李廣德，富豐珍，席本野，王　燁，賈黎明,*

1 國(guó)家開(kāi)放大學(xué)農(nóng)林醫(yī)藥教學(xué)部，北京　100039 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 黑龍江省大慶市林業(yè)局，大慶　163002

?

基于熱擴(kuò)散技術(shù)的三倍體毛白楊單木及林分蒸騰耗水研究

李廣德1,2，富豐珍2,3，席本野2，王燁2，賈黎明2,*

1 國(guó)家開(kāi)放大學(xué)農(nóng)林醫(yī)藥教學(xué)部，北京100039 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 黑龍江省大慶市林業(yè)局，大慶163002

摘要:定量分析單木及林分的蒸騰耗水特征，是林木水分管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用熱擴(kuò)散式邊材液流檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)氣象站，對(duì)三倍體毛白楊樹干邊材液流及環(huán)境因子進(jìn)行了連續(xù)2年的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。結(jié)果表明:(1)單株尺度上，三倍體毛白楊邊材液流速率日變化在晴天表現(xiàn)為“單峰型”，關(guān)鍵影響因子為水汽壓虧缺(VPD)和太陽(yáng)輻射(Qs)，日平均液流速率在4—10月分別為0.65×10-3、2.12×10-3、2.09×10-3、1.78×10-3、1.84×10-3、1.76×10-3、1.04×10-3cm/s；(2)林分尺度上，三倍體毛白楊在2008、2009年(栽植第4年和第5年)的蒸騰耗水量分別為339.52和410.62 mm，主要影響因素為氣孔導(dǎo)度(Gc)、相對(duì)濕度(RH)，以及VPD；(3)多元線性回歸模型可以較好的模擬三倍體毛白楊邊材液流速率對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)特征(P<0.01，2008年)，模型預(yù)測(cè)值較實(shí)測(cè)值偏大6.39%(2009年)，二者極顯著線性相關(guān)(R2=0.910，Sig.=0.00054，n=1008)。

關(guān)鍵詞：三倍體毛白楊；蒸騰耗水；邊材液流；熱擴(kuò)散邊材液流探針；環(huán)境因子

葉片是樹木蒸騰耗水的主要器官，樹干邊材液流量的99.8%用于葉片蒸騰[1]。熱擴(kuò)散方法通過(guò)測(cè)量木質(zhì)部上升液流從而間接確定樹冠蒸騰耗水量，無(wú)論是單木還是林分，都可以由液流測(cè)定值較準(zhǔn)確地計(jì)算蒸騰量[2]。我國(guó)楊樹林總面積已超過(guò)1000萬(wàn)hm2，其中人工林面積已達(dá)700多萬(wàn)hm2，占全國(guó)人工喬木林總面積近1/5，栽培面積世界第一[3]。熱擴(kuò)散技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于我國(guó)楊樹人工林蒸騰耗水的研究中。劉文國(guó)等研究了‘中林46楊’4—10月單木樹干邊材液流速率及影響因素，以及通過(guò)邊材液流速率與邊材面積確定的林分蒸騰耗水量[4]。桑玉強(qiáng)等研究了毛烏素沙地21年生新疆楊防護(hù)林帶4—9月的單木蒸騰耗水量及其與環(huán)境因子的相關(guān)性[5]。孫迪等分析了歐美64楊人工林-煙草復(fù)合系統(tǒng)中楊樹液流速率與氣象因子之間的時(shí)滯效應(yīng)[6]。李廣德等構(gòu)建了三倍體毛白楊不同方位樹干邊材液流的回歸方程，為準(zhǔn)確計(jì)算其蒸騰耗水量奠定了基礎(chǔ)[7]。楊愛(ài)國(guó)等通過(guò)對(duì)20年生不同密度“白城楊- 2”蒸騰耗水量的研究得出6 m×6 m —5 m×5 m的合理栽植密度[8]。李少寧等對(duì)沙地107歐美楊在不同天氣條件、季節(jié)，以及夜間樹干液流特征進(jìn)行了研究，并給出了灌溉建議[9]。黨宏忠等對(duì)生長(zhǎng)季新疆楊冠基部及桿基部的液流密度差異及其與大氣蒸發(fā)潛力的關(guān)系進(jìn)行了探討[10]。張俊等研究了干旱荒漠區(qū)銀白楊人工林單木夏季樹干液流動(dòng)態(tài)及其與環(huán)境因子的相關(guān)性[11]。

