湿地松树干液流密度与生长季生长关系的研究

湿地松树干液流密度与生长季生长关系的研究

植物消耗是土壤和植物水循环过程中最重要的环节。在规划和计算水资源所需的量时，需要对林分水平的耗水量信息。由于植物蒸腾耗水与土壤蒸发耗水难以区分,无法控制气候因子及准确模拟野外条件下的林分结构,而且不同尺度上的耗水转换比较困难,因此很难准确预测林木个体和群体水文效益。90年代以后,热技术测定单木耗水研究的日益完善以及与生态学尺度转换方法的有机结合,使得林分蒸腾耗水量的直接测定成为可能。目前常用的纯量有胸径、叶面积以及边材面积等。Hatton等认为胸径与叶面积、边材面积等相比具有较小误差,而且胸径与蒸腾之间的相关性也比较高,但任何一种纯量的适用性取决于林分特征和立地条件。国内在这方面的研究起步较晚,一些学者以边材面积为纯量分别对油松和刺槐、落叶松、胡杨等树种的单木耗水进行了尺度放大转换。湿地松(Pinuselliottii)是我国亚热带红壤区的重要外来造林树种,对其不同尺度耗水规律及影响因子的研究,建立单木耗水扩展模型和多元线性回归模型,可以为该区退化森林的恢复与人工林模式的组建提供基础资料。1研究领域和方法1.1核心试验区湿地松林研究地位于江西省泰和县中国科学院千烟洲试验区(115°04′13″E,26°44′48″N)。该地为典型红壤丘陵地貌,年均气温17.9℃,≥0℃活动积温6253℃,多年平均降水量1489mm,年均蒸发量1300mm,年日照时数1406h,年日照百分率43%,太阳年总辐射量4349MJ/m2,无霜期323d,具有典型的亚热带季风气候特征。在核心试验区湿地松人工林内建立20m×20m固定标准地,坡度5°～10°,海拔高度40～50m,地势较平缓。乔木层平均胸径14.9cm,平均树高9.5m,平均密度约1736株/hm2。由于林分高度郁闭,灌木和草本数量较少,灌木层以白栎(Quercusfabri)为主,草本层代表性类型为刺芒野古草(Aruudinellasteosa)。1.2液流密度和液流速率的测定根据TDP探头的长度和被测木具有代表性的原则选取生长良好、树干通直、无被挤压的湿地松6株,采用热扩散式液流计(CUP-SFM型,日本)对样木进行长期观测。为了避免太阳直射引起的测量误差,将探头安装在树干北面。仪器的安装及环境因子的测定参见文献。液流密度Js(cm3/(cm2·h))和液流速率Fs(cm3/h)由Granier经验公式计算得到。其中,ΔTmax为树干边材液流速率为0时(通常发生在黎明),两探针间的温差ΔT,文中参照Lu的做法,即每10d在ΔT中确定一个最大值ΔTmax。AS为测定部位树干边材面积(cm2)。2结果与分析2.1不同树种个体的液流密度不同种类树木由于木质部结构差异较大(如散孔材和环孔材等),导致树干液流密度的测定结果存在很大差别。即使相同种类的树木,由于生长环境导致的树木尺寸、生长速率等差异均会引起液流密度的变化,所以在估算林分蒸腾量之前必须先分析树木个体间的液流差异。选择2004年6月1日00:00至12月1日00:00对6株样树的液流观测结果,按照文献中的方法删除部分异常值后进行方差分析(表1)。由表1可知,6株样树在此测定期间树干液流密度最大值在14.32～14.82cm3/(cm2·h)间波动,液流密度平均值在3.19～3.62cm3/(cm2·h)间波动。方差分析结果表明,各样树的液流密度不存在显著性差异,并且与胸径关系不密切。这是由于树干液流密度不仅受胸径大小的影响,还与树冠大小、枝叶多少以及探针的朝向有直接关系。2.2湿地松生长特性调查区水边材作为水分的输导组织,其面积大小与水分的传导能力直接相关,所以我们根据测定的单木液流量,通过边材面积估算到整个林分。但由于树木个体间存在很大差异,因而其边材面积也不均一,这就需要我们对林分边材的分布作出预估,找出根据普通测树因子(如胸径)与边材之间的关系来预估整个林分的耗水能力。对研究地大量湿地松样本抽样调查结果表明:由于目前湿地松正处于低龄阶段,心材尚未形成或形成部分相对边材来说可忽略不计,因此可将整个木质部全部看作边材。以圆形计算树干横断面积,边材面积和胸径(带皮)间呈As=146.34-17.781DBH+1.0971(DBH)2的高度相关(r2=0.943),经F检验(F=2×1010>F0.01=7.56),回归系数的相关性检验达极显著水平。为了弄清林分中边材的分布规律,应当首先在调查区选取标准地,进行每木调查(表2)。就标准地湿地松的分布现状来看,胸径主要集中在16～20cm径阶范围内,若按2cm整化,16,18cm株数最多,边材总面积的高峰出现在18cm这一径阶,但单株边材面积在24cm径阶最大。如果时间足够长,边材面积与胸径间关系并非总是上升趋势,而是呈“S”形曲线,这是由于目前湿地松林基本为低龄阶段,其生长的高峰期还没有到达。