不同立地條件下栓皮櫟水分運(yùn)移規(guī)律研究

不同立地條件下栓皮櫟水分運(yùn)移規(guī)律研究

水是限制樹(shù)木生長(zhǎng)的重要因素。由于水條件的影響，植物和樹(shù)木的產(chǎn)量可能超過(guò)其他環(huán)境的總體規(guī)劃。因此,研究樹(shù)木的水分運(yùn)移規(guī)律,選育抗旱節(jié)水樹(shù)種,顯得尤為重要。樹(shù)木的水分運(yùn)輸是以土壤-植物-大氣連續(xù)體(Soil-Plant-AirContinuum,SPAC)中的水勢(shì)梯度為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行的,而SPAC水勢(shì)梯度則由太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、大氣溫度、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速以及土壤溫濕度等因子協(xié)同決定,所以利用多因子回歸方法對(duì)樹(shù)木的水分運(yùn)移規(guī)律及影響因子進(jìn)行研究,有利于掌握林木個(gè)體和群體的耗水規(guī)律。本文利用熱擴(kuò)散式液流探針,結(jié)合對(duì)氣象和土壤因子的同步檢測(cè),分別在陰坡和陽(yáng)坡對(duì)栓皮櫟單株的蒸騰耗水規(guī)律進(jìn)行研究,并揭示其生態(tài)、生理作用機(jī)理,旨在通過(guò)對(duì)不同立地條件下樹(shù)木水分運(yùn)移規(guī)律的研究,更加全面地為北京西山地區(qū)現(xiàn)有植被的選擇,合理搭配與密度配置提供科學(xué)依據(jù),更加有效發(fā)揮森林的保水蓄墑的生態(tài)功能。1不同立地條件混交植被的造林試驗(yàn)區(qū)選在位于北京市西北郊的北京林業(yè)大學(xué)妙峰山教學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng),地理坐標(biāo)為北緯39°54′,東經(jīng)116°28′。林木生長(zhǎng)期從3月末至11月初,共計(jì)210d左右。本次試驗(yàn)樣地分陰坡和陽(yáng)坡兩個(gè)不同立地條件進(jìn)行,其中陰坡地為油松(Pinustabulaeformis)和栓皮櫟(Quercusvariabilis)混交林,林齡31a,林相整齊,郁閉度0.8,坡度16°,坡積黃土粘重,通水透氣性差,土層厚度為75cm左右;陽(yáng)坡地為栓皮櫟和側(cè)柏(Platycladusorientalis)。混交林,林齡31a,林相參差不齊,生長(zhǎng)緩慢,郁閉度0.6,坡度為22°,林下地被物主要為荊條,土質(zhì)類(lèi)型為褐土型耕作土,表層腐殖質(zhì)含量較低,土層厚度為45cm左右。2試驗(yàn)材料和研究方法2.1被測(cè)木的確定按照試驗(yàn)要求,分別在不同的立地條件下,選擇樹(shù)干圓滿(mǎn)、不偏心、不偏冠且胸徑上下50cm處無(wú)節(jié)疤的被測(cè)木進(jìn)行研究。按照試驗(yàn)要求,在陰坡選取的栓皮櫟樹(shù)高為13.0m,胸徑為18.0cm,去皮直徑為16.8cm,邊材面積為188.32cm2.2學(xué)習(xí)方法2.2.1傳播效果的測(cè)量樹(shù)木的水分運(yùn)移速率用TDP探針來(lái)測(cè)定,TDP探針是一種改良的熱擴(kuò)散傳感器,是由Granier(1987)提出的,利用位于熱探針下方測(cè)定徑流溫度的參比探針,來(lái)測(cè)量植物徑流線性熱源的溫度。根據(jù)徑流速率和溫度差之間的關(guān)系,計(jì)算出徑流速率。安裝TDP探針時(shí),先將樹(shù)干外層樹(shù)皮刮掉,露出內(nèi)層活樹(shù)皮,然后在樹(shù)干基部1.0m處選定相距10cm的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行安裝,本次試驗(yàn)栓皮櫟使用的是80探針。樹(shù)干邊材液流的計(jì)算公式為:K為無(wú)量剛參數(shù)。