秦嶺華北落葉松人工林耗水規律與環境因子關系研究

邵全忠，楊 丹，劉 華，李怡文

(1.中國林業科學研究院，森林生態環境與保護研究所，北京100091；2.河南省周口水文水資源勘測局，河南 周口 466000)

0 引 言

植物在生長過程中離不開必要的水分和養分，除了植物自身各個組織對水分具有直接的利用之外，蒸騰過程中對水分的消耗也是植物對水分利用的方式之一，并貫穿整個植物生命周期，并對其新陳代謝等生理活動產生關鍵作用[1-3]。植物一方面需要吸收水分滿足其生長的需要，另一方面還會在大氣蒸騰作用下將一定的水分向大氣傳輸，在土壤的參與下，就形成了土壤-植物-大氣連續體[4,5]，共同制約水熱傳輸過程。其中的關鍵影響因素就是水分，不同的植物具有不同的需水特性，這也直接影響到其對環境的適應性[6,7]，因此從這一角度來講，對植物生存適應性的研究離不開對其耗水過程的研究，尤其是其蒸騰耗水過程及特點[8,9]，這也是生物學研究的主要方向之一。近些年來，越來越多的學者通過更先進的檢測手段來探究植物的蒸騰耗水過程[10,11]，比如蒸散率、渦度技術等；此外，對氣孔阻力、冠層葉水勢等研究越來越多，更多地從植物自身生理特點進行研究，對環境影響未給予充分考慮，因此，如何依據有限的水分承載力，構建出水分穩定的森林植被是一項重要研究[10,11]。

就華北落葉松人工林而言，其主要分布于近2 500 m高的山地，不僅對環境的適應性強[12,13]，而且具有較快的生長速度，更憑借通直樹干而具有優良材質，所以說其不僅具有重要的生態價值，還具有較好的經濟價值，成為該地區重要的樹種[14]。就華北落葉松來說，較好的保水能力使得其能夠擁有強大的耐旱性，這對于山區而言是良好的植被，不僅能夠起到良好的蓄水效果，且能夠通過水熱傳輸來凈化當地的空氣，提升土壤的蓄水性。對于森林而言，其在生長過程中不可避免地消耗一部分水分，但是其蒸騰作用也是水分消耗的重要途徑，不少研究發現，水分蒸發僅僅占植物耗水的很小一部分，而土壤水分揮發及植物水分蒸騰是植物耗水的重要途徑之一。20世紀中葉，國外大量的學者逐漸深入探究林木耗水機理，隨著研究的不斷深入，林木蒸散日益受到關注，當前已經能夠通過樹干液流法、蒸滲儀稱量法等多種測量方法對林木耗水進行衡量。就水量平衡法而言，必須首先了解總的降雨量以及地面徑流，之后還要對林冠的截流量及土壤儲水量進行測量，然后在此基礎上測算林木耗水量，因而容易產生較大誤差[15-17]。為了更好地解決水量平衡法造成的測量誤差，往往在此基礎上開展相應的渦度相關法進行林木耗水測量，但是該方法容易受風速、風向的制約，且難以適應復雜地形測量；樹干液流法而言，測量系統并不復雜，在測量過程中能夠適應多種地形、成本并不高，而且能夠較準確測量植物耗水，因此得以廣泛應用，也是近年來不少學者開展植物耗水研究的主要測量方法[5-6,8]。此外，華北落葉松其生態適應性及生產力、養分循環、群落特征等方面的研究已有一些報道，而對華北落葉松蒸騰耗水特征研究較少。隨著華北落葉松造林面積的增加和中幼齡的陸續形成，森林經營管理迫切關注華北落葉松林地蒸騰耗水特征。因此，筆者通過對華北落葉松耗水特性以及維持生態穩定的生態耗水量的研究，可以確定華北落葉松水分的合理承載能力，對森林生態植被建設與管理有著重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于秦嶺西部太白縣南灘苗圃林場(E107°20′，N34°02′)，該區屬于秦嶺西主峰鰲山腳下，海拔1 600～1 700 m，年均降水量600～1 000 mm，年均無霜期158 d，年平均氣溫7.6 ℃，最高氣溫32.8 ℃，最低氣溫-25.5 ℃，屬秦嶺谷地小氣候帶，林木生長期166 d。林地土壤以山地黃棕壤為主，土壤厚度為65 cm左右。林下生有六道木(Abelia biflora)、胡枝子(Lespedza bicolor)、繡線菊(Spiraea salicifolia)等灌木，草本植物主要有大油芒(Sponiopogon sibiricus)、披針苔草(Arthraxon hispisdus)、菊科(Compositae)和黃精屬(Polygonatum)等多種植物。

