異不顯著,但均顯著高于樣地3(P<0.05),而樣地3、4之間無顯著差異(P>0.05)。整體而言,日尺度單株液流速率隨林分密度增大(疏伐強度減小)整體呈現(xiàn)下降趨勢。

圖6 觀測期日尺度單株液流速率平均值 Fig.6 Average day scale sap flux density (Fd) of 4 plots in experimental periods不同小寫字母表示樣地間日尺度單株液流速率差異顯著(P<0.05)

2.3 林分尺度蒸騰的變化

有關研究顯示樹木根部吸收的水分99.9% 用于蒸騰,通過精確計算液流積累量可以基本確定植物蒸騰耗水量[18]。林分尺度蒸騰量跟邊材面積和樣地平均液流速率關系密切。在觀測期(2019-8-7—2019-10-22)內,各樣地日平均蒸騰量由高到低為樣地4(1.44 mm/d)、樣地2(1.18 mm/d)、樣地3(1.04 mm/d)、樣地1(0.90 mm/d)(圖7),這與樣地液流速率及邊材面積的大小關系有所不同。樣地1、3、4的日均蒸騰量與其邊材面積的大小關系相對一致,樣地1的平均液流速率最高,其日均蒸騰量卻小于液流速率最低的樣地3,這說明大的邊材面積可以在一定程度上彌補較低液流速率帶來的影響；而樣地邊材面積較小的樣地2由于較高的液流速率獲得高于樣地3的日均蒸騰量,也說明當邊材面積差異不大的情況下,液流速率大可以使邊材面積較小的樣地獲得較高的日均蒸騰量。整體而言,隨林分密度增大(疏伐強度減小),林分日均蒸騰量整體呈上升趨勢。

圖7 觀測期日均蒸騰量Fig.7 Transpiration (Q) of 4 plots

2.4 液流速率與環(huán)境因子的關系

2.4.1半小時尺度

將3個典型日(2019-9-3—2019-9-5)半小時尺度液流速率與對應時刻各環(huán)境因子做相關分析,結果顯示(表1),在4個樣地中半小時尺度單株液流速率均與太陽輻射、空氣溫度、飽和水汽壓虧缺、土壤體積含水量呈現(xiàn)正相關,與相對濕度呈現(xiàn)負相關。影響4個樣地半小時尺度液流速率的主要環(huán)境因子為太陽輻射與空氣溫度,4個樣地半小時尺度單株液流速率均受太陽輻射的影響最大,Spearman相關系數(shù)超過0.8；樣地1—3液流速率與空氣溫度的相關系數(shù)僅次于液流速率與太陽輻射的相關系數(shù),樣地4液流速率與空氣溫度的相關系數(shù)為0.806,與相關系數(shù)絕對值排在第二位的0.808相差較小,因此認為空氣溫度對液流速率的影響僅次于太陽輻射。相對濕度、飽和水汽壓虧缺也對液流速率都有較大的影響。4個樣地半小時尺度單株液流速率與環(huán)境因子之間的相關性呈現(xiàn)出較為一致的情況,說明在半小時尺度上,樣地間單株液流速率與環(huán)境因子關系沒有顯著差異。

表1 環(huán)境因子與半小時尺度液流速率的Spearman相關系數(shù)

液流速率的日動態(tài)曲線與太陽輻射、空氣溫度、相對濕度、飽和水汽壓虧缺的變化規(guī)律相吻合。太陽輻射與空氣溫度的啟動時刻早于液流速率,達到峰值的時間滯后于液流速率；空氣相對濕度與液流速率呈現(xiàn)相反的變化趨勢,其迅速下降的時刻與液流速率啟動時刻基本一致,達到谷值的時刻滯后于液流速率達到峰值的時刻；飽和水汽壓虧缺的迅速增加的時刻與液流速率啟動時刻基本一致,但其達到峰值的時刻滯后于液流速率。由于4個樣地液流速率的啟動時刻、達到峰值時刻、迅速下降時刻基本一致,因此各樣地液流速率與環(huán)境因子的時滯沒有顯著差異。氣象因子與液流速率時滯現(xiàn)象是由于清晨太陽輻射弱,氣溫低,液流速率變化緩慢,隨著太陽輻射逐漸增強,空氣相對濕度下降,氣孔導度不斷升高,液流速率增強達到峰值,此時有利于蒸騰的氣象因子仍在不斷增加(減小)至峰值(谷值)的過程中,植物為防止大量耗水,液流速率開始緩慢下降,表現(xiàn)為液流速率達到峰值的時刻提前于氣象因子[7]。