其中dT是測(cè)定期間各測(cè)點(diǎn)TDP探頭兩個(gè)探針之間的瞬時(shí)溫差(℃),dTm為邊材液流停止時(shí)的探針溫差,即測(cè)定期間的最高探針溫差(℃),應(yīng)選擇連續(xù)7～10d的最大值。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算邊材液流速率(cms)Fs為液流通量(cm2.2.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析野外氣象因子利用Dynamax(USA)公司提供的空氣溫度(TEM)、空氣相對(duì)濕度(HUI)、太陽(yáng)輻射(ESR)、風(fēng)速(WS)、土壤溫度(ST)等傳感器和數(shù)據(jù)采集器(Data一TLogger)組成的全自動(dòng)微型氣象站測(cè)定。所有與數(shù)據(jù)采集器相連的探頭設(shè)定采集間隔期為10min,然后30min平均。應(yīng)用Dynalmax公司提供的軟件和SPSS10.O統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。土壤容積含水量的測(cè)定采用TDR(TimeDomainReflectometery)法,儀器為德國(guó)IMKO公司生產(chǎn)的TRIME、探頭為T(mén)3型,在實(shí)驗(yàn)地埋設(shè)兩支管子進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè),約每天上午10時(shí)測(cè)定1次土壤容積含水量。3結(jié)果與分析3.1電子束邊材液流速率由圖1看出,陰坡栓皮櫟和陽(yáng)坡栓皮櫟表現(xiàn)出極為相似的水分運(yùn)移規(guī)律,都呈多峰曲線,只是陽(yáng)坡栓皮櫟的邊材液流速率變化幅度比陰坡大。在9月14日和15日兩天,由于連日的陰雨天氣,大氣與葉片之間形不成足夠高的水勢(shì)差,液流速率都很低,其中高峰值僅為0.0003cms,表現(xiàn)出的規(guī)律性也不是很明顯。在此之后的5d時(shí)間里,陽(yáng)坡栓皮櫟的邊材液流速率大幅增長(zhǎng),其中以20日尤為突出,峰值達(dá)到0.0075cms,是陰坡連日來(lái)最高峰值0.0018cms的5倍,且其液流速率呈明顯的雙峰曲線,日出前后達(dá)到一個(gè)高峰值之后,液流速率有所下降,而在正午前后又達(dá)到一個(gè)新的高峰值,其峰值出現(xiàn)的時(shí)間大約在13∶30左右,9月18日稍晚一些,在16∶00左右達(dá)到峰值,在16日到20日這5d晴朗的天氣里,其液流峰值分別為0.002cms、0.0025cms、0.006cms、0.0035cms和0.0075cms。在此期間,陰坡栓皮櫟的邊材液流速率變化幅度則較為平緩,峰值出現(xiàn)時(shí)間與陽(yáng)坡栓皮櫟差不多,大約在13:20左右,峰值變化范圍也不大,平均為0.0015cms。3.2不同布局條件下，干液體層流對(duì)環(huán)境因子和氣象因子的反應(yīng)3.2.1液流啟動(dòng)時(shí)間太陽(yáng)輻射與大氣溫度存在一定的相關(guān)性,從圖2A和2B中可以看出,無(wú)論是在陰坡還是在陽(yáng)坡,太陽(yáng)輻射和氣溫的變化趨勢(shì)與樹(shù)干液流的變化趨勢(shì)呈一致性,陰坡栓皮櫟和陽(yáng)坡的液流啟動(dòng)時(shí)間與太陽(yáng)輻射的啟動(dòng)時(shí)間基本一致,約為早上6∶00左右,只是液流高峰到來(lái)時(shí)間要比太陽(yáng)輻射的高峰時(shí)間晚1～3h,這是因?yàn)楦鶕?jù)SPAC理論,土壤、植物和大氣之間存在水勢(shì)梯度,當(dāng)大氣溫度升高,大氣水勢(shì)與葉水勢(shì)有水勢(shì)差,樹(shù)木通過(guò)蒸騰拉力從根系吸水,然后再通過(guò)葉片蒸騰到空氣中去,這個(gè)過(guò)程造成了太陽(yáng)輻射與樹(shù)干液流高峰值出現(xiàn)時(shí)間的差異。