馮永建,馬長明,王彥輝,杜阿朋

(1.河北農業(yè)大學林學院,071000,河北保定;2.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,100091,北京)

華北落葉松人工林蒸騰特征及其與土壤水勢的關系

馮永建1,馬長明1,王彥輝2?,杜阿朋2

(1.河北農業(yè)大學林學院,071000,河北保定;2.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,100091,北京)

利用野外定位觀測技術,于2008年 5—10月在寧夏六盤山疊疊溝小流域對華北落葉松林整個生長季土壤水勢的變化規(guī)律進行研究。結果顯示:1)降雨量是影響土壤水勢變化的主要因素,土壤水勢在不同深度變化趨勢基本一致,但變化幅度有較大差異,0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤水勢梯度在 6—9月份最大,8月份水勢梯度最低;2)華北落葉松 5—10月各月的耗水速率排序為 6月 ＞5月＞7月 ＞8月 ＞9月 ＞10月,耗水量分別占生長季的 20.3%、25.4%、20.1%、18.6%、15.1%、10.7%,耗水月主要分布在 6月;3)在華北落葉松生長季前期土壤水分短缺,生長后期水分充足,2個不同土壤水分條件的樹干液流速率表現(xiàn)明顯差異,充足條件下蒸騰耗水明顯高于短缺條件,且水分虧缺時期 20 cm和 60cm土壤水勢與樹干液流變化相關性極顯著。研究表明土壤水分虧缺與否是華北落葉松蒸騰耗水差異的主要原因,生長季中前期土壤水分對華北落葉松生長至關重要。

土壤水勢;華北落葉松;蒸騰耗水;六盤山

水資源缺乏是制約干旱與半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設的主要因子,深入了解流域水文生態(tài)特征,有助于持續(xù)、扎實地推進生態(tài)環(huán)境建設[1]。影響土壤水運動的因素很多,其中降水[2]、坡向、蒸散、土壤孔隙度、導水率、根系分布等是最重要的因素[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)土壤水勢在一定程度上決定了植物光合動態(tài)和干物質的積累過程,特別是受到干旱脅迫的情況下,土壤水勢往往和其他脅迫因素(如高溫脅迫)一起作用于植物生理過程[5]。在輕度和中度水分脅迫條件下,植物光合作用的下降主要與氣孔限制因素有關[6],而嚴重的水分脅迫可以導致許多與光合作用有關的活性成分含量及活力降低,造成光合速率的大幅下降,樹木生長受限。

六盤山位于我國黃土高原的西部地區(qū),屬于寧夏回族自治區(qū)南部固原市境內。地處溫帶草原區(qū)的南部森林草原地帶,地帶性植被為草甸草原和落葉闊葉林。由于長期不合理開墾利用以及降水分布的不均勻,季節(jié)性暴雨引起的土壤流失非常嚴重[7]。目前國內已有對天然或人工植被下土壤水分特征的研究[8-10],對于嚴重缺水的西北地區(qū),植被生長與水分動態(tài)變化關系的研究顯得尤為重要,同時華北落葉松(Larix principi-rupprechtii)是本地區(qū)的主要造林樹種,因此,應用熱擴散原理,結合土壤因子對半干旱地區(qū)小流域土壤水分的多時空動態(tài)變化規(guī)律及華北落葉松生長的影響做定位觀測,掌握樹木的耗水規(guī)律[11-12],了解其水文生態(tài)功能,為當?shù)厮春B(yǎng)林的恢復和營造提供樹種選擇依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于六盤山北側固原市原洲區(qū)(E 106°09′～ 106°30′,N 35°15′～35°41′)林業(yè)局的疊疊溝林場,屬于典型的大陸性季風氣候,年平均氣溫 6～7℃,最冷月(1月)平均溫度為 -7～-8℃,最熱月(7月)平均溫度為 19～21.5℃,無霜期130d左右,年日照時間 2534 h,年降水量 428mm。研究對象為當?shù)貎?yōu)勢樹種華北落葉松,林齡為 15 a。研究區(qū)內人工植被還有山桃(Prunus davidiana Franch)林,天然植被有斑塊狀分布的沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、虎榛子(Ostryopsis davidiana Decne.)等天然灌叢;草地以鐵桿蒿(Artemisa sacrorum Ledeb)和鳳毛菊(Saussurea amara(L.)DC.)等為優(yōu)勢種組成的草甸植被群落為主。

