冀州區欒樹耗水特征研究

肖永青 劉志煒 王冰鶴 許 葉 董 陽

(1.河北省林業和草原局，石家莊 050081；2.河北農業大學，河北 保定 071001)

水分是樹木生長、發育和繁殖等行為活動的重要因素之一，水分是維持樹木新陳代謝以及各種活動不可或缺的因子。廣義地說,林木個體耗水性指的是林木的根吸收土壤中的水然后通過葉片蒸騰耗散的能力。隨著近年來水資源的緊缺，研究樹木的耗水特征對選擇造林樹種、調整的種植結構以及對節省水資源有著重要意義。因此，樹木的耗水特征受到許多學者的關注與研究。該研究采用熱擴散式探針法原理測量液流以獲得植物的耗水量。由于通常只加熱升高1～5 ℃，因而對作物無害。熱擴散式探針法原理被科學證明對絕大部分作物和許多樹種有效。液流探頭無須標定，可直接通過能量平衡和植物液體流動的熱對流速率測量液流通量來測定活體樹木的液流量[1]，進而從時間的維度上分析樹木蒸騰耗水速率和耗水量。因此該文采用熱擴散式探針法原理設計的熱擴散探針(Granier方法)從時間的角度上對欒樹的耗水特征進行研究。

1 研究區概況

研究區位于河北省冀州區北漳淮鄉林場，屬于典型平原區，地理位置為37°24′05″N，115°26′17″E，海拔約22 m，屬溫帶大陸性季風氣候，其特點是四季分明。春季干燥多風，夏季炎熱多雨，雨、熱同季，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。多年平均氣溫13.4 ℃，1月平均氣溫-4.3 ℃，7月平均氣溫26.4 ℃。年平均降水量511.6 mm，年平均降水日數為68 d；降水集中在每年6-8月，7月最多。年平均風速1.8 m/s。年平均蒸發量為1 430.5 mm。全年光照時間達 2 779.7 h，光照率達67%。該地區的風向以北風、西北風為主，冬、春兩季多風。人工造林樣地樹種主要有欒樹(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、五角楓(AcermonoMaxim.)、榆葉梅(Amygdalustriloba)、海棠(Malus)、白蠟(Fraxinuschinesis)等。農田主要作物為小麥、玉米、辣椒；主要草本植物有千屈菜(LythrumsalicariaL.)、狗尾草(Setariaviridis)、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)、刺兒菜(Cirsiumsetosum)等物種。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

該次研究對象為欒樹主要樹種。依托2014—2016年實施的地下水超采綜合治理試點林業項目在冀州區北漳淮鄉林場樣地內布設長期協同固定觀測樣地。標準地面積為20 m×20 m。在標準地內進行樣樹的每木檢尺，并在此基礎上選取10棵生長良好、樹形因子差別不大的標準樣樹。采用熱擴散式液流測定系統TDP在樹干上安裝10 mm探針，TDP安裝高度為40 cm。利用專用塑料泡沫固定探針尾部，防輻射鋁箔進行包裹，探針與CR1000 數據采集器連接，進行連續測定，采集頻率1次/min。

每木檢尺調查采用如下方法(如圖2-1所示)。首先在標準樣地內用測繩打出小網格，并簡單標定小網格的邊界點(如左圖中A1、B1、C1、D14點)。小網格調查路線按照S型路徑進行，并按調查的先后對網格小樣地編號記錄。小網格具體尺寸視樣地狀況而定，該次調查評估每塊樣地面積為20 m×20 m，小網格面積為5 m×5 m。對喬木樹種(包括枯立木)、胸徑、樹高、枝下高、冠幅、樹齡、優勢度、層次、起源、損傷、干形質量、樹齡和病蟲害狀況等進行調查并記錄于表。

圖2-1 每木檢尺調查圖

2.2 耗水測定方法

該實驗采用樹干邊材液流速率利用熱擴散式邊材液流探針TDP(ThermalDissipationProbe)進行測定[1]。將熱擴散式邊材液流探針TDP探頭的2枚探針，分上下方向插入樹干，下方探針為環境探針，上方探針持續加熱，測量2個固定探針的溫度之差，用 Grainer經驗公式計算樹干液流速率。

式中 Vs 為液流速率(cm/s)；dTm 為分析日24 h內上下探針的最大溫差值(℃)；dT為某時刻瞬時溫差值(℃)，即當時測定的溫差值。

2.3 蒸騰耗水量的計算

為避免對標準樣樹的傷害，在樣地內選取10棵與樣樹胸徑差別較小的試驗樹[1]，植被耗水采用在固定樣地內設立樹干液流計并結合文獻資料獲取,基于樹干液流的林木蒸騰耗水量的計算的流程如下。

K=(dTM-dT)/d

Js=0.0119×K1.231×3600

其中K為無量綱常數；dTM為液流速率較弱或為零時的最大溫度值；dT為測定時的溫度值；Js為液流密度(cm3·cm-2·h-1)。在一定的時間段Δt內，單株的液流總通量Qt可以表示為：

