故城县五角枫耗水特征研究

肖永青,刘志炜,王冰鹤,许 叶,董 阳

(1.河北省林业和草原局，河北 石家庄 050081；2.河北农业大学，河北 保定 071002)

1 引言

我国干旱缺水现象日益严重, 水资源短缺已成为制约我国绿化建设的主要因素[1]。近年来，水资源日益稀缺，受到了诸多学者的关注，并对植物耗水量方面展开了诸多研究，但针对在农耕区大田耕地条件下的树种耗水量研究相对较少。尤其是随着全球气候的变化以及我国经济的快速发展和城市化进程急剧变化的大背景下, 我国水资源在原本就贫乏的基础上, 数量和质量进一步降低[2]。水是植物体生长、发育、繁殖等行为活动的重要因子之一，水分是维持树木新陈代谢以及各种行为活动不可或缺的因子。植物蒸腾是一个复杂的物理与生理过程, 在植物的水分代谢中起着支配作用[3]。蒸腾耗水约占植物体水分消耗总量的90%左右[4]。广义上来说 ,林木个体耗水性指的是林木的根系吸收土壤中的水分然后通过叶片蒸腾耗散的能力[14]，从而促进植物体的生长。树种蒸腾速率主要受太阳辐射强度和叶片气孔阻力的影响[5]。近年来，研究树木的耗水特征对选择造林树种、调整种植结构对节省水资源有着重大意义。因此，树木的耗水特性受到许多学者的关注与研究。本研究采用热扩散式探针法原理测量液流以获得植物的耗水量。由于探针通常只加热升高1～5 ℃就可对植物体耗水量进行检测，对植物体无害。热扩散式探针法原理被科学证明对绝大部分作物和许多树种有效。液流探头无须标定，可直接通过能量平衡和植物液体流动的热对流速率测量液流通量来测定活体树木的液流量[6]，进而从时间的维度和不同生长季节的角度分析五角枫日耗水量、平均日耗水量和不同生长季节的日耗水量。因此本文采用热扩散式探针法原理设计的热扩散探针(Granier方法)从时间的维度与不同生长季节角度对五角枫的耗水特征进行研究。

2 研究区概况

研究区位于河北省衡水市故城县饶阳店林场，属于典型农耕区，地理位置为北纬37°26′39″，东经115°53′46″。故城县属黄土地貌, 海拔150～763 m, 平均海拔436 m, 农业区平均海拔300 m[7]。故城气候条件属于暖温带半湿润季风气候，特点是四季分明，年平均气温12.9 ℃，年降雨量575.4 mm，年平均降水日数为66 d，多集中在7月份和8月份，7月份最多。无霜期188.8 d，年平均日照总时间2636.2 h，光照率达 67%。春季干燥多风，夏季炎热多雨，雨、热同季，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥。1月份平均气温-4.2 ℃，7月份平均气温26.7 ℃。年平均风速1.88 m/s。年平均蒸发量为1433.5 mm[8]。该地区的风向以北风、西北风为主，冬、春 两季多风。人工造林样地树种主要有五角枫(AcermonoMaxim.)、榆叶梅(Amygdalustriloba)、海棠(Malus)、白蜡(Fraxinuschinesis)等。农田主要作物为小麦、玉米、辣椒；主要草本植物有千屈菜(LythrumsalicariaL.)、狗尾草(Setariaviridis)、猪毛菜(SalsolacollinaPall.)、刺儿菜(Cirsiumsetosum)等物种。

3 材料与方法

3.1 标准地设置与调查

在故城县饶阳店林场样地内布设长期协同固定观测样地。标准地面积为20 m×20 m。在标准地内进行样树的每木检尺，并在此基础上选取10棵生长良好、树形因子差别不大的标准样树。采用热扩散式液流测定系统TDP在树干上安装10 mm探针，TDP安装高度为40 cm。利用专用塑料泡沫固定探针尾部，防辐射铝箔进行包裹，探针与 CR1000 数据采集器连接，进行连续测定，采集频率每10 min 1次。