1.2 樣地設置

采用空間序列代替時間的方法，在研究區內連續5 a(2012年3月-2016年12月)進行觀測，同時統計了近35 a該區降水量和溫度的變化特征(圖1)，并選取幼齡、中齡和老齡華北落葉松進行取樣和觀測樣地。每種林齡選取3個不同的樣地分別編號1、2、3，樣地面積為200 m×200 m，按照喬木調查的方法對每個樣地選取5個20 m×20 m的樣方來進行相關調查和實驗。其中GPS記錄經每個樣地的緯度和海拔，坡度坡向計統計所在樣地的坡度和坡向，記錄每個樣方的物種數(植株密度)，胸徑尺和測高儀測定每一植株的胸徑(cm)和高度(m)，并用卷尺測定其冠幅(m)，根據生長錐確定林齡，調查結果見表1。

1.3 土壤蒸發耗水

土壤在熱力作用下不可避免地通過蒸發而耗水，為衡量其土壤耗水本實驗利用稱重法加以測量，首先選取樣地土樣，然后將其放入鐵質圓桶，圓桶的直徑、高度分別為300、315 mm，之后每日通過加水來把控其含水量，并在每月的中旬對土樣進行相應的數據測量及記錄；要求土樣分別采集無植被、有植被覆蓋的土樣，并對每塊樣地進行取樣3次，每三天用精度0.001 g的電子天平稱重一次，每次3個重復，雨后重新換土。

圖1 1985-2017年各月降水量、溫度與多年同期平均降水量比較Fig.1 The precipitation of 1985-2017 compare with average precipitation and temperature in the same period

項目海拔/m坡向坡度/(°)胸徑/cm株高/m冠幅/m林齡/a密度/(株·hm-2)11 656SE13～193.56.94.6165幼齡21 621SW10～156.45.24.2513231 698NW5～87.23.44.815411 619SW8～1311.913.27.21 523中齡21 659NW19～2512.712.76.2101 43631 601SE15～2013.511.57.11 58911 606N10～1610.611.55.31 652老齡21 698N15～2612.812.36.1201 45331 687NW8～1611.512.46.71 487

1.4 樹干徑流測定

本研究樹干液流采用EMS62植物莖流系統測定，該測定系統基于組織熱平衡(THB)法來計算樹干液流通量。在高約1.3 m處，用刀將樹干死皮刮掉，不能損壞樹木形成層，剩余樹皮和韌皮部厚度不得超過15 mm。在樹干上用配套專用工具插入上部3個終端電極和下部一個參比電極，然后將傳感器探針按順序插入電極槽中，最后將線纜連接器鉤在傳感器上。在數據采集器中設置每3 min采集1次數據，每30 min記錄1次平均數據，時間為2012年3月-2016年12月。

通過液流運移速率計算蒸騰耗水：

P=QTdCwd+TdZ

(1)

由公式(1)得出液流速率為：

(2)

式中：P為熱輸入功率，W；Q為液流速率，kg/(h·cm)；Td為測量點的溫度變化，K；Cw為水的比熱容，J/(kg·K)；d為加熱樹干的有效寬度，cm；Z為測量點的熱損失系數，W/K。

整株樹的樹干液流速率計算公式如下：

Qt=Q×(A-6.28B)

(3)

式中：Qt為整株樹的樹干液流速率，kg/h；Q為液流速率，kg/(h·cm)；A為樹干周長(包括樹皮，cm)；B為樹皮加韌皮部的厚度，cm。

1.5 林木蒸騰耗水

通過實時監測林木個體耗水引起的質量變化，可以精確描述單株林木的蒸騰耗水特征：

(4)

