华北落叶松人工林蒸腾特征及其与土壤水势的关系

冯永建,马长明,王彦辉,杜阿朋

(1.河北农业大学林学院,071000,河北保定;2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,100091,北京)

华北落叶松人工林蒸腾特征及其与土壤水势的关系

冯永建1,马长明1,王彦辉2†,杜阿朋2

(1.河北农业大学林学院,071000,河北保定;2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,100091,北京)

利用野外定位观测技术,于2008年 5—10月在宁夏六盘山叠叠沟小流域对华北落叶松林整个生长季土壤水势的变化规律进行研究。结果显示:1)降雨量是影响土壤水势变化的主要因素,土壤水势在不同深度变化趋势基本一致,但变化幅度有较大差异,0～20、20～40、40～60 cm土层的土壤水势梯度在 6—9月份最大,8月份水势梯度最低;2)华北落叶松 5—10月各月的耗水速率排序为 6月 ＞5月＞7月 ＞8月 ＞9月 ＞10月,耗水量分别占生长季的 20.3%、25.4%、20.1%、18.6%、15.1%、10.7%,耗水月主要分布在 6月;3)在华北落叶松生长季前期土壤水分短缺,生长后期水分充足,2个不同土壤水分条件的树干液流速率表现明显差异,充足条件下蒸腾耗水明显高于短缺条件,且水分亏缺时期 20 cm和 60cm土壤水势与树干液流变化相关性极显著。研究表明土壤水分亏缺与否是华北落叶松蒸腾耗水差异的主要原因,生长季中前期土壤水分对华北落叶松生长至关重要。

土壤水势;华北落叶松;蒸腾耗水;六盘山

水资源缺乏是制约干旱与半干旱地区生态环境建设的主要因子,深入了解流域水文生态特征,有助于持续、扎实地推进生态环境建设[1]。影响土壤水运动的因素很多,其中降水[2]、坡向、蒸散、土壤孔隙度、导水率、根系分布等是最重要的因素[3-4]。研究发现土壤水势在一定程度上决定了植物光合动态和干物质的积累过程,特别是受到干旱胁迫的情况下,土壤水势往往和其他胁迫因素(如高温胁迫)一起作用于植物生理过程[5]。在轻度和中度水分胁迫条件下,植物光合作用的下降主要与气孔限制因素有关[6],而严重的水分胁迫可以导致许多与光合作用有关的活性成分含量及活力降低,造成光合速率的大幅下降,树木生长受限。

六盘山位于我国黄土高原的西部地区,属于宁夏回族自治区南部固原市境内。地处温带草原区的南部森林草原地带,地带性植被为草甸草原和落叶阔叶林。由于长期不合理开垦利用以及降水分布的不均匀,季节性暴雨引起的土壤流失非常严重[7]。目前国内已有对天然或人工植被下土壤水分特征的研究[8-10],对于严重缺水的西北地区,植被生长与水分动态变化关系的研究显得尤为重要,同时华北落叶松(Larix principi-rupprechtii)是本地区的主要造林树种,因此,应用热扩散原理,结合土壤因子对半干旱地区小流域土壤水分的多时空动态变化规律及华北落叶松生长的影响做定位观测,掌握树木的耗水规律[11-12],了解其水文生态功能,为当地水源涵养林的恢复和营造提供树种选择依据。

1 试验区概况

试验区位于六盘山北侧固原市原洲区(E 106°09′～ 106°30′,N 35°15′～35°41′)林业局的叠叠沟林场,属于典型的大陆性季风气候,年平均气温 6～7℃,最冷月(1月)平均温度为 -7～-8℃,最热月(7月)平均温度为 19～21.5℃,无霜期130d左右,年日照时间 2534 h,年降水量 428mm。研究对象为当地优势树种华北落叶松,林龄为 15 a。研究区内人工植被还有山桃(Prunus davidiana Franch)林,天然植被有斑块状分布的沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、虎榛子(Ostryopsis davidiana Decne.)等天然灌丛;草地以铁杆蒿(Artemisa sacrorum Ledeb)和凤毛菊(Saussurea amara(L.)DC.)等为优势种组成的草甸植被群落为主。

