濕地松樹(shù)干液流密度與生長(zhǎng)季生長(zhǎng)關(guān)系的研究

濕地松樹(shù)干液流密度與生長(zhǎng)季生長(zhǎng)關(guān)系的研究

植物消耗是土壤和植物水循環(huán)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)。在規(guī)劃和計(jì)算水資源所需的量時(shí)，需要對(duì)林分水平的耗水量信息。由于植物蒸騰耗水與土壤蒸發(fā)耗水難以區(qū)分,無(wú)法控制氣候因子及準(zhǔn)確模擬野外條件下的林分結(jié)構(gòu),而且不同尺度上的耗水轉(zhuǎn)換比較困難,因此很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)林木個(gè)體和群體水文效益。90年代以后,熱技術(shù)測(cè)定單木耗水研究的日益完善以及與生態(tài)學(xué)尺度轉(zhuǎn)換方法的有機(jī)結(jié)合,使得林分蒸騰耗水量的直接測(cè)定成為可能。目前常用的純量有胸徑、葉面積以及邊材面積等。Hatton等認(rèn)為胸徑與葉面積、邊材面積等相比具有較小誤差,而且胸徑與蒸騰之間的相關(guān)性也比較高,但任何一種純量的適用性取決于林分特征和立地條件。國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚,一些學(xué)者以邊材面積為純量分別對(duì)油松和刺槐、落葉松、胡楊等樹(shù)種的單木耗水進(jìn)行了尺度放大轉(zhuǎn)換。濕地松(Pinuselliottii)是我國(guó)亞熱帶紅壤區(qū)的重要外來(lái)造林樹(shù)種,對(duì)其不同尺度耗水規(guī)律及影響因子的研究,建立單木耗水?dāng)U展模型和多元線性回歸模型,可以為該區(qū)退化森林的恢復(fù)與人工林模式的組建提供基礎(chǔ)資料。1研究領(lǐng)域和方法1.1核心試驗(yàn)區(qū)濕地松林研究地位于江西省泰和縣中國(guó)科學(xué)院千煙洲試驗(yàn)區(qū)(115°04′13″E,26°44′48″N)。該地為典型紅壤丘陵地貌,年均氣溫17.9℃,≥0℃活動(dòng)積溫6253℃,多年平均降水量1489mm,年均蒸發(fā)量1300mm,年日照時(shí)數(shù)1406h,年日照百分率43%,太陽(yáng)年總輻射量4349MJ/m2,無(wú)霜期323d,具有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候特征。在核心試驗(yàn)區(qū)濕地松人工林內(nèi)建立20m×20m固定標(biāo)準(zhǔn)地,坡度5°～10°,海拔高度40～50m,地勢(shì)較平緩。喬木層平均胸徑14.9cm,平均樹(shù)高9.5m,平均密度約1736株/hm2。由于林分高度郁閉,灌木和草本數(shù)量較少,灌木層以白櫟(Quercusfabri)為主,草本層代表性類型為刺芒野古草(Aruudinellasteosa)。1.2液流密度和液流速率的測(cè)定根據(jù)TDP探頭的長(zhǎng)度和被測(cè)木具有代表性的原則選取生長(zhǎng)良好、樹(shù)干通直、無(wú)被擠壓的濕地松6株,采用熱擴(kuò)散式液流計(jì)(CUP-SFM型,日本)對(duì)樣木進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。為了避免太陽(yáng)直射引起的測(cè)量誤差,將探頭安裝在樹(shù)干北面。儀器的安裝及環(huán)境因子的測(cè)定參見(jiàn)文獻(xiàn)。液流密度Js(cm3/(cm2·h))和液流速率Fs(cm3/h)由Granier經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。其中,ΔTmax為樹(shù)干邊材液流速率為0時(shí)(通常發(fā)生在黎明),兩探針間的溫差ΔT,文中參照Lu的做法,即每10d在ΔT中確定一個(gè)最大值ΔTmax。AS為測(cè)定部位樹(shù)干邊材面積(cm2)。2結(jié)果與分析2.1不同樹(shù)種個(gè)體的液流密度不同種類樹(shù)木由于木質(zhì)部結(jié)構(gòu)差異較大(如散孔材和環(huán)孔材等),導(dǎo)致樹(shù)干液流密度的測(cè)定結(jié)果存在很大差別。即使相同種類的樹(shù)木,由于生長(zhǎng)環(huán)境導(dǎo)致的樹(shù)木尺寸、生長(zhǎng)速率等差異均會(huì)引起液流密度的變化,所以在估算林分蒸騰量之前必須先分析樹(shù)木個(gè)體間的液流差異。選擇2004年6月1日00:00至12月1日00:00對(duì)6株樣樹(shù)的液流觀測(cè)結(jié)果,按照文獻(xiàn)中的方法刪除部分異常值后進(jìn)行方差分析(表1)。