2 研究方法

觀測時間為 2008年 5—10月,在疊疊溝小流域下游坡下位設置了相鄰的華北落葉松林固定樣地 ,海拔 2050m,坡度 15°,坡向 NW20°,樣地面積20m×20m,土層厚度 100 cm。1)蒸騰測定:在試驗區(qū)中心選擇生長勢良好,樹干通直,無病蟲害的植株4棵,采用德國 Ecomatik公司生產的 SF-L樹干液流探頭測定單株樹干液流,將 SF-L樹干液流探頭安裝于華北落葉松樹干上,儀器安裝依據(jù)熊偉等[13]的方法,利用數(shù)據(jù)采集器每 5min讀取 1次數(shù)值。2)降雨量測定:美國 LI-COR公司生產的 LI-1401小型自動氣象站,觀測降雨量和降水過程;同時放置 1臺虹吸式自計雨量計和 1個標準雨量筒,與自動氣象站相配合測定。3)土壤水勢測定:在華北落葉松樹干南北方向 50 cm處應用德國 Ecomatik公司產 EQ15型土壤水勢儀在 20、40和 60 cm處埋設土壤水勢探頭進行測定,每 5min自動取 1次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采用 Excel2003及 SPSS13.0統(tǒng)計軟件進行處理分析。

3 結果與分析

3.1 土壤水勢時空變化

圖 1(a)為生長季典型晴天(2008-05-18)的土壤水勢變化,可以看出土壤水勢日變化幅度不大,0～20、20～40和 40～60 cm的水勢平均值分別為-28.4946、-34.206 3和 -38.810 1kPa,變化幅度分別為 3.676、5.395和 3.082 kPa,且 20～40 cm變化幅度最大,分析其原因是由于在此層林木、灌木和林下草根系分布較多,耗水較強,是水分的主要吸收層次,其他層次變化相對較緩;因此,土壤水勢日變化差異性不顯著,但總體呈緩慢下降趨勢。

圖 1(b)描述華北落葉松人工林年土壤水勢與降雨量之間的關系,同時按照本地區(qū)多年降雨與華北落葉松人工林在生長季節(jié)對水分需求情況可以看出:5—8月水分相對短缺,9—10月水分相對充足,5月份林內土壤水勢趨于較高水平,水勢值為-12.023 kPa;水勢從 6月份開始下降,伴隨著氣溫升高,植被增加,樹木耗水量增強,雖降雨量補充,但水分蒸發(fā)較大,不能彌補植被蒸騰所消耗,因此土壤水勢隨時間變化開始下降;進入 8月份,水分短缺最為嚴重,土壤水勢達到低谷時期,許多樹木在此時期由于得不到生長所必需的水分而最終導致生長受限;可見,降水作為半干旱地區(qū)土壤水分的唯一來源,是土壤水分的決定性因素[14]。9月份之后降雨量劇增,水分得到補充,土壤水勢呈直線上升趨勢;到 10月份,氣溫下降,樹木水分積累受迫,同時土壤開始結凍。

圖 1 華北落葉松土壤水勢動態(tài)變化Fig.1 Dynamics of soil water potential of Larix principis-rupprechtii

圖 2顯示華北落葉松人工林土壤水勢不同深度變化差異,可以看出不同深度土壤水勢變化趨勢基本一致,但變化幅度有較大差異,在 5月下旬以前,土壤水勢變化趨于緩和,0～20、20～40、40～60 cm的日平均土壤水勢分別為 -10.837、-15.059 4、-10.798 kPa,基本相差不大,是因為上年積存一定量的土壤水分,使得土壤各層水分變化不大;5月中下旬以后,20～40 cm土壤水勢開始下降,且低于 0～20 cm水勢,是由于溫度開始回升,日照時間變長,林木蒸騰、土壤蒸發(fā)增強,而基本無水分補充,此時地表植被開始生長,對此層的水分需求較強烈所致;40～60 cm是華北落葉松根系的主要分布層[15],隨著時間的推移,此層水分不能及時得到補充,且樹木對此層吸收逐漸強烈,水勢下降最快,同時與 0～20和 20～40 cm相比明顯滯后;進入 8月份,受蒸發(fā)和重力影響所致,0～20、20～40、40～60 cm土壤水勢日最大值分別為 -440.806、-1363.44、-756.087 kPa,日最小值分別為 -477.198、-1 363.44、-816.46 kPa,均處于較低水平,此時正是樹木旺盛生長階段,高溫少雨,植被覆蓋度逐漸提高,根系吸水與蒸發(fā)散不斷增強,土壤蒸發(fā)、植被蒸騰旺盛,土壤水分消耗迅速,土壤水勢急劇下降;2008-09-08前后連續(xù)降雨,土壤水勢增長迅速,0～20 cm表現(xiàn)突出,與熊偉等[16]研究結果相同,20～40 cm從 -309.187kPa升到 -6.623kPa,40～60 cm從 -1 130.61 kPa升到 -7.660 kPa,變化均十分明顯,但可能由于深度原因,40～60 cm在時間上有所滯后。