2 研究方法

观测时间为 2008年 5—10月,在叠叠沟小流域下游坡下位设置了相邻的华北落叶松林固定样地 ,海拔 2050m,坡度 15°,坡向 NW20°,样地面积20m×20m,土层厚度 100 cm。1)蒸腾测定:在试验区中心选择生长势良好,树干通直,无病虫害的植株4棵,采用德国 Ecomatik公司生产的 SF-L树干液流探头测定单株树干液流,将 SF-L树干液流探头安装于华北落叶松树干上,仪器安装依据熊伟等[13]的方法,利用数据采集器每 5min读取 1次数值。2)降雨量测定:美国 LI-COR公司生产的 LI-1401小型自动气象站,观测降雨量和降水过程;同时放置 1台虹吸式自计雨量计和 1个标准雨量筒,与自动气象站相配合测定。3)土壤水势测定:在华北落叶松树干南北方向 50 cm处应用德国 Ecomatik公司产 EQ15型土壤水势仪在 20、40和 60 cm处埋设土壤水势探头进行测定,每 5min自动取 1次数据。数据采用 Excel2003及 SPSS13.0统计软件进行处理分析。

3 结果与分析

3.1 土壤水势时空变化

图 1(a)为生长季典型晴天(2008-05-18)的土壤水势变化,可以看出土壤水势日变化幅度不大,0～20、20～40和 40～60 cm的水势平均值分别为-28.4946、-34.206 3和 -38.810 1kPa,变化幅度分别为 3.676、5.395和 3.082 kPa,且 20～40 cm变化幅度最大,分析其原因是由于在此层林木、灌木和林下草根系分布较多,耗水较强,是水分的主要吸收层次,其他层次变化相对较缓;因此,土壤水势日变化差异性不显著,但总体呈缓慢下降趋势。

图 1(b)描述华北落叶松人工林年土壤水势与降雨量之间的关系,同时按照本地区多年降雨与华北落叶松人工林在生长季节对水分需求情况可以看出:5—8月水分相对短缺,9—10月水分相对充足,5月份林内土壤水势趋于较高水平,水势值为-12.023 kPa;水势从 6月份开始下降,伴随着气温升高,植被增加,树木耗水量增强,虽降雨量补充,但水分蒸发较大,不能弥补植被蒸腾所消耗,因此土壤水势随时间变化开始下降;进入 8月份,水分短缺最为严重,土壤水势达到低谷时期,许多树木在此时期由于得不到生长所必需的水分而最终导致生长受限;可见,降水作为半干旱地区土壤水分的唯一来源,是土壤水分的决定性因素[14]。9月份之后降雨量剧增,水分得到补充,土壤水势呈直线上升趋势;到 10月份,气温下降,树木水分积累受迫,同时土壤开始结冻。

图 1 华北落叶松土壤水势动态变化Fig.1 Dynamics of soil water potential of Larix principis-rupprechtii

图 2显示华北落叶松人工林土壤水势不同深度变化差异,可以看出不同深度土壤水势变化趋势基本一致,但变化幅度有较大差异,在 5月下旬以前,土壤水势变化趋于缓和,0～20、20～40、40～60 cm的日平均土壤水势分别为 -10.837、-15.059 4、-10.798 kPa,基本相差不大,是因为上年积存一定量的土壤水分,使得土壤各层水分变化不大;5月中下旬以后,20～40 cm土壤水势开始下降,且低于 0～20 cm水势,是由于温度开始回升,日照时间变长,林木蒸腾、土壤蒸发增强,而基本无水分补充,此时地表植被开始生长,对此层的水分需求较强烈所致;40～60 cm是华北落叶松根系的主要分布层[15],随着时间的推移,此层水分不能及时得到补充,且树木对此层吸收逐渐强烈,水势下降最快,同时与 0～20和 20～40 cm相比明显滞后;进入 8月份,受蒸发和重力影响所致,0～20、20～40、40～60 cm土壤水势日最大值分别为 -440.806、-1363.44、-756.087 kPa,日最小值分别为 -477.198、-1 363.44、-816.46 kPa,均处于较低水平,此时正是树木旺盛生长阶段,高温少雨,植被覆盖度逐渐提高,根系吸水与蒸发散不断增强,土壤蒸发、植被蒸腾旺盛,土壤水分消耗迅速,土壤水势急剧下降;2008-09-08前后连续降雨,土壤水势增长迅速,0～20 cm表现突出,与熊伟等[16]研究结果相同,20～40 cm从 -309.187kPa升到 -6.623kPa,40～60 cm从 -1 130.61 kPa升到 -7.660 kPa,变化均十分明显,但可能由于深度原因,40～60 cm在时间上有所滞后。

图 2 华北落叶松人工林不同深度土壤水势特征Fig.2 Soilwater potential gradientat different depths in Larix principi-rupprechtii