每木检尺调查采用如下方法(图1)：首先在标准样地内用测绳打出小网格，并简单标定小网格的边界点(如图1中A1、B1、C1、D1)。小网格调查路线按照S型路径进行，并按调查的先后对网格小样地编号记录。小网格具体尺寸，视样地状况而定，本次调查评估每块样地面积为20 m×20 m，小网格面积为5 m×5 m。对乔木树种(包括枯立木)、胸径、树高、枝下高、冠幅、树龄、优势度、层次、起源、损伤、干形质量、树龄和病虫害状况等，进行调查并记录于表。

3.2 耗水测定方法

本实验采用树干边材液流速率利用热扩散式边材液流探针 TDP(Thermal Dissipation Probe)进行测定[1]。将热扩散式边材液流探针TDP探头的2枚探针，分上下方向插入树干，下方探针为环境探针，上方探针持续加热，测量两个固定探针的温度之差，用 Grainer经验公式计算树干液流速率:

(1)

式(1)中Vs为液流速率(cm/s)；dTm为分析日24 h内上下探针的最大温差值(℃)；dT为某时刻瞬时温差值(℃)，即当时测定的温差值。

3.3 蒸腾耗水量的计算

为避免对标准样树的伤害，在样地内选取 10 棵与样树胸径差别较小的试验树[1]，植被耗水采用在固定样地内设立树干液流计并结合文献资料获取,基于树干液流的林木蒸腾耗水量的计算的流程如下：

K=(dTM-dT)/dT

(2)

Js=0.0119×K1.231×3600

(3)

式(2)、(3)中，K为无量纲常数；dTM为液流速率较弱或为零时的最大温度值；dT为测定时的温度值；Js为液流密度[cm3/(cm2·h)]。在一定的时间段Δt内，单株的液流总通量Qt可以表示为：

Qt=JstAsΔt

(4)

式(4)中，Qt是Δt时间内单株树干液流通量(mL)；As为被测树木的边材面积(cm2)；Jst是Δt时间段内的平均液流密度[cm3/(cm2·h)]；Δt为测定时间。

而对于林分某一时间段内的总蒸腾耗水量，计算方法为：

(5)

式(5)中，Ta为一定时间段Δt内林分乔木的总蒸腾耗水量(mL)；n为所测样地中的乔木的总数，i为编号；Qti为Δt时间段内第i棵树的树干液流通量；Di为第i棵树的胸径(cm)，而a、b是胸径—边材面积回归模型，该模型需要针对样地单独建立。其建立方式就是在样地中选择一定数量的乔木测定其胸径计边材面积，进行回归分析得出，其一般形式呈指数型。

4 结果与分析

4.1 五角枫在春季4～6月份的耗水量特性

春季是植物开枝散叶的季节，本研究根据衡水市故城县饶阳店气候规律，选取4～6月份作为春季调查期，着重对植被耗水进行了监测与分析。通过一系列的数据研究，如图2所示，研究表明五角枫在春季4～6月份时五角枫生长的重要时期，五角枫的单日耗水量在4月份范围1.23～1.47 mm/d，平均日耗水量1.35 mm/d。5月份五角枫的单日耗水量范围为1.22～1.5 mm/d，平均日耗水量为1.36 mm/d。6月份五角枫的单日耗水量范围为1.29～1.45 mm/d，平均日耗水量为1.37 mm/d。平均日耗水量出现逐月小幅上升的态势，且在春季时5月份日耗水量波动最大，这一现象与气温变化和五角枫的耗水特性有着密切关联。

4.2 五角枫在夏季7～9月份的耗水量特性

夏季是植物生长旺盛的季节，其耗水量也是最多且波动较大的，本研究根据衡水市故城县饶阳店的气候特征，选取7～9月份。作为夏季调查期，对五角枫的日耗水量进行了监测与分析。通过(图3)可以看出：7月份典型天气条件下日耗水量波动变化较平缓，9月份波动最大，呈现出逐月波动增大的趋势。7月份五角枫的日耗水量在1.21～1.43 mm/d，平均日耗水量为1.32 mm/d。8月份五角枫的日耗水量在1.12～1.42 mm/d，平均日耗水量为1.27 mm/d。9月份五角枫的日耗水量在1.0～1.6 mm/d，平均日耗水量为1.3 mm/d。总而言之，五角枫日耗水量在夏季波动较大，且出现增多的趋势。