由表1可知,6株樣樹(shù)在此測(cè)定期間樹(shù)干液流密度最大值在14.32～14.82cm3/(cm2·h)間波動(dòng),液流密度平均值在3.19～3.62cm3/(cm2·h)間波動(dòng)。方差分析結(jié)果表明,各樣樹(shù)的液流密度不存在顯著性差異,并且與胸徑關(guān)系不密切。這是由于樹(shù)干液流密度不僅受胸徑大小的影響,還與樹(shù)冠大小、枝葉多少以及探針的朝向有直接關(guān)系。2.2濕地松生長(zhǎng)特性調(diào)查區(qū)水邊材作為水分的輸導(dǎo)組織,其面積大小與水分的傳導(dǎo)能力直接相關(guān),所以我們根據(jù)測(cè)定的單木液流量,通過(guò)邊材面積估算到整個(gè)林分。但由于樹(shù)木個(gè)體間存在很大差異,因而其邊材面積也不均一,這就需要我們對(duì)林分邊材的分布作出預(yù)估,找出根據(jù)普通測(cè)樹(shù)因子(如胸徑)與邊材之間的關(guān)系來(lái)預(yù)估整個(gè)林分的耗水能力。對(duì)研究地大量濕地松樣本抽樣調(diào)查結(jié)果表明:由于目前濕地松正處于低齡階段,心材尚未形成或形成部分相對(duì)邊材來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì),因此可將整個(gè)木質(zhì)部全部看作邊材。以圓形計(jì)算樹(shù)干橫斷面積,邊材面積和胸徑(帶皮)間呈As=146.34-17.781DBH+1.0971(DBH)2的高度相關(guān)(r2=0.943),經(jīng)F檢驗(yàn)(F=2×1010>F0.01=7.56),回歸系數(shù)的相關(guān)性檢驗(yàn)達(dá)極顯著水平。為了弄清林分中邊材的分布規(guī)律,應(yīng)當(dāng)首先在調(diào)查區(qū)選取標(biāo)準(zhǔn)地,進(jìn)行每木調(diào)查(表2)。就標(biāo)準(zhǔn)地濕地松的分布現(xiàn)狀來(lái)看,胸徑主要集中在16～20cm徑階范圍內(nèi),若按2cm整化,16,18cm株數(shù)最多,邊材總面積的高峰出現(xiàn)在18cm這一徑階,但單株邊材面積在24cm徑階最大。如果時(shí)間足夠長(zhǎng),邊材面積與胸徑間關(guān)系并非總是上升趨勢(shì),而是呈“S”形曲線,這是由于目前濕地松林基本為低齡階段,其生長(zhǎng)的高峰期還沒(méi)有到達(dá)。2.3濕地林標(biāo)準(zhǔn)地下水流量的估計(jì)2.3.1回歸分析的測(cè)定選擇代表濕地松生長(zhǎng)旺季(2004年7月1日00:00至8月1日00:00)、非生長(zhǎng)旺季(2004年11月1日00:00至12月1日00:00)以及全年對(duì)6株樣樹(shù)流觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析。全年:Qc=-0.063109+0.062548SWA(r2=0.99885)(1)生長(zhǎng)旺季:Qc=0.51688+0.091276SWA(r2=0.99498)(2)非生長(zhǎng)旺季:Qc=-0.58298+0.032287SWA(r2=0.95004)(3)從擬合結(jié)果看出,濕地松不同生長(zhǎng)季及全年日累計(jì)液流量與邊材面積均呈極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,所有方程的相關(guān)系數(shù)都在0.95以上,與許多前人的研究結(jié)果一致。2.3.2日累計(jì)液流量計(jì)算根據(jù)文中得出的單木日累計(jì)液流量-邊材面積和邊材面積-胸徑回歸模型,計(jì)算出每一徑階樣木單株日累計(jì)液流量,乘以相應(yīng)徑階的株數(shù)就得到相應(yīng)徑階樹(shù)木日累計(jì)液流量,再將所有徑階樹(shù)木累計(jì)液流量相加就可以得到標(biāo)準(zhǔn)地日累計(jì)液流量。以2004年度為例,分別采用(1),(2),(3)式計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)地平均日累計(jì)液流量。經(jīng)計(jì)算,所得結(jié)果分別為498,752L和234L,3種方法的計(jì)算差別很大。因此,對(duì)不同生長(zhǎng)季日累計(jì)液流量計(jì)算模型的選擇是十分重要的。2.4回歸分析的顯著性選取6月1日21:00至7月1日20:00液流數(shù)據(jù)和氣象、土壤數(shù)據(jù)共10800多個(gè),在不考慮環(huán)境因子與液流間存在時(shí)滯效應(yīng)的情況下,分析單個(gè)及多個(gè)環(huán)境因子與液流量的回歸關(guān)系。單位邊材面積日累計(jì)液流量與冠層溫度(CT)、冠層相對(duì)濕度(CRH)、光合有效輻射(PAR)分別呈qs=-417.080+24.411CT(r2=0.696),qs=990.780-9.710CRH(r2=0.855),qs=276.20PAR+83.457(r2=0.842)線性相關(guān)關(guān)系,回歸方程和回歸系數(shù)的相關(guān)性檢驗(yàn)均達(dá)極顯著性水平。