沿海沙地木麻黄人工林树干液流对台风的响应

白永会 ,叶功富,查轩,游水生,尤龙辉,高伟

(1.东华理工大学 地球科学学院，南昌330013；2.福建省林业科学研究院 生态所，福州350012；3. 福建师范大学 地理科学学院，福州350007；4.福建农林大学 林学院，福州350002)

0 引言

水是影响植物生长的重要生态因子，估测植物蒸腾速率有助于深入了解植物水分的利用机理[1-2]。林木水分利用是林木生理活动和水分循环的关键过程，植物水分利用特征形成了本身的适应性策略，定量研究林木的蒸腾耗水是树木生理学和生态水文学领域的研究热点[3]。液流可反映植物体内的水分传输状况，单株尺度上液流测定法具有安装操作简单、数据可靠性高、零污染和连续观测的优点，目前被国内外植物生理学家和生态学家广泛应用[3-6]。

台风是中国东南沿海区域主要的灾害性天气之一，对近岸海域的经济和生态环境造成严重的影响，尤其是沿海区域防护林生态系统[7]。同时台风对森林生态系统的影响以及台风降水的评估和评价体系在国内外已经是很多学者关注的焦点[8-11]。木麻黄(Casuarinaeguisetfolia)是类针叶的被子植物，它抗风沙、抗干旱、耐盐碱，根系具有根瘤菌可固氮，适应性强的特点，木麻黄林带处于防护林前沿，自20世纪50年代引种以来已成为中国东南沿海7 000多km海岸带的“绿色长城”，是沿海防护林的重要组成部分。国内对台风天气下林木液流和蒸腾耗水的研究较少，仅见对马尾松[12]和尾巨桉的研究[13]，鉴于此，研究不同直径木麻黄树干液流对台风“南马都”登录前后的响应，可为探讨木麻黄人工林对台风天气的响应以及台风降水是否增加木麻黄可利用水分提供数据支持。

1 研究区概况

试验地位于福建省泉州市惠安县崇武镇赤湖防护林场(118°40′E～118°55′E，24°30′N ～24°55′N )，该地属于南亚热带海洋性季风气候，多年平均气温达到19.8 ℃，全年无霜期320 d，多年平均降雨量为1 029 mm，多年平均蒸发量为2 000 mm，夏季7—9月多台风雨，秋冬季节东北风强盛，多年平均风速7.0 m·s-1。土壤是风积沙土。2011年第11号热带风暴“南玛都”于8月31日2时20分在福建晋江市登陆。

2 材料与方法

选取1986年栽植木麻黄人工林，平均胸径9 cm、平均树高9.5 m，至2011年林龄25 a，样地面积20 m×20 m，密度2.0 m×2.0 m (2 500 株·hm-2)，现密度为1 648株·hm-2，郁闭度0.7。样地内选择生长良好、树干通直和树冠受周围植株遮挡较小，具代表性不同胸径大小的样木。为避免林下灌木草本对实验产生影响，选择林下无林被样地，样地内木麻黄凋落物厚度约2～3 cm。试验地不受人为干扰和破坏。样木基本指标如表1。

2.1 木麻黄边材面积

目前测量边材厚度并没有统一方法，因不同的树种而异[14]，样地内随机选取不同径级、生长状况良好的木麻黄共计25株(不含测定液流的样木)，用生长锥法测定边材厚度(取其平均值)，量取其胸围(Cir)，并转换为直径(DBH=Cir/π)，测定树皮厚度，然后由边材厚度求算边材面积[15]。木麻黄边材与心材颜色区别明显，确定边材厚度后计算边材面积(As) :

表 1 供试木麻黄样木基本指标 Table 1 Basic parameters of sample trees(Casuarina equisetifolia)

样木胸径/cm树高/m冠幅/m2枝下高/m树皮厚度/cm边材宽度/cm心材宽度/cm边材面积/cm217.67.01.2×1.33.30.32.41.134.728.610.51.3×1.46.20.42.51.441.6310.811.01.5×1.85.40.53.01.965.9

As=π(2r-2rb-rs)×rs=π(DBH-2rb-rs)×rs

(1)

式(1)中：DBH是直径，r是树干半径 (DBH/2)，rb是树皮厚度，rs是边材厚度。样木直径为12.5 cm以下，边材厚度不超过3 cm，TDP-30探针长度为3 cm，探针能完全进入样木的边材部分。

