杉木幼樹樹干液流影響因子及其對杉木林蒸騰量的貢獻

劉 鑫，張金池，莊家堯，顧哲衍，韓 誠，吳雁雯

（南京林業大學 江蘇省水土保持與生態修復重點實驗室，江蘇 南京210037）

作為陸地生態系統水循環的主體，森林生態系統的水循環一直是林學、森林生態學、森林水文學等相關科學領域關注的焦點問題之一。蒸騰是森林植被耗水的主要方式，隨著水資源的緊缺，國際社會對蒸騰問題的研究日益重視［1－2］。在土壤—植被—大氣連續體水熱傳輸過程中，樹干液流的動態變化成為林分蒸騰研究的基礎［3－4］。近年來，國內外相關領域的學者們開展了很多關于樹干液流特征的研究，研究對象多屬于單木尺度，如：Nicolas［1］，Zeppel［5］等分別研究了成年杏樹（Armeniaca vulgaris）、桉樹（Eucalyptus）的液流特征；趙仲輝［6］、烏日娜［7］等分別研究了杉 木 （Cunninghamia lanceolata）、沙 木 蓼 （Atraphaxis bracteata）液流變化及其與環境因子的關系；王艷兵［8］、周翠鳴［9］等分別研究了華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）、廣州荷木（Schima superb）夜間液流變化及其對蒸騰的貢獻。通過單木液流測定實現林分蒸騰量的尺度轉換同樣是人們關注的熱點［10－11］。杉木為蘇南丘陵區主要造林樹種，分布廣泛，并且杉木林內多分布萌生的幼樹，為了更加準確地進行杉木林林分尺度的蒸騰耗水研究，就不能忽視幼樹的耗水情況。目前這方面的研究還鮮有報道，因此，本研究采用Flow32A-1K包裹式莖流儀對南京市東善橋林場銅山分場實驗地中杉木林內幼樹樹干液流的特點及其與環境因子的關系進行分析，旨在為建立杉木幼樹耗水機理模型、準確分析南方丘陵區杉木林林分蒸騰耗水量提供基礎數據和理論依據。

1 研究區概況

研究區位于南京市近郊國營東善橋林場銅山分場（31°35′—31°39′N，118°50′—118°52′E），距南京市20km。該區屬北亞熱帶季風氣候區，年均溫15.1℃，無霜期229d，年日照2 199.5h，區內氣候溫和濕潤，四季分明，雨熱資源比較豐富，生長季長，年平均降水量1 100mm，時間分布上多存在兩個多雨期：一是春夏之交的梅雨，二是夏季的臺風雨，為全國雨期最長的地區之一，十分有利于農作物和林木的生長。地形以丘陵為主，海拔在38～388m，森林類型以杉木、馬尾松（Pinus massoniana）、麻櫟（Heterocycla acutissima）、毛竹（Phyllostachys）為主。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗地選在42年生杉木林，林下幼樹平均樹高為2.0m，平均胸徑為2.3cm，密度為2 032株／hm2，平均坡度為22°。土壤類型為黃棕壤。選擇3株冠型良好，生長健康的杉木幼樹，具體參數詳見表1。

表1 杉木幼樹的生長情況

2.2 試驗方法

2.2.1 樹干液流儀安裝與測定 用Flow32A-1K包裹式莖流儀對樹干液流進行測定。測定前，用砂紙輕輕將被測樣木的莖干打磨光滑，然后用胸徑尺測定樹干直徑，之后在打磨好的安裝區抹上G4油脂，仔細將包裹式探頭安裝于被測區，用鋁箔包裹，以防止太陽輻射，最后用膠帶和玻璃膠密封，防止雨水進入。將探頭與數據傳輸的電纜線與數據采集器相應的接口連接，數據采集器的電源線與12V電池接通，通過計算機與數據采集器連接。將測定樣木的莖干類型、面積、探頭電壓、起始時間、數據記錄的間隔等參數輸入到數據采集器，然后定期用電腦采集數據。本研究數據掃描間隔為10s，每30min進行平均值計算并儲存。

