甘肅涇川中溝小流域刺槐生長盛期樹干液流動態分析

費俊娥 王正安 邸利

摘要：文章通過對涇川縣中溝小流域生長盛期刺槐樹干液流特征與氣象因子相互關系研究，揭示該區域刺槐蒸騰耗水及其適應環境因子的內在聯系，為實現森林資源健康可持續經營提供參考依據。應用熱擴散式探針（TDP）于2017年8月1日至31日，對人工刺槐林樹干液流速率與氣象因子進行連續觀測。結果表明，刺槐晴天樹干液流速率的變化呈單峰型曲線，日平均液流速率分別為22.09g/h、22.43g/h和20.66g/h，生長盛期日平均液流速率為17.07g/h;刺槐樹干單位邊材面積的液流速率與空氣溫度、光合有效輻射、水汽壓虧缺呈極顯著正相關，與相對濕度呈極顯著負相關，其相關程度絕對值依次為光合有效輻射>水汽壓虧缺>空氣溫度>相對濕度>風速;單位邊材面積的液流速率隨胸徑的增大而減小。

關鍵詞：刺槐林;樹干液流;環境因子

刺槐具有耐旱耐貧瘠、成活率高等優勢，成為黃土高原水土保持造林的樹種之一，然而，黃土高原半干旱區降水較少、多數人工林的樹種單一、林下植被覆蓋度較低嚴重影響了水土保持生態效益的發揮與林分的可持續發展。樹干液流反映植物體內生理活動和水分動態變化，準確測定單位邊材面積樹干液流及尺度上推到林分蒸騰耗水速率是樹木應對干旱脅迫和延長健康壽命的重要指標。王連春等研究酸棗樹干液流發現其呈單峰型變化;凡超等對荔枝樹干液流研究認為樹干液流日變化具有明顯的晝夜節律。樹木瞬時液流與土壤水分以及環境因子密切相關，通過研究樹木邊材液流變化趨勢與環境因子的關系，可定量分析樹木生長與林分蒸騰耗水的相互關系。不同地區不同樹種的樹干液流已有大量研究，但對黃土高原半干旱區人工刺槐林生長盛期液流特征研究較少，因此，探討生長盛期刺槐的耗水特征、平衡林水供需關系，是該區域當前亟待解決的問題。本研究以甘肅涇川中溝小流域25年生人工刺槐林為研究對象，采用熱擴散探針對樹干液流與氣象因子進行持續監測，分析刺槐蒸騰耗水與環境因子之間的關系及水分傳輸與環境因子的內在聯系，為實現林木撫育與健康經營提供理論參考。

一、研究區概況與研究方法

（一）研究區概況

研究區位于隴東黃土高原的涇川縣中溝小流域，在東經107°15′～107°45′，北緯35°11′～35°31′之間，氣候類型為典型的大陸性氣候，四季分明，降雨多集中于夏季。年蒸發量1339.6 mm，相對濕度69%，干燥度0.95～1.28。地貌地形屬典型的黃土丘陵溝壑區，土壤以黃土為主，現有林地面積54.2萬hm2，森林覆蓋率達38%，僅官山林場栽植以刺槐為主的人工林就達1327 hm2。植被類型屬于森林-草地過渡帶，刺槐林面積占林木總面積的92%，立體結構林分少，林下草本植物主要為灰條菜（Chenopodium allbum）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等。

（二）研究方法

1. 樣木選取

建立面積為20×20m的標準樣地，對樣地進行每木檢尺，測定標準木胸徑為16.86cm，選擇生長狀況良好、樹干通直的3株接近標準木胸徑的刺槐作為監測木（表1）。應用熱擴散探針在8月1日到8月31日對其進行連續監測。為避免太陽直射引起的測量誤差，將探針統一安裝在樹干北側1.3米處。數據記錄間隔設置為10min。

液流速率采用Granier（1987）的公式來計算，即：

Vs=0.0119K1.231

K=（dTm-dT）/dT

式中：Vs為瞬時液流速率;dTm為無液流時加熱探針與參考探針的最大溫差值;dT為瞬時溫差值。

2. 環境因子的測定

利用樣地旁安裝的自動氣象站，采集太陽有效輻射、空氣溫度、風速、空氣相對濕度等氣象要素。用水汽壓虧缺（VPD）來綜合反映相對濕度和空氣溫度的協同效應。

VPD=0.611e■（1-RH）

式中：VPD為水汽壓虧缺（kPa），T為空氣溫度（℃），RH為空氣相對濕度（%）。

二、結果與分析

（一）刺槐液流變化特征

1. 刺槐液流日變化特征

選取8月份3個典型連續晴天的樹干液流速率來反映其日變化（圖1-a）。由圖可知，人工刺槐樹干液流日變化呈“單峰型”變化規律，樣木3的啟動時間在6：00～7：00，樣木1、2的啟動時間在7：00～8：00，啟動后的樹干液流平均速率分別為30.40g/h（8月9日）>16.10g/h（8月10日）>18.41g/h（8月11日），液流到達峰值的時間為9：00～11：00，就單株的峰值而言，樣木3（76.17g/h）>樣木2（33.39g/h）>樣木1（30.08g/h），樣木3的胸徑最小，但蒸騰耗水量最多，這可能與樣樹的胸徑有關。22：00左右刺槐液流速率逐漸降到低谷。日平均液流速率分別為22.09、22.43和20.66g/h。8月1日至31日平均液流速率為17.07g/h。