圖 2 華北落葉松人工林不同深度土壤水勢特征Fig.2 Soilwater potential gradientat different depths in Larix principi-rupprechtii

3.2 蒸騰速率變化

圖 3為干旱條件(2008-07-02—2008-07-09)與濕潤條件(2008-09-21—2008-09-28)的蒸騰日變化動態(tài),可以看出:華北落葉松人工林在 2個不同條件下表現(xiàn)出明顯差異,濕潤條件樹干液流日進程的啟動時間稍早(06:30—07:30),啟動值約為 0.14 cm/min;隨著氣溫逐漸升高,空氣相對濕度下降,氣孔導度不斷升高,液流速度逐漸增強,液流在 15:00左右達到最高峰,并且高峰持續(xù)時間較長,最大峰值約為 0.45 cm/min,在到達高峰的過程中波動較多,但波動幅度均較小;19:00左右開始下降,到 22:00左右趨于穩(wěn)定,但此時仍比干旱條件液流速率整體水平高 5%,這可能是由于白天樹冠強大的蒸騰作用消耗大量水分超過了樹干向上輸送水分的數(shù)量,夜間根系吸收的水分又不能滿足白天蒸騰散失的水分,樹木為了補充樹體內的水分虧缺,利用根壓作用以水分的方式進入體內,來補充白天蒸騰失去的水分,恢復到水分平衡。干旱條件液流啟動時間為07:00—08:00,啟動值約為 0.13 cm/min,較濕潤條件低,此曲線趨勢上升比較緩,且呈現(xiàn)多峰,波動幅度較大,在 13:00左右下降幅度最大,由于陽光充足,耗水量增大,水分補充不足導致液流曲線波動起伏較大,高峰 4～5個,最大峰值約為 0.35 cm/min。

圖 3 濕潤、干旱條件液流速率日變化Fig.3 Daily change of sap flow velocity at the hum id and dry condition

通過對 2008年 5—10月內每日液流數(shù)據(jù)進行匯總分析,得到華北落葉松在生長季蒸騰耗水的變化曲線圖(圖 4),可以看出:華北落葉松液流速率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征,在不同的月份里液流速率每日啟動時間、達到峰值的時間和液流速率變慢達到低谷的時間表現(xiàn)出較大的差異。5月初至 7月初,日液流速率相對較高,日均液流速率由 0.184 cm/min升到 0.319 cm/m in,增幅為 42%,但變化幅度并不強烈,并隨天氣條件的變化出現(xiàn)驟降現(xiàn)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為 0.129 cm/min,主要由于該時期降雨較少導致;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變?yōu)?0.278 cm/min,增幅為56%;10月 2日至 10月 29日,已是生長季末期,基本維持在同一水平,液流通量明顯減小。5—10月日均液流速率為 0.213 cm/min,5、6、7、8、9、10月各月的日均液流速率分別為 0.262、0.326、0.240、0.195、0.186、0.138 cm/min,分別占主要生長季的20.3%、25.4%、20.1%、18.6%、15.1%、10.7%。可見,2008年整個生長季節(jié)期間華北落葉松的耗水月主要分布在 6月。

圖 4 華北落葉松人工林液流速率日平均變化Fig.4 Daily average change of sap flow velocity of Larix principi-rupprechtii

