油松人工林耗水規律與環境因子關系

楊倩

油松人工林耗水規律與環境因子關系

楊倩

河南省農業職業學院 園藝園林學院, 河南 鄭州 451450

本研究所選取的研究對象為油松，為了探究不同樹齡的油松蒸騰效應，不僅選擇了幼齡、中齡階段的油松，還選擇了老齡油松，這樣實驗對比更有針對性，此外，還對油松土壤區域的蒸發效應加以研究對比，在此過程中借助于森林系統觀測站開展數據監測，為了進一步降低實驗誤差，本研究從2012年開始進行為期六年的持續性實驗，在探究林木蒸騰效應過程中重點運用了熱擴散式莖流計法，在探究土壤蒸發效應過程中重點運用稱重法等，同時開展多因子分析研究，通過監測數據開展實地對比分析研究，并探究其影響作用因子。通過連續的觀測實驗分析得知，雖然林木樹齡存在較大差異，但是無論是該區域土壤蒸發方面，還是林木蒸騰效應方面，雖然差異不可避免，但是其變化態勢較為接近，整體而言其先升后降的變化態勢尤為突出，且不同的生長期內呈現不同的變化特點，對于前四個月而言，其差異并不突出，此后出現明顯的上升態勢，蒸發量的峰值在七月前后，此后逐漸下降，通過綜合分析來看，樹齡的影響效果尤為突出。此外，通過研究發現，對于油松區域土壤而言，當其含水量超過18%的情況下，地表植被在抑制土壤蒸發方面的效果并不突出，當低于18%的情況下則具有良好的抑制效應，通過對比得知，對于土壤蒸發量而言，其不僅與土壤溫度呈現突出的正相關，還是土壤含水量呈現突出的正向變化關系。實驗研究表明，林木蒸騰受到一系列影響因子并不是單一的，且交互作用突出，尤其是溫度及濕度的直接作用，除此之外，輻射及含水量等因素的影響效果也尤為突出，地區間的環境因子差異尤為突出。

油松; 需水規律; 環境因子

對于土壤而言，其酸堿強度對于土壤的理化特性施加著必要的影響，通過土壤結構的制約來對植被生長施加作用；此外，微生物活動也受到土壤養分等特點的影響[1-3]，對于新陳代謝而言，一方面受制于土壤養分狀況，這是直接的作用因子，另一方面依賴于濕熱條件，這是其外部環境因子，這些對于微生物產生直接影響，決定著其活動效率。從土壤的酸性角度來講，酸性程度成為土壤狀況的關鍵影響因子，酸性過強的土壤將嚴重抑制植被生長發育，對于微生物活動也產生不利影響，這是陸地生態的關鍵影響因子之一，對于土壤生態而言，無論是物質交換還是能量交換，都對植被生長發育產生不可替代的作用，影響植被的養分供給及水熱狀況[4,5]。養分直接制約植株的長勢等，水分影響著根莖葉的能量傳輸，成為無可代替的關鍵作用因子之一，此外，光合作用也離不開必要的水分，否者植株將最終枯萎，可以說養分和水分貫穿植株生長發育的始終[6,7]。植被生長發育離不開養分及水分，同時在蒸騰途徑下水分輸送至大氣，加之土壤作用，就構成了三者的有機聯系，造成了較明顯的水熱循環。對于不同的植被而言，不同類型的植株，其對水分的需求狀況并不完全相同，這就不得不提到其耐旱性，也就是抗逆性特點[4]，整體來說，對于養分而言，其直接制約植株的長勢等，對于水分來說，其影響著根莖葉的能量傳輸，也就是我們常說的耗水性，成為無可代替的關鍵作用因子之一[8,9]，這也是生物學研究熱點之一，在太陽作用下，植被的蒸騰作用難以避免，這就涉及到相應的耗水量，為了對這一作用機理進行探究，本研究重點借助蒸散率對比分析，同時開展相應的渦度技術分析，進而開展細化研究及對比分析，能夠在有限的水分條件下開展植被耗水特性[10,11]，根據不同的特點開展相應的植被錯配，從而構造較為適宜的森林植被。

