王連春 翟明普 葉紅蓮 賈黎明 馬長(zhǎng)明 劉春鵬

(1.西南林業(yè)大學(xué)森林培育云南省重點(diǎn)學(xué)科，云南 昆明 650224；2.北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000)

酸棗耗水尺度擴(kuò)展參數(shù)研究

王連春1翟明普2葉紅蓮1賈黎明2馬長(zhǎng)明3劉春鵬3

(1.西南林業(yè)大學(xué)森林培育云南省重點(diǎn)學(xué)科，云南 昆明 650224；2.北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000)

酸棗；耗水尺度；擴(kuò)展參數(shù)；邊材面積；邊材直徑

國(guó)外有許多學(xué)者從20世紀(jì)70年代開(kāi)始均在林分耗水方面作了嘗試性的研究，通過(guò)測(cè)定單株占地面積[1]、冠幅[2]、胸高斷面積[3]、胸高直徑[4-5]、葉面積[2]和邊材面積[6]等，找出林木蒸騰耗水量與這些純量間的相關(guān)關(guān)系，并建立模型來(lái)估算林分的蒸散耗水量[7-8]。有些研究者曾提出，利用單木液流量與冠幅之間的關(guān)系[2]、單木液流量與單木占地面積之間的關(guān)系[1]、液流量與樹(shù)干地徑的關(guān)系來(lái)推算林地的耗水量，但效果不佳。Zimmermann等[9]利用葉面積進(jìn)行估算耗水量也沒(méi)有成功。Hatton等[1]利用單木占地面積推算林分的耗水，結(jié)果與用微氣象法測(cè)定的結(jié)果比較一致。有研究表明：邊材面積與液流之間的關(guān)系密切，推算出的液流密度較為可信；木質(zhì)部輸導(dǎo)斷面積、葉面積、胸徑以及基于生態(tài)地域理論的單木占地都是實(shí)現(xiàn)單木到林分耗水尺度轉(zhuǎn)換較為可信的變量[10]，其中，胸徑更易于準(zhǔn)確測(cè)定，誤差相對(duì)較小，且胸徑與蒸散的相關(guān)性也較高。邢黎峰等[11]認(rèn)為，通過(guò)對(duì)樹(shù)木多種生長(zhǎng)的Richards生長(zhǎng)方程可準(zhǔn)確、完整地描述樹(shù)木的基本生長(zhǎng)特征，其中一株累計(jì)日耗水過(guò)程擬合為一典型的S曲線取得滿意的結(jié)果。馬李一等[10]選用測(cè)定油松(Pinustabulaeformis)和刺槐(Robiniapseudoacaia)樹(shù)木胸徑處的邊材面積作為純量，對(duì)林分的耗水力進(jìn)行推導(dǎo)，并建立了冪模型，在尺度擴(kuò)展過(guò)程中獲得了較好的結(jié)果。王華田等[7]對(duì)栓皮櫟(Quercusvariabilis)不同徑階單株耗水量日變化的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行尺度擴(kuò)展，所得到的單木二維耗水模型擬合效果十分理想。張小由等[12]利用熱脈沖技術(shù)，在黑河下游額濟(jì)納天然綠洲內(nèi)測(cè)定胡楊(Populuseuphratica)單木邊材液流在小同位點(diǎn)、方位的變化，然后根據(jù)每木檢尺的結(jié)果，應(yīng)用公式y(tǒng)=34.108x0.818 4計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)地的邊材總面積，乘以胡楊的月標(biāo)準(zhǔn)比導(dǎo)率，即可以計(jì)算出胡楊林標(biāo)準(zhǔn)地的蒸散量。Simpson[13]利用邊材液流與邊材面積、林木直徑之間的關(guān)系來(lái)推算花旗松(Pseudotsugamenziesii)林分耗水量，各徑級(jí)樹(shù)木的邊材液流密度不同，但與直徑不相關(guān)；邊材面積與莖干代表性面積增長(zhǎng)近似于曲線相關(guān)。

本研究以酸棗(ZiziphusjujubaMill var.spinosa(Bunge)Hu ex H. F. Chow)樹(shù)高、地徑、生物量為基礎(chǔ)，通過(guò)單株尺度擴(kuò)展參數(shù)模型的建立，挖掘其與邊材面積之間的回歸關(guān)系，建立回歸模型，并用實(shí)測(cè)值和相關(guān)系數(shù)等來(lái)選擇回歸模型。通過(guò)模型的建立，為酸棗單株耗水量及單株到林分耗水量的尺度擴(kuò)展提供依據(jù)，也能豐富耗水量測(cè)定方法，為更精確的測(cè)定耗水量提供幫助。

1 研究方法

研究地位于河北省平山縣崗南鎮(zhèn)寺家溝村，地內(nèi)主要有黃連木(Pistaciachinensis)、柿樹(shù)(Diospyroskaki)、黑棗(Diospyroslotus)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等喬木，主要灌木有酸棗和荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)。