Vi=24Ed

(5)

式中：V為樹木生長季單株耗水量，kg；Vi為第i月的單株月耗水量，kg；k為該樹種在一個生長季開始有樹干液流的月份；n為該樹種在一個生長季樹干液流結束的月份；E為月平均小時耗水量，kg/h；d為該月有樹干液流的天數，d。

林分總蒸騰耗水量的理論推導基于對單木耗水的實測結果。結合得出的不同樹種胸徑與邊材面積的經驗方程，可得出林分總蒸騰量。

(6)

式中：Ea為時段Δt的喬木總蒸騰量，mL；i為所測林地內樹木株數；Di為第i棵樹的胸徑，cm；a、b為胸徑-邊材面積回歸模型參數；est為樣木單位時間內單位邊材面積貢獻的林木蒸騰量，mL/(cm2·min)。

根據水量平衡方程計算土壤及植物蒸散耗水：

(7)

式中：Ti代表水分蒸散強度，mm/h；m(t-1)，mt代表t-1時刻和t時刻蒸滲儀土體水質量，g；Δt代表t-1與t時刻之間的時間間隔，h；ρ代表水的密度，g/cm3；A代表表面積，cm2。

通過分析華北落葉松土壤蒸發的測定結果可知，地面覆蓋措施對林地植被管理在土壤水分流失的減少方面、土壤水分蒸發的有效抑制方面以及調節地溫方面有著極大的作用。

為了取得更好的分析結果，通過以下公式來定義蒸發量差：

R=G-B

(8)

其中地表蒸發量用G來表示，裸地的蒸發量通過B表示，單位均為mm；

若R≥0，則說明此時的地表植被并沒有起到涵養土壤水分的作用，對于降低大氣蒸發對水分消耗并沒有明顯作用，這表面植被難以滿足當地氣候條件，對土壤保濕沒有效果；反之，當R<0的情況下，地表植被能夠明顯抑制蒸發作用對水分的消耗，能夠較好保持土壤水分，從而利用植被生長，并有效降低水土流失，這樣的地表植被既能保持水土又能為林木等生長提供更好的生長條件，有利于林地管理。

1.6 氣象因子觀測

氣象因子的觀測采用美國ONSET公司生產的HOBO便攜式自動氣象站。該氣象站具備一套完整的測定和記錄小氣候的系統，配備的標準傳感器有：氣溫，降雨量，相對濕度，土壤溫度，太陽輻射強度等。氣象站放置在離試驗場地不遠的空曠地帶，2012年3月-2016年12月記錄數據。

1.7 數據處理

SPSS 18.0和Excel 2010.0進行數據分析，Pearson相關性系數檢驗法、單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著法(LSD)檢驗其差異顯著性，在P<0.05和P<0.01水平檢驗相關系數顯著性。

2 結果與分析

2.1 土壤蒸發耗水

2.1.1 植被對土壤蒸發的調節作用

華北落葉松全年土壤蒸發量如圖2所示，由圖2可知，全年中不同林齡華北落葉松土壤蒸發量呈“幾”字形變化規律，在7-8月達到最大，4-6月呈急劇增加趨勢；1-4月，3種林齡華北落葉松土壤蒸發量基本保持一致或者不變，9月以后3種林齡華北落葉松土壤蒸發量有所降低；土壤蒸發量與林齡有很大的關系。