3.3 蒸騰耗水與土壤水勢的關系

在西北干旱地區(qū)研究蒸騰耗水與土壤水勢之間的關系,首先應考慮的是水環(huán)境,降雨因素應作為水環(huán)境的首要因素。根據(jù)黃春霞等[17]、劉建立等[18]對環(huán)境因子影響樹干液流速率的偏相關分析發(fā)現(xiàn):土壤水分等影響因子與蒸騰速率存在極顯著正相關,即土壤水分條件極大地影響樹木的蒸騰耗水能力;植物從土壤中吸收的水分,通過樹干運輸?shù)饺~片中,其中約 95%的水分通過蒸騰作用散失到大氣中[19]。J.Germak等[20-21]研究得出樹木在水分脅迫狀態(tài)下,蒸騰量減少 15%～20%,土壤水分對蒸騰起至關重要的作用。因此,為了進一步闡明土壤水勢與蒸騰耗水之間的關系,對液流速率與土壤水勢進行了相關分析,結果(表 1)顯示,水分虧缺時期20和 60 cm處顯示正相關性極顯著,水分充足時期40與 60 cm呈負相關,20 cm雖也為負相關,但相關性不顯著。在水分虧缺時期蒸騰速率的變化與土壤水勢呈明顯的一致性,即土壤水分處于虧缺狀態(tài),土壤水勢對蒸騰影響較大,蒸騰速率會隨土壤水勢的增加迅速上升,土壤水勢降低到一定數(shù)值時,蒸騰速率隨土壤水勢的增加迅速上升更為顯著。然而后期隨著水勢的增加土壤水分充足甚至達到飽和狀態(tài),此時土壤水勢對蒸騰影響不大,甚至會由于水分過大,影響蒸騰速率而呈現(xiàn)負相關,呈現(xiàn)負相關的原因較多,這與研究樹種和環(huán)境有密切關系[22];在外界環(huán)境不變的情況下,水分的充足與否可以很好地體現(xiàn)蒸騰耗水與土壤水分之間的關系,對于長時間降雨,土壤水處于飽和狀態(tài),則體現(xiàn)不出土壤水分對蒸騰作用的影響,到生長季后期(9月以后),即使大氣降水供給比較充足,受低溫限制,樹干液流速率也不會上升到生長季中前期的高水平。

表 1 華北落葉松土壤水勢與液流速率相關性分析Tab.1 Correlativity analysis between sap flow velocity and the soil water potential of Larix principi-rupprechtii

4 結論與討論

1)土壤水勢日變化總體呈緩慢下降,受降雨因素的影響,水勢有所波動,不同深度變化幅度有較大差異,各層土壤水勢在 6—9月份差異最大,8月份水勢最低,不同層次土壤水勢 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較多,同時與華北落葉松根系的分布情況有較大影響。

2)華北落葉松液流速率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征,日均液流速率大小為 6月 ＞5月 ＞7月 ＞8月 ＞9月 ＞10月,耗水月主要分布在 6月。

3)樹木蒸騰耗水受多種環(huán)境條件影響,且土壤水分在其中起主導作用[23],從宋麗華等[24]對臭椿的研究發(fā)現(xiàn)臭椿日耗水量與土壤水勢變化顯著相關。這與本研究結果相似,雖然樹種的生物學特性不同,其蒸騰的強弱也有所差異,但樹木蒸騰耗水都隨土壤水勢而變化。本研究中 2個不同土壤水勢條件下樹干日液流速率表現(xiàn)明顯差異,濕潤條件樹干液流從啟動到到達低谷期間均明顯高于干旱條件,且夜間仍比干旱條件下高 5%;同時將其在不同時期的變化進行了相關性分析,在水分虧缺條件下正相關性極顯著,土壤水勢降低,土壤保水能力增強,所以植物從干旱的土壤中吸收水分速度減慢,阻礙樹木的蒸騰耗水,這種變化在干旱時期較明顯,因此每年生長季中前期的水分對華北落葉松的生長至關重要,這也是在干旱半干旱地區(qū)植被建設所需著重考慮的問題;在水分充足情況下,蒸騰主要受氣象因子影響較大,與土壤水勢關系不明顯,有待進一步研究。

本研究承蒙固原市疊疊溝林場的大力支持,在此深表感謝。

[1]劉文兆.小流域水分行為、生態(tài)效應及其優(yōu)化調控研究方面的若干問題.地球科學進展,2000,15(5):541-544

[2]Famiglietti JS,Runnicki JW,Rodell M.Variability in surface moisture content along a hillslope transect:Rattlesnake hill,Texas.Journal of Hydrology,1998,210:259-281

[3]Cooper JD,Gardner CM K,Mackenzie N.Soil controls on recharge to aquifers.Journal of Soil Science,1990,41(1):613-630

[4]Wellings SR.Recharge of the chalk aquifer at a site in hamp shire,england water balance and unsaturated flow.Journal of Hyd rology,1984,69(1):259-273

