林地環境因子對油茶春梢生長期液流動態的影響

陳志鋼，蘇淑釵，周寅杰，李 超

（1.北京林業大學 林學院 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083；2.中南林業科技大學 林學院，湖南 長沙 410004）

油茶Camellia oleiferaAbel.原產于我國，是我國主要的木本食用油料樹種，又名茶子樹、油茶樹，為常綠小喬木，有悠久的栽培歷史[1-2]。近年來，我國南方大力發展油茶產業，現已初步形成規模化油茶種植區域和產業化茶油加工、銷售鏈，油茶的栽培管理技術有了大幅提升，然而油茶生產環節中仍存在產量變異大、無科學的水肥管理措施等突出問題[3]，目前已有較多關于油茶配方施肥、植物營養、分子生物學等方面的研究報道[4-5]，而未見關于油茶水分生理、耗水及水分管理方面的研究；水肥管理是油茶高效栽培技術的重要內容，研究油茶不同生育時期的需水規律，對于科學合理地栽培和管理油茶具有重要的指導意義。為了從油茶需水及土壤供水方面解決油茶水分管理問題，通過連續2年對油茶需水的動態變化情況及環境因子進行測定與分析，著重研究了油茶新梢生長期的液流動態及與林地環境因子變化的關系，旨在為油茶新梢生長期的水肥管理和人工修剪提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2012年3月～2012年5月在湖南省林業科學院油茶示范基地進行。采用湘林5號油茶為試驗材料，選擇有完整日照、不遮陰的林地作為試驗樣地，樣地位于試驗林場10 a生油茶林內，坡向為西北，坡度約20°，林分郁閉度約0.75，平均株高2.1 m，平均地徑7.2 cm。本試驗選擇樣地內4株標準木進行液流測定。

1.2 測定指標及測定方法

采用配有TDP-30探針的熱擴散徑流儀測定油茶液流速率，選取樹冠圓滿、不偏心偏冠、根部以上有一段較光滑樹干的油茶植株作為樣木。安裝探針之前用抹布把樹干南部擦干凈，將間距為40 mm的鉆孔模板安放在與樹干平行的位置，用配套的探針鉆2 個30 mm深的孔，兩孔盡量平行并保持與樹干垂直，方向指向樹干髓心。將探針TDP-30加熱針和參考針同時逐漸插入上下兩孔中，孔的外部用硅橡膠封住，以防雨水進入而影響測量結果。樹干部用保溫材料和錫箔紙包裹好，以免受太陽輻射的影響，測量過程中定期檢查并防止樹干包裹處吸引蟲蟻聚居而危害樣樹。

根據Granier的熱擴散方法[6-9]，熱擴散探頭由2 根針組成，上部探針由熱電偶和加熱元件組成，下部探針只由熱電偶組成，為參考探針。熱電偶檢測兩根探針的溫差產生信號，測量信號由數據采集器記錄，可通過經驗公式計算得到樹干測定部位的液流速率。試驗期間每隔10 min采集1 次液流數據，樹干液流速率的計算公式[10-11]為：

式中Fs為液流速率（L/h），TM為探針的最大溫差值（℃），ΔT為實時測定的溫差值（℃），SA為單位邊材斷面積(cm2)，文中數據以單位面積1 cm2計算。

林地環境因子采用氣象站同步監測，包括總輻射和光合有效輻射，空氣溫度和濕度，10、30 cm土層的土壤溫度，20、40 cm土層的土壤濕度（體積含水量），風速等指標。由于陰雨天太陽能供電停止，導致儀器測量中斷，部分陰雨天無測量數據。

1.3 數據分析

采用Excel整理試驗數據，以Origin 8.0繪圖，用Spss 18進行相關分析和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 新梢生長期林地各環境因子的變化情況

新梢生長前期及生長期油茶林地各環境因子的日平均值分別如圖1～4所示。由圖1～4可知，在新梢生長期，油茶林地各環境因子的變化幅度均較大：土層深為5、20 cm的土壤溫度由新梢生長前期（3月11日）的7.5 ℃，升到生長末期的22 ℃；日平均氣溫由生長前期的7 ℃左右升至新梢生長末期的27.5 ℃，期間出現倒春寒現象；3～5月南方有較大的降雨量，土壤水分狀況直接受降雨量的影響，土壤濕度（土壤體積含水量）在降雨后達到峰值，隨后快速下降，隨著含水量的降低其下降幅度變慢，在17.5%～20%間波動；新梢生長期陰雨天氣較多，輻射的變化隨天氣條件的變化而波動，晴天的日平均輻射量最高，平均為450 μmol·m-2s-1，雨天最低，平均為18 μmol·m-2s-1；測定期間風速波動較大，相對濕度的變化與天氣條件有關， 變化幅度在40%～99%之間。

