秦岭华北落叶松人工林耗水规律与环境因子关系研究

邵全忠，杨 丹，刘 华，李怡文

(1.中国林业科学研究院，森林生态环境与保护研究所，北京100091；2.河南省周口水文水资源勘测局，河南 周口 466000)

0 引 言

植物在生长过程中离不开必要的水分和养分，除了植物自身各个组织对水分具有直接的利用之外，蒸腾过程中对水分的消耗也是植物对水分利用的方式之一，并贯穿整个植物生命周期，并对其新陈代谢等生理活动产生关键作用[1-3]。植物一方面需要吸收水分满足其生长的需要，另一方面还会在大气蒸腾作用下将一定的水分向大气传输，在土壤的参与下，就形成了土壤-植物-大气连续体[4,5]，共同制约水热传输过程。其中的关键影响因素就是水分，不同的植物具有不同的需水特性，这也直接影响到其对环境的适应性[6,7]，因此从这一角度来讲，对植物生存适应性的研究离不开对其耗水过程的研究，尤其是其蒸腾耗水过程及特点[8,9]，这也是生物学研究的主要方向之一。近些年来，越来越多的学者通过更先进的检测手段来探究植物的蒸腾耗水过程[10,11]，比如蒸散率、涡度技术等；此外，对气孔阻力、冠层叶水势等研究越来越多，更多地从植物自身生理特点进行研究，对环境影响未给予充分考虑，因此，如何依据有限的水分承载力，构建出水分稳定的森林植被是一项重要研究[10,11]。

就华北落叶松人工林而言，其主要分布于近2 500 m高的山地，不仅对环境的适应性强[12,13]，而且具有较快的生长速度，更凭借通直树干而具有优良材质，所以说其不仅具有重要的生态价值，还具有较好的经济价值，成为该地区重要的树种[14]。就华北落叶松来说，较好的保水能力使得其能够拥有强大的耐旱性，这对于山区而言是良好的植被，不仅能够起到良好的蓄水效果，且能够通过水热传输来净化当地的空气，提升土壤的蓄水性。对于森林而言，其在生长过程中不可避免地消耗一部分水分，但是其蒸腾作用也是水分消耗的重要途径，不少研究发现，水分蒸发仅仅占植物耗水的很小一部分，而土壤水分挥发及植物水分蒸腾是植物耗水的重要途径之一。20世纪中叶，国外大量的学者逐渐深入探究林木耗水机理，随着研究的不断深入，林木蒸散日益受到关注，当前已经能够通过树干液流法、蒸渗仪称量法等多种测量方法对林木耗水进行衡量。就水量平衡法而言，必须首先了解总的降雨量以及地面径流，之后还要对林冠的截流量及土壤储水量进行测量，然后在此基础上测算林木耗水量，因而容易产生较大误差[15-17]。为了更好地解决水量平衡法造成的测量误差，往往在此基础上开展相应的涡度相关法进行林木耗水测量，但是该方法容易受风速、风向的制约，且难以适应复杂地形测量；树干液流法而言，测量系统并不复杂，在测量过程中能够适应多种地形、成本并不高，而且能够较准确测量植物耗水，因此得以广泛应用，也是近年来不少学者开展植物耗水研究的主要测量方法[5-6,8]。此外，华北落叶松其生态适应性及生产力、养分循环、群落特征等方面的研究已有一些报道，而对华北落叶松蒸腾耗水特征研究较少。随着华北落叶松造林面积的增加和中幼龄的陆续形成，森林经营管理迫切关注华北落叶松林地蒸腾耗水特征。因此，笔者通过对华北落叶松耗水特性以及维持生态稳定的生态耗水量的研究，可以确定华北落叶松水分的合理承载能力，对森林生态植被建设与管理有着重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于秦岭西部太白县南滩苗圃林场(E107°20′，N34°02′)，该区属于秦岭西主峰鳌山脚下，海拔1 600～1 700 m，年均降水量600～1 000 mm，年均无霜期158 d，年平均气温7.6 ℃，最高气温32.8 ℃，最低气温-25.5 ℃，属秦岭谷地小气候带，林木生长期166 d。林地土壤以山地黄棕壤为主，土壤厚度为65 cm左右。林下生有六道木(Abelia biflora)、胡枝子(Lespedza bicolor)、绣线菊(Spiraea salicifolia)等灌木，草本植物主要有大油芒(Sponiopogon sibiricus)、披针苔草(Arthraxon hispisdus)、菊科(Compositae)和黄精属(Polygonatum)等多种植物。