3.2 蒸腾速率变化

图 3为干旱条件(2008-07-02—2008-07-09)与湿润条件(2008-09-21—2008-09-28)的蒸腾日变化动态,可以看出:华北落叶松人工林在 2个不同条件下表现出明显差异,湿润条件树干液流日进程的启动时间稍早(06:30—07:30),启动值约为 0.14 cm/min;随着气温逐渐升高,空气相对湿度下降,气孔导度不断升高,液流速度逐渐增强,液流在 15:00左右达到最高峰,并且高峰持续时间较长,最大峰值约为 0.45 cm/min,在到达高峰的过程中波动较多,但波动幅度均较小;19:00左右开始下降,到 22:00左右趋于稳定,但此时仍比干旱条件液流速率整体水平高 5%,这可能是由于白天树冠强大的蒸腾作用消耗大量水分超过了树干向上输送水分的数量,夜间根系吸收的水分又不能满足白天蒸腾散失的水分,树木为了补充树体内的水分亏缺,利用根压作用以水分的方式进入体内,来补充白天蒸腾失去的水分,恢复到水分平衡。干旱条件液流启动时间为07:00—08:00,启动值约为 0.13 cm/min,较湿润条件低,此曲线趋势上升比较缓,且呈现多峰,波动幅度较大,在 13:00左右下降幅度最大,由于阳光充足,耗水量增大,水分补充不足导致液流曲线波动起伏较大,高峰 4～5个,最大峰值约为 0.35 cm/min。

图 3 湿润、干旱条件液流速率日变化Fig.3 Daily change of sap flow velocity at the hum id and dry condition

通过对 2008年 5—10月内每日液流数据进行汇总分析,得到华北落叶松在生长季蒸腾耗水的变化曲线图(图 4),可以看出:华北落叶松液流速率呈现出明显的季节变化特征,在不同的月份里液流速率每日启动时间、达到峰值的时间和液流速率变慢达到低谷的时间表现出较大的差异。5月初至 7月初,日液流速率相对较高,日均液流速率由 0.184 cm/min升到 0.319 cm/m in,增幅为 42%,但变化幅度并不强烈,并随天气条件的变化出现骤降现象;8月 1日至 8月底,日液流速率最小,日均液流速率最小值为 0.129 cm/min,主要由于该时期降雨较少导致;9月初至 10月 1日,液流速率猛增,日均液流速率由 0.120 cm/min变为 0.278 cm/min,增幅为56%;10月 2日至 10月 29日,已是生长季末期,基本维持在同一水平,液流通量明显减小。5—10月日均液流速率为 0.213 cm/min,5、6、7、8、9、10月各月的日均液流速率分别为 0.262、0.326、0.240、0.195、0.186、0.138 cm/min,分别占主要生长季的20.3%、25.4%、20.1%、18.6%、15.1%、10.7%。可见,2008年整个生长季节期间华北落叶松的耗水月主要分布在 6月。

图 4 华北落叶松人工林液流速率日平均变化Fig.4 Daily average change of sap flow velocity of Larix principi-rupprechtii

3.3 蒸腾耗水与土壤水势的关系

在西北干旱地区研究蒸腾耗水与土壤水势之间的关系,首先应考虑的是水环境,降雨因素应作为水环境的首要因素。根据黄春霞等[17]、刘建立等[18]对环境因子影响树干液流速率的偏相关分析发现:土壤水分等影响因子与蒸腾速率存在极显著正相关,即土壤水分条件极大地影响树木的蒸腾耗水能力;植物从土壤中吸收的水分,通过树干运输到叶片中,其中约 95%的水分通过蒸腾作用散失到大气中[19]。J.Germak等[20-21]研究得出树木在水分胁迫状态下,蒸腾量减少 15%～20%,土壤水分对蒸腾起至关重要的作用。因此,为了进一步阐明土壤水势与蒸腾耗水之间的关系,对液流速率与土壤水势进行了相关分析,结果(表 1)显示,水分亏缺时期20和 60 cm处显示正相关性极显著,水分充足时期40与 60 cm呈负相关,20 cm虽也为负相关,但相关性不显著。在水分亏缺时期蒸腾速率的变化与土壤水势呈明显的一致性,即土壤水分处于亏缺状态,土壤水势对蒸腾影响较大,蒸腾速率会随土壤水势的增加迅速上升,土壤水势降低到一定数值时,蒸腾速率随土壤水势的增加迅速上升更为显著。然而后期随着水势的增加土壤水分充足甚至达到饱和状态,此时土壤水势对蒸腾影响不大,甚至会由于水分过大,影响蒸腾速率而呈现负相关,呈现负相关的原因较多,这与研究树种和环境有密切关系[22];在外界环境不变的情况下,水分的充足与否可以很好地体现蒸腾耗水与土壤水分之间的关系,对于长时间降雨,土壤水处于饱和状态,则体现不出土壤水分对蒸腾作用的影响,到生长季后期(9月以后),即使大气降水供给比较充足,受低温限制,树干液流速率也不会上升到生长季中前期的高水平。