三倍體毛白楊是一種速生、優(yōu)質(zhì)、高效的短輪伐期紙漿材樹種，是制漿造紙的極好原料，在我國(guó)北方速生紙漿林建設(shè)中發(fā)揮著重要作用[12]。本試驗(yàn)采用熱擴(kuò)散式邊材液流測(cè)定技術(shù)，結(jié)合全自動(dòng)氣象站，連續(xù)2年對(duì)其人工林邊材液流及主要環(huán)境因子定位監(jiān)測(cè)，在較大時(shí)間尺度上揭示其單木及林分的蒸騰耗水性，結(jié)合同期降雨量研究林分水分收支，為合理灌溉制度的建立提供理論及數(shù)據(jù)支撐。

1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山東省高唐縣(36°58′N，116°14′E)，海拔平均27 m。暖溫帶半干旱季風(fēng)區(qū)域大陸性氣候，具有顯著的季節(jié)變化和季風(fēng)氣候特性，光照充足，熱量豐富。春季，降水少，風(fēng)大，氣候干燥，降水量占全年降水量的13.7%；夏季，溫度高，濕度大，降水多，降水量占全年降水量的66.5%；秋季，氣溫急降，天氣涼爽，降水量少，降水量占全年降水量的17.1%；冬季，低溫寒冷，雨雪稀少，降水量只占全年降水量的2.7%。年降水量306.0—975.9 mm，年平均蒸發(fā)量1880 mm，年平均溫度12.0—14.1 ℃，極端最高氣溫達(dá)41.2 ℃，極端最低氣溫達(dá)-20.8 ℃。年日照總時(shí)數(shù)4433.5 h，無(wú)霜期204 d。

試驗(yàn)林地為潮土，土壤容重平均1.51 g/cm3，平均有機(jī)質(zhì)含量0.39%，全氮0.131%，全P 0.129%，K 0.612%，速效氮14.486 mg/kg，速效P 1.752 mg/kg，速效K 49.914 mg/kg。

2試驗(yàn)材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為三倍體毛白楊((P.tomentosa×P.bolleana)×P.tomentosa)。1年生根萌苗于2005年春季造林，帶狀配置，南北行向，密度1 m×2 m+6 m，試驗(yàn)林約3.4 hm2。

2.2樹干邊材液流測(cè)定及液流量計(jì)算

2.2.1邊材液流測(cè)定

在林地中心位置，選擇生長(zhǎng)發(fā)育良好、無(wú)病蟲害的三倍體毛白楊5株作為樣木，于南向(1.30±0.10) m處安裝熱擴(kuò)散式邊材液流測(cè)定探針(TDP- 30, Dynamax Inc., Houston, USA)。每10 s 采集1次數(shù)據(jù)，每10 min 計(jì)算平均值并記錄。樣木基本參數(shù)見(jiàn)下表(表1)。

表1　測(cè)定樣樹主要參數(shù)

數(shù)據(jù)采集后，利用DYNAMAX 公司提供的分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)處理與計(jì)算。液流速率計(jì)算公式如下：

Vsp=0.0119×K1.231

(1)

(2)

式中，Vsp為樹干邊材液流速率(cm/s)，dTM為24 h內(nèi)上下探針的最大溫差值(℃)，dT為某時(shí)刻瞬時(shí)溫差(℃)。

2.2.2胸徑處邊材面積

樹木邊材是樹木從根部吸收的水分向葉片運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃叢拿娣e是利用樹干液流速率計(jì)算單木及林分蒸騰需要解決的關(guān)鍵參數(shù)和技術(shù)問(wèn)題[13]。本研究利用邊材面積這一純量實(shí)現(xiàn)蒸騰耗水從單木到林分的尺度擴(kuò)展。