1.2 样地设置

采用空间序列代替时间的方法，在研究区内连续5 a(2012年3月-2016年12月)进行观测，同时统计了近35 a该区降水量和温度的变化特征(图1)，并选取幼龄、中龄和老龄华北落叶松进行取样和观测样地。每种林龄选取3个不同的样地分别编号1、2、3，样地面积为200 m×200 m，按照乔木调查的方法对每个样地选取5个20 m×20 m的样方来进行相关调查和实验。其中GPS记录经每个样地的纬度和海拔，坡度坡向计统计所在样地的坡度和坡向，记录每个样方的物种数(植株密度)，胸径尺和测高仪测定每一植株的胸径(cm)和高度(m)，并用卷尺测定其冠幅(m)，根据生长锥确定林龄，调查结果见表1。

1.3 土壤蒸发耗水

土壤在热力作用下不可避免地通过蒸发而耗水，为衡量其土壤耗水本实验利用称重法加以测量，首先选取样地土样，然后将其放入铁质圆桶，圆桶的直径、高度分别为300、315 mm，之后每日通过加水来把控其含水量，并在每月的中旬对土样进行相应的数据测量及记录；要求土样分别采集无植被、有植被覆盖的土样，并对每块样地进行取样3次，每三天用精度0.001 g的电子天平称重一次，每次3个重复，雨后重新换土。

图1 1985-2017年各月降水量、温度与多年同期平均降水量比较Fig.1 The precipitation of 1985-2017 compare with average precipitation and temperature in the same period

项目海拔/m坡向坡度/(°)胸径/cm株高/m冠幅/m林龄/a密度/(株·hm-2)11 656SE13～193.56.94.6165幼龄21 621SW10～156.45.24.2513231 698NW5～87.23.44.815411 619SW8～1311.913.27.21 523中龄21 659NW19～2512.712.76.2101 43631 601SE15～2013.511.57.11 58911 606N10～1610.611.55.31 652老龄21 698N15～2612.812.36.1201 45331 687NW8～1611.512.46.71 487

1.4 树干径流测定

本研究树干液流采用EMS62植物茎流系统测定，该测定系统基于组织热平衡(THB)法来计算树干液流通量。在高约1.3 m处，用刀将树干死皮刮掉，不能损坏树木形成层，剩余树皮和韧皮部厚度不得超过15 mm。在树干上用配套专用工具插入上部3个终端电极和下部一个参比电极，然后将传感器探针按顺序插入电极槽中，最后将线缆连接器钩在传感器上。在数据采集器中设置每3 min采集1次数据，每30 min记录1次平均数据，时间为2012年3月-2016年12月。

通过液流运移速率计算蒸腾耗水：

P=QTdCwd+TdZ

(1)

由公式(1)得出液流速率为：

(2)

式中：P为热输入功率，W；Q为液流速率，kg/(h·cm)；Td为测量点的温度变化，K；Cw为水的比热容，J/(kg·K)；d为加热树干的有效宽度，cm；Z为测量点的热损失系数，W/K。

整株树的树干液流速率计算公式如下：

Qt=Q×(A-6.28B)

(3)

式中：Qt为整株树的树干液流速率，kg/h；Q为液流速率，kg/(h·cm)；A为树干周长(包括树皮，cm)；B为树皮加韧皮部的厚度，cm。

1.5 林木蒸腾耗水

通过实时监测林木个体耗水引起的质量变化，可以精确描述单株林木的蒸腾耗水特征：

(4)

Vi=24Ed

(5)