2.2 液流連續變化規律

油茶新梢生長期液流動態的變化規律如圖5所示。從圖5中可見，整個生長期的液流變化隨天氣條件的變化而波動，較高的液流值出現在晴天，較低的液流值出現在陰雨天，液流在0～140 cm/h之間；新梢生長的初始期（3月23日～4月5日），隨氣溫的大幅升高，液流迅速增大，在陰雨天氣，液流則持續出現低谷；新梢生長中期（4月6日～4月20日），陰雨天氣較多，液流變化較大；生長后期（4月21日～5月2日）晴天較多，日平均液流值較高。

圖1 日平均氣溫及土壤溫度的變化情況Fig.1 Variation of air temperature and soil temperature

圖2 土壤濕度的變化情況Fig.2 Variation of soil moisture

圖3 光合有效輻射和總輻射量的變化情況Fig.3 Variation of PAR and solar radiation

圖5 油茶液流變化動態（2012年3月23日～5月10日）Fig.5 Dynamic of sap flow of Camellia oleifera tree from March 23th to May 10th in 2012

2.3 不同天氣液流的日變化規律

測定期間不同天氣條件下油茶液流的日變化規律如圖6所示。由圖6可知，不同天氣條件下油茶的液流差異較大，典型晴天液流峰值為132.5 cm/h，日變化表現為典型單峰曲線，上午迅速上升達到峰值后快速下降；而雨天液流比較微弱，雨后的液流值為9.2 cm/h，液流日進程呈微弱的峰型曲線；不同天氣的液流峰值大小不同，表現為典型晴天＞多云天氣＞陰天＞雨天；多云、陰天、雨天液流日變化曲線呈鋸齒狀，可能是受云量變化、風速大小等主要氣象因子的影響所致。

2.4 液流的影響因子分析及回歸模型

對晴天林地內各環境因子之間的相關性分析結果如表1所示。由表1可知，典型晴天部分環境因子之間存在較高的相關性或共線性，總輻射與光合有效輻射的相關系數為0.999，20 cm土壤濕度與40 cm土壤濕度的相關系數達0.906，5 cm土壤溫度與20 cm土壤溫度相關系數為0.267；太陽輻射與10 、30 cm土溫及氣溫、風速、相對濕度的相關性都達到極顯著水平；濕度與氣溫的相關系數為－0.894，20 cm土壤濕度與土壤溫度的相關系數為0.548，都呈極顯著相關。

圖6 不同天氣類型油茶液流速率的日變化規律Fig.6 Diurnal variation of sap flow in Camellia oleifera in different weather conditions

油茶液流與各環境因子間的相關性分析結果如表2所示。由表2可知，在不同天氣條件下不同環境因子對液流的影響不同，總輻射和光合有效輻射對液流的相關系數極高，除雨天外相關系數都達到0.8以上，氣溫也與液流有較高的相關性，空氣相對濕度與液流呈較高的負相關；天氣從晴天、多云到陰天的變化中輻射與液流的相關系數降低而與氣溫的相關系數升高，表明多云、陰天氣溫對液流的影響增大。風速和土壤濕度對液流的相關性無明顯變化規律。

表1 油茶林地環境因子的相關矩陣?Table 1 Matrix of correlation coefficient between different environmental factors in Camellia oleifera forest

表2 不同天氣條件下液流與各環境因子的相關系數Table 2 Correlation coefficient of sap flow velocity and environmental factors in different weather conditions

以環境因子中氣溫、空氣濕度、太陽輻射、風速、30 cm土壤溫度、40 cm土壤濕度作為自變量，以邊材液流速率為因變量，以0.05和0.01可靠性作為變量入選和剔除的臨界值, 經逐步回歸分析，建立了油茶樹干邊材液流速率與各環境因子的多元線性模型，液流速率與各環境因子的回歸模型如表3所示。表3中以X2為空氣溫度，X3為相對濕度，X4為風速，X5為40 cm土壤含水量，X7為30 cm土壤溫度，X9為光合有效輻射。由表3可知，晴天、多云、陰天線性模型的回歸系數都在0.93以上，說明環境因子的變化能夠極好地解釋液流的變化情況；而雨天的回歸系數僅為0.658，可能是由于雨天葉片濕潤等情況造成液流規律不明顯。