通過(guò)實(shí)測(cè)12棵解析木以及試驗(yàn)期間收集的風(fēng)倒和砍伐的三倍體毛白楊胸徑(DBH)及邊材面積(As)共47組數(shù)據(jù)建立回歸方程： As=0.884×DBH1.931(R2=0.9944，n=47)，由此計(jì)算樣樹及林分胸徑處邊材面積。

2.2.3林分蒸騰耗水量的計(jì)算

林分蒸騰耗水量E(mm/d)由以下公式計(jì)算：

(3)

(4)

2.3環(huán)境因子監(jiān)測(cè)

2.3.1氣象因子

利用距試驗(yàn)地約250 m的全自動(dòng)氣象站(Delta-T, Cambridge, England)測(cè)定，指標(biāo)有太陽(yáng)輻射(Qs, ×10-3μmol m-2s-1)、空氣溫度(Ta, ℃)、空氣相對(duì)濕度(RH,%)、風(fēng)速(WS, m/s)、降雨量(R, mm)、土壤溫度(Ts, ℃)等，與樹干邊材液流同步。

水蒸氣壓虧缺(VPD)通過(guò)下式計(jì)算：

VPD=ae(bT/(T+C))(1-RH)

(5)

式中，T為空氣溫度(℃)，RH為大氣相對(duì)濕度，a，b，c為常數(shù)，分別為0.61121 Kpa，17.502，240.97 ℃。

2.3.2土壤水分含量

土壤含水量(SWC)采用地埋土壤水分傳感器(ATP220，體積%，北京時(shí)域通科技有限公司，北京，中國(guó))測(cè)定，傳感器埋在裝有TDP探針的樣樹下，深度分別為10、30、45 cm和70 cm，與TDP數(shù)采器相連，數(shù)據(jù)采集間隔為30 min。

2.4葉面積指數(shù)及冠層氣孔導(dǎo)度測(cè)定

葉面積指數(shù)(LAI)由植物冠層圖像分析儀(CI- 110, CID, USA)測(cè)定，于生長(zhǎng)季每月上中下旬各選1—2d晴朗無(wú)風(fēng)的天氣，在17:00—18:00，林分內(nèi)不同位置取20個(gè)測(cè)定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定后平均。

冠層氣孔導(dǎo)度(Gc)由葉片氣孔導(dǎo)度(Cond)代替，Cond由便攜式光合儀測(cè)定(Li- 6400，USA)，日周期測(cè)定從6:00開(kāi)始，18:00結(jié)束，時(shí)間步長(zhǎng)為2 h，測(cè)定日期分別為2008年5月26日、7月12日、8月24日、10月24日，以及2009年5月17日、6月30日、8月27日、9月26日、10月23日。

2.5數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析和處理利用Dynamax公司提供的數(shù)據(jù)分析及SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件。

樹干邊材液流速率的差異利用單因素方差分析進(jìn)行比較。Spearman分析評(píng)價(jià)樹干邊材液流、蒸騰耗水量與環(huán)境因子的相關(guān)性。邊材液流與環(huán)境因子的多元線性模型利用SPSS軟件回歸分析中“Enter”法建立。

通徑分析是研究變量間相互關(guān)系、自變量對(duì)因變量作用方式、程度的多元統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)。通徑系數(shù)是介于回歸系數(shù)與相關(guān)系數(shù)之間的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，可表示相關(guān)變量間的因果關(guān)系，是變量標(biāo)準(zhǔn)化、沒(méi)有單位的偏回歸系數(shù)，是自變量與因變量之間帶有方向的相關(guān)系數(shù)[14]。直接通徑系數(shù)在對(duì)因變量正態(tài)性檢驗(yàn)后通過(guò)SPSS“Analyze-Regression-Linear”中Coefficients獲得。