式中：V为树木生长季单株耗水量，kg；Vi为第i月的单株月耗水量，kg；k为该树种在一个生长季开始有树干液流的月份；n为该树种在一个生长季树干液流结束的月份；E为月平均小时耗水量，kg/h；d为该月有树干液流的天数，d。

林分总蒸腾耗水量的理论推导基于对单木耗水的实测结果。结合得出的不同树种胸径与边材面积的经验方程，可得出林分总蒸腾量。

(6)

式中：Ea为时段Δt的乔木总蒸腾量，mL；i为所测林地内树木株数；Di为第i棵树的胸径，cm；a、b为胸径-边材面积回归模型参数；est为样木单位时间内单位边材面积贡献的林木蒸腾量，mL/(cm2·min)。

根据水量平衡方程计算土壤及植物蒸散耗水：

(7)

式中：Ti代表水分蒸散强度，mm/h；m(t-1)，mt代表t-1时刻和t时刻蒸渗仪土体水质量，g；Δt代表t-1与t时刻之间的时间间隔，h；ρ代表水的密度，g/cm3；A代表表面积，cm2。

通过分析华北落叶松土壤蒸发的测定结果可知，地面覆盖措施对林地植被管理在土壤水分流失的减少方面、土壤水分蒸发的有效抑制方面以及调节地温方面有着极大的作用。

为了取得更好的分析结果，通过以下公式来定义蒸发量差：

R=G-B

(8)

其中地表蒸发量用G来表示，裸地的蒸发量通过B表示，单位均为mm；

若R≥0，则说明此时的地表植被并没有起到涵养土壤水分的作用，对于降低大气蒸发对水分消耗并没有明显作用，这表面植被难以满足当地气候条件，对土壤保湿没有效果；反之，当R<0的情况下，地表植被能够明显抑制蒸发作用对水分的消耗，能够较好保持土壤水分，从而利用植被生长，并有效降低水土流失，这样的地表植被既能保持水土又能为林木等生长提供更好的生长条件，有利于林地管理。

1.6 气象因子观测

气象因子的观测采用美国ONSET公司生产的HOBO便携式自动气象站。该气象站具备一套完整的测定和记录小气候的系统，配备的标准传感器有：气温，降雨量，相对湿度，土壤温度，太阳辐射强度等。气象站放置在离试验场地不远的空旷地带，2012年3月-2016年12月记录数据。

1.7 数据处理

SPSS 18.0和Excel 2010.0进行数据分析，Pearson相关性系数检验法、单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著法(LSD)检验其差异显著性，在P<0.05和P<0.01水平检验相关系数显著性。

2 结果与分析

2.1 土壤蒸发耗水

2.1.1 植被对土壤蒸发的调节作用

华北落叶松全年土壤蒸发量如图2所示，由图2可知，全年中不同林龄华北落叶松土壤蒸发量呈“几”字形变化规律，在7-8月达到最大，4-6月呈急剧增加趋势；1-4月，3种林龄华北落叶松土壤蒸发量基本保持一致或者不变，9月以后3种林龄华北落叶松土壤蒸发量有所降低；土壤蒸发量与林龄有很大的关系。

图2 不同林龄土壤蒸发量Fig.2 Soil evaporation of differentwoodlands

通过图3不难发现，当幼龄[图3(a)]土样的土壤含水量高于19%的情况下，R>0，说明地表植被未对土壤水分蒸发起到抑制作用，不利于水分的保持；相反，R<0时土壤的含水量则是在19%以下，此时土壤水分蒸发被有效抑制，说明该植被在减少水分流失方面起到了显著作用。而对于图3(b)中的中龄而言，蒸发量差受土壤含水量的影响不明显，浮动区间在0上下，而当土壤含水量低于22%的情况时，浮动范围会增大，但植被此时会对抑制土壤水分蒸发起到作用；当土壤含水量高于22%的情况下，虽然浮动不大，但从整体趋势判断，其植被并没有起到明显是抑制土壤水分蒸发的作用。图3(c)的老龄而言，去土样测量的结果趋势与幼龄颇为相似，蒸发量差因土壤含水量的增加而上升，地表植被能够对土壤水分起到蒸发抑制作用的条件是土壤含水量低于15%，此时R<0；相反，当土壤含水量在15%以上时，地表植被难以对土壤水分蒸发起到较为明显的抑制作用。综合以上3组土样，不难发现以下规律：当土壤含水量在18%以上时，地被植物难以起到抑制土壤水分蒸发的作用；只有在土壤含水量在18%以下的时候，地被植物才能够有效减少土壤水分的蒸发，从而对减少水土流失及保湿起到明显的作用。