多元回歸分析結(jié)果表明(表3),單位邊材面積日累計(jì)液流量與入選各氣象因素的相關(guān)性顯著,各氣象因素偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)概率均小于0.01,可見(jiàn)該回歸方程能較好地揭示液流變化與各環(huán)境因子變化的相關(guān)關(guān)系。由偏相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值可知,各氣象因素與單位邊材面積日累計(jì)液流量相關(guān)程度大小順序?yàn)?光合有效輻射>冠層相對(duì)濕度>冠層溫度。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不同生長(zhǎng)季樹(shù)木液流差異的計(jì)算(1)文中得出研究地濕地松邊材面積與胸徑(帶皮)間呈高度相關(guān)的二次函數(shù)關(guān)系,這與對(duì)雷州半島桉樹(shù)(EucalyptusurophyllaS.T.Blake)的研究結(jié)果一致。而木棉(PopulusfremontiiWats.)、馬占相思(Acaciamangium)和歐州水青岡(Fagussylvatica)等樹(shù)種邊材面積與胸徑間關(guān)系可以分別用冪函數(shù)、線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)很好地?cái)M合。因此,邊材面積-胸徑模型的形式在很大程度上取決于樹(shù)種本身的生物學(xué)特性。由于文中得出的回歸模型是在不考慮心材部分影響的前提下提出的,隨著林分的成熟、老齡化,必須建立新的回歸方程,否則可能會(huì)引起較大的估算誤差。(2)濕地松不同生長(zhǎng)季及全年日累計(jì)液流量與邊材面積均呈極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,所有方程的相關(guān)系數(shù)都在0.95以上,說(shuō)明用邊材面積作為濕地松單木耗水尺度擴(kuò)展的工具是十分可靠的。但對(duì)不同生長(zhǎng)季的擬合結(jié)果存在差異,主要在于回歸直線的斜率不同,生長(zhǎng)旺季回歸直線的斜率最大,而非生長(zhǎng)旺季回歸直線的斜率最小,因此,樹(shù)木個(gè)體間的液流差異在樹(shù)木生長(zhǎng)旺季表現(xiàn)最為明顯。正是由于這種差異,文中在利用不同單木日累計(jì)液流量-邊材面積模型計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)地日累計(jì)液流量時(shí)所得的結(jié)果差別很大。因此,對(duì)不同生長(zhǎng)季樹(shù)木液流量進(jìn)行計(jì)算時(shí),選擇相應(yīng)生長(zhǎng)期的模型對(duì)于提高液流量的估算精度是十分有益的。(3)文中只對(duì)濕地松單木耗水的空間尺度轉(zhuǎn)換進(jìn)行了討論,沒(méi)有涉及單木耗水時(shí)間尺度轉(zhuǎn)換。由于樹(shù)木蒸騰耗水的研究一般是在一個(gè)較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的,加上沒(méi)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料可以利用,這樣就給時(shí)間尺度轉(zhuǎn)換帶來(lái)了很大的難度。據(jù)Vertessy報(bào)道,花楸(Eucalyptusregnans)林日耗水量與樹(shù)干直徑之間的相關(guān)關(guān)系隨林齡的增大會(huì)發(fā)生一些變化,較老林分和較幼林分相比,前者耗水量隨著樹(shù)干直徑的增加較慢。Haydon則找到了一種不依靠空間純量就能求得不同年齡林分間耗水差別的方法。國(guó)內(nèi)只有孫鵬森等對(duì)時(shí)間尺度的放大進(jìn)行了探討,由于林分的生長(zhǎng)可以用單木來(lái)描述,在同齡純林中,標(biāo)準(zhǔn)木的生長(zhǎng)規(guī)律可以在一定程度上反映林分的生長(zhǎng)狀況,林分的生長(zhǎng)規(guī)律在一段時(shí)間內(nèi)與單木的生長(zhǎng)呈現(xiàn)相同的規(guī)律,因此可以利用邊材的生長(zhǎng)模型來(lái)描述林分耗水的時(shí)間變化規(guī)律。(4)如果觀測(cè)的目的是為了估測(cè)樹(shù)木個(gè)體的液流通量,根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)常識(shí),當(dāng)然是在邊材橫截面上取樣越多估算結(jié)果越準(zhǔn)確;而根據(jù)熱擴(kuò)