不同立地条件下栓皮栎水分运移规律研究

不同立地条件下栓皮栎水分运移规律研究

水是限制树木生长的重要因素。由于水条件的影响，植物和树木的产量可能超过其他环境的总体规划。因此,研究树木的水分运移规律,选育抗旱节水树种,显得尤为重要。树木的水分运输是以土壤-植物-大气连续体(Soil-Plant-AirContinuum,SPAC)中的水势梯度为驱动力进行的,而SPAC水势梯度则由太阳辐射强度、大气温度、空气相对湿度、风速以及土壤温湿度等因子协同决定,所以利用多因子回归方法对树木的水分运移规律及影响因子进行研究,有利于掌握林木个体和群体的耗水规律。本文利用热扩散式液流探针,结合对气象和土壤因子的同步检测,分别在阴坡和阳坡对栓皮栎单株的蒸腾耗水规律进行研究,并揭示其生态、生理作用机理,旨在通过对不同立地条件下树木水分运移规律的研究,更加全面地为北京西山地区现有植被的选择,合理搭配与密度配置提供科学依据,更加有效发挥森林的保水蓄墒的生态功能。1不同立地条件混交植被的造林试验区选在位于北京市西北郊的北京林业大学妙峰山教学实验林场,地理坐标为北纬39°54′,东经116°28′。林木生长期从3月末至11月初,共计210d左右。本次试验样地分阴坡和阳坡两个不同立地条件进行,其中阴坡地为油松(Pinustabulaeformis)和栓皮栎(Quercusvariabilis)混交林,林龄31a,林相整齐,郁闭度0.8,坡度16°,坡积黄土粘重,通水透气性差,土层厚度为75cm左右;阳坡地为栓皮栎和侧柏(Platycladusorientalis)。混交林,林龄31a,林相参差不齐,生长缓慢,郁闭度0.6,坡度为22°,林下地被物主要为荆条,土质类型为褐土型耕作土,表层腐殖质含量较低,土层厚度为45cm左右。2试验材料和研究方法2.1被测木的确定按照试验要求,分别在不同的立地条件下,选择树干圆满、不偏心、不偏冠且胸径上下50cm处无节疤的被测木进行研究。按照试验要求,在阴坡选取的栓皮栎树高为13.0m,胸径为18.0cm,去皮直径为16.8cm,边材面积为188.32cm2.2学习方法2.2.1传播效果的测量树木的水分运移速率用TDP探针来测定,TDP探针是一种改良的热扩散传感器,是由Granier(1987)提出的,利用位于热探针下方测定径流温度的参比探针,来测量植物径流线性热源的温度。根据径流速率和温度差之间的关系,计算出径流速率。安装TDP探针时,先将树干外层树皮刮掉,露出内层活树皮,然后在树干基部1.0m处选定相距10cm的两个测试点进行安装,本次试验栓皮栎使用的是80探针。树干边材液流的计算公式为:K为无量刚参数。其中dT是测定期间各测点TDP探头两个探针之间的瞬时温差(℃),dTm为边材液流停止时的探针温差,即测定期间的最高探针温差(℃),应选择连续7～10d的最大值。在此基础上,计算边材液流速率(cms)Fs为液流通量(cm2.2.2数据统计与分析野外气象因子利用Dynamax(USA)公司提供的空气温度(TEM)、空气相对湿度(HUI)、太阳辐射(ESR)、风速(WS)、土壤温度(ST)等传感器和数据采集器(Data一TLogger)组成的全自动微型气象站测定。所有与数据采集器相连的探头设定采集间隔期为10min,然后30min平均。应用Dynalmax公司提供的软件和SPSS10.O统计软件对所有数据进行分析。土壤容积含水量的测定采用TDR(TimeDomainReflectometery)法,仪器为德国IMKO公司生产的TRIME、探头为T3型,在实验地埋设两支管子进行长期定位观测,约每天上午10时测定1次土壤容积含水量。3结果与分析3.1电子束边材液流速率由图1看出,阴坡栓皮栎和阳坡栓皮栎表现出极为相似的水分运移规律,都呈多峰曲线,只是阳坡栓皮栎的边材液流速率变化幅度比阴坡大。在9月14日和15日两天,由于连日的阴雨天气,大气与叶片之间形不成足够高的水势差,液流速率都很低,其中高峰值仅为0.0003cms,表现出的规律性也不是很明显。