2.2 仪器安装

用手持罗盘仪定位样木的北方位，在树干胸径处北侧用砍刀将树干树皮刮掉，刮树皮时不要损坏树干的韧皮部；考虑样木重要性，在钻孔前，钻头用10%的次氯酸钠漂洗，在钻另一棵样木时，重新漂洗钻头，用直径2 mm的钻头，钻2个3 cm长的孔，将3 cm长的热源探针(红色导线)和感应探针分别逐渐插入上部孔和下部孔；用仪器自带硅胶将探针与样木之间的空隙封好，以防止树干流下的水分与探针接触；在TDP的每一边都安装1/4球状泡沫，为保护传感器不受扭弯的压力；避免太阳辐射，用锡箔护罩将安装探头所在的树干部分包裹，使用胶带把锡箔隔热膜与树干上部和下部粘在一起，再与数据采集器电源连接。

2.3 树干液流测定和耗水量计算

使用CR1000数据采集器( Data Logger-Campbell Scientific, USA)采样，数据记录10 min取1次液流平均值，树干液流计算[4]:

K=(dTM-dT)/dT

(2)

Fd=0.011 9K1.231

(3)

单株样木日耗水量计算:

Q=Fd×As×T

(4)

式(2～4)中：dT为两探针之间的瞬时温差，dTM为记录的昼夜最大温差，K是无量纲量，Q为日耗水量，单位(g·d-1)，Fd为液流速率(cm·s-1)，As为边材面积(cm2)，T为86 400(s)。

2.4 木麻黄林内气象因子测定

气象站(Weatherpak～2000USA)同步监测2 m高度林内光合有效辐射(PAR)、大阳辐射(RAD)、温度(T)、相对湿度(RH)、风速(Ws)气象因子，10 min存储数据。为有效表达温度与相对湿度2个气象因子的共同作用，运用水汽压差这一指标分析，计算水汽压差[16]:

es(T)=0.611×exp[17.502T/(T+240.97)]

(5)

VPD=es(T)-ea=es(T)(1-RH)

(6)

式 (5～6)中，es(T)为T大气温度下的饱和水汽压( Pa)，T为温度(℃)，ea为周围气体水汽压(Pa)，RH为相对湿度(%)，VPD为水汽压差(kPa)。降雨量采用惠安县崇武镇气象站点降雨数据，降雨采用8：00—20：00时日降水量，精度0.1 mm。

2.5 数据处理

运用Excel计算2011年8月20日—9月1日树干液流及气象因子，利用SPSS 17.0对树干液流与气象因子相关性分析，运用Origin 8.5进行制图。

3 结果与分析

3.1 监测期间气象因子动态变化

8月20日—9月1日期间各气象因子(T、RH、PAR、RAD、VPD、Ws)以及降雨量日变化(图1)。T先高后低，最高温度出现在8月26日是33.6 ℃，最低温度出现在8月31日，RH浮动范围在50%～94%，表现出“高-低-高”的趋势，PAR和RAD表现出“高-低”的趋势，最大值分别为772 umol·s-1·m-2和1 386 w·m-2，VPD先增后降，最大值出现在20日是2.33 kpa，最小值出现在9月1日是0.191 kpa，8月29日风速最大值高达1.1 m·s-1，最低值为0 m·s-1；8月20日—9月1日期间，8月21日降水量少于10 mm，由于该时伏旱，处于副高控制下的伏旱天气，台风登陆期间，8月29日8时—8月30日8时降水量达到413.6 mm，8月30日8时—8月31日8时降水量550.6 mm，8月31日8时—9月1日8时降水量242.3 mm，9月1日20—24:00降水量125.1 mm。

图 1 监测期间气象因子的变化Figure 1 Variations of meteorological parameters during the period of monitoring

3.2 木麻黄树干液流速率日变化动态

如表2所示，木麻黄树干液流速率在晴天、阴天、台风天气液流的总体特征是：晴天阴天液流呈单峰型，液流启动时间和峰值时间较规律，但台风天气液流没有明显规律，夜间液流表现为晴天阴天晚间存在微弱液流，但台风天气晚间液流较高，液流平均值速率和液流最大值在台风天气较大。

3.3 不同直径木麻黄耗水量特征

研究认为树干液流速率与边材面积密切相关[17]，不同天气木麻黄样木1、2、3日均耗水量和平均值(3株样木液流平均值)(图2)，晴天8月20日—8月25日均耗水量分别0.86、0.62和5.74 kg，平均值2.40 kg，阴天8月26日—8月28日均耗水量分别是0.80、0.47和4.94 kg，平均值是2.07 kg，台风天8月29日—9月1日均耗水量分别是8.10、0.30和10.01 kg，平均值6.14 kg；样木日均耗水量未呈现随直径增大而增大趋势，不同天气日均耗水量大小顺序为台风天>晴天>阴天。