油茶液流速率與各環境因子的逐步回歸方差分析結果如表4所示。表3中的回歸模型均達到極顯著水平，模型的變量構成中，液流隨輻射的增加而增加，隨濕度的增加而減少，這較好地解釋了液流對環境因子的響應規律，而晴天和多云天氣的模型中，液流隨氣溫變量的增加而減少，與相關分析的結果不一致，可能是由于線性模型的局限性造成的，在討論中將進一步分析。

表3 油茶液流速率與各環境因子的多元逐步回歸方程Table 3 Multiple stepwise regression analysis of sap flow velocity and environmental factors

表4 油茶液流速率與環境因子逐步回歸方差分析結果Table 4 Variance analysis of stepwise regression between environmental factors and sap flow velocity

3 結論與討論

油茶的液流具有季節性變化、隨環境因子的變化而有規律性的變化、隨天氣條件變化而波動的特點。油茶春梢生長在每年3月中旬至5月中旬[12]，此生育期內陰雨天氣較多，降水充沛，氣象因子隨著天氣的變化而大幅波動。其中，氣溫逐漸升高而土壤水分充足，這是此生育時期的主要氣候特點。油茶液流隨著氣候因子的變化而大幅變化，液流峰值由初期的63.4 cm/h升高到春稍生長期的132.5 cm/h，表現出明顯的季節性變化規律。在氣象因子的晝夜變化進程中，隨著輻射、氣溫、濕度、土壤溫度的晝夜變化，液流也表現出有規律性的晝夜變化特點。天氣條件的變化影響液流的波動，雨天的液流值為9.2 cm/h，比晴天下降了93.1%。

與其他樹種相比，油茶的液流速率較大，但是在一定的差距范圍內具有可比性。油茶液流速率比相似氣候條件下火炬松、加勒比松的都要大，劉奉覺等人[7]測定的6年生楊樹的液流值在80～110 cm/h之間，與油茶液流的較高值相近。而油茶的液流速率較大，并不代表油茶是高耗水樹種，液流速率是單位面積樹干上的速率，而日液流總量還與邊材面積相關，油茶液流速率較大的原因是油茶樹冠較大而樹干直徑相對較小。

將天氣類型劃分為晴天、多云、陰天和雨天4種類型，并對4 種類型天氣下液流與各環境因子分別進行了相關和回歸分析，結果表明，天氣從晴天、多云到陰天的變化過程中液流與輻射的相關系數由0.929降到0.851，而與氣溫的相關系數由0.563升高到0.717，說明陰天氣溫對液流量影響的貢獻值增大，這一結果與孫慧珍、周曉峰等人[13]對東北10月份落葉后的白樺樹液流的研究結果有相似之處，可以說明在氣孔蒸騰無效的情況下，皮層蒸騰和角質層蒸騰（非氣孔蒸騰）成為植物液流的主要動力，所以液流與溫度的相關系數升高。

樹干液流即水分在樹體內部的流動，液流為蒸騰提供所需的水分，因而可以用樹干液流量作為耗水量的評估指標[14]，較高的液流速率表示有較大的蒸騰耗水速率[15-16]。而植物耗水主要由葉片氣孔蒸騰散失，氣孔蒸騰受輻射、氣溫、空氣相對濕度、風速、土壤供水等環境因子的影響，在對液流速率與各環境因子的相關分析中發現，植物耗水的主要影響因子有輻射、氣溫、相對濕度，典型晴天的風速、土壤溫度、濕度與液流也具有顯著的相關性，而不同天氣條件下，風速、土壤濕度與液流的相關性無明顯的變化規律。

各環境因子之間，如輻射與氣溫、土壤溫度，溫度與相對濕度等自變量之間，本身就存在較高的復共線性，與液流的顯著相關大小并不能完全代表其對液流影響的大小，通過回歸分析得出的回歸模型也存在自變量的復共線性問題[17]，而回歸模型中并非影響蒸騰的各環境因子都能進入模型中，回歸模型的變量構成也并不能完全代表自變量對因變量影響的大小，在今后的研究中，應尋找更有效的估計方法和模型來分析或預測液流對環境因子的響應特點。

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