2.4.2日尺度

將樣地1—4觀測期(2019-8-7—2019-10-22)日尺度單株液流速率與環(huán)境因子做相關分析,結果表明(表2),樣地1—4日尺度單株液流速率均與太陽輻射、大氣溫度、空氣相對濕度、飽和水汽壓虧缺、土壤體積含水量存在顯著相關性,4個樣地日尺度單株液流速率均受飽和水汽壓虧缺影響最大(Spearman相關系數(shù)分別為0.868、0.913、0.843、0.881),樣地1、樣地2、樣地4日尺度單株液流速率與太陽輻射的相關系數(shù)僅次于飽和水汽壓虧缺,樣地3則受氣溫影響較大。各樣地日尺度單株液流速率均與相對濕度、土壤體積含水量呈現(xiàn)負相關。整體來看,4個樣地日尺度單株液流速率與環(huán)境因子之間的關系無明顯差異。利用指數(shù)飽和模型(y=a(1-e-bx))來擬合飽和水汽壓虧缺與日尺度單株液流速率[32],發(fā)現(xiàn)飽和水汽壓虧缺日均值與液流速率的關系符合指數(shù)飽和曲線的形式(圖8),曲線的斜率可以反映從土壤到大氣的水力傳導,斜率大說明導度高[33-34],VPD<0.8 kPa時,樣地1斜率最大,其次為樣地2,再為樣地4,樣地3斜率最小,表明導度由高到低為樣地1、樣地2、樣地4、樣地3。在VPD約為0.8 kPa時,樣地4首先接近閾值,此后樣地4液流速率趨于平穩(wěn),樣地1—3曲線斜率減小。Kruskal-Wallis H檢驗結果表明,不同VPD級別下,樣地間日尺度單株液流速率差異不同(圖8)。VPD<0.2 kPa、0.2 kPa< VPD<0.5 kPa、兩個級別下,4個樣地間日尺度單株液流速率無顯著差異,隨飽和水汽壓虧缺增大,樣地間的差異增大。

表2 日尺度環(huán)境因子與單株液流速率的Spearman相關系數(shù)

圖8 飽和水汽壓虧缺(VPD)與樣地1—4刺槐邊材液流速率的關系Fig.8 Relationship between vapor pressure deficit (VPD) and sap flux density (Fd) during the experimental period in 4 plots不同小寫字母表示表示樣地間液流速率差異顯著(P<0.05)

3 討論

在本研究中,單株蒸騰速率隨疏伐強度的增加呈現(xiàn)整體增大的趨勢,這可能是因為疏伐降低了林分密度,林分郁閉度減小,林分內部氣象條件改變,冠層能夠獲得更多的太陽輻射,提高了樹木的蒸騰速率[35-37]。一方面,本研究發(fā)現(xiàn),半小時液流速率受太陽輻射影響最大(表1)。太陽輻射是調節(jié)氣孔運動的主要環(huán)境信號,其促使氣孔開放,減少內部阻力,從而增強蒸騰作用[35]。疏伐后,冠層接受更多的有效輻射,不僅直接影響樹干液流速率,而且還會通過影響大氣溫度及濕度間接對樹干液流產生影響[36]。另一方面,林分內的夏季氣溫隨疏伐強度的加大而提高[37],大氣溫度增高使葉內外蒸氣壓差加大,有利于水分從葉內溢出,有可能促使蒸騰加強。疏伐使空氣的流動速度增大,林內大氣相對濕度隨疏伐的強度的增加而降低[37],空氣相對濕度降低使葉內外蒸氣壓差增大,加速蒸騰[35]。

對于林分尺度而言,疏伐后樣地林分密度得到調整,10—15 cm徑階、15—20 cm徑階的刺槐數(shù)量占比增大,最終樣地之間邊材面積總和的大小順序與林分密度的大小順序一致：樣地1<樣地2<樣地3<樣地4。林分密度大(疏伐強度小)的樣地單株液流速率更低,但其更大的邊材面積可以在一定程度上彌補液流速率低這一劣勢,使林分日均蒸騰量隨林分密度增加呈現(xiàn)上升趨勢。對照樣地(樣地4)在半小時與日尺度的單株液流速率均低于樣地1和樣地2,但更大的樣地邊材面積使樣地4的日均蒸騰量高于樣地1和樣地2。

在4個樣地中,液流速率每天的啟動時間以及到達峰值的時間與氣象因子迅速增長以及到達峰值存在一定的時滯。在有利于蒸騰的環(huán)境因子不斷增加至峰值的過程中,為防止大量耗水,大多數(shù)溫帶樹種在中午之前實施氣孔調節(jié),使液流速率不再持續(xù)增加,在較為干燥的夏季,多數(shù)植物會通過迅速關閉氣孔來維持水勢[38],這體現(xiàn)了植物的耗水策略。已有研究表明,疏伐后冠層接受更多的太陽輻射使葉片更易受到水分脅迫,導致樹木水分利用對環(huán)境條件更加敏感[39],在本研究中,半小時尺度單株液流速率與環(huán)境因子的時滯差異并不明顯,而日尺度上飽和水汽壓差的增大使蒸騰作用逐漸增強且樣地間液流速率的差異逐漸顯著。這說明樣地間液流速率的差異受到環(huán)境因子的限制,在有利于蒸騰的環(huán)境因子達到一定程度時差異出現(xiàn),但該環(huán)境因子的影響有限,隨飽和水汽壓虧缺增大,液流速率逐漸趨于穩(wěn)定,差異也趨于穩(wěn)定。