本研究在田邊地頭隨機(jī)選擇17株直徑大小不同的酸棗樣株，測(cè)量其樹(shù)高、地徑、冠幅等主要測(cè)樹(shù)因子。在地面相接處截取地上部分，將枝、干、葉分離并稱其質(zhì)量，計(jì)算地上部分；對(duì)地下部分采取從大到小的次序捋清，待根系基本呈現(xiàn)后進(jìn)行挖取，計(jì)算地下部分生物量。分別取地上部分各分量、地下部分的一部分帶回實(shí)驗(yàn)室，在105 ℃的溫度下烘至恒質(zhì)量，稱量并計(jì)算木材密度。在帶回的樹(shù)干部分測(cè)量其樹(shù)皮厚度、心材直徑、邊材直徑等數(shù)據(jù)，其中邊材直徑=樹(shù)干直徑-心材直徑。

將各因子分別用SPSS中的曲線回歸進(jìn)行擬合，以兩者間的曲線關(guān)系為基礎(chǔ)，并用復(fù)相關(guān)系數(shù)、校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)、回歸標(biāo)準(zhǔn)誤等進(jìn)行綜合選擇。

2 結(jié)果與分析

2.1 邊材直徑與邊材面積的回歸模型選擇

雖然邊材直徑與邊材面積間數(shù)學(xué)關(guān)系有固定的公式，但固定公式是將整個(gè)樹(shù)干當(dāng)成一個(gè)圓柱來(lái)?yè)Q算，這與樹(shù)干實(shí)際形狀不符。通過(guò)對(duì)酸棗樣木的平均邊材直徑與計(jì)算的邊材面積進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果見(jiàn)圖1。

在相關(guān)系數(shù)平方中，倒數(shù)模型的值最低，僅為0.425，最高的是二次多項(xiàng)式和三次多項(xiàng)式，均為0.999，對(duì)這2個(gè)模型進(jìn)行校正的相關(guān)系數(shù)平方檢驗(yàn)，兩者也相同。由于直徑與面積通常呈二次關(guān)系，因此模型選擇二次三項(xiàng)式，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到了1.000，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.999，校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.999，回歸標(biāo)準(zhǔn)誤為0.151。邊材直徑與邊材面積的擬合模型為：

Y=0.904 7D2+0.124D-0.003，R2=0.999 5。

2.2 樹(shù)高與邊材直徑和面積的回歸模型選擇

植物蒸騰耗水的過(guò)程首先要有外界的蒸騰拉力，在植物體內(nèi)近氣孔端與其他部位產(chǎn)生水勢(shì)后，植物整體才能產(chǎn)生水分上流的態(tài)勢(shì)，從而形成液流。這個(gè)過(guò)程必須通過(guò)植物主干來(lái)完成，因此作為主干的重要元素之一的樹(shù)高就成了影響液流速率的重要因素。將樹(shù)高與邊材面積、邊材直徑進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖2。

樹(shù)高與邊材面積曲線擬合的多個(gè)模型中，二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式等多個(gè)回歸模型的相關(guān)系數(shù)等作為模型選擇的數(shù)據(jù)均高于指數(shù)模型，但指數(shù)模型的變化趨勢(shì)更符合實(shí)際，因此選擇指數(shù)模型作為基本模型，與邊材直徑間的則選擇線性模型，回歸模型如下。

樹(shù)高與邊材面積：

Y=0.189 96×e0.013 01H，R2=0.896

樹(shù)高與邊材直徑：

D=0.014 55H-1.010 74，R2=0.9576

2個(gè)擬合模型判定指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 樹(shù)高與邊材面積和直徑擬合模型的判定指標(biāo)

從表1可以看出，2個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)、校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)均比較高且達(dá)到了極顯著的水平；樹(shù)高與邊材面積間模型的回歸標(biāo)準(zhǔn)比邊材直徑的大，這是因?yàn)檎`邊材面積的數(shù)據(jù)分布范圍較廣，從0.31 cm2到23.35 cm2均有分布，而邊材直徑分布在0.52～5.01 cm。

2.3 地徑與邊材直徑和面積間的回歸模型選擇

地徑也同樣影響著液流，影響來(lái)源主要有地徑的大小以及其中輸導(dǎo)組織的多少。選擇的酸棗樣株地徑為0.72～6.43 cm。從分布區(qū)間看，<1 cm的有1株，1～2 cm的有9株，2～3 cm的有4株，3～4 cm的有1株，4～5 cm的1株，>5 cm的1株，基本符合正太分布格局。從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，地徑與邊材直徑的相關(guān)系數(shù)為0.996，與邊材面積為0.982，兩者均為極顯著的正相關(guān)關(guān)系。將地徑與邊材直徑和邊材面積進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖3。