图3 不同林龄蒸发量差与土壤含水量的关系Fig.3 The relationship between soil evaporation and soil water contentof different woodlands

2.1.2 土壤蒸发量与环境因子的关系

表2是对土壤蒸发量与周围环境因子进行数理统计分析的结果，从中不难看出，在0.05的显著性水平下，3种林龄土壤蒸发量与植被盖度p值均在0.05以上，所以二者并没有显著的相关关系。对幼龄土壤蒸发量与土壤含水量的相关性分析发现，其显著相关性r达到了0.514，说明二者是正相关的关系；通过与温度的对比分析发现，其显著相关系数r达到了0.689；通过与蒸发量差的因子分析发现，其显著负相关系数r达到了-0.623，说明与蒸发量差具有显著负相关关系；通过对中龄土壤蒸发量与土壤含水量的因子分析发现，其显著相关系数r达到了0.236；与温度的显著相关系数r达到了0.598；在0.05显著性水平下与蒸发量差之间是负相关相关系数；老龄土壤蒸发量与土壤含水量的相关系数r达到了0.321，与温度的相关系数r达到了0.547，且具有显著性；与蒸发量差之间具有显著的负相关关系；通过以上分析不难发现，土壤蒸发量与土壤含水量、温度以及蒸发量差之间具有明显的线性关系，进而对以上线性关系进行回归分析。

表2 土壤蒸发量与其他因子相关性Tab.2 The relationship between soil evaporation and the other factors of differentwoodlands

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在0.05水平(双侧)上显著相关，下同。

从表3的土壤蒸发量与因子间的关系模型可以看出：土壤蒸发量不仅与土壤含水量之间具有正相关关系，还和土壤含水量及温度具有正相关的关系；而蒸发量差则与土壤蒸发量之间具有负相关性。

表3 土壤蒸发量与各因子的关系模型Tab.3 The models between soil evaporation and the other factors of differentwoodlands

注：a为土壤含水量，mm；b为温度，℃；c为蒸发量，mm。

2.2 华北落叶松蒸腾耗水

2.2.1 华北落叶松蒸腾耗水规律及环境因子的动态变化

全年中不同林龄华北落叶松蒸腾耗水量呈“几”字形变化规律，在7-8月达到最大，4-6月呈急剧增加趋势；1-4月，3种林龄蒸腾耗水量基本保持一致或者不变，9月以后蒸腾耗水量有所降低。由图4可以看出：蒸腾耗水量基本表现为老龄>中龄>幼龄，蒸腾耗水量与林龄有很大的关系；不同林龄华北落叶松太阳辐射在7-8月达到最大，4-6月呈急剧增加趋势，8月以后，太阳辐射急剧降低；土壤含水量与土壤温度与蒸腾耗水量呈一致的变化规律，在7-8月达到最大，4-6月呈急剧增加趋势。

2.2.2 华北落叶松蒸腾与环境因子的关系

根据以往的研究，空气温度及相对湿度等环境因素对林木蒸腾会产生重要的影响，同时也会受到辐射及土壤含水量等因素的制约，但不同地区环境差异大，也会导致研究结果不一。本研究选取了草本盖度、冠幅等8个环境因子作为林木蒸腾强度的影响因素，从而判断各因素对林木蒸腾的影响大小。其中土壤温度和土壤含水量的测量深度为20 cm。