本研究存在一些不足之處,一方面本研究僅設置了4個樣地,且疏伐強度集中在35% 至52%之間,由于疏伐強度的梯度不夠多,難以刻畫刺槐林林分日均蒸騰量隨疏伐強度變化的精準情形,且其它疏伐強度對刺槐林林分日均蒸騰量的影響也無法得知。已有研究[6]表明,在1400株/hm2至2200株/hm2之間,林分蒸騰耗水量先增大后減小,當密度在1400—1800株/hm2,日均蒸騰量隨林分密度增大呈上升趨勢,林分密度為1800株/hm2時,日均蒸騰量達到最大值,當林分密度繼續(xù)增大到2000和2200株/hm2時,日均蒸騰量處于較低的水平。在本研究中樣地3(疏伐強度35%)林分日均蒸騰量低于樣地4(對照樣地),不符合疏伐強度與日均蒸騰量展現(xiàn)出的整體規(guī)律,該現(xiàn)象是否可以印證蒸騰耗水量隨疏伐強度減小(林分密度增大)先增大后減小的規(guī)律,仍需要設置更多的疏伐強度梯度以探明疏伐強度對蒸騰的影響規(guī)律。另一方面,本研究只探究了疏伐對蒸騰的短期影響(疏伐后1—2個月),其中單株刺槐蒸騰在未疏伐的對照樣地與疏伐強度35%及疏伐強度48%的樣地之間并不存在顯著的差異,這可能是由于采取疏伐措施后不久就進行觀測,此時林地土壤水分狀況尚未因林分密度變化而改變[40],因此在不同的樣地間單株蒸騰并未出現(xiàn)顯著差異。疏伐長時間后,林分密度的變化造成土壤水分狀況改變的同時也會影響樹木生長,進而影響蒸騰。研究發(fā)現(xiàn),由于間伐林分的高胸徑生長率,間伐林分和未間伐林分的斷面積差異在間伐后的3年觀察期內逐漸減小[41]。疏伐后30年,低密度林分的胸徑生長速率高于中密度林分,疏生林在個體水平上的邊材面積隨樹木生長而增大[39]。在林分水平上,由于胸徑生長速度較快,疏伐導致減少的林分總斷面積和邊材面積可以更快地恢復,并隨著時間的推移達到接近密林的水平,在生長季稀疏林分的液流速率以及林分蒸騰量高于高密度林分[39]。除此之外,樹干液流與環(huán)境因子的關系受時間尺度影響較大。較小時間尺度下,樹干液流受與葉片相關的環(huán)境因子影響較大,較大時間尺度下,受與根系相關的生態(tài)因子影響更明顯[42]。同時,本研究發(fā)現(xiàn),不同疏伐強度的樣地間環(huán)境因子與液流速率的相關系數(shù)的大小關系相對一致,說明在短期內(2個月),疏伐未對蒸騰—環(huán)境關系產生明顯的影響。因此采取疏伐措施長時間后,由林分密度的改變造成的影響仍需進一步研究。最后,合理密度是指在該密度條件下, 土壤的供水能力能夠滿足林木生長需要, 而不出現(xiàn)土壤水分虧缺造成干化的造林密度[43],本文僅從植被蒸騰的角度探討了林分密度對植被水分利用的影響,未來應遵循“量水植樹”的基本原則,以水量平衡為前提對土壤—植被系統(tǒng)進行綜合分析,從而確定合理的林分密度[44]。

4 結論

通過開展刺槐林不同疏伐強度的控制試驗發(fā)現(xiàn),疏伐對刺槐蒸騰的影響在單株尺度與樣地尺度不同,即隨著疏伐強度的增加刺槐單株尺度蒸騰呈增加的趨勢,而林分尺度蒸騰呈下降的趨勢。但是,未疏伐的對照樣地與疏伐強度35% 及疏伐強度48% 樣地的單株尺度蒸騰在短期內(2個月)并未體現(xiàn)顯著的差異。另外,大氣蒸騰動力(VPD)越大,各疏伐強度樣地之間蒸騰差異越明顯,表明環(huán)境條件在一定程度上也會對疏伐的蒸騰變化產生影響。研究結果初步反映了疏伐導致的林分密度變化對刺槐蒸騰的影響,將為黃土丘陵區(qū)刺槐林的結構改造、功能提升和土壤水分調控提供理論支持。