從油松林的角度來看，其生長的山地海拔接近于兩千五百米，之所以其能夠具有較強的適應性，不僅在于其對養分、土壤等要求并不高，而且其耗水特點也有密切關系[12,13]，其不僅生長速度優于其他樹種，且樹干較為筆直，能夠形成較好的利用材質，整體來看，其不僅憑借較好的環境適應性而成為重要的人工林樹種，而且在經濟價值方面的效應顯著，這也是其成為該區域尤為重要的樹種的原因所在[14]。由于其水熱條件要求并不高，其耐旱性較為明顯，尤其適宜種植在山區，一方面通過涵養水源調節局地氣候，對水熱循環產生影響，另一方面降低水土流失問題，增強土壤蓄水能力。林木在生長過程中對于水分的消耗是難以避免的，蒸騰效應是其一方面，不少學者研究發現，植被耗水很大一部分并不是因為蒸發引起的，土壤水分揮發也起著重要作用，蒸騰作用也是主要的耗水途徑[15-17]。目前對于蒸騰效應的研究手段越來越多，樹干液流法具有較廣泛的應用，此外，蒸滲儀稱量法也起著重要的作用。從水量平衡法的角度來看，其不僅與總降雨量、地面徑流密切相關，同時與林冠對于雨水的截流效應息息相關，加之土壤對水分具有明顯的蓄水效應，這些因素綜合影響林木的耗水，但是在計算過程中難免出現誤差，為了提升準確性，加以渦度法開展更進一步的研究[5-6,8]。對于樹干液流法來說，其具有較為簡單的測量系統，能夠根據多種地形加以利用，整體而言具有較低的成本，在實際運用中較為廣泛，成為重要的研究方法之一。基于此，本研究以油松為研究對象，從其耗水的角度來探究其水分條件及作用機理，為強化林木種植提供有益參考及借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本實驗區域位于秦嶺鰲山腳下，具體研究地點是太白縣南灘苗圃林場，位于東經107°20、北緯34°02'，海拔1700 m，年降雨量接近1000 mm，無霜期207 d，年平均氣溫接近于7.7 ℃，該地區屬于秦嶺谷地小氣候帶，土壤類型為山地黃棕土壤，其土層厚度接近于66 cm，主要分布林木、灌木及草本植物，典型林下植物分布為六道木、胡枝子、大油芒等。

1.2 研究區概況

本研究所選擇的實驗區域位于南灘苗圃林場，該區域位于秦嶺腳下的太白縣，海拔超過了2 km，受制于地理位置分布，其雨熱同期特點較為明顯，降雨量近1000 mm，且主要分布在夏季，其無霜期達到了200 d，冬季氣溫相對較低，受制于山地分布居多的影響因素，使得該區域呈現8℃的年均溫；尤其是山地分布的制約，谷地小氣候特點較為明顯，以黃棕土為主，不僅分布著林木及灌木等，還分布草本植被，尤其是六道木、胡枝子等。

表1 觀測樣地基本情況

1.3 土壤蒸發耗水

在太陽照射作用影響下，熱量作用于土壤表層，從而很容易形成蒸發及蒸騰作用，這將難以避免地產生水分消耗，這就是我們常說的蒸發效應及蒸騰效應，這將直接影響植被生長發育，為了探究該因素對植被生長發育的作用機理，特進行量化研究分析，對于本研究而言，采取的是稱重法進行，首先將采集的土樣置于鐵桶，每日定量加水，每天對其水量狀況進行記錄，每月進行數據的整理分析，為了有效探究其對植被生長作用機理，特設置對照組，此外，為了降低實驗誤差，本研究開展連續3次的重復實驗，并進行數據采集。

將實驗數據對比分析得知，植被覆蓋狀況的差異對于蒸發量產生尤為突出的差異，與植被覆蓋的土樣相比，對于缺乏植被覆蓋的土壤而言，其蒸發量更為劇烈，在涵養水源方面的效果較差，不利于局地濕度調節，這說明植被能夠起到較好的涵養水源功能，能夠有效調節局地氣候，降低相應的蒸發量，這對于植被生長發育過程中水分的需求起著積極的促進作用。其蒸發量、裸地分別用S、B代表，為進一步細化研究，特對蒸發量差E計算如下：E=S－B。

當地表蒸發量明顯高于裸地的情況下，說明其在涵養水源方面并無較大效果，無法起著降低水耗的作用，說明其植被無法明顯改善當地的局地環境，對于土壤水源保持效果較差；相反，植被具有較好的環境適應性，對于增加土壤水分起著積極作用，在有效固土的同時降低水耗，說明其林地種植具有較高的現實意義。