Flow32-1K包裹式莖流利用能量平衡原理，即輸入熱量（Pin）等于各部分耗散熱量（Qf，Qv，Qr）之和。主要計算公式有：

（1）莖流帶走的熱量計算公式：Qf＝Pin－Qr－Qv

（2）豎向莖桿傳導的熱量計算公式：

（3）徑向莖桿傳導的熱量計算公式：Qr＝KshCH

（4）莖桿鞘傳導速率的計算公式：

式中：Pin——熱量輸入；Qf——莖流帶走的熱量；Qr——徑向散熱；Qv——豎向導熱；Cp——水的比熱；C——徑向熱電堆電壓；A——豎向熱電偶電壓；B——豎向熱電偶電壓；H——加熱電壓；Kst——莖桿熱傳導速率（經驗值）；Ksh——鞘傳導速率（調零計算值）；Area——莖桿橫截面積；dT——豎向兩熱電偶電壓和的平均值；F——莖流速率（g／h）。

在能量平衡方程中，木本、禾本、空心植物類型對應的軸向熱傳導常數 Kst分別為0.42，0.54，0.28。杉木屬于木本植物，因此Kst取0.42。

2.2.2 各環境因子測定 使用小氣象站進行各環境因子的連續測定，存儲30min的均值，此次測定的環境因子有太陽輻射Rs（W／m2）、空氣相對濕度RHa（%）、空氣溫度Ta（℃）、風速Ws（m／s）、土壤含水率SMC（%）、土壤溫度Ts（℃）。

飽和水汽壓差（Vpd）是當時溫度下空氣中的飽和水汽壓（es）與實際水汽壓（ea）之間的差值，可由公式［12］計算得出：

式中：Vpd——飽和水汽壓差（kPa）；RHa——空氣相對濕度（%）；Ta——空氣溫度（℃）。

2.2.3 數據處理 采用 Excel 2007和 SPSS 19.0進行數據處理和統計分析。

3 結果與分析

3.1 樹干液流變化特征

3.1.1 杉木幼樹、成齡樹液流速率晝夜變化特征由圖1可以看出，春、夏、秋、冬四季杉木幼樹、成齡樹液流速率的晝夜變化特征具有顯著的季節差異性。夏季，杉木幼樹、成齡樹液流速率最大，幼樹液流開始時間為5：00左右，峰值出現的時間為11：00（105.22 g／h），在20：00降到平穩狀態，成齡樹開始時間為6：00左右，達到峰值時間為2：00左右（3 516.52g／h）。春季，杉木幼樹從5：00—6：00左右開始逐漸上升，在10：30達到峰值（79.97g／h），在19：30降到平穩狀態，秋季與冬季幼樹液流啟動時間都較晚，秋季啟動時間為8：00，在11：30達到峰值（70.30g／h），在17：00左右液流基本降低為0，冬季啟動時間為8：30，峰值時間為13：00（33.19g／h），在16：30左右液流基本降為0。春、秋、冬季杉木成齡樹液流速率分別開始于10：00，10：00和12：00并穩步升高，峰值均出現在16：00左右，分別為1 171.64，2 102.52，794.79 g／h。不同季節，杉木幼樹液流速率均表現為單峰曲線并且日間液流速率大于夜間，其中春、夏季夜間液流明顯，秋、冬季夜間液流較低，主要是因為，春、夏季日間液流較大，蒸騰耗水量較大，夜間通過吸收水分補充樹木生理活動所必須的水分。春、夏、秋、冬季杉木幼樹液流速率啟動的時間均早于成齡樹，并且達到峰值的時間同樣早于成齡樹，不同季節幼樹液流速率峰值分別約為成齡樹液流速率峰值的6.83%，2.99%，3.34%，4.18%。

圖1 不同季節樹干液流速率晝夜變化特征

3.1.2 樹干液流量變化特征及其對杉木林總液流量的貢獻 不同季節杉木幼樹日液流量表現出顯著的季節性差異（圖2），夏季日液流量最大，平均約為0.168mm／d，其次是春季，約為0.133mm／d，秋冬季分別為0.063和0.031mm／d。