3結(jié)果與分析

3.1三倍體毛白楊單木樹干邊材液流特性

3.1.1生長(zhǎng)季三倍體毛白楊樹干邊材液流速率日變化

生長(zhǎng)季晴天三倍體毛白楊樹干邊材液流速率(Vsp)日變化呈典型的“單峰型”(圖1)，表2為其特征值。液流啟動(dòng)時(shí)間隨著季節(jié)推移呈“晚-早-晚”變化，6月啟動(dòng)最早，生長(zhǎng)季末啟動(dòng)最晚；到達(dá)峰值時(shí)刻隨季節(jié)變化呈“早-晚-早”的格局。就峰值而言，4月顯著小于其他各月，可能與其在4月葉片未完全發(fā)育成熟有關(guān)，但其在高位運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，表明此時(shí)的水分及環(huán)境條件整體來(lái)說(shuō)有利于三倍體毛白楊的蒸騰。生長(zhǎng)季末的10月峰值提前，值較小，高位運(yùn)行時(shí)間最短，除了與此時(shí)較低的太陽(yáng)輻射有關(guān)外(圖1)，還與葉片大量衰落有關(guān)：低的太陽(yáng)輻射導(dǎo)致能量減少，溫度降低，葉片蒸騰速率減??；葉片衰落使整樹葉面積減小，群體蒸騰速率降低，由此導(dǎo)致Vsp的降低。

三倍體毛白楊日平均Vsp隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出“低-高-低”的單峰型趨勢(shì)(表2)，5、6月最大，秋季次之，早春最小。

表2　不同季節(jié)三倍體毛白楊樹干邊材液流日變化特征值

不同字母表示在0.05水平上差異顯著(2-tailed)

3.1.2樹干邊材液流速率日變化與環(huán)境因子的相關(guān)性

從主要環(huán)境因子日變化圖(圖1)及Vsp與主要環(huán)境因子相關(guān)性分析表(表3)可以看出，Vsp日變化與Qs、Ta、WS、SWC、Ts、VPD等環(huán)境因子呈極顯著正相關(guān)；與RH極顯著負(fù)相關(guān)。通過(guò)直接通徑系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，VPD和Qs對(duì)單木樹干邊材液流的影響最大，SWC最小。

圖1　生長(zhǎng)季晴天三倍體毛白楊樹干邊材液流及主要環(huán)境因子日變化Fig.1　Diurnal variation of triploid P. tomentosa Vsp and main environmental factors in sunny days from April to October, 2009

可見(jiàn)，在整個(gè)生長(zhǎng)季，影響三倍體毛白楊單木Vsp日變化的關(guān)鍵因子是VPD和Qs，土壤水分狀況在以天為單元的時(shí)間尺度上對(duì)Vsp的影響微乎其微。

表3　三倍體毛白楊單木樹干邊材液流速率與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)(r)及直接通徑系數(shù)(DPC)

*表示在0.05水平上相關(guān)關(guān)系顯著，**表示在0.01水平上相關(guān)關(guān)系顯著(2-tailed)

3.2三倍體毛白楊林分蒸騰耗水性

3.2.1林分蒸騰耗水量隨季節(jié)變化

生長(zhǎng)季三倍體毛白楊林分蒸騰耗水量如圖2所示。結(jié)合降雨量，得到生長(zhǎng)季三倍體毛白楊林分水分收支狀況(表4)。與日均液流速率類似，三倍體毛白楊林分蒸騰耗水量隨季節(jié)推移也呈“低-高-低”的單峰型變化。

表4生長(zhǎng)季各月三倍體毛白楊平均蒸騰耗水量 (E)、降雨量(R)及其占生長(zhǎng)季總量比例

Table 4Monthly average water consumption (E) of triploidP.tomentosaand rainfall (R) and their ratio in growth seasons in 2008 and 2009

年份Year45678910合計(jì)Total2008耗水量E/mm比例/%57.9217.3463.8319.1161.1018.2965.9919.7656.2216.8334.4610.32339.52降雨量R/mm比例/%24.706.9340.4011.33145.3040.7581.2022.7743.0012.0622.006.17356.602009耗水量E/mm比例/%21.835.3257.0613.9073.1817.8270.9217.2772.0417.5467.7816.5147.8211.65410.62降雨量R/mm比例/%48.207.5379.2012.37135.4221.14168.2826.27121.6018.9987.8013.710.00640.51