1.4 植被蒸騰耗水

為詳細研究植被在蒸騰過程中對水分的消耗，本研究首先對林地進行了每木調查，并通過熱擴散式莖流計法對所選取的標準木進行耗水測量，實驗中將TDP樹干液流測量儀置于樹干，通過液流運移速率的測量來計算蒸騰耗水；為了衡量溫度、風速等外在因素對植被蒸騰作用的影響，本研究區內建設了小型氣象站，實時記錄相應的氣象數據，及時掌握土壤的溫度及濕度等數據，進而便于多方位分析植被蒸騰耗水作用機理及過程。

1.5 數據處理

通過實驗本研究獲取了一系列的觀測數據，首先對其進行整理,接下來通過SPSS 18.0開展相應的分析對比，在開展相關分析的同時進行方差分析，并從0.01、0.05的檢驗水平下開展統計檢驗。

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通過對圖1的分析得知，對于樣地油松來講，該區域林木在樹齡方面的差異尤為突出，但是在水分蒸發方面，其雖然存在較大差異，但是其先升后降的變化態勢尤為突出，且不同的生長期內呈現不同的變化特點，對于前四個月而言，其差異并不突出，此后出現明顯的上升態勢，蒸發量的峰值在七月前后，此后逐漸下降，通過綜合分析來看，樹齡的影響效果尤為突出。

圖1 不同林齡土壤蒸發量

通過對圖2的分析可知，第一，對于幼齡土樣來說，其含水量在19%之上的情況下會出現＞0，這表明在植被的作用下水分蒸發量并沒有減小，說明植被未能抑制水分蒸發，對于水分的保持并未起到應有的作用；反之，當其含水量低于19%的情況下，值則低于0，在這種情況下水分蒸發相對減弱，說明在植被的作用下，水分保持能力進一步增強，對于降低水土流失起到了積極作用。第二，對于中齡土樣而言，其與幼齡土樣則存在較大的蒸發量差異，土樣含水量并未對蒸發產生顯著影響，其變化區間基本維持在0左右；當含水量在22%以下的情況下，變化范圍稍微上升，但在植被的作用下水分蒸發出現了較明顯的抑制；當含水量超過該值的情況下，并未出現較明顯的浮動，但是就整體而言，植被對于水分保持產生的作用也不夠明顯。第三，從老齡土樣而言，其測量結果基本接近于幼齡土樣的變化，在含水量上升的情況下出現了較大的蒸發量差，當含水量在15%以下的情況下，植被能夠起到較為明顯的水分保持效果，能夠明顯抑制水分蒸發，此時值小于零；當含水量超過該值的情況下，在植被的作用下水分蒸發量并沒有減小，說明植被未能抑制水分蒸發，對于水分的保持并未起到應有的作用；綜合來看，其含水量超過18%的情況下，雖然有植被的作用，但是水分蒸發量并沒有減小，說明植被未能抑制水分蒸發，對于水分的保持并未起到應有的作用；當其含水量低于該值的情況下，水分蒸發相對減弱，說明在植被的作用下，水分保持能力進一步增強，對于降低水土流失起到了積極作用。

圖2 不同林齡蒸發量差與土壤含水量的關系

2.1.2 土壤蒸發量與環境因子的關系通過對表2進行分析可知，土壤蒸發量與環境因子之間存在較為密切的聯系，當檢驗水平在0.05的情況下，雖然林齡不同，但是蒸發量與植被蓋度之間并未通過統計檢驗，說明二者并沒有突出的相關性。不同林齡之間的土壤蒸發與含水量之間存在不同的相關性，從幼齡土樣來說，二者的相關系數達到了0.51，這表明二者之間的正相關較為明顯，蒸發量與溫度之間不僅呈現正相關，其系數高達0.68；從中齡土樣來說，通過因子分析得知，二者雖然具有一定的相關性，但是其程度并不高，系數僅為0.23；而其與溫度之間的相關程度更高，其系數高達0.59，而其與蒸發量差的變化呈負向變化；對于老齡土樣而言，通過因子分析得知，二者雖然具有一定的相關性，但是其程度并不高，系數僅為0.32，而其與溫度之間的相關程度更高，其系數高達0.54，且達到了顯著；其與蒸發量差的變化呈負向變化；綜合來看，對于土壤蒸發而言，其不僅與含水量及溫度關系密切，還與蒸發量差存在較大關系，其具有較為明顯的線性關系，能夠開展后續的回歸分析。

通過表3不難看出，土壤蒸發受到外界環境因子的影響，其與含水量之間存在較為明顯的正相關，且在溫度的綜合作用下依然呈現正相關，而其與蒸發量差負向變化關系顯著。

表2 土壤蒸發量與其他因子相關性

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。

Note: ** indicates a significant correlation at the level of 0.01 (two-tail);* indicates a significant correlation at the 0.05 level(two-tail), the same as below.