地徑與邊材面積曲線擬合的多個(gè)模型中，選擇二次多項(xiàng)式作為基本模型；在邊材直徑的各模型中，雖然二次、三次多項(xiàng)式的相關(guān)系數(shù)等方面均優(yōu)于線性模型，但地徑與邊材直徑的關(guān)系只能是平次關(guān)系，因此仍然選擇線性模型，模型如下。

地徑與邊材面積：

地徑與邊材直徑：

D=0.803 89D地-0.026 72，R2=0.992

2個(gè)擬合模型的判定指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 地徑與邊材面積和直徑擬合模型的判定指標(biāo)

從表2中可以看出，2個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)、校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)均較高，且達(dá)到極顯著水平。

2.4 生物量與邊材直徑和面積間的回歸模型選擇

生物量是生態(tài)系統(tǒng)性質(zhì)、狀態(tài)的重要指示特征，也是深入了解森林生態(tài)系統(tǒng)變化規(guī)律的重要途徑。生物量是衡量生態(tài)系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)固碳能力大小的重要指示[14]。關(guān)于生物量的研究成果很多，但目前還沒(méi)有用生物量來(lái)推算液流通量的相關(guān)報(bào)道。因生物量的總量與水分利用關(guān)系密切，因此試驗(yàn)希望通過(guò)生物量與邊材面積、邊材直徑建立良好的回歸關(guān)系后來(lái)推算液流通量。研究將生物量分為地上部分生物量和全株生物量來(lái)推算。

酸棗全株生物量變化幅度較大，最小的僅有69.20 g，最大的達(dá)到了 24 691.97 g，為最小生物量的300多倍；全株生物量多集中在較小的范圍，<1 000 g的有12株，占70.59%，生物量極大的有2株，均超過(guò) 10 000 g。酸棗屬根蘗能力較強(qiáng)的植物，對(duì)其根系刻傷后極有可能產(chǎn)生新的植株，這些新的植株可能具有很小的根系，從地上部分生物量與全株生物量的比值也不難看出這種現(xiàn)象，如地上部分占全株的比例最大的達(dá)到了96%，最小的占41.71%，這也說(shuō)明酸棗地上部分與地下部分的生長(zhǎng)特點(diǎn)沒(méi)有規(guī)律，某一植株并不單獨(dú)依賴地上部分來(lái)進(jìn)行，地上部分也不完全依賴自身的地下部分來(lái)吸收養(yǎng)分。至于酸棗地上部分與地下部分的養(yǎng)分循環(huán)及分配的機(jī)制還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)來(lái)完成。從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，邊材直徑與全株生物量的相關(guān)系數(shù)為0.924，與地上部分生物量為0.918；邊材面積與全株生物量的相關(guān)系數(shù)為0.984，與地上部分的為0.981，相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。從相關(guān)系數(shù)大小來(lái)看，邊材面積與全株生物量和地上部分生物量的相關(guān)系數(shù)更大，在樣本數(shù)一致的條件下，表明邊材面積與生物量的相關(guān)性更強(qiáng)。將全株生物量、地上部分生物量分別與邊材面積和邊材直徑進(jìn)行擬合，擬合趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

全株生物量、地上部分生物量與邊材直徑和面積曲線擬合的多個(gè)模型中，三次多項(xiàng)式無(wú)論從相關(guān)系數(shù)還是復(fù)相關(guān)系數(shù)來(lái)看均優(yōu)于其他模型，因此選擇三次多項(xiàng)式作為擬合模型。具體模型如下。

全株生物量與邊材直徑：D=1.0×10-12W3-6×10-8W2+0.000 7W+1.013 1，R2=0.957

全株生物量與邊材面積：Y=2.6×10-12W3-1.1×10-7W2+0.002 15W+0.964 32，R2=0.994

4個(gè)擬合模型判定指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 生物量與邊材面積和直徑擬合模型的判定指標(biāo)

從表3中可以看出，4個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)、校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)均較高，且達(dá)到極顯著水平。

由于樹(shù)高、地徑可以直接測(cè)定，而全株生物量、地上部分生物量、邊材直徑、邊材面積要破壞性獲取后才能測(cè)定，因此在不進(jìn)行破壞性試驗(yàn)的前提下，需要建立這些參數(shù)與樹(shù)高或地徑間的中間關(guān)系，通過(guò)建立模型并根據(jù)其復(fù)相關(guān)系數(shù)等因子來(lái)選擇中間模型。

通過(guò)對(duì)酸棗中間模型的相關(guān)系數(shù)等進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，地上部分生物量、全株生物量與地徑擬合模型效果較好，模型如下。