整體來(lái)看，兩年的降雨量都大于同期的林木蒸騰耗水量。但就降雨分布而言，主要集中在6、7、8這3個(gè)月，占70%以上，而這幾個(gè)月的蒸騰耗水量占55%左右，因此，林分季節(jié)性供水不足問(wèn)題依然存在。

3.2.2林分蒸騰耗水季節(jié)變化調(diào)控機(jī)制

表5是根據(jù)2008年和2009年2個(gè)生長(zhǎng)季三倍體毛白楊各月晴天日平均耗水量E與其對(duì)應(yīng)的冠層氣孔導(dǎo)度、葉面積指數(shù)、以及有效輻射等環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)及直接通徑系數(shù)。可以看出，與Vsp相關(guān)性不同，其E季節(jié)變化與Gc、LAI、Qs、Ta、RH、SWC及Ts、VPD等都呈現(xiàn)出正相關(guān)性，而與WS負(fù)相關(guān)。從直接通徑系數(shù)來(lái)看，影響和決定三倍體毛白楊林分蒸騰耗水量季節(jié)變化的主要因素為Gc、RH、VPD。

3.3三倍體毛白楊蒸騰耗水模型的構(gòu)建與檢驗(yàn)

選擇2008年4月的3d，5—10月每月6d晴天Vsp及相應(yīng)環(huán)境因子數(shù)據(jù)建立多元線性模型(表6)，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義顯著(P<0.01)，且判定系數(shù)都大于0.9。將2009年同期或相鄰日期的環(huán)境因子數(shù)據(jù)代入，得到樹干邊材液流預(yù)測(cè)值(表7)。

表5三倍體毛白楊林分蒸騰耗水量與Gc、LAI及主要環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)(r)及直接通徑系數(shù)(DPC)

Table 5The correlation and direct path coefficients betweenEof triploidP.tomentosaandGc, LAI, and main environmental factors in 2008 and 2009

系數(shù)類型Coefficientstypes氣孔導(dǎo)度Stomatalconductance葉面積指數(shù)Leafareaindex太陽(yáng)輻射Solarradiation空氣溫度Airtemperature空氣相對(duì)濕度Relativehumidity風(fēng)速Windspeed土壤含水量Soilwatercontent土壤溫度Soiltemperature水蒸氣壓虧缺Vaporpressuredeficit相關(guān)系數(shù)(r)Correlationcoefficients0.897**0.518*0.3920.658*0.472-0.1670.620*0.714*0.111直接通徑系數(shù)(DPC)Directpathcoefficients1.6820.154-1.239-0.2030.045-0.726

表6　2008年生長(zhǎng)季各月份邊材液流速率與主要環(huán)境因子回歸模型

可見(jiàn)，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差基本在±20%之內(nèi)，二者之間極顯著線性相關(guān)(R2=0.910，Sig.=0.00054，n=1008)。生長(zhǎng)季預(yù)測(cè)值較實(shí)測(cè)值偏大6.39%。

表7　2009年生長(zhǎng)季各月三倍體毛白楊樹干邊材液流速率預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(日平均值)

為了更直觀地呈現(xiàn)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相互關(guān)系，以2009年6月二者的日變化作圖(圖3)。可以發(fā)現(xiàn)，二者變化趨勢(shì)相同但不同步，表明樹干邊材液流對(duì)環(huán)境條件變化反饋的時(shí)間差，也反映出樹體自身水力及水容特性等對(duì)蒸騰耗水的調(diào)節(jié)。當(dāng)環(huán)境條件變化時(shí)，樹木水分狀況不是馬上隨之發(fā)生變化，而是通過(guò)自身水力結(jié)構(gòu)、水容等的調(diào)節(jié)，盡量減少水分的蒸騰和散失，維持水分平衡。

圖2　生長(zhǎng)季三倍體毛白楊日蒸騰耗水量變化Fig.2　Daily variations of water consumption of triploid P. tomentosa in growth seasons in 2008 and 2009