圖2 不同林齡土壤蒸發量Fig.2 Soil evaporation of differentwoodlands

通過圖3不難發現，當幼齡[圖3(a)]土樣的土壤含水量高于19%的情況下，R>0，說明地表植被未對土壤水分蒸發起到抑制作用，不利于水分的保持；相反，R<0時土壤的含水量則是在19%以下，此時土壤水分蒸發被有效抑制，說明該植被在減少水分流失方面起到了顯著作用。而對于圖3(b)中的中齡而言，蒸發量差受土壤含水量的影響不明顯，浮動區間在0上下，而當土壤含水量低于22%的情況時，浮動范圍會增大，但植被此時會對抑制土壤水分蒸發起到作用；當土壤含水量高于22%的情況下，雖然浮動不大，但從整體趨勢判斷，其植被并沒有起到明顯是抑制土壤水分蒸發的作用。圖3(c)的老齡而言，去土樣測量的結果趨勢與幼齡頗為相似，蒸發量差因土壤含水量的增加而上升，地表植被能夠對土壤水分起到蒸發抑制作用的條件是土壤含水量低于15%，此時R<0；相反，當土壤含水量在15%以上時，地表植被難以對土壤水分蒸發起到較為明顯的抑制作用。綜合以上3組土樣，不難發現以下規律：當土壤含水量在18%以上時，地被植物難以起到抑制土壤水分蒸發的作用；只有在土壤含水量在18%以下的時候，地被植物才能夠有效減少土壤水分的蒸發，從而對減少水土流失及保濕起到明顯的作用。

圖3 不同林齡蒸發量差與土壤含水量的關系Fig.3 The relationship between soil evaporation and soil water contentof different woodlands

2.1.2 土壤蒸發量與環境因子的關系

表2是對土壤蒸發量與周圍環境因子進行數理統計分析的結果，從中不難看出，在0.05的顯著性水平下，3種林齡土壤蒸發量與植被蓋度p值均在0.05以上，所以二者并沒有顯著的相關關系。對幼齡土壤蒸發量與土壤含水量的相關性分析發現，其顯著相關性r達到了0.514，說明二者是正相關的關系；通過與溫度的對比分析發現，其顯著相關系數r達到了0.689；通過與蒸發量差的因子分析發現，其顯著負相關系數r達到了-0.623，說明與蒸發量差具有顯著負相關關系；通過對中齡土壤蒸發量與土壤含水量的因子分析發現，其顯著相關系數r達到了0.236；與溫度的顯著相關系數r達到了0.598；在0.05顯著性水平下與蒸發量差之間是負相關相關系數；老齡土壤蒸發量與土壤含水量的相關系數r達到了0.321，與溫度的相關系數r達到了0.547，且具有顯著性；與蒸發量差之間具有顯著的負相關關系；通過以上分析不難發現，土壤蒸發量與土壤含水量、溫度以及蒸發量差之間具有明顯的線性關系，進而對以上線性關系進行回歸分析。

表2 土壤蒸發量與其他因子相關性Tab.2 The relationship between soil evaporation and the other factors of differentwoodlands

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關，下同。

從表3的土壤蒸發量與因子間的關系模型可以看出：土壤蒸發量不僅與土壤含水量之間具有正相關關系，還和土壤含水量及溫度具有正相關的關系；而蒸發量差則與土壤蒸發量之間具有負相關性。

表3 土壤蒸發量與各因子的關系模型Tab.3 The models between soil evaporation and the other factors of differentwoodlands

注：a為土壤含水量，mm；b為溫度，℃；c為蒸發量，mm。

2.2 華北落葉松蒸騰耗水

2.2.1 華北落葉松蒸騰耗水規律及環境因子的動態變化

全年中不同林齡華北落葉松蒸騰耗水量呈“幾”字形變化規律，在7-8月達到最大，4-6月呈急劇增加趨勢；1-4月，3種林齡蒸騰耗水量基本保持一致或者不變，9月以后蒸騰耗水量有所降低。由圖4可以看出：蒸騰耗水量基本表現為老齡>中齡>幼齡，蒸騰耗水量與林齡有很大的關系；不同林齡華北落葉松太陽輻射在7-8月達到最大，4-6月呈急劇增加趨勢，8月以后，太陽輻射急劇降低；土壤含水量與土壤溫度與蒸騰耗水量呈一致的變化規律，在7-8月達到最大，4-6月呈急劇增加趨勢。

2.2.2 華北落葉松蒸騰與環境因子的關系

根據以往的研究，空氣溫度及相對濕度等環境因素對林木蒸騰會產生重要的影響，同時也會受到輻射及土壤含水量等因素的制約，但不同地區環境差異大，也會導致研究結果不一。本研究選取了草本蓋度、冠幅等8個環境因子作為林木蒸騰強度的影響因素，從而判斷各因素對林木蒸騰的影響大小。其中土壤溫度和土壤含水量的測量深度為20 cm。

