油松人工林耗水规律与环境因子关系

杨倩

油松人工林耗水规律与环境因子关系

杨倩

河南省农业职业学院 园艺园林学院, 河南 郑州 451450

本研究所选取的研究对象为油松，为了探究不同树龄的油松蒸腾效应，不仅选择了幼龄、中龄阶段的油松，还选择了老龄油松，这样实验对比更有针对性，此外，还对油松土壤区域的蒸发效应加以研究对比，在此过程中借助于森林系统观测站开展数据监测，为了进一步降低实验误差，本研究从2012年开始进行为期六年的持续性实验，在探究林木蒸腾效应过程中重点运用了热扩散式茎流计法，在探究土壤蒸发效应过程中重点运用称重法等，同时开展多因子分析研究，通过监测数据开展实地对比分析研究，并探究其影响作用因子。通过连续的观测实验分析得知，虽然林木树龄存在较大差异，但是无论是该区域土壤蒸发方面，还是林木蒸腾效应方面，虽然差异不可避免，但是其变化态势较为接近，整体而言其先升后降的变化态势尤为突出，且不同的生长期内呈现不同的变化特点，对于前四个月而言，其差异并不突出，此后出现明显的上升态势，蒸发量的峰值在七月前后，此后逐渐下降，通过综合分析来看，树龄的影响效果尤为突出。此外，通过研究发现，对于油松区域土壤而言，当其含水量超过18%的情况下，地表植被在抑制土壤蒸发方面的效果并不突出，当低于18%的情况下则具有良好的抑制效应，通过对比得知，对于土壤蒸发量而言，其不仅与土壤温度呈现突出的正相关，还是土壤含水量呈现突出的正向变化关系。实验研究表明，林木蒸腾受到一系列影响因子并不是单一的，且交互作用突出，尤其是温度及湿度的直接作用，除此之外，辐射及含水量等因素的影响效果也尤为突出，地区间的环境因子差异尤为突出。

油松; 需水规律; 环境因子

对于土壤而言，其酸碱强度对于土壤的理化特性施加着必要的影响，通过土壤结构的制约来对植被生长施加作用；此外，微生物活动也受到土壤养分等特点的影响[1-3]，对于新陈代谢而言，一方面受制于土壤养分状况，这是直接的作用因子，另一方面依赖于湿热条件，这是其外部环境因子，这些对于微生物产生直接影响，决定着其活动效率。从土壤的酸性角度来讲，酸性程度成为土壤状况的关键影响因子，酸性过强的土壤将严重抑制植被生长发育，对于微生物活动也产生不利影响，这是陆地生态的关键影响因子之一，对于土壤生态而言，无论是物质交换还是能量交换，都对植被生长发育产生不可替代的作用，影响植被的养分供给及水热状况[4,5]。养分直接制约植株的长势等，水分影响着根茎叶的能量传输，成为无可代替的关键作用因子之一，此外，光合作用也离不开必要的水分，否者植株将最终枯萎，可以说养分和水分贯穿植株生长发育的始终[6,7]。植被生长发育离不开养分及水分，同时在蒸腾途径下水分输送至大气，加之土壤作用，就构成了三者的有机联系，造成了较明显的水热循环。对于不同的植被而言，不同类型的植株，其对水分的需求状况并不完全相同，这就不得不提到其耐旱性，也就是抗逆性特点[4]，整体来说，对于养分而言，其直接制约植株的长势等，对于水分来说，其影响着根茎叶的能量传输，也就是我们常说的耗水性，成为无可代替的关键作用因子之一[8,9]，这也是生物学研究热点之一，在太阳作用下，植被的蒸腾作用难以避免，这就涉及到相应的耗水量，为了对这一作用机理进行探究，本研究重点借助蒸散率对比分析，同时开展相应的涡度技术分析，进而开展细化研究及对比分析，能够在有限的水分条件下开展植被耗水特性[10,11]，根据不同的特点开展相应的植被错配，从而构造较为适宜的森林植被。