圖3　三倍體毛白楊樹干邊材液流速率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值日變化　Fig.3　Comparison of triploid P. tomentosa Vsp by TDP and the multi-regression equations in growth season, 2009

4結(jié)論與討論

與‘中林46楊’[4]、新疆楊[5]、歐美107楊[6]、銀白楊[11]等楊樹類似，晴天三倍體毛白楊Vsp日變化呈“單峰型”。就季節(jié)變化來(lái)看，日平均值5、6月份最大，秋季次之，早春最小。就單木日蒸騰耗水而言，三倍體毛白楊與主要環(huán)境因子具有極顯著的相關(guān)性，關(guān)鍵因子為綜合反映Ta和RH的VPD和表征能量水平的Qs。而對(duì)于林分，從大的時(shí)間尺度來(lái)看(兩個(gè)生長(zhǎng)季)，主要影響因子為Gc、RH和VPD。這與趙平等對(duì)于馬占相思的研究結(jié)果相同，即馬占相思個(gè)體液流密度和整樹蒸騰的日變化主要受Qs和VPD的控制；而對(duì)于林段蒸騰，Gc的下降是導(dǎo)致其蒸騰下降的主要原因[15]。因此，對(duì)于不同的時(shí)間和空間尺度，影響樹木蒸騰耗水的主導(dǎo)因素不同，也表明樹木蒸騰耗水影響和調(diào)控機(jī)制的復(fù)雜性和相對(duì)性，如何構(gòu)建一套普遍適用的比較系統(tǒng)和科學(xué)的樹木蒸騰耗水調(diào)控機(jī)制也是植物水分生理研究的難點(diǎn)之一，還需要更多的理論和試驗(yàn)支撐。

樹木蒸騰耗水研究的目的之一是時(shí)空尺度擴(kuò)展，即通過(guò)有限時(shí)段單木樹干邊材液流的研究來(lái)確定林分和生態(tài)系統(tǒng)的蒸騰耗水性，評(píng)價(jià)和比較不同樹種、不同立地條件、不同林分結(jié)構(gòu)和林分不同階段的蒸騰耗水量，并指導(dǎo)干旱、半干旱地區(qū)造林及綠化樹種選擇、林分結(jié)構(gòu)的合理配置以及合理灌溉制度的建立。在準(zhǔn)確測(cè)定單株蒸騰耗水量的基礎(chǔ)上，通過(guò)胸徑處邊材面積這一純量進(jìn)行了三倍體毛白楊蒸騰耗水由單木向林分的尺度擴(kuò)展。栽植第4年和第5年三倍體毛白楊林分蒸騰耗水量分別為340和410 mm。整體來(lái)看，降水可以滿足其蒸騰耗水之需，但降雨的季節(jié)分配不均也導(dǎo)致季節(jié)性供水不足。2008年5月、6月、9月和10月，以及2009年10月的降雨量相對(duì)于其蒸騰耗水量來(lái)說(shuō)明顯不足(表4)。而植物體在旱季形成的水力結(jié)構(gòu)特性會(huì)在雨季時(shí)影響和制約其水分運(yùn)輸，從而可能影響其生長(zhǎng)潛力的發(fā)揮[16]。因此，在春、秋兩季，降雨不能有效補(bǔ)充土壤水分以供給三倍體毛白楊蒸騰耗水之需，需適時(shí)灌溉。

在研究樹木邊材液流及其與環(huán)境因子相互關(guān)系的文獻(xiàn)中，很多都建立了相應(yīng)的回歸模型，但鮮見(jiàn)有驗(yàn)證和評(píng)價(jià)的報(bào)道。本研究通過(guò)將2009年監(jiān)測(cè)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)代入2008年數(shù)據(jù)建立的多元線性回歸模型，并比較實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的差異。2009年生長(zhǎng)季實(shí)測(cè)值平均為0.00161 cm/s，預(yù)測(cè)值為0.00171 cm/s，誤差6.39%?？梢?jiàn)，通過(guò)環(huán)境因子與樹干邊材液流速率建立的多元回歸模型可用來(lái)預(yù)測(cè)和估算不同時(shí)段三倍體毛白楊的蒸騰耗水性，實(shí)現(xiàn)蒸騰耗水的時(shí)間尺度擴(kuò)展，節(jié)約研究成本。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]王沙生, 高孚榮, 吳賈明. 植物生理學(xué)(第2版). 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 1991.