2.3湿地林标准地下水流量的估计2.3.1回归分析的测定选择代表湿地松生长旺季(2004年7月1日00:00至8月1日00:00)、非生长旺季(2004年11月1日00:00至12月1日00:00)以及全年对6株样树流观测结果进行回归分析。全年:Qc=-0.063109+0.062548SWA(r2=0.99885)(1)生长旺季:Qc=0.51688+0.091276SWA(r2=0.99498)(2)非生长旺季:Qc=-0.58298+0.032287SWA(r2=0.95004)(3)从拟合结果看出,湿地松不同生长季及全年日累计液流量与边材面积均呈极显著的线性相关关系,所有方程的相关系数都在0.95以上,与许多前人的研究结果一致。2.3.2日累计液流量计算根据文中得出的单木日累计液流量-边材面积和边材面积-胸径回归模型,计算出每一径阶样木单株日累计液流量,乘以相应径阶的株数就得到相应径阶树木日累计液流量,再将所有径阶树木累计液流量相加就可以得到标准地日累计液流量。以2004年度为例,分别采用(1),(2),(3)式计算该标准地平均日累计液流量。经计算,所得结果分别为498,752L和234L,3种方法的计算差别很大。因此,对不同生长季日累计液流量计算模型的选择是十分重要的。2.4回归分析的显著性选取6月1日21:00至7月1日20:00液流数据和气象、土壤数据共10800多个,在不考虑环境因子与液流间存在时滞效应的情况下,分析单个及多个环境因子与液流量的回归关系。单位边材面积日累计液流量与冠层温度(CT)、冠层相对湿度(CRH)、光合有效辐射(PAR)分别呈qs=-417.080+24.411CT(r2=0.696),qs=990.780-9.710CRH(r2=0.855),qs=276.20PAR+83.457(r2=0.842)线性相关关系,回归方程和回归系数的相关性检验均达极显著性水平。多元回归分析结果表明(表3),单位边材面积日累计液流量与入选各气象因素的相关性显著,各气象因素偏相关系数的显著性检验概率均小于0.01,可见该回归方程能较好地揭示液流变化与各环境因子变化的相关关系。由偏相关系数的绝对值可知,各气象因素与单位边材面积日累计液流量相关程度大小顺序为:光合有效辐射>冠层相对湿度>冠层温度。qs=794.998−4.448CT−6.692CRT+156.969PAR(r2=0.941‚p＜0.001)(4)qs=794.998-4.448CΤ-6.692CRΤ+156.969ΡAR(r2=0.941‚p＜0.001)(4)3不同生长季树木液流差异的计算(1)文中得出研究地湿地松边材面积与胸径(带皮)间呈高度相关的二次函数关系,这与对雷州半岛桉树(EucalyptusurophyllaS.T.Blake)的研究结果一致。而木棉(PopulusfremontiiWats.)、马占相思(Acaciamangium)和欧州水青冈(Fagussylvatica)等树种边材面积与胸径间关系可以分别用幂函数、线性函数和指数函数很好地拟合。因此,边材面积-胸径模型的形式在很大程度上取决于树种本身的生物学特性。由于文中得出的回归模型是在不考虑心材部分影响的前提下提出的,随着林分的成熟、老龄化,必须建立新的回归方程,否则可能会引起较大的估算误差。(2)湿地松不同生长季及全年日累计液流量与边材面积均呈极显著的线性相关关系,所有方程的相关系数都在0.95以上,说明用边材面积作为湿地松单木耗水尺度扩展的工具是十分可靠的。但对不同生长季的拟合结果存在差异,主要在于回归直线的斜率不同,生长旺季回归直线的斜率最大,而非生长旺季回归直线的斜率最小,因此,树木个体间的液流差异在树木生长旺季表现最为明显。正是由于这种差异,文中在利用不同单木日累计液流量-边材面积模型计算标准地日累计液流量时所得的结果差别很大。因此,对不同生长季树木液流量进行计算时,选择相应生长期的模型对于提高液流量的估算精度是十分有益的。(3)文中只对湿地松单木耗水的空间尺度转换进行了讨论,没有涉及单木耗水时间尺度转换。由于树木蒸腾耗水的研究一般是在一个较短时间内进行的,加上没有系统的基础资料可以利用,这样就给时间尺度转换带来了很大的难度。据Vertessy报道,花楸(Eucalyptusregnans)林日耗水量与树干直径之间的相关关系随林龄的增大会发生一些变化,较老林分和较幼林分相比,前者耗水量随着树干直径的增加较慢。Haydon则找到了一种不依靠空间纯量就能求得不同年龄林分间耗水差别的方法。国内只有孙鹏森等对时间尺度的放大进行了探讨,由于林分的生长可以用单木来描述,在同龄纯林中,标准木的生长规律可以在一定程度上反映林分的生长状况,林分的生长规律在一段时间内与单木的生长呈现相同的规律,因此可以利用边材的生长模型来描述林分耗水的时间变化规律。(4)如果观测的目的是为了估测树木个体的液流通量,根据统计学常识,当然是在边材横截面上取样越多估算结果越准确;而根据热扩