从油松林的角度来看，其生长的山地海拔接近于两千五百米，之所以其能够具有较强的适应性，不仅在于其对养分、土壤等要求并不高，而且其耗水特点也有密切关系[12,13]，其不仅生长速度优于其他树种，且树干较为笔直，能够形成较好的利用材质，整体来看，其不仅凭借较好的环境适应性而成为重要的人工林树种，而且在经济价值方面的效应显著，这也是其成为该区域尤为重要的树种的原因所在[14]。由于其水热条件要求并不高，其耐旱性较为明显，尤其适宜种植在山区，一方面通过涵养水源调节局地气候，对水热循环产生影响，另一方面降低水土流失问题，增强土壤蓄水能力。林木在生长过程中对于水分的消耗是难以避免的，蒸腾效应是其一方面，不少学者研究发现，植被耗水很大一部分并不是因为蒸发引起的，土壤水分挥发也起着重要作用，蒸腾作用也是主要的耗水途径[15-17]。目前对于蒸腾效应的研究手段越来越多，树干液流法具有较广泛的应用，此外，蒸渗仪称量法也起着重要的作用。从水量平衡法的角度来看，其不仅与总降雨量、地面径流密切相关，同时与林冠对于雨水的截流效应息息相关，加之土壤对水分具有明显的蓄水效应，这些因素综合影响林木的耗水，但是在计算过程中难免出现误差，为了提升准确性，加以涡度法开展更进一步的研究[5-6,8]。对于树干液流法来说，其具有较为简单的测量系统，能够根据多种地形加以利用，整体而言具有较低的成本，在实际运用中较为广泛，成为重要的研究方法之一。基于此，本研究以油松为研究对象，从其耗水的角度来探究其水分条件及作用机理，为强化林木种植提供有益参考及借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本实验区域位于秦岭鳌山脚下，具体研究地点是太白县南滩苗圃林场，位于东经107°20、北纬34°02'，海拔1700 m，年降雨量接近1000 mm，无霜期207 d，年平均气温接近于7.7 ℃，该地区属于秦岭谷地小气候带，土壤类型为山地黄棕土壤，其土层厚度接近于66 cm，主要分布林木、灌木及草本植物，典型林下植物分布为六道木、胡枝子、大油芒等。

1.2 研究区概况

本研究所选择的实验区域位于南滩苗圃林场，该区域位于秦岭脚下的太白县，海拔超过了2 km，受制于地理位置分布，其雨热同期特点较为明显，降雨量近1000 mm，且主要分布在夏季，其无霜期达到了200 d，冬季气温相对较低，受制于山地分布居多的影响因素，使得该区域呈现8℃的年均温；尤其是山地分布的制约，谷地小气候特点较为明显，以黄棕土为主，不仅分布着林木及灌木等，还分布草本植被，尤其是六道木、胡枝子等。

表1 观测样地基本情况

1.3 土壤蒸发耗水

在太阳照射作用影响下，热量作用于土壤表层，从而很容易形成蒸发及蒸腾作用，这将难以避免地产生水分消耗，这就是我们常说的蒸发效应及蒸腾效应，这将直接影响植被生长发育，为了探究该因素对植被生长发育的作用机理，特进行量化研究分析，对于本研究而言，采取的是称重法进行，首先将采集的土样置于铁桶，每日定量加水，每天对其水量状况进行记录，每月进行数据的整理分析，为了有效探究其对植被生长作用机理，特设置对照组，此外，为了降低实验误差，本研究开展连续3次的重复实验，并进行数据采集。

将实验数据对比分析得知，植被覆盖状况的差异对于蒸发量产生尤为突出的差异，与植被覆盖的土样相比，对于缺乏植被覆盖的土壤而言，其蒸发量更为剧烈，在涵养水源方面的效果较差，不利于局地湿度调节，这说明植被能够起到较好的涵养水源功能，能够有效调节局地气候，降低相应的蒸发量，这对于植被生长发育过程中水分的需求起着积极的促进作用。其蒸发量、裸地分别用S、B代表，为进一步细化研究，特对蒸发量差E计算如下：E=S－B。

当地表蒸发量明显高于裸地的情况下，说明其在涵养水源方面并无较大效果，无法起着降低水耗的作用，说明其植被无法明显改善当地的局地环境，对于土壤水源保持效果较差；相反，植被具有较好的环境适应性，对于增加土壤水分起着积极作用，在有效固土的同时降低水耗，说明其林地种植具有较高的现实意义。

1.4 植被蒸腾耗水

为详细研究植被在蒸腾过程中对水分的消耗，本研究首先对林地进行了每木调查，并通过热扩散式茎流计法对所选取的标准木进行耗水测量，实验中将TDP树干液流测量仪置于树干，通过液流运移速率的测量来计算蒸腾耗水；为了衡量温度、风速等外在因素对植被蒸腾作用的影响，本研究区内建设了小型气象站，实时记录相应的气象数据，及时掌握土壤的温度及湿度等数据，进而便于多方位分析植被蒸腾耗水作用机理及过程。