[2]趙平, 饒興權(quán), 馬玲, 蔡錫安, 曾小平. 馬占相思林冠層氣孔導(dǎo)度對(duì)環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子的響應(yīng). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 17(7): 1149- 1156.

[3]賈黎明, 劉詩(shī)琦, 祝令輝, 胡建軍, 王小平. 我國(guó)楊樹林的碳儲(chǔ)量和碳密度. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013, 37(2): 1- 7.

[4]劉文國(guó), 袁玉欣, 王志剛, 劉四圍, 王穎, 劉玲, 王彥超, 侯軍銘. ‘中林46楊’林分耗水特性及其與環(huán)境因子的關(guān)系. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 30(4): 40- 45.

[5]桑玉強(qiáng), 劉全軍, 吳文良, 張勁松, 孟平, 周擇福. 毛烏素沙地新疆楊生長(zhǎng)季節(jié)蒸騰耗水規(guī)律. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 36(9): 28- 30, 47- 47.

[6]孫迪, 關(guān)德新, 袁鳳輝, 王安志, 吳家兵. 遼西農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中楊樹液流速率與氣象因子的時(shí)滯效應(yīng). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(11): 2742- 2748.

[7]李廣德, 賈黎明, 富豐珍, 席奔野, 王燁. 三倍體毛白楊不同方位樹干邊材液流特性研究. 西北植物學(xué)報(bào), 2010, 30(6): 1209- 1218.

[8]楊愛(ài)國(guó), 張建秋, 畢慶玲, 張玉玲, 王鳳林, 范鵬輝. 吉林省西部不同造林密度楊樹耗水特性的研究. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(6): 142- 145.

[9]李少寧, 陳波, 魯紹偉, 張玉平, 潘青華, 王華. 不同時(shí)間尺度下楊樹人工林液流密度特征. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2012, 31(6): 121- 125.

[10]黨宏忠, 李衛(wèi), 李永華, 莫保儒. 新疆楊樹桿液流密度軸向差異的初步研究. 林業(yè)科學(xué)研究, 2012, 25(6): 739- 744.

[11]張俊, 李曉飛, 李建貴, 王華, 黃春堂, 閔首軍, 李剛, 張福海, 田旭, 孔軍. 干旱荒漠區(qū)銀白楊樹干液流動(dòng)態(tài). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(18): 5655- 5660.

[12]康向陽(yáng), 朱之悌. 三倍體毛白楊在我國(guó)紙漿生產(chǎn)中的地位與作用. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 24(增刊): 51- 56.

[13]Philips N, Oren R, Zimmermann R. Radial patterns of xylem sap flow in non-, diffuse- and ring-porous tree species. Plant, Cell & Environment, 1996, 19(8): 983- 990.

[14]蔡甲冰, 劉鈺, 許迪, 史寶成. 基于通徑分析原理的冬小麥缺水診斷指標(biāo)敏感性分析. 水利學(xué)報(bào), 2008, 39(1): 83- 90.

[15]趙平, 饒興權(quán), 馬玲, 蔡錫安, 曾小平. 基于樹干液流測(cè)定值進(jìn)行尺度擴(kuò)展的馬占相思林段蒸騰和冠層氣孔導(dǎo)度. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 30(4): 655- 665.

[16]Guang Y H, Hoffmann W A, Scholz F G, Bucci S J, Meinzer F C, Franco A C, Cao K F, Goldstein G. Stem and leaf hydraulics of congeneric tree species from adjacent tropical savanna and forest ecosystems. Oecologia, 2008, 155(3): 405- 415.