[5]張斌,張?zhí)伊?趙其國.干旱季節(jié)不同耕作制度下作物:紅壤水勢關系及其對干旱脅迫響應.土壤學報,1999,36(1):101-110

[6]Steward JD,Abidine A Z,Bernier P Y.Stomatal and Mesophyll Limitations of Photosynthesis in Black Sp ruce Seed lings during Multiple Cycles of Drought.Tree Physiology,1995,15(1):57-64

[7]謝小立,王凱榮.紅壤坡地雨水產流及其土壤流失的墊面反應.水土保護學報,2002,16(4):37-40

[8]吳文強,李吉躍,張志明,等.北京西山地區(qū)人工林土壤水分特性的研究.北京林業(yè)大學學報,2002,24(4):51-55

[9]趙世偉,周印東,吳金水.子午嶺北部不同植被類型土壤水分特征研究.水土保持學報,2002,16(4):119-122

[10]孫中峰,張學培,劉卉芳,等.晉西黃土區(qū)坡面林地土壤持水性能研究.干旱區(qū)研究,2004,21(4):343-347

[11]Anfodillo T,SigalottiGB,TomasiM,et al.App lications of a thermal imaging technique in the study of the ascent of sap in woody species.Plant Cell and Environment,1993,16:997-1001

[12]Wullschleger SD,Meinzer FC,Vertessy RA.A review of whole plant water use studies in tree.Tree physiology,1998,18(8/9):499-512

[13]熊偉,王彥輝,于澎濤,等.華北落葉松樹干液流的個體差異和林分蒸騰估計的尺度上推.林業(yè)科學,2008,44(1):53-63

[14]Hegde D M.Effect of soil matric potential,method of Irrigation and nitrogen fertilization on yield,quality,nutrient up take and water use of radish.Irrigation Science,1987(8):13-32

[15]王孟本,李洪建.黃土高原人工林水分生態(tài)研究.北京:中國林業(yè)出版社,2001:86-87

[16]熊偉,王彥輝,程積民,等.不同植被覆蓋條件下土壤水分蒸發(fā)的比較.中國水土保持科學,2005,3(3):65-68

[17]黃春霞,郭建斌,梁月.黃土半干旱區(qū)不同土壤水分下核桃的蒸騰速率研究.四川林勘設計,2007(4):6-8

[18]劉建立,王彥輝,管偉,等.六盤山北側生長季內華北落葉松樹干液流速率研究.華中農業(yè)大學學報:自然科學版,2008,27(3):434-440

[19]Kozlowski T T,Pallardy S G.Physiology of woody plants.USA:Academic Press,1996:270-286

[20]Germak J,Hzulak J,Penka M.Water potential and sap flow rate in adult trees withmoist and dry soil as used for the assessmentof root system depth.Biologia Plantarum,1980,22:34-41

[21]Germak J,Uleh la J,Kucera J,et al.Sap flow rate and transpiration dynamics in the full-grow oak(Quercusrobur L.)in floodplan forest exposed to seasonal floods as related to potential evapotrnspiration and tree dimensions.Biol.Plant(Praha),1982,24:446-460

[22]張小由,康爾泗,張智慧,等.黑河下游天然胡楊樹干液流特征的試驗研究.冰川凍土,2005,27(5):742-746

[23]Zwienieck M A,Holbrook N M.Diural variation in xylem hydraulic conductivity in white ash(Fraxinus Americana L.),red maple(Acer rubrum L.)and red sp ruce(Pocea rubens Sarg.).Plant,Cell and Enm ironment,1998,21(11):1173-1180

[24]宋麗華,孫文升.干旱脅迫對臭椿苗木蒸騰耗水日變化的影響.農業(yè)科學研究,2007,28(2):20-26

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

項目名稱:國家自然科學基金項目(40730631,40671038、30671677、40801017);科技部“十一五”科技支撐計劃項目課題(2006BAD 03A 1803);科技部社會公益研究專項(2004DIB3J102);中國林科院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金(CAF YBB2007038);國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室資助

馮永建(1984—),男,碩士研究生。主要研究方向:森林生態(tài)與水文。E-mail:fengyongjian000@163.com

?責任作者簡介:王彥輝(1957—),男,研究員。主要研究方向:森林水文、森林生態(tài)、森林土壤、酸沉降危害森林、森林健康等。E-mail:wangyh@forestry.ac.cn

(責任編輯:程 云)