木麻黄南北方位边材液流季节动态及其对蒸腾耗水测算的影响

尤龙辉

（福建省林业科学研究院，福建 福州350012）

树木以及林分的蒸腾耗水计量是解决森林水资源配置管理问题的一个有效途径，在森林水文学、树木生理学、森林培育学等多领域学科有重要研究价值，如短轮伐期人工用材林中的水分需求量化研究；区分边界层导度和气孔协同控制冠层蒸腾的作用；建立环孔、散孔、无孔径向干流模型；解决森林水文学中森林水资源管理问题等均有其突出优势。研究树木树干液流目前有许多方法，如热脉冲、热平衡、热扩散等技术，其中热扩散探针法（thermal dissipation probe，TDP法）较为常用，因为该技术可长期连续针对树木边材液流进行测定，精度良好且携带方便，配合便携式气象站仪可深入探讨林分蒸腾耗水与环境因子之间的内在关系［1，2］。

研究表明，在特定情况下，应用树干液流技术测算单木的液流速率和蒸腾耗水量会存在两种潜在误差，一种是树干径向深度液流速率的差异性，另外一种是树干不同方位液流速率的差异性，且这两种误差可能交互作用影响，进而对单株树木的蒸腾耗水量的测算产生显著性影响，推绎尺度到林分水平后，误差的累加就会对整个林分水分管理决策产生误导性影响［3－6］。

我国东南沿海自然灾害频繁，风沙侵害、台风、风暴潮等严重影响人们正常的生产生活，木麻黄自20世纪60年代大量引种至我国，对沿海海岸带生态环境的改善功不可没，也是现今东南沿海沙质海岸基干林带的主要树种之一。目前，已有研究者对该树种的液流特征及其与环境因子的相互关系进行初步研究，但是对于树干不同方位的液流差异并无相关分析报道，掌握木麻黄的树干液流特征对于探索该树种的水生理生态机理，林分生态水文特性，建立海岸带人工林的区域水文模型等具有重要意义。本试验针对福建沿海的地理特征，分析木麻黄南北侧液流速率的差异性及其与环境因子相关性，为精确计算木麻黄的蒸腾耗水和林分的水分管理提供参考，并为完善TDP径流计的合理运用提供理论依据。

1 研究地概况和试验方法

1.1 研究地概况

本试验地位于福建惠安县赤湖国有林场木麻黄片林，地理位置24°91′N，118°90′E，海拔15.6m，为南亚热带海洋性季风气候。年均气温19.8℃，无霜期约310d，年均降水量1 049mm，累积年日照时数2 120h，干湿季节分明，夏季多台风暴雨天，年均风速6.8m·s－1，场区基本为均一性风沙土，土壤厚度约60cm，呈弱酸性。本试验地木麻黄林龄约20年，株行距2.5m×2.5m，林下无其他植被，枯落物厚度约7cm，为保证试验期间无其他人为干扰影响，在该试验地布设25.82m×25.82m的标准样地并打水泥桩用防护铁丝围住。

1.2 树干液流速率监测

本试验热扩散探针长度为3cm，参考探针与加热探针安装间距为10cm，加热探针的供热功率为0.15W，探针主要根据Granier原理针对成熟木麻黄林木外侧边材的液流速率进行监测。为了排除个别林木自身因素的影响，样地中选择生长良好、无病虫害、树干通直的木麻黄优势木，在树干1.3m处南北两侧各安装一组探针，并用发泡和防辐射铝铂包裹探针，避免因太阳辐射引起的测量误差。数据采集器（CR1000Campbell）2min测定一次数据并记录每10min的平均值。

1.3 整株液流通量及耗水量测算

目前没有对木麻黄径向液流速率差异的相关研究报道，本试验仅先探讨树干南北方位液流速率差异。液流通量计算公式：F＝Fd·（D－Lsw）·π·Lsw式中：F—液流通量（L/h）；D—1.3m 处去皮胸径；Lsw—1.3m处边材厚度，在试验完成后用生长锥在树干南北两侧1.3m处取样，测得边材厚度分别为3.6、4.1cm。测定期间内整株蒸腾耗水量计算公式：Q＝Ft·t式中：Q—t时间内的整株蒸腾耗水量（L）；Ft—t时间内的平均液流通量（L·h－1）；t—测定时间（s）。

1.4 环境因子监测

在标准样地中心位置架设自动气象观测站（Weatherpak～2000，made in USA），对林内空气相对湿度（RH）、空气温度（T）、太阳辐射（Rs）等主要气象因子进行长期连续定位观测，仪器设定每2 min自动测定一次数据，每10min对数据进行平均并存储数据。研究表明，空气水汽压亏缺是树木水分蒸腾的主要影响因子之一，为此，另外引入空气水汽压亏缺指标，计算公式：

VPD＝0.611e［17.502T/（T＋240.97）］（1－RH）

式中：T—空气温度（℃）；RH—空气相对湿度；VPD—空气水汽压亏缺（kPa）。

2 结果与分析

2.1 南北侧树干液流速率的关系分析

到目前为止，许多研究者为了避免由于太阳辐射产生的背景热梯度对温度测定的误差影响，一般只将探针安装于树干北侧方位。本试验对树干南北侧的液流速率进行相关分析，结果显示，南北侧液流速率呈现简单线性相关关系，相关系数达到0.889 8，并达到显著相关关系（P＜0.01），图1显示，北侧液流速率稍大于南侧液流速率。