表 1 华北落叶松土壤水势与液流速率相关性分析Tab.1 Correlativity analysis between sap flow velocity and the soil water potential of Larix principi-rupprechtii

4 结论与讨论

1)土壤水势日变化总体呈缓慢下降,受降雨因素的影响,水势有所波动,不同深度变化幅度有较大差异,各层土壤水势在 6—9月份差异最大,8月份水势最低,不同层次土壤水势 0～20 cm＞40～60 cm＞20～40 cm;20～40 cm最小,分析其原因主要是植被分布较多,同时与华北落叶松根系的分布情况有较大影响。

2)华北落叶松液流速率呈现出明显的季节变化特征,日均液流速率大小为 6月 ＞5月 ＞7月 ＞8月 ＞9月 ＞10月,耗水月主要分布在 6月。

3)树木蒸腾耗水受多种环境条件影响,且土壤水分在其中起主导作用[23],从宋丽华等[24]对臭椿的研究发现臭椿日耗水量与土壤水势变化显著相关。这与本研究结果相似,虽然树种的生物学特性不同,其蒸腾的强弱也有所差异,但树木蒸腾耗水都随土壤水势而变化。本研究中 2个不同土壤水势条件下树干日液流速率表现明显差异,湿润条件树干液流从启动到到达低谷期间均明显高于干旱条件,且夜间仍比干旱条件下高 5%;同时将其在不同时期的变化进行了相关性分析,在水分亏缺条件下正相关性极显著,土壤水势降低,土壤保水能力增强,所以植物从干旱的土壤中吸收水分速度减慢,阻碍树木的蒸腾耗水,这种变化在干旱时期较明显,因此每年生长季中前期的水分对华北落叶松的生长至关重要,这也是在干旱半干旱地区植被建设所需着重考虑的问题;在水分充足情况下,蒸腾主要受气象因子影响较大,与土壤水势关系不明显,有待进一步研究。

本研究承蒙固原市叠叠沟林场的大力支持,在此深表感谢。

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Relationship between the characteristics of transpiration of Larix principi-rupprechtii forest and soilwater potential

Feng Yongjian1,Ma Changming1,Wang Yanhui2,Du Apeng2

(1.Forestry College,Agricultrual University of Hebei,071000,Baoding,Hebei;2.The Research Institute of Forest Ecology,Environment and Protection,Chinese Academy of Forestry,100091,Beijing:China)

Based on the field observation,the transpiration variation of Larix principi-rupprechtii forest in DiediegouWatershed in Liupan Mountain of Ningxia Province was studied from May to October in 2008.The results showed that the rainfall was themajor factor impacting on the soilwater potential.Soil water potential in differentdepth had the similar change tendency,but there were greatdifferences among the variation range.Soil layer in 0-20 cm,20-40 cm,40-60 cm had the biggest water potential gradient from June to September,and the soilwater potentialwas lowest in August.The discending order in water consumption speed from May to October of Larix principi-rupprechtii was June,May,July,August,Sep tember,October,and the water consumption was 20.3%,25.4%,20.1%,18.6%,15.1%,10.7%of the grow th season respectively.For Larix principi-rupprechtii forest,therewas a distinctwater shortage happened in earlier stage of growth season,and there was enough water at the later stage of growth season.There was a remarkable difference in water consumption speeds under the different soil water potential.The transpiration in the water enough conditions was higher than in the water shortage conditions significantly,besides,there was a significant relationship between the soilwater potentialat20 cm and 60 cm depths and the sap flow change during the stage of water shortage.It could be concluded that the difference in transpiration consumption is caused by the soilwater shortage,and the soilmoisture at the earlier stage ofgrowth season is very important for the growth of Larix princip-irupprechtii.

soil water potential;Larix principi-rupprechtii;transpiration water consumption;Liupan Mountain

2009-06-22

2009-11-08

项目名称:国家自然科学基金项目(40730631,40671038、30671677、40801017);科技部“十一五”科技支撑计划项目课题(2006BAD 03A 1803);科技部社会公益研究专项(2004DIB3J102);中国林科院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(CAF YBB2007038);国家林业局森林生态环境重点实验室资助

冯永建(1984—),男,硕士研究生。主要研究方向:森林生态与水文。E-mail:fengyongjian000@163.com

†责任作者简介:王彦辉(1957—),男,研究员。主要研究方向:森林水文、森林生态、森林土壤、酸沉降危害森林、森林健康等。E-mail:wangyh@forestry.ac.cn

(责任编辑:程 云)