表 2 不同天气木麻黄单位边材液流速率日变化动态Table 2 Diurnal variation of sap flow velocity per unit of C. equisetifolia in different weather

图 2 不同天气木麻黄日均耗水量特征Figure 2 Characteristics of average daily water consumption of C.equisetifolia under different weather

3.4 小时尺度树干液流与气象因子的关系

小时尺度木麻黄液流与各气象因子的相关分析结果见表3。晴天、阴天、台风天气液流与太阳辐射的相关程度大于有效辐射，且均呈显著正相关关系(P<0.05)。晴天、阴天液流速率与水汽压差呈正相关关系(P<0.05)，且相关性最大，台风天与水汽压差呈显著负相关关系(P<0.05)，且相关程度和晴天阴天比绝对值最低。晴天、阴天、台风天液流与相对湿度均呈负相关关系(P<0.05)，小时尺度降水量与液流表现出显著正相关关系(P<0.05)，相关顺序是样木3>样木1>平均值>样木2，晴天、阴天液流与相对湿度显著负相关(P<0.05)，与风速显著正相关(P<0.05) ，与水汽压差显著正相关(P<0.05)。台风天液流与相对湿度和水汽压差显著负相关(P<0.05)，与风速极显著正相关(P<0.01)，与降水量显著正相关(P<0.05)。

表 3 小时尺度树干液流速率与气象因子的相关分析Table 3 Correlation analysis between sap flow and meteorological factors in hour scale

注：**极显著相关(P<0.01)，*显著相关(P<0.05)， 平均值为1，2，3号样木均值，其中，降雨量为大于10 mm,降雨8—20时实时数据。

4 讨论

晴天、阴天和台风天气液流峰型不一致，阴天液流速率日变化启动时间和峰值时间比晴天提前，且阴天液流速率明显低于晴天液流速率。因为晴天(8月20日—8月25日)太阳辐射、有效辐射、空气温度高促进木麻黄叶子气孔开放，蒸腾作用增强(图2)，而阴天(8月26日—8月28日)太阳辐射、空气温度和水汽压差降低、相对湿度增大，所以木麻黄液流速率明显低于晴天，该现象与孙慧珍[18]、熊伟[19]、夏桂敏[20]研究白桦树干液流、华北落叶松、荒漠区柠条树干液流特征结果一致。台风天液流速率启动时间和峰值没有明显时段，夜间液流存在且数值大于晴天、阴天液流，白天降雨引起辐射低，较低水汽压差阻碍叶子气孔开放，引起白天液流启动和峰值不稳定，且可能白天土壤水分没有充分被木麻黄吸收，在根压作用下，根系吸水方式由主动变为被动，恢复植物体内的水分平衡,进而夜间液流补充恢复木麻黄水分平衡[21]。8月29日—9月1日台风天木麻黄样木1、2、3日均耗水量分别是8.10、0.30和10.01 kg，平均值6.14 kg(图2)，出现样木2的液流最小，原因是台风过后发现样木2的叶片凋落最严重，而且有部分小枝凋落，可以认为是样木2叶子和小枝的光合作用下降导致的耗水量最小。台风天降雨量大引起土壤含水量增加，认为台风降水能够增加木麻黄的水分利用，这一结论与郑怀舟等[17]研究的马尾松的台风降水不能提高植物的水分利用结论相反。8月29日—9月1日降水量大，土壤水分含量增加，所以土壤水分、根系分布是今后研究木麻黄水分利用的重点。

5 结论

1) 晴天、阴天木麻黄液流日变化呈现 “单峰型”，台风天木麻黄液流日变化呈现 “不规则”峰型，阴天木麻黄树干液流启动时间和达到峰值时间早于晴天液流启动时间和达到峰值时间，晴天、阴天夜间液流在21:00之后明显降低。台风天液流启动时间和达到峰值时间没有明显时间段，夜间液流存在且数值最大。

2)小时尺度下，晴天、阴天、台风天气液流与太阳辐射相关程度大于有效辐射且均呈显著正相关关系，晴天、阴天液流与相对湿度显著负相关，与风速和水汽压差显著正相关；台风天气液流与相对湿度和水汽压差显著负相关，与风速呈极显著正相关关系，与降水量呈显著正相关关系。

3)监测期木麻黄日均耗水量未表现随直径增大而增大的规律，日均耗水量顺序为台风>晴天>阴天。

4)木麻黄能够适应台风天气的大风和强降水，且台风降水能够增加木麻黄可利用水分，是沿海防护林经营的首选树种之一。