从表4可知：各环境因子对华北落叶松的蒸腾影响不一，其中太阳辐射强度、土壤温度对幼龄和中龄落叶松的蒸腾强度产生显著的正相关影响，冠幅、胸径和株高则对之产生负相关的影响；老龄落叶松的蒸腾强度仅与太阳辐射强度呈极显著正相关，与相冠幅、胸径和株高呈显著负相关。另外，表5表明：土壤含水量、太阳幅度强度、土壤温度对林木蒸腾产生正相关的影响，也就是说在环境因素不断增强的情况下，林木的蒸腾强度也会变大。

图4 不同林龄蒸腾耗水量Fig.4 The soil transpiration water of different woodlands

项目草本盖度冠幅胸径株高密度土壤含水量土壤温度太阳辐射强度幼龄相关性-0.098-0.895∗∗-0.756∗∗-0.892∗∗-0.0320.566∗0.742∗∗0.856∗∗显著性0.3560000.2590.0170.0030中龄相关性-0.123-0.841∗∗-0.615∗∗-0.725∗∗-0.523∗0.689∗∗0.2380.759∗∗显著性0.31500.00500.0080.0040.3260.003老龄相关性-0.352-0.803∗∗-0.523∗-0.603∗-0.514∗0.558∗0.569∗0.784∗∗显著性0.28900.0190.0080.0080.0230.0170.002

表5 林木蒸腾量与各因子的关系模型Tab.5 The models between soil evaporation and the other factors of different woodlands

注：a为冠幅，m；b为胸径，mm；c为株高，m；d为土壤含水量。

3 结论与讨论

森林耗水主要包括土壤蒸发耗水和植被的耗水这两个部分。通过分析可以发现，土壤含水量不仅与土壤温度之间存在显著的正相关，而且还与土壤蒸发耗水之间存在显著的正相关。值得注意的是，植被对土壤水分起抑制作用的条件是土壤含水量高于18%。在本研究中，3种林龄华北落叶松土壤蒸发量的年际变化呈现出“几”字形的变化规律，具体表现为4-6月呈急剧增加的趋势，7-8月达到最大；在1-4月，3种林龄华北落叶松土壤蒸发量基本保持一致的变化趋势，而在9月以后，土壤蒸发量均有所降低。这种结果在一定程度上说明土壤蒸发量差主要受地表植被抑制土壤水分蒸发的影响。另一方面，林木蒸腾耗水主要表现在4-10月，也就是生长期，其中幼龄蒸腾量为289.52 mm，中龄蒸腾量258.34 mm，老龄蒸腾量223.58 mm。根据本文研究发现土壤蒸发量不仅与土壤含水量之间具有显著正相关关系，还和土壤含水量及温度具有正相关的关系，也就是说随着这些因素的上升，土壤蒸发量也会提升；而蒸发量差则与土壤蒸发量之间具有负相关性。

土壤含水量在林木蒸腾过程中的作用不是固定不变的，而是动态的影响作用，这主要由土壤含水量的高低变化所致，当含水量处于较低情况下，含水量变化会对蒸腾强度产生显著制约；而含水量水平较高的情况下，其对蒸腾的影响并没有那么明显，而蒸腾更多地受制于其他环境因子[12,13,18]。通过研究得知，森林耗水量与土壤含水量显著正相关，尤其是水资源较为缺乏的地区，土壤含水量处于较低水平，水分更多的是被植物加以利用而满足自身生长所需，基于此在人工林建造过程中尤其要根据林木的需水性来进行林木错配，从而在保持水土、涵养水源的基础上降低林木对水分的消耗[19-21]。相关性分析表明：华北落叶松蒸腾强度与太阳净辐射量、外界气温和空气相对湿度等均呈极显著的相关性，其中空气相对湿度与蒸腾强度的相关系数最高，这可能是由于多年来该区降雨较多的原因，该区多年为湿润年份，导致空气的相对湿度较大。综合判断可知，影响蒸腾强度的环境因子并不是单独存在，各环境因子之间存在着相互制约和协同的关系，这导致该过程的原理与机制过程比较复杂，未来仍需要常年定位深入研究。

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