表3 土壤蒸發量與各因子的關系模型

注：為土壤含水量（%）；為溫度（℃）；為蒸發量（mm）。

Note:means soil moisture (%),means temperature (℃),means evaporation (mm).

圖3 不同林齡蒸騰耗水量

2.2 油松蒸騰耗水

2.2.1 油松蒸騰耗水規律對于油松來講，該區域林木在樹齡方面的差異尤為突出，但是在水分蒸發方面，其雖然存在較大差異，但是其先升后降的變化態勢尤為突出，且不同的生長期內呈現不同的變化特點，對于前四個月而言，其差異并不突出，此后出現明顯的上升態勢，蒸發量的峰值在七月前后，此后下降態勢明顯，綜合來看，樹齡的影響效果尤為突出，從蒸騰耗水的角度來看，耗水量最大的是老齡油松，其次是中齡，而幼齡較低。

表4 林木蒸騰量與其他因子相關性

2.2.2 油松蒸騰與環境因子的關系大量學者的實驗研究表明，林木蒸騰受到一系列影響因子并不是單一的，且交互作用突出，尤其是溫度及濕度的直接作用，除此之外，輻射及含水量等因素的影響效果也尤為突出，地區間的環境因子差異尤為突出。在本實驗過程中，本研究選擇的環境因子包含了蓋度等八個方面，并對其產生的影響程度進行了對比分析。

通過對表4的分析不難得知，受制于不同的環境因子作用，對于油松而言，其蒸騰效果的差異也尤為突出，無論是幼齡落葉松，還是中齡落葉松，均受到輻射溫度的制約，且與之存在明顯正向變化關系；而冠層、胸徑以及株高的負向變化關系也尤為突出；此外，無論是土壤含水量，還是溫度、輻射強度，其正相作用機理尤為突出。

表 5 林木蒸騰量與各因子的關系模型

注：；為土壤含水量；為冠幅（m）；為胸徑（mm）；為株高（m）。

Note:means soil moisture (%),means canopy (m),DBH (mm),plant height (m).

3 結論與討論

從森林耗水的角度來講，其主要的途徑如下：一方面，在熱力蒸發過程中不可避免地產生了土壤耗水，二是植被在生長過程中對水的消耗；綜合來看，其含水量超過18%的情況下，水分蒸發量并沒有減小，說明其未能充分抑制水分蒸發；當其含水量低于該值的情況下，水分蒸發相對減弱，說明植被的作用下，水分保持能力進一步增強，對于降低水土流失起到了積極作用。對于前四個月而言，其差異并不突出，此后出現明顯的上升態勢，蒸發量的峰值在七月前后，此后逐漸下降。

對于土壤含水量而言，其在林木蒸騰過程中呈現明顯的動態變化性，主要原因在于其含水量的不斷變化，其含量較低的情形下，其變化對于蒸騰作用產生了較大制約，影響了蒸騰量；而其含量較高的情況下，蒸騰作用并沒有受到制約，但是其他環境因子則產生了較大制約效果[12,13,18]。通過對比分析可知，即使土壤含水量處于較低水平，水分也是優先作用在植被生長，基于此，為了提高人工林建造的效率，必須充分考慮其需水性，這就需要開展林木錯配，進而在涵養水源的基礎上降低水分消耗[19-21]。從相關分析得知，對于油松而言，其蒸騰作用與太陽輻射、氣溫、濕度的相關性達到顯著，其中相關性較強的是空氣相對濕度，綜合來講，一系列環境因子作用于林木蒸騰，且其交互作用尤為突出。