1.5 数据处理

通过实验本研究获取了一系列的观测数据，首先对其进行整理,接下来通过SPSS 18.0开展相应的分析对比，在开展相关分析的同时进行方差分析，并从0.01、0.05的检验水平下开展统计检验。

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通过对图1的分析得知，对于样地油松来讲，该区域林木在树龄方面的差异尤为突出，但是在水分蒸发方面，其虽然存在较大差异，但是其先升后降的变化态势尤为突出，且不同的生长期内呈现不同的变化特点，对于前四个月而言，其差异并不突出，此后出现明显的上升态势，蒸发量的峰值在七月前后，此后逐渐下降，通过综合分析来看，树龄的影响效果尤为突出。

图1 不同林龄土壤蒸发量

通过对图2的分析可知，第一，对于幼龄土样来说，其含水量在19%之上的情况下会出现＞0，这表明在植被的作用下水分蒸发量并没有减小，说明植被未能抑制水分蒸发，对于水分的保持并未起到应有的作用；反之，当其含水量低于19%的情况下，值则低于0，在这种情况下水分蒸发相对减弱，说明在植被的作用下，水分保持能力进一步增强，对于降低水土流失起到了积极作用。第二，对于中龄土样而言，其与幼龄土样则存在较大的蒸发量差异，土样含水量并未对蒸发产生显著影响，其变化区间基本维持在0左右；当含水量在22%以下的情况下，变化范围稍微上升，但在植被的作用下水分蒸发出现了较明显的抑制；当含水量超过该值的情况下，并未出现较明显的浮动，但是就整体而言，植被对于水分保持产生的作用也不够明显。第三，从老龄土样而言，其测量结果基本接近于幼龄土样的变化，在含水量上升的情况下出现了较大的蒸发量差，当含水量在15%以下的情况下，植被能够起到较为明显的水分保持效果，能够明显抑制水分蒸发，此时值小于零；当含水量超过该值的情况下，在植被的作用下水分蒸发量并没有减小，说明植被未能抑制水分蒸发，对于水分的保持并未起到应有的作用；综合来看，其含水量超过18%的情况下，虽然有植被的作用，但是水分蒸发量并没有减小，说明植被未能抑制水分蒸发，对于水分的保持并未起到应有的作用；当其含水量低于该值的情况下，水分蒸发相对减弱，说明在植被的作用下，水分保持能力进一步增强，对于降低水土流失起到了积极作用。

图2 不同林龄蒸发量差与土壤含水量的关系

2.1.2 土壤蒸发量与环境因子的关系通过对表2进行分析可知，土壤蒸发量与环境因子之间存在较为密切的联系，当检验水平在0.05的情况下，虽然林龄不同，但是蒸发量与植被盖度之间并未通过统计检验，说明二者并没有突出的相关性。不同林龄之间的土壤蒸发与含水量之间存在不同的相关性，从幼龄土样来说，二者的相关系数达到了0.51，这表明二者之间的正相关较为明显，蒸发量与温度之间不仅呈现正相关，其系数高达0.68；从中龄土样来说，通过因子分析得知，二者虽然具有一定的相关性，但是其程度并不高，系数仅为0.23；而其与温度之间的相关程度更高，其系数高达0.59，而其与蒸发量差的变化呈负向变化；对于老龄土样而言，通过因子分析得知，二者虽然具有一定的相关性，但是其程度并不高，系数仅为0.32，而其与温度之间的相关程度更高，其系数高达0.54，且达到了显著；其与蒸发量差的变化呈负向变化；综合来看，对于土壤蒸发而言，其不仅与含水量及温度关系密切，还与蒸发量差存在较大关系，其具有较为明显的线性关系，能够开展后续的回归分析。

通过表3不难看出，土壤蒸发受到外界环境因子的影响，其与含水量之间存在较为明显的正相关，且在温度的综合作用下依然呈现正相关，而其与蒸发量差负向变化关系显著。

表2 土壤蒸发量与其他因子相关性

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。

Note: ** indicates a significant correlation at the level of 0.01 (two-tail);* indicates a significant correlation at the 0.05 level(two-tail), the same as below.

表3 土壤蒸发量与各因子的关系模型

注：为土壤含水量（%）；为温度（℃）；为蒸发量（mm）。

Note:means soil moisture (%),means temperature (℃),means evaporation (mm).

