李玲雅 邸 楠 劉金強(qiáng) 趙小寧 鄒松言 付海曼 席本野

（1. 林木資源高效生產(chǎn)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083；2. 干旱半干旱地區(qū)森林培育和生態(tài)系統(tǒng)研究國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100083；3. 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；4. 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院呼和浩特 010021；5. 重慶市林業(yè)投資開發(fā)有限責(zé)任公司 重慶 401147；6. 國家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院 北京 100010）

楊樹（Populusspp.）因其生長快、適應(yīng)性強(qiáng)而成為我國發(fā)展速生豐產(chǎn)用材林的主要樹種。第九次全國森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，我國楊樹人工林面積已達(dá)757 萬hm2，占全國人工林總面積的13.25%，是世界上楊樹人工林面積最大的國家。人工林產(chǎn)量與質(zhì)量的提高很大程度上取決于高效集約栽培技術(shù)的應(yīng)用(Xiet al., 2021)。水分是影響楊樹生長的最重要因素(董文怡等, 2011; Xiet al., 2016, 2021)，可通過水分管理的手段來提高楊樹人工林的生產(chǎn)力(Gochiset al, 2000;李廣德, 2010; 任忠秀等, 2011; 孫兆地等, 2012; 席本野等, 2012)，但人工林水分管理策略的合理制定和高效實(shí)施，需依賴對林木耗水規(guī)律的準(zhǔn)確把握和對林分耗水量的準(zhǔn)確估算。

林分耗水量系指林木蒸騰、土壤蒸發(fā)消耗的水分以及植株體內(nèi)所含水分的總和。由于植株體內(nèi)所含水分占比非常小且影響因素較復(fù)雜而常忽略不計(jì)，因此，林分的耗水量即林分蒸散量（林木蒸騰+土壤蒸發(fā)）。目前，國際上較為通用的植物耗水量計(jì)算方法是通過參考作物潛在蒸散量(reference crop potential evapotranspiration，ET0)與作物系數(shù)Kc(crop coefficient)和基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcb(basal crop coefficient)計(jì)算的作物系數(shù)法(Allenet al., 1998)。該方法包括單作物系數(shù)法及雙作物系數(shù)法，其中，單作物系數(shù)法以作物系數(shù)Kc表示植物耗水量與參考作物耗水量之間的差異，Kc綜合反映了植物的物種特異性和土壤蒸發(fā)的平均效應(yīng)。雙作物系數(shù)法可以區(qū)分植物蒸騰和土壤蒸發(fā)對植物耗水量的影響，將Kc分為基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcb和土壤蒸發(fā)系數(shù)Ke兩部分，其中，Kcb代表植物蒸騰部分，是表層土壤干燥且根區(qū)土壤含水量不構(gòu)成水分脅迫時(shí)植物蒸散量與ET0的比值。在植物完全覆蓋地面時(shí)，2種作物系數(shù)法計(jì)算結(jié)果差別不大，而地面被植物部分覆蓋的情況下，雙作物系數(shù)法計(jì)算得到的植物耗水量比單作物系數(shù)法更接近實(shí)測值(樊引琴等, 2002)。因此，精確獲取作物系數(shù)，探明植物耗水變化規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源高效利用和制定節(jié)水灌溉制度的前提。

研究表明，楊樹比大田作物及其他闊葉樹種具有更高的耗水需求(王彥輝等, 2006；Petzoldet al., 2011)，因此，楊樹林地的高效水分管理更加需要獲取精準(zhǔn)的林分耗水規(guī)律和耗水量信息，否則難以在林分最需水的時(shí)期給予最適量的水分供給。目前，已有不少楊樹耗水特性研究集中于苗木上(方曉娟等, 2010; 董文怡，2011)，且近十幾年來，關(guān)于楊樹人工林的耗水研究也大量開展。例如，李廣德(2010)和莫康樂等(2014)分別研究了4～5 年生和13 年生楊樹人工林的蒸騰特征，但未關(guān)注林地土壤蒸發(fā)和蒸散的變化規(guī)律；Gochis 等(2000)觀測了1～3 年生雜交楊人工林的蒸散變化，并構(gòu)建了用于灌溉管理的Kc曲線，但卻未揭示林分蒸騰與土壤蒸發(fā)的變化特征；Di 等(2019)系統(tǒng)分析了6～7 年生楊樹人工林的林木蒸騰和土壤蒸發(fā)變化，并構(gòu)建土壤蒸發(fā)和Kcb預(yù)測模型，但未對林分蒸散量進(jìn)一步分析。由此可見，目前關(guān)于楊樹人工林耗水規(guī)律的研究大多關(guān)注林分耗水的單一組分，鮮有綜合分析耗水多組分變化特征；同時(shí)，現(xiàn)有研究多為在較短的時(shí)間尺度上，鮮有對整個(gè)輪伐期內(nèi)的楊樹人工林耗水規(guī)律開展深入分析，更缺乏將林分耗水信息轉(zhuǎn)化為作物系數(shù)信息并將其應(yīng)用于林分的水分管理。

綜上，本研究針對我國北方重要鄉(xiāng)土樹種、同時(shí)也是華北地區(qū)木材儲(chǔ)備林建設(shè)的重要樹種—毛白楊(Populus tomentosa)，以其短輪伐人工林為研究對象，系統(tǒng)研究其輪伐期尺度上的耗水規(guī)律。本研究的具體目標(biāo)為：1) 分析毛白楊人工林蒸騰、土壤蒸發(fā)及蒸散量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；2) 探明毛白楊的季節(jié)生長動(dòng)態(tài)及其作物系數(shù)和基礎(chǔ)作物系數(shù)的變化特征，并依此構(gòu)建毛白楊的(基礎(chǔ))作物系數(shù)曲線；3) 揭示林地Kc、Kcb與葉面積指數(shù)及地下水位間的關(guān)系，構(gòu)建Kc和Kcb預(yù)測模型。本研究結(jié)果將有助于準(zhǔn)確估算短輪伐毛白楊人工林的耗水量，從而為其林地高效水分管理的實(shí)現(xiàn)提供關(guān)鍵理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省高唐縣國有舊城林場(36°48′11′′—36°48′12′′N，116°4′57′′—116°4′58′′E)，海拔30 m，年日照時(shí)數(shù) 2 651.9 h，年均氣溫 12. 0～14. 1 ℃，全年無霜期 204 天。試驗(yàn)地中，0～140 cm 土層為砂壤土，140～300 cm 土層為粉壤土，平均土壤密度為1.43 g·cm-3，田間最大持水量為 0.35 cm3·cm-3，飽和含水率為 0.44 cm3·cm-3。

三倍體毛白楊無性系‘B301’((P. tomentosa×P.bolleana)×P. tomentosa)，簡稱毛白楊，于2015 年春季栽植，林分株行距2 m×3 m。2016—2018 年及2020 年每株每年穴施純氮82 g，2019 年每株穴施純氮113 g，采用除草劑定期去除雜草。林分內(nèi)共設(shè)置 5 個(gè)水分處理，具體信息詳見 Liu 等 (2022)和 Jiao 等(2021)。本研究滴灌系統(tǒng)采用一行兩帶的方式布設(shè)(滴管位于樹木兩側(cè)，距樹30 cm 處，滴頭間距50 cm，流量1.6 L·h-1)，于2016 年4 月啟動(dòng)使用，滴灌充分，在無土壤水分虧缺的條件下研究林分的潛在