[1] 李吉躍,周平,招禮軍.干旱脅迫對苗木蒸騰耗水的影響[J].生態學報,2002,22(9):1380-1386

[2] 熊偉,王彥輝,徐德應.寧南山區油松人工林蒸騰耗水規律及其對環境因子的響應[J].林業科學,2003,39(2):1-7

[3] 汪耀富,蔡寒玉,李進平,等.不同供水條件下土壤水分與烤煙蒸騰耗水的關系[J].農業工程學報,2007,23(1):19-23

[4] 何其華,何永華,包維楷.干旱半干旱區山地土壤水分動態變化[J].山地學報,2003,21(2):149-156

[5] 段曉男,王效科,歐陽志云,等.烏梁素海野生蘆葦群落生物量及影響因子分析[J].植物生態學報,2004,28(2):246-251

[6] 司建華,馮起,張小由,等.植物蒸散耗水量測定方法研究進展[J].水科學進展,2005,16(3):450-459

[7] 趙文智,吉喜斌,劉鵠.蒸散發觀測研究進展及綠洲蒸散研究展望[J].干旱區研究,2011,28(3):463-470

[8] 孫長忠,黃寶龍.黃土高原人工植被與其水分環境相互作用關系研究[J].北京林業大學學報,1998,20(3):7-14

[9] 劉家瓊,蒲錦春,劉新民.我國沙漠中部地區主要不同生態類型植物的水分關系和旱生結構比較研究[J].植物學報,1987,29(6):662-673

[10] 夏軍,朱一中.水資源安全的度量: 水資源承載力的研究與挑戰[J].自然資源學報,2002,17(3):262-269

[11] 陳小兵,楊勁松,姚榮江,等.基于大農業框架下的江蘇海岸灘涂資源持續利用研究[J].土壤通報,2010,41(4):860-866

[12] 周平,李吉躍.北方主要造林樹種苗木蒸騰耗水特性研究[J].北京林業大學學報,2002,24(5):50-55

[13] 潘迪,畢華興,次仁曲西,等.晉西黃土區典型森林植被耗水規律與環境因子關系研究[J].北京林業大學學報,2013,35(4):16-20

[14] 王安志,裴鐵璠.森林蒸散測算方法研究進展與展望[J].應用生態學報,2001,12(6):933-937

[15] 楊海軍,孫立達,余新曉.晉西黃土區水土保持林水量平衡的研究[J].北京林業大學學報,1993,15(3):42-50

[16] 何新林,郭生練.天山山區水平衡法徑流模型的研究[J].西北水資源與水工程,1996,7(3):8-13

[17] 朱勁偉,崔啟武,史繼德,等.紅松林和采伐跡地的水量平衡分析[J].生態學報,1982,2(4):335-343

[18] 潘迪.晉西黃土區典型森林植被耗水規律研究[D].北京:北京林業大學,2014

[19] 滿榮洲,董世仁.華北油松人工林蒸騰的研究[J].北京林業大學學報,1986,8(2):1-7

[20] 蔡體久,劉強.落葉松人工林土壤水分平衡的研究[J].東北林業大學學報,1996,24(1):62-67

[21] 楊文斌,蔣士梅.半干旱區四種針葉林蒸騰作用的研究[J].生態學雜志,1991,10(3):18-21

Relationship between Environmental Factors and Water Consumption Regularity ofPlantation

YANG Qian

451450,

Relying on national forest ecosystem research station,in Qinling Mountains was taken as the study area by five years. In order to quantitative reveal the levels of transpiration and evaporation intensity and their relationship with environmental factors, theplantations water consumption and related environmental factors were monitored in this region. Then the effects of vegetation structure on vegetation characteristics of water consumption were analyzed. The weighing method was used to measure the soil evaporation and thermal dissipation probe (TDP) was used to measure the sap-flow dynamics. Combing with the investigation of environmental factors, the data were analyzed. The results showed that soil evaporation and water consumption ofplantations vegetation increased and then decreased, which were the highest in July and August, and then decreased. When the soilwatercontent was above 18%, the ground cover plants not inhibit soil moisture evaporation. Soil evaporation model showed: the soil evaporation was positively correlated with soil moisture content and temperature. Correlation analysis showed thatplantations was positively related to the soil water content, the solar radiation intensity, soil temperature, namely forest transpiration intensity will be increased with the increase of the environmental factor variable values. However, the forest transpiration intensity and own properties ( crown breadth, diameter at breast height, plant height ) showed a negative correlation, which was with the growth, forest transpiration will be suppressed. Overall, the mainly factors that affect forest water consumption was the soil moisture, if the soil water content decreased, the forest vegetation would solve their demand for water in the first place.

; water demand regulation; environmental factors

S715.4

A

1000-2324(2021)06-0971-06

2021-02-26

2021-11-12

楊倩(1985-),女,碩士研究生,講師,研究方向:城市園林規劃. E-mail:chenggexinmei@163.com