4.3 五角枫在秋季10～11月份的耗水量特性

秋季是植物生长放缓并为越冬进行准备的时期，不同树种体现出了较大的差异，本研究选取10～11月份作为秋季调查期，对五角枫的日耗水量进行了监测与分析。通过图4可以观察到五角枫日耗水量在这个阶段变化幅度较小，尤其是11月份。10月份五角枫的日耗水量在1.33～1.61 mm/d之间，平均日耗水量为1.47 mm/d。11月份五角枫的日耗水量在1.77～1.86 mm/d之间，平均日耗水量为1.83 mm/d。五角枫的日耗水量在这个阶段变化幅度较小。11月份的波动幅度明显变小与温度、植物为越冬做准备等因素有关，但10月份、11月份的日耗水量相较于前两个季度有明显升高，尤其是11月份的耗水量是最高的，通过研究分析得出其耗水量升高应该与落种等植物体自身行为有关。

5 结论与讨论

本研究表明：在大田耕地条件下五角枫的耗水特性而言，在不同的生长季节，不同时间维度下有着不同的耗水量趋势，参考前人的研究发现五角枫的日平均耗水量约为1.29 mm/d，结果与本研究结果相近。通过对本实验的研究数据进行分析发现在一天内温度高的时刻，耗水量比一般时刻要低，经过对五角枫的研究与查找相关文献得知由于气温的升高植物体为避免水分的过度蒸腾进行了气孔的关闭，这是植物体进行避旱的一种措施。一般情况下, 蒸腾速率会随着光合有效辐射的增加而增加, 但当光合有效辐射持续增强时, 植物叶片会由于蒸腾失水过多而导致气孔关闭, 气孔导度减小, 蒸腾速率反而会出现下降的趋势[11，12]。所以在下午的时候耗水量反而比一般时刻低，植物体在夜间进行呼吸作用消耗一定量的水，在夜间时耗水量趋于平缓，差值不大。当太阳生起时植物体开始进行光合作用，耗水量明显加大。环境因子主要通过影响气孔运动进而间接调节植物蒸腾耗水, 气孔导度可以揭示植物蒸腾耗水的生理响应机制[13]。

通过分析五角枫各月耗水量趋势得出：4～6月份春季时期，五角枫的日耗水量逐月平缓上升，上升幅度较小。7～9月份夏季时期，五角枫的耗水量较4～6月份春季时期耗水量趋势波动大，且平均耗水量与春季的平均耗水量相差不大，9月份的波动最大。10～11月份秋季时期，五角枫的日耗水量相比春季的耗水量与夏季的耗水量相比有明显上升，10月份的耗水量有所波动，耗水量也相较于之前的几个季度有所增长，11月份的耗水量波动不大，耗水量变化幅度趋于平稳维持与1.83 mm/d左右，其原因通过分析得出：由于五角枫进行的一些自身行为因素有关，如：五角枫的喜冷特性、落种、种子成熟和气候条件等因素所导致五角枫在11月份耗水量有所升高。通过研究发现,植物的耗水速率的大小与气象因子等诸要素有着密切关联[9，10，16]。

可见，了解树种的耗水特性是我国北方植树造林的重要环节，也是树种合理密植的有力参考依据。这有利于促进树种充分利用水分、充分利用光能、充分利用地力、延长水分滞留时间、提高树种成活率，增加森林覆盖率的有效措施。另外，还要在此基础上，积极的应用科学技术，利用先进科学手段，提升造林成活率和质量，为我国生态文明建设以及可持续发展战略的有力践行奠定坚实的基础[15]。