Qt=JstAsΔt

其中Qt是Δt時間內單株樹干液流通量(mL)；As為被測樹木的邊材面積(cm2)；Jst是Δt時間段內的平均液流密度(cm3·cm-2·h-1);為測定時間。

而對于林分某一時間段內的總蒸騰耗水量，計算方法為：

其中Ta為一定時間段Δt內林分喬木的總蒸騰耗水量(mL)；n為所測樣地中的喬木的總數，i為編號；Qti為Δt時間段內第i棵樹的樹干液流通量；Di為第i棵樹的胸徑(cm)，而a、b是胸徑—邊材面積回歸模型，該模型需要針對樣地單獨建立。其建立方式就是在樣地中選擇一定數量的喬木測定其胸徑計邊材面積，進行回歸分析得出，其形式呈指數型。

3 結果與分析

3.1 欒樹在春季4-6月的耗水量特性

春季是植物開枝散葉的重要時期，該研究根據衡水市冀州區氣候規律，選取4-6月作為春季調查期，著重對植被耗水進行了監測與分析。通過一系列的數據研究，如圖3-2所示發現欒樹在春季4-6月中欒樹生長的重要時期，欒樹的單日耗水量在4月份范圍1.21～1.41 mm/d，平均日耗水量1.31 mm/d。5月份欒樹單日耗水量范圍為1.25～1.53 mm/d，平均日耗水量為1.39 mm/d。6月份欒樹單日耗水量范圍為1.36～1.6 mm/d，平均日耗水量為1.48 mm/d。平均日耗水量連月上升，與氣溫變化息息相關[2-4]。

圖 3-2 欒樹在春季4-6月的耗水量變化

3.2 欒樹在夏季7-9月的耗水量特性

夏季是植物生長旺盛的季節，其耗水量也是最為活躍且多變的，該研究根據衡水市冀州區氣候規律，選取7-9月作為夏季調查期，對欒樹的耗水進行了監測與分析。通過圖3-3所示可以看出7月份典型天氣條件下1 d內耗水差異變化較小，8月、9月波動較大，呈現逐月波動增大的趨勢。7月份欒樹的日耗水量為1.11～1.46 mm/d，平均日耗水量為1.28 mm/d。8月份欒樹的日耗水量在1.23～1.51 mm/d，平均日耗水量為1.37 mm/d。9月份欒樹的日耗水量在1.38～1.6 mm/d，平均日耗水量為1.49 mm/d?？傮w上，欒樹平均日耗水量波動較大，并存在減小的趨勢，且每日耗水量波動趨勢呈逐月減小的趨勢[5-7]。

圖 3-3 欒樹在夏季7-9月的耗水量變化

3.3 欒樹在秋季10-11月的耗水量特性

秋季是植物生長放緩并為越冬進行準備的時期，不同樹種體現出了較大的差異，該研究選取10-11月作為秋季調查期，對欒樹耗水進行了監測與分析。通過圖3-4所示可以觀察到欒樹平均日耗水量在這個階段變化幅度較小。10月份欒樹的日耗水量在1.3～1.46 mm/d之間，平均日耗水量為1.38 mm/d。11月份欒樹的日耗水量在1.1～1.3 mm/d，平均日耗水量為1.2 mm/d。欒樹的平均日耗水量在這個階段變化幅度較小[8-10]。10月份與11月份的波動幅度明顯變小與溫度、植物為越冬做準備等因素有關[11-13]。

圖 3-4 欒樹在秋季10-11月的耗水量變化

4 結論與討論

該研究表明，在平原耕地條件下欒樹的耗水特征，在不同的生長季節、不同時間維度下有著不同的耗水量趨勢。參考以往的研究發現欒樹的日平均耗水量約為1.75 mm/d，結果與該研究結果相近。通過對該實驗的研究數據進行分析發現在1 d內溫度高的時刻，耗水量比一般時刻要低，經過對欒樹的研究與查找相關文獻得知由于氣溫的升高植物體為避免水分的過度蒸騰進行了氣孔的關閉，這是植物體進行避旱的1種措施，所以在下午的時候耗水量反而比一般時刻低，植物體在夜間進行呼吸作用消耗一定量的水，所以在夜間時耗水量趨于平緩，差值不大。當太陽生起時植物體開始進行光合作用，耗水量明顯加大[14-16]。

通過分析欒樹各月耗水量趨勢得出：4-6月春季時期，欒樹耗水量逐月升高。7-8月夏季時期，欒樹耗水量較4-6月春季時期耗水量趨勢波動大，且平均耗水量逐月上升。10-11月秋季時期，欒樹耗水量相比春季的耗水量與夏季的耗水量相比有所下降，且11月的耗水量波動不大，耗水量變化幅度趨于平穩維持在1.2 mm/d左右，其原因通過分析得出：由于欒樹進行越冬、氣溫低等氣候條件因素所導致欒樹在11月份耗水量下降[17]。