由圖3可知，春、夏、秋、冬四季杉木幼樹與杉木成林的夏季液流量最大，杉木成林液流量為170.94 mm，杉木幼樹液流量為15.41mm，秋季杉木成林液流量僅次于夏季，約為157.11mm，春季杉木幼樹液流量僅次于夏季，約為10.07mm，冬季液流量最低，杉木成林為61.53mm，杉木幼樹為2.75mm。各季節杉木幼樹液流量對杉木林液流量的貢獻率分別為7.09%，8.27%，3.54%，4.29%，全年總貢獻率為6.12%。說明杉木幼樹的蒸騰對于杉木林總體蒸騰量具有重要的作用，在估算杉木林蒸騰耗水及造林安排時不可忽視。

圖2 杉木幼樹日液流量變化特征

圖3 不同季節杉木液流量

3.2 樹干液流影響因子分析

3.2.1 液流速率影響因子分析 眾多學者研究發現樹干液流速率與飽和水汽壓差、太陽輻射、空氣溫度等環境因子的關系顯著，可以較好地解釋樹干液流速率的變化，黃德衛等［3］得出液流速率變化與光合有效輻射、水汽壓虧缺和氣溫等環境因子的變化呈顯著正相關；張剛華等［13］發現邊材液流速率與太陽輻射、空氣溫度、蒸汽壓虧缺、林內風速呈極顯著正相關，與空氣相對濕度呈極顯著負相關；丁訪軍等［14］認為影響毛竹生長季和非生長季的主要因子分別是光合有效輻射、空氣溫度。表2—3分別分析了杉木幼樹液流速率與氣象因子與土壤因子的相關性，氣象因子主要影響冠層，土壤因子主要影響根部吸水，通過比較可以明顯看出，杉木幼樹液流速率與氣象因子的相關性要強于土壤因子，主要是因為氣象因子直接影響杉木葉片的蒸騰作用。不同季節，太陽輻射均是影響杉木幼樹液流速率的主導因子，空氣溫度是影響春季液流速率的第二因子，夏、秋、冬季飽和水汽壓差則是第二影響因子。

春季，液流速率與各深度的土壤含水率呈極顯著的負相關關系，與土壤溫度則是呈現極顯著的正相關關系，其中分別與40cm土壤含水率和5cm土壤溫度的相關系數最大。夏、秋季液流速率與土壤含水率的相關性不顯著，夏季液流速率與5cm土壤溫度呈現正相關關系，秋季則呈現負相關關系，夏、秋季液流速率與10，15，40cm土壤溫度呈現負相關關系。冬季液流速率與5cm土壤溫度和10，15，40cm土壤含水率呈現正相關關系，其中，與40cm的相關性最大，主要是幼樹根系分布有關。由此可以看出，土壤因子對杉木幼樹液流速率的影響存在顯著的季節性差異。

表2 液流速率與氣象因子的Pearson相關系數

表3 液流速率與土壤因子的Pearson相關系數

通過相關性分析可以看出，環境因子對杉木幼樹的液流速率影響顯著，因此可以通過環境因子對其進行一定的預測，以杉木幼樹液流速率為因變量Y（g／h），太陽輻射Rs（W／m2），空氣溫度Ta（℃），飽和水汽壓差Vpd（kPa），風速Ws（m／s），風向Wd（°），土壤含水率（Swc5，Swc10，Swc15，Swc40，%），土 壤 溫 度 （T5s，T10s，T15s，T40s，℃）為自變量，采用逐步剔除法進行多元回歸分析，建立杉木幼樹液流速率與環境因子的回歸模型，各模型的F檢驗以及常數、系數的t檢驗均是極顯著，而且通過殘差分析，模型詳見表4。春、夏季節液流速率與環境因子的擬合模型的決定系數R2均在0.85左右，說明利用環境因子對春、夏季杉木幼樹液流速率的預測效果最好，秋、冬季的R2分別為0.663和0.788，也可以較好地解釋液流速率的變化。