在此之后的5d时间里,阳坡栓皮栎的边材液流速率大幅增长,其中以20日尤为突出,峰值达到0.0075cms,是阴坡连日来最高峰值0.0018cms的5倍,且其液流速率呈明显的双峰曲线,日出前后达到一个高峰值之后,液流速率有所下降,而在正午前后又达到一个新的高峰值,其峰值出现的时间大约在13∶30左右,9月18日稍晚一些,在16∶00左右达到峰值,在16日到20日这5d晴朗的天气里,其液流峰值分别为0.002cms、0.0025cms、0.006cms、0.0035cms和0.0075cms。在此期间,阴坡栓皮栎的边材液流速率变化幅度则较为平缓,峰值出现时间与阳坡栓皮栎差不多,大约在13:20左右,峰值变化范围也不大,平均为0.0015cms。3.2不同布局条件下，干液体层流对环境因子和气象因子的反应3.2.1液流启动时间太阳辐射与大气温度存在一定的相关性,从图2A和2B中可以看出,无论是在阴坡还是在阳坡,太阳辐射和气温的变化趋势与树干液流的变化趋势呈一致性,阴坡栓皮栎和阳坡的液流启动时间与太阳辐射的启动时间基本一致,约为早上6∶00左右,只是液流高峰到来时间要比太阳辐射的高峰时间晚1～3h,这是因为根据SPAC理论,土壤、植物和大气之间存在水势梯度,当大气温度升高,大气水势与叶水势有水势差,树木通过蒸腾拉力从根系吸水,然后再通过叶片蒸腾到空气中去,这个过程造成了太阳辐射与树干液流高峰值出现时间的差异。在14日和15日两天阴雨天气中,阳坡的太阳辐射值与阴坡的基本一致,都很低,阳坡日间平均值为0.04231kwm3.2.2月内风速和干液流速率变化从图4C中可以看出风速对林木耗水的影响,仅限制在白天,在晴天随着风速的加大,林木的蒸腾速率会随着升高,而在夜里,树木都处在休眠状态,这种影响就不大。9月14、15日两天阴雨天气,阳坡和阴坡的风速都很大,阳坡日间平均风速为1.02ms,阴坡为0.96ms,但这两天液流速率都很低,这说明在阴雨天气,风速不是限制树干液流的主要因子,在晴天,由于阳坡位于迎风面,林地较为空旷,风速较阴坡大,平均为1.18ms,是阴坡的120%,加剧了阳坡树干液流。孙鹏森等人研究还表明,风速对液流的影响仅限制在一定范围内,当风速达到1.2ms之后,其对液流的影响并不明显,大风反而会降低液流水平。3.2.3空气中的汽化显而易见,空气湿度的增加,会降低液流的速率。由图2D可以看出,在阴雨天气,阴坡和阳坡相对湿度高达90%以上,液流速率较低,因为相对湿度高,空气中的水汽分压较大,使边界层水汽压与叶片气孔内腔水汽梯度减小,水的汽化过程变慢。而在晴天,由于受太阳辐射、温度、风速的影响,相对湿度大幅降低,阴坡平均为35%,阳坡平均为27%,液流也有了相应的提高,这与树干液流速率呈典型的负相关。3.2.4辐射强度和风速、气温变化的特征土温的连日变化规律都不明显(见图2E),它们遵从的是一个更长的波动周期,而不像辐射强度、风速、气温那样直观。因此,对土壤参数的研究无论是从仪器设备上,还是在研究方法上都需进一步提高。3.2.5坡根系分布层含水量与气象因子相比,土壤含水量的变化幅度很小而且很慢,土壤含水量对树干液流的影响主要体现在根系分布层。从图2F中可以看出,阳坡根系分布层的含水量要比阴坡高,变化幅度大,阳坡根系分布层含水量平均为17.4%,阴坡为14.75%,是阳坡的85%,且阳坡的变化幅度从14.3%到19.3%,增幅为36%,而阴坡的变化幅度从14.5%到15%,增幅仅为4%。阴坡和阳坡土壤含水量的差异决定了树干液流的变化规律,由于阳坡土层薄,根系分布浅,大约在20cm层左右,大气降雨能较快地入渗到根系分布层并被植物吸收利用,所以其液流速率较阴坡相比要大许多,而阴坡根系分布在40cm层左右,相同时间内降雨不能入渗到根系分布层,没有足够的水分供树木蒸腾,所以阴坡树干液流较小,变化幅度也较缓。3.3不同立地条件下树干边材液流的预测模型从以上分析可以得出,树干液流的变化规律受树木本身的生物学结构和环境因子的综合制约,综合各因子之间的关系,采用多元线性回归的方法,推导出不同立地条件下不同天气类型的树干边材液流的预测模型:阴雨天:阳坡栓皮栎:晴天:阳坡栓皮栎:阴坡栓皮栎:其中,x4土壤含水量的影响(1)不同的天气类型和立地条件对树干液流的影响差异显著,阴天,阳坡和阴坡液流速率都很低,变化幅度较为缓慢,其中阳坡的最高液流速率为0.0002cms,而阴坡为0.0003cms;在晴天,阳坡和阴坡的液流速率均有不同幅度的升高,以阳坡升高更为迅速,阳坡的液流峰值达到0.007cms,是阴坡峰值的5倍。(2)土壤含水量对树