從表4可知：各環境因子對華北落葉松的蒸騰影響不一，其中太陽輻射強度、土壤溫度對幼齡和中齡落葉松的蒸騰強度產生顯著的正相關影響，冠幅、胸徑和株高則對之產生負相關的影響；老齡落葉松的蒸騰強度僅與太陽輻射強度呈極顯著正相關，與相冠幅、胸徑和株高呈顯著負相關。另外，表5表明：土壤含水量、太陽幅度強度、土壤溫度對林木蒸騰產生正相關的影響，也就是說在環境因素不斷增強的情況下，林木的蒸騰強度也會變大。

圖4 不同林齡蒸騰耗水量Fig.4 The soil transpiration water of different woodlands

項目草本蓋度冠幅胸徑株高密度土壤含水量土壤溫度太陽輻射強度幼齡相關性-0.098-0.895??-0.756??-0.892??-0.0320.566?0.742??0.856??顯著性0.3560000.2590.0170.0030中齡相關性-0.123-0.841??-0.615??-0.725??-0.523?0.689??0.2380.759??顯著性0.31500.00500.0080.0040.3260.003老齡相關性-0.352-0.803??-0.523?-0.603?-0.514?0.558?0.569?0.784??顯著性0.28900.0190.0080.0080.0230.0170.002

表5 林木蒸騰量與各因子的關系模型Tab.5 The models between soil evaporation and the other factors of different woodlands

注：a為冠幅，m；b為胸徑，mm；c為株高，m；d為土壤含水量。

3 結論與討論

森林耗水主要包括土壤蒸發耗水和植被的耗水這兩個部分。通過分析可以發現，土壤含水量不僅與土壤溫度之間存在顯著的正相關，而且還與土壤蒸發耗水之間存在顯著的正相關。值得注意的是，植被對土壤水分起抑制作用的條件是土壤含水量高于18%。在本研究中，3種林齡華北落葉松土壤蒸發量的年際變化呈現出“幾”字形的變化規律，具體表現為4-6月呈急劇增加的趨勢，7-8月達到最大；在1-4月，3種林齡華北落葉松土壤蒸發量基本保持一致的變化趨勢，而在9月以后，土壤蒸發量均有所降低。這種結果在一定程度上說明土壤蒸發量差主要受地表植被抑制土壤水分蒸發的影響。另一方面，林木蒸騰耗水主要表現在4-10月，也就是生長期，其中幼齡蒸騰量為289.52 mm，中齡蒸騰量258.34 mm，老齡蒸騰量223.58 mm。根據本文研究發現土壤蒸發量不僅與土壤含水量之間具有顯著正相關關系，還和土壤含水量及溫度具有正相關的關系，也就是說隨著這些因素的上升，土壤蒸發量也會提升；而蒸發量差則與土壤蒸發量之間具有負相關性。

土壤含水量在林木蒸騰過程中的作用不是固定不變的，而是動態的影響作用，這主要由土壤含水量的高低變化所致，當含水量處于較低情況下，含水量變化會對蒸騰強度產生顯著制約；而含水量水平較高的情況下，其對蒸騰的影響并沒有那么明顯，而蒸騰更多地受制于其他環境因子[12,13,18]。通過研究得知，森林耗水量與土壤含水量顯著正相關，尤其是水資源較為缺乏的地區，土壤含水量處于較低水平，水分更多的是被植物加以利用而滿足自身生長所需，基于此在人工林建造過程中尤其要根據林木的需水性來進行林木錯配，從而在保持水土、涵養水源的基礎上降低林木對水分的消耗[19-21]。相關性分析表明：華北落葉松蒸騰強度與太陽凈輻射量、外界氣溫和空氣相對濕度等均呈極顯著的相關性，其中空氣相對濕度與蒸騰強度的相關系數最高，這可能是由于多年來該區降雨較多的原因，該區多年為濕潤年份，導致空氣的相對濕度較大。綜合判斷可知，影響蒸騰強度的環境因子并不是單獨存在，各環境因子之間存在著相互制約和協同的關系，這導致該過程的原理與機制過程比較復雜，未來仍需要常年定位深入研究。

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