地上部分生物量與地徑：

全株生物量與地徑：

2.5 參數(shù)比較

為比較各參數(shù)的差異，對(duì)試驗(yàn)布置時(shí)選取的3株酸棗通過(guò)莖流計(jì)測(cè)定其液流速率，與邊材面積擴(kuò)展成單株液流通量，液流通量的計(jì)算參考王華田等[15]所用計(jì)算公式，并將該計(jì)算值作為實(shí)測(cè)值，其他各參數(shù)通過(guò)與邊材面積的關(guān)系求得其液流通量，作為該參數(shù)的測(cè)定值，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。酸棗樣株基本信息見(jiàn)表4、各擬合模型計(jì)算的液流通量結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 酸棗樣株生長(zhǎng)基本信息

由表4可以看出，3株酸棗的地徑相差不大，最大和最小植株的差異為0.05 cm，去皮直徑差異更小，為0.02 cm，心材直徑則沒(méi)有差異。樹(shù)高相差也比較小，僅為2.00 cm。

從酸棗11號(hào)在7月19日各模型計(jì)算結(jié)果看，邊材直徑模型計(jì)算值最大，為0.604 L/d，最小值僅為0.231 L/d。各模型模擬結(jié)果均小于邊材面積直接的計(jì)算結(jié)果，這些模型中，與邊材面積模型更為接近的是地徑，與邊材面積計(jì)算結(jié)果相差僅2.2%，全株生物量雖然也經(jīng)過(guò)了中間模型的轉(zhuǎn)化，但模擬值與邊材面積計(jì)算結(jié)果相差也很少，僅有3.8%。

表5 各擬合模型7月19日液流通量的計(jì)算結(jié)果

各擬合模型與邊材面積實(shí)測(cè)計(jì)算的液流通量值酸棗11號(hào)按從小到大排序：樹(shù)高、邊材直徑、地上部生物量、全株生物量、地徑；酸棗15號(hào)從小到大的排列順序?yàn)椋簶?shù)高、地上部生物量、邊材直徑、全株生物量、地徑；酸棗16號(hào)從小到大的排列順序?yàn)椋簶?shù)高、邊材直徑、地上部生物量、全株生物量、地徑。從排序結(jié)果可以看出，各擬合模型同一天不同單株間的變化趨勢(shì)不同，但始終是地徑、全株生物量等2參數(shù)模型擬合值更接近，差異性最大的為邊材導(dǎo)管面積、樹(shù)高等。這些差異的來(lái)源有樹(shù)高、地徑、邊材面積以及心材侵填體的多少等。綜合測(cè)定難易程度、模型模擬的計(jì)算結(jié)果，在酸棗耗水模型的參數(shù)擴(kuò)展中，可用地徑、地上部生物量、全株生物量作為主要參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。

3 結(jié)論與討論

從邊材直徑、樹(shù)高、地徑、全株生物量、地上部生物量等5個(gè)因子的擴(kuò)展參數(shù)模擬來(lái)看，模型的模擬差異較大。酸棗的耗水?dāng)U展參數(shù)選擇結(jié)果為：地徑、全株生物量(中間模型為全株生物量與地徑)、地上部生物量(中間模型為：地上部生物量與地徑)。模型選擇結(jié)果為：

林分尺度蒸散耗水的研究方法很多，直接測(cè)定的方法主要有水汽循環(huán)、溫度遙感等，間接的方法更多，以較為精確的單株測(cè)定為基礎(chǔ)通過(guò)尺度擴(kuò)展參數(shù)來(lái)推導(dǎo)林分和區(qū)域的耗水為其中較為常用的方法，但這些參數(shù)不穩(wěn)定，需要通過(guò)很多試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證。本研究應(yīng)用了較多的參數(shù)，需經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證，如果能結(jié)合大型蒸滲儀或者熱擴(kuò)散式液流探針進(jìn)行實(shí)測(cè)，就能更精確的校正各參數(shù)系數(shù)，為林分或更大尺度的耗水提供更科學(xué)的測(cè)算方法。

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(責(zé)任編輯 韓明躍)

Water Consuming Scaling Parameter ofZizyphusjujubavar.spinosa

WANG Lian-chun1，ZHAI Ming-pu2，YE Hong-lian1，JIA Li-ming2，MA Chang-ming3，LIU Chun-peng3

(1.College of Forestry，Southeast Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China;2.Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education， Beijing Forestry University，Beijin 100083， China;3. College of Forestry，Hebei Agricultural University，Baoding Hebei 071000，China)

Zizyphusjujubavar.spinosa;water consuming scale;expansion parameter;sap wood area;sap wood diameter

2014-03-26

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題(2011BAD38B0605)資助。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.04.009

S718.51

A

2095-1914(2014)04-0047-06

第1作者：王連春(1973—)，男，博士，副教授。研究方向：森林培育、經(jīng)濟(jì)林栽培、森林生態(tài)、植物生理。Email：kaixianlc@126.com。