表4 液流速率與環境因子的多元回歸模型

3.2.2 日液流量影響因子分析 由表5可以看出，杉木幼樹日液流量與環境因子的相關性與液流速率存在顯著差異，日液流量與太陽輻射、空氣溫度、飽和水汽壓差、各層次土壤溫度呈極顯著的正相關關系，與其它環境因子的相關性則不顯著，其中與空氣溫度、5cm土壤溫度的相關性最大，與液流速率影響因子相比最大的差異在于土壤溫度的影響變大，主要是因為土壤因子直接影響根吸收水分的多少。

表5 日液流量與環境因子的Person相關性

為了進一步說明日液流量與環境因子的關系，以杉木幼樹日液流量為因變量Y（mm／d），太陽輻射Rs（W／m2），空 氣 溫 度 Ta（℃），飽 和 水 汽 壓 差 Vpd（kPa），土壤溫度（T5s，T10s，T15s，T40s，℃）為自變量，分別采用曲線估計與多元線性回歸分析，建立日液流量與環境因子的回歸模型，各模型詳見表6。曲線估計分析結果顯示，杉木幼樹日液流量與太陽輻射、空氣溫度之間呈現指數函數關系，與飽和水汽壓差、土壤溫度則呈現冪函數關系，其中，與5cm土壤溫度的擬合模型的決定系數最大，為0.725。逐步剔除法多元線性回歸模型的決定系數達到0.799，相比較曲線估計可以更好地解釋日液流量的變化。

表6 杉木幼樹日液流量與環境因子的擬合模型

4 討論與結論

（1）杉木幼樹液流速率的日變化特征具有顯著的季節差異性，由春季到冬季液流速率達到峰值的時間逐漸退后，與丁訪軍等［15］研究毛竹液流速率達到峰值的時間略有差異，夏季液流速率最大，其次是春季，冬季液流速率最小，并且春、夏季液流速率變化曲線顯著寬于秋、冬季。春、夏、秋、冬季液流速率變化曲線均表現為單峰曲線，并且夜間測得一定的液流變化，這與曹恭祥［4］等研究華山松、蔣文偉［15］等研究柳杉和李妙伶等［16］研究梭梭樹的結果相一致，但春、夏季夜間液流變化較明顯。

（2）杉木幼樹液流速率與氣象因子的相關性要強于土壤因子，春、夏、秋、冬季太陽輻射均是主導因子，與影響楊樹［17］、馬占相思［18］液流的主導因子是光合有效輻射的研究結果相一致，土壤因子對杉木幼樹液流速率的影響存在顯著的季節性差異。

（3）杉木幼樹日液流量與太陽輻射、空氣溫度、飽和水汽壓差、各層次土壤溫度呈極顯著的正相關關系，其中，與空氣溫度、土壤溫度的相關性最強，與其它環境因子的相關性則不顯著，與趙仲輝等［6］研究湖南杉木日液流量影響因子的結果相一致，而桑玉強［19］等研究栓皮櫟人工林認為太陽輻射在各時間尺度上與液流密度的相關性均最高。另外，分別建立了杉木幼樹日液流量與各因子的曲線模型及多元線性回歸模型，其中，與5cm深土壤溫度建立的冪函數模型和多元線性回歸模型的決定系數較大，可以更好地解釋杉木幼樹日液流量的變化。

（4）森林的蒸騰耗水主要來自于喬木層，在進行單木尺度到林分尺度擴展時則往往會忽視林下喬木及灌木對蒸騰的貢獻，本研究結果表明杉木幼樹全年液流量對蘇南丘陵區的杉木林蒸騰量的貢獻率為6.12%，夏季的貢獻率最大達到8.27%。王艷兵等［8］在研究夜間液流量對整個生長季的蒸騰貢獻率達到7.22%，這與樹木幼樹對林分的蒸騰貢獻基本相當，因此，在經營管理蘇南丘陵杉木林必須考慮幼樹對水分需求的影響，否則會極大的影響地區的林木生長。

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