图3 不同林龄蒸腾耗水量

2.2 油松蒸腾耗水

2.2.1 油松蒸腾耗水规律对于油松来讲，该区域林木在树龄方面的差异尤为突出，但是在水分蒸发方面，其虽然存在较大差异，但是其先升后降的变化态势尤为突出，且不同的生长期内呈现不同的变化特点，对于前四个月而言，其差异并不突出，此后出现明显的上升态势，蒸发量的峰值在七月前后，此后下降态势明显，综合来看，树龄的影响效果尤为突出，从蒸腾耗水的角度来看，耗水量最大的是老龄油松，其次是中龄，而幼龄较低。

表4 林木蒸腾量与其他因子相关性

2.2.2 油松蒸腾与环境因子的关系大量学者的实验研究表明，林木蒸腾受到一系列影响因子并不是单一的，且交互作用突出，尤其是温度及湿度的直接作用，除此之外，辐射及含水量等因素的影响效果也尤为突出，地区间的环境因子差异尤为突出。在本实验过程中，本研究选择的环境因子包含了盖度等八个方面，并对其产生的影响程度进行了对比分析。

通过对表4的分析不难得知，受制于不同的环境因子作用，对于油松而言，其蒸腾效果的差异也尤为突出，无论是幼龄落叶松，还是中龄落叶松，均受到辐射温度的制约，且与之存在明显正向变化关系；而冠层、胸径以及株高的负向变化关系也尤为突出；此外，无论是土壤含水量，还是温度、辐射强度，其正相作用机理尤为突出。

表 5 林木蒸腾量与各因子的关系模型

注：；为土壤含水量；为冠幅（m）；为胸径（mm）；为株高（m）。

Note:means soil moisture (%),means canopy (m),DBH (mm),plant height (m).

3 结论与讨论

从森林耗水的角度来讲，其主要的途径如下：一方面，在热力蒸发过程中不可避免地产生了土壤耗水，二是植被在生长过程中对水的消耗；综合来看，其含水量超过18%的情况下，水分蒸发量并没有减小，说明其未能充分抑制水分蒸发；当其含水量低于该值的情况下，水分蒸发相对减弱，说明植被的作用下，水分保持能力进一步增强，对于降低水土流失起到了积极作用。对于前四个月而言，其差异并不突出，此后出现明显的上升态势，蒸发量的峰值在七月前后，此后逐渐下降。

对于土壤含水量而言，其在林木蒸腾过程中呈现明显的动态变化性，主要原因在于其含水量的不断变化，其含量较低的情形下，其变化对于蒸腾作用产生了较大制约，影响了蒸腾量；而其含量较高的情况下，蒸腾作用并没有受到制约，但是其他环境因子则产生了较大制约效果[12,13,18]。通过对比分析可知，即使土壤含水量处于较低水平，水分也是优先作用在植被生长，基于此，为了提高人工林建造的效率，必须充分考虑其需水性，这就需要开展林木错配，进而在涵养水源的基础上降低水分消耗[19-21]。从相关分析得知，对于油松而言，其蒸腾作用与太阳辐射、气温、湿度的相关性达到显著，其中相关性较强的是空气相对湿度，综合来讲，一系列环境因子作用于林木蒸腾，且其交互作用尤为突出。

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Relationship between Environmental Factors and Water Consumption Regularity ofPlantation

YANG Qian

451450,

Relying on national forest ecosystem research station,in Qinling Mountains was taken as the study area by five years. In order to quantitative reveal the levels of transpiration and evaporation intensity and their relationship with environmental factors, theplantations water consumption and related environmental factors were monitored in this region. Then the effects of vegetation structure on vegetation characteristics of water consumption were analyzed. The weighing method was used to measure the soil evaporation and thermal dissipation probe (TDP) was used to measure the sap-flow dynamics. Combing with the investigation of environmental factors, the data were analyzed. The results showed that soil evaporation and water consumption ofplantations vegetation increased and then decreased, which were the highest in July and August, and then decreased. When the soilwatercontent was above 18%, the ground cover plants not inhibit soil moisture evaporation. Soil evaporation model showed: the soil evaporation was positively correlated with soil moisture content and temperature. Correlation analysis showed thatplantations was positively related to the soil water content, the solar radiation intensity, soil temperature, namely forest transpiration intensity will be increased with the increase of the environmental factor variable values. However, the forest transpiration intensity and own properties ( crown breadth, diameter at breast height, plant height ) showed a negative correlation, which was with the growth, forest transpiration will be suppressed. Overall, the mainly factors that affect forest water consumption was the soil moisture, if the soil water content decreased, the forest vegetation would solve their demand for water in the first place.

; water demand regulation; environmental factors

S715.4

A

1000-2324(2021)06-0971-06

2021-02-26

2021-11-12

杨倩(1985-),女,硕士研究生,讲师,研究方向:城市园林规划. E-mail:chenggexinmei@163.com