2. 不同徑級刺槐樹干液流變化

研究表明，單株林木的樹干液流與其胸徑顯著相關，計算單位邊材面積的液流速率可實現單木到林分蒸騰量的尺度轉換。圖1-b為不同胸徑的單位邊材液流日變化，3株刺槐的液流速率變化大致相同，根據所選樣木的參數差異分析其個體特征，發現胸徑小的樣木單位邊材也小，但單位邊材面積的液流速率較大。隨樣木胸徑增大，單位邊材面積液流速率（g/h）依次為22.90、14.30、14.01，呈減小趨勢。

（二）刺槐樹干液流與影響因子關系

1. 刺槐樹干液流與環境因子

為揭示刺槐樹干液流速率與各氣象因子的相互作用，選取8月份的氣象數據對3株樣木樹干液流與氣象因子進行相關性分析（表2）;以樹干液流速率為因變量，以氣象因子為自變量，采用多元逐步回歸建立樹干液流速率與環境因子回歸模型（表3）。三個回歸模型可較好揭示單位邊材面積樹干液流與氣象因子的相互關系。

2. 刺槐液流動態與土壤水分

土壤的供水水平限制著樹木蒸騰耗水能力，生長盛期降雨較多且天數較分散，空氣溫度較高，蒸發量較大，1米深度的林地土層的土壤水分呈減少趨勢（圖2），8月6～8日、8月12～14日、8月18～31日均有不同程度的降雨，按0～2 mm、2～5 mm、5～10 mm的區間劃分降雨強度，分別選取8月7日（降雨為14.8 mm）、8月18日（降雨為2.2 mm）、8月27日（降雨為0.4 mm）以及無降雨的8月3日不同土層土壤含水量數據作圖，由圖2可知，連續短歷時的少量降雨加之空氣溫度的影響，林地內20 cm以下的土壤水分仍然呈虧缺態勢。與降雨前比較，8月7日有14.8 mm的降雨，降雨歷時較長，空氣溫度和水汽壓虧缺均降低，太陽輻射強度減小，風速加大，致使樹干液流速率發生了顯著性的變化;12日（4.8mm）有短歷時的少量降雨，但環境因子的起伏波動不大，液流速率并未發生明顯的變化，說明土壤水分在一定程度上影響樹木的蒸騰耗水。

三、結語

對隴東黃土高原25年生長盛期人工刺槐研究發現，樣木晴天日變化基本呈單峰型曲線，刺槐樹干液流啟動時間、到達峰值時間與降到最低值時間分別為6：00～8：00、9：00～11：00、22：00，日平均液流速率分別為22.09、22.43和20.66g/h。8月1日至31日的平均液流速率為17.07g/h。

刺槐胸徑與邊材面積存在顯著線性關系，關系式為y=36.8x-566.95，R2=0.9917。刺槐液流速率隨胸徑增大而減小，隨樣木胸徑增大，單位邊材面積液流速率（g/h）依次為22.90、14.30、14.01，呈減小趨勢。

刺槐單位邊材面積的液流速率與空氣溫度、太陽有效輻射、水汽壓虧缺呈極顯著正相關，與相對濕度呈極顯著負相關，影響刺槐液流程度的絕對值順序為光合有效輻射>水汽壓虧缺>空氣溫度>相對濕度>風速。建立單位邊材面積樹干液流與環境因子的線性模型，可較好的揭示兩者的相互關系。研究期土壤水分呈逐漸增加的趨勢，基本滿足自身生長需要，液流隨土壤水分的變化不顯著，主要受環境因子的影響。

參考文獻：

[1]樊敏，馬履一，王瑞輝.刺槐春夏季樹干液流變化規律[J].林業科學，2008，44（01）：41-45.

[2]劉國彬.黃土高原草地土壤抗沖性及其機理研究[J].水土保持學報，1998（01）：93-96.

[3]張涵丹，衛偉，陳利頂，等.典型黃土區油松樹干液流變化特征分析[J].環境科學，2015（01）：349-356.

[4]王連春，翟明普，劉道平，等.酸棗樹干液流速率與環境因子的關系[J].北京林業大學學報，2009，31（06）：134-138.

[5]凡超，邱燕萍，李志強，等.荔枝樹干液流速率與氣象因子的關系[J].生態學報，2014，34（09）：2401-2410.

[6]孫慧珍，孫龍，王傳寬，等.東北東部山區主要樹種樹干液流研究[J].林業科學，2005，41（03）：36-42.

（作者單位：費俊娥、邸利，甘肅農業大學資源與環境學院;王正安，寧夏農林科學院固原分院。王正安為通訊作者）