StudyoftranspirationandwaterconsumptionoftriploidPopulus tomentosaatindividualtreeandstandscalesbyusingthermaldissipationtechnology

LIGuangde1,2,FUFengzhen2,3,XIBenye2,WANGYe2,JIALiming2,*

1 Faculty of Agroforestry & Medicine, the Open University of China, Beijing 100039, China 2 The Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China 3 Daqing Forestry Bureau, Daqing 163002, China

Abstract：Quantitative analysis of the transpiration and water consumption characteristics at the individual tree and stand scales of forests is critical for forest water management. Developing fast-growing and high-yielding poplar plantations has been identified as a major solution to the shortage of wood fibers in China, because of the strong demand for fibrous products for the large population and limited land resources. The triploid Populus tomentosa has been one of the most widely planted species in recent years due to its superior growth vigor and high timber yield. Accurately measuring the transpiration and water consumption of trees is essential for regulating water use in triploid P. tomentosa plantations. In this study, thermal dissipation probe (TDP) monitoring technology was combined with an automatic weather station to investigate the transpiration and water consumption of triploid P. tomentosa at the individual tree and stand scales over two years. The response of sap flow velocity (Vsp) in P. tomentosa trees to environmental factors, including solar radiation (Qs), air temperature (Ta), relative humidity (RH), wind speed (WS), soil water content (SWC), soil temperature (Ts), and vapor pressure deficit (VPD), were analyzed using a multiple linear regression model. The results showed that (1) the daily variation in sap flow velocity in individual P. tomentosa trees was significantly affected by the Qs and VPD. Diurnal variation in Vspfor individual trees had a unimodal pattern on sunny days. The flow rate rose from nearly zero at sunrise to a maximum at around 13:00 local time and decreased gradually to nearly zero by midnight. In the growing season (from April to October), the average Vspfor each month was 0.65 × 10-3, 2.12 × 10-3, 2.09 × 10-3, 1.78 × 10-3, 1.84 × 10-3, 1.76 × 10-3, and 1.04 × 10-3cm/s, respectively. The results of the correlation analysis showed that the Vspcorrelated significantly (α = 0.01) with the Qs, Ta, WS, RH, SWC, Ts, and VPD. With the exception of RH, all correlations were positive. The VPD and Qs had stronger effects on Vspthan SWC at a daily variation scale. (2) The water consumption of the P. tomentosa stand was 339.52 and 410.62 mm during the growing season in the fourth and fifth years after planting (2008 and 2009), respectively. The water consumption at the stand level was significantly affected by stomatal conductance (Gc), RH, and VPD. The variation in average daily water consumption followed a “l(fā)ow-high-low” unimodal pattern in the growing season and high water consumption values were recorded in August 2008 and June 2009. The main factors that drove the seasonal changes in water consumption in the stand were Gs, RH, and VPD. Lastly, (3) the regression model, with the measured environmental factors as independent variables, explained the variation in Vspwell during the growing season in 2008 (P < 0.01). When the constructed model was used to predict the Vspin the growing season in 2009, the simulated values correlated well with the measured values (R2 = 0.910) but was 6.39% higher than the measured values on average.

Key Words:triploid Populus tomentosa; water consumption; sap flow; TDP(thermal dissipation probe); environmental factors

基金項(xiàng)目:國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)重大項(xiàng)目(201004004)；北京林業(yè)大學(xué)“985”優(yōu)勢(shì)學(xué)科創(chuàng)新平臺(tái)開(kāi)放基金(000- 1108003)

收稿日期:2014- 09- 17; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 10- 10

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: jlm@bjfu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201409171846

李廣德，富豐珍，席本野，王燁，賈黎明.基于熱擴(kuò)散技術(shù)的三倍體毛白楊單木及林分蒸騰耗水研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(10):2945- 2953.

LiGD,FuFZ,XiBY,WangY,JiaLM.StudyoftranspirationandwaterconsumptionoftriploidPopulus tomentosaatindividualtreeandstandscalesbyusingthermaldissipationtechnology.ActaEcologicaSinica,2016,36(10):2945- 2953.