图1 木麻黄南北方位树干液流速率的相关关系

2.2 南北侧蒸腾耗水量对环境因子的响应

在木麻黄生长季（5—10月）期间连续测定其南北侧每日蒸腾耗水量、日总太阳辐射和昼间平均水汽压亏缺，分析蒸腾耗水量对环境因子变化的响应，结果表明，木麻黄生长季内南北侧的蒸腾耗水量与各环境因子的变化趋势基本一致，在日总太阳辐射和昼间平均水汽压差较低的5—7月，其对应日的日总耗水量较低，8—9月则较高，10月数值又有所下降；在阴雨天气的情况下，日总太阳辐射、昼间平均水汽压差和日总耗水量均较低，在晴天天气情况下则相反。

图2 生长季木麻黄南北方位每日蒸腾耗水量与日总太阳辐射和昼间平均空气水汽压亏缺

为了探讨木麻黄蒸腾耗水与主要气象环境因子的相互关系，分别用线性和指数饱和曲线方程对其进行拟合，通过可决系数选择更符合实际情况的拟合方程。结果表明，用指数饱和曲线方程拟合的可决系数基本高于线性方程，且全部大于0.500，其中有6个方程大于0.700，占全部方程的50%。各拟合方程可决系数表明，木麻黄蒸腾耗水除了受太阳辐射和水汽压亏缺因素的影响外，还受其他环境因子的影响。从各月份单株累积蒸腾耗水量占整个生长季耗水总量的百分比可以看出，6—9月较高，分别为18.3%、18.9%、20.6%和17.5%；5月和10月则较低，分别为13.6%和12.1%。见图2、表1。

2.3 南北侧蒸腾耗水差异分析

以南北方位组合测算的单株蒸腾耗水量为基准，对单个方位的测算误差进行分析。结果表明，采用北侧单组探针测算的蒸腾耗水量的相对误差绝对值大于南侧，南北侧测算误差绝对值均值为18.19%，对南北侧探针组合测算的单株日均蒸腾耗水量与南、北侧单组探针用DUNCAN新复极差法进行差异显著性检验，结果显示，它们之间的差异性达到显著水平（P＜0.01）。测算样木整个生长季的总蒸腾耗水量为3.870t。见表3。

表1 日太阳总辐射和日均白天空气水汽压亏缺与单株木麻黄日蒸腾耗水量的关系

表2 木麻黄各月总蒸腾耗水量及其所占比例、总太阳辐射和白天平均空气水汽压亏缺

表3 木麻黄南北侧树干液流计算单株耗水量的差异

3 结论与讨论

3.1 为了节省测算费用和降低对测算树体的影响，在假设树体各方位液流速率一致的情况下，采用单组探针测定液流动态具有其优越性。但是在实际情况下，树木南北半断面边材厚度、导水组织结构的差异性，会影响精确测定树木液流速率日动态和日蒸腾耗水总量，因此必须重视不同方位液流速率所引起的误差。本试验木麻黄供试木南北侧液流速率存在显著差异，北侧高于南侧，这与张建国等［6］对辽东栎的研究结果相似。用线性方程拟合南北侧液流速率的关系，表现出显著性拟合效果（P＜0.01；R2＝0.889 8），表明在长期监测中可通过单侧液流速率模拟相对方位液流速率。造成南北侧液流速率差异的原因较难确定，本试验不作探讨。

3.2 指数饱和曲线拟合供试木整株蒸腾耗水量与对应日的总太阳辐射和昼间平均空气水汽压亏缺优于线性拟合效果，符合植物蒸腾对环境因子变化的响应规律，植物气孔会在太阳辐射或空气水汽压亏缺的上限阈值关闭，显示指数型的关系。曲线拟合的可决系数表明，除了这两种主要环境因子的影响外，还有土壤水分条件，物候状况等因素也会制约蒸腾速率。如在多雨的7、8月，湿叶蒸腾不同于晴天的气孔蒸腾，其拟合方程较为接近；干旱的5、6月，叶面很难达到蒸腾耗水量的饱和阈值，拟合方程相对接近。

3.3 在木麻黄的生长季，各月累积蒸腾耗水量、总太阳辐射和昼间平均空气水汽压亏缺表现出一定的差异。5月，总太辐射、昼间平均空气水汽压亏缺较低，蒸腾耗水量较低；6月随着总太阳辐射、昼间平均空气水汽压亏缺的升高有所增加；7—9月虽然太阳辐射较低，但是降雨量高，土壤水分大，加上较高的空气水汽压亏缺，蒸腾耗水量还是保持在一个较高的水平；10月总蒸腾耗水量随着总太阳辐射和昼间平均空气水汽压亏缺的降低而下降。采用南北两侧方位液流速率测算生长季供试木的蒸腾耗水总量约为3.870t；采用1个方位液流速率测算的整株耗水量与2个方位的测算值相差18.19%。因此，不同方位树干液流速率会对单株树木的耗水测算产生显著影响，必须引起重视，否则将产生较大误差，进而影响林分水分管理决策。

［1］Wilson K B，Hanson P J，Mulholland P J，et al.A comparison of methods for determining forest evapotranspirattion and its components：Sap－flow，soil water budget，eddy covariance and catchment water balance［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2001，106（2）：153－168

［2］Lu P，Urban L，Zhao P.Granier＇s thermal dissipation probe（TDP）method for measuring sap flow in trees：Theory and practice［J］.Acta.Botanica Sinica，2004，46（6）：631－646

［3］马玲，赵平，饶兴权，等.马占相思树干液流特征及其与环境因子的关系［J］.生态学报，2005，25（9）：2 145－2 151

［4］王华田，赵文飞，马履一.侧柏树干边材液流的空间变化规律及相关因子［J］.林业科学，2006，42（7）：21－27

［5］张小由，龚家栋，周茂先，等.胡杨树干液流的时空变异性研究［J］.中国沙漠，2004，24（4）：489－492

［6］张建国，闫美杰，时伟宇，等.辽东栎不同方位边材液流季节动态及其对蒸腾耗水测算的影响［J］.水土保持学报，2011，25（3）：193－197