在14日和15日兩天陰雨天氣中,陽(yáng)坡的太陽(yáng)輻射值與陰坡的基本一致,都很低,陽(yáng)坡日間平均值為0.04231kwm3.2.2月內(nèi)風(fēng)速和干液流速率變化從圖4C中可以看出風(fēng)速對(duì)林木耗水的影響,僅限制在白天,在晴天隨著風(fēng)速的加大,林木的蒸騰速率會(huì)隨著升高,而在夜里,樹(shù)木都處在休眠狀態(tài),這種影響就不大。9月14、15日兩天陰雨天氣,陽(yáng)坡和陰坡的風(fēng)速都很大,陽(yáng)坡日間平均風(fēng)速為1.02ms,陰坡為0.96ms,但這兩天液流速率都很低,這說(shuō)明在陰雨天氣,風(fēng)速不是限制樹(shù)干液流的主要因子,在晴天,由于陽(yáng)坡位于迎風(fēng)面,林地較為空曠,風(fēng)速較陰坡大,平均為1.18ms,是陰坡的120%,加劇了陽(yáng)坡樹(shù)干液流。孫鵬森等人研究還表明,風(fēng)速對(duì)液流的影響僅限制在一定范圍內(nèi),當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1.2ms之后,其對(duì)液流的影響并不明顯,大風(fēng)反而會(huì)降低液流水平。3.2.3空氣中的汽化顯而易見(jiàn),空氣濕度的增加,會(huì)降低液流的速率。由圖2D可以看出,在陰雨天氣,陰坡和陽(yáng)坡相對(duì)濕度高達(dá)90%以上,液流速率較低,因?yàn)橄鄬?duì)濕度高,空氣中的水汽分壓較大,使邊界層水汽壓與葉片氣孔內(nèi)腔水汽梯度減小,水的汽化過(guò)程變慢。而在晴天,由于受太陽(yáng)輻射、溫度、風(fēng)速的影響,相對(duì)濕度大幅降低,陰坡平均為35%,陽(yáng)坡平均為27%,液流也有了相應(yīng)的提高,這與樹(shù)干液流速率呈典型的負(fù)相關(guān)。3.2.4輻射強(qiáng)度和風(fēng)速、氣溫變化的特征土溫的連日變化規(guī)律都不明顯(見(jiàn)圖2E),它們遵從的是一個(gè)更長(zhǎng)的波動(dòng)周期,而不像輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、氣溫那樣直觀。因此,對(duì)土壤參數(shù)的研究無(wú)論是從儀器設(shè)備上,還是在研究方法上都需進(jìn)一步提高。3.2.5坡根系分布層含水量與氣象因子相比,土壤含水量的變化幅度很小而且很慢,土壤含水量對(duì)樹(shù)干液流的影響主要體現(xiàn)在根系分布層。從圖2F中可以看出,陽(yáng)坡根系分布層的含水量要比陰坡高,變化幅度大,陽(yáng)坡根系分布層含水量平均為17.4%,陰坡為14.75%,是陽(yáng)坡的85%,且陽(yáng)坡的變化幅度從14.3%到19.3%,增幅為36%,而陰坡的變化幅度從14.5%到15%,增幅僅為4%。陰坡和陽(yáng)坡土壤含水量的差異決定了樹(shù)干液流的變化規(guī)律,由于陽(yáng)坡土層薄,根系分布淺,大約在20cm層左右,大氣降雨能較快地入滲到根系分布層并被植物吸收利用,所以其液流速率較陰坡相比要大許多,而陰坡根系分布在40cm層左右,相同時(shí)間內(nèi)降雨不能入滲到根系分布層,沒(méi)有足夠的水分供樹(shù)木蒸騰,所以陰坡樹(shù)干液流較小,變化幅度也較緩。3.3不同立地條件下樹(shù)干邊材液流的預(yù)測(cè)模型從以上分析可以得出,樹(shù)干液流的變化規(guī)律受樹(shù)木本身的生物學(xué)結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子的綜合制約,綜合各因子之間的關(guān)系,采用多元線性回歸的方法,推導(dǎo)出不同立地條件下不同天氣類(lèi)型的樹(shù)干邊材液流的預(yù)測(cè)模型:陰雨天:陽(yáng)坡栓皮櫟:晴天:陽(yáng)坡栓皮櫟:陰坡栓皮櫟:其中,x4土壤含水量的影響(1)不同的天氣類(lèi)型和立地條件對(duì)樹(shù)干液流的影響差異顯著,陰天,陽(yáng)坡和陰坡液流速率都很低,變化幅度較為緩慢,其中陽(yáng)坡的最高液流速率為0.0002cms,而陰坡為0.0003cms;在晴天,陽(yáng)坡和陰坡的液流速率均有不同幅度的升高,以陽(yáng)坡升高更為迅速,陽(yáng)坡的液流峰值達(dá)到0.007cms,是陰坡峰值的5倍。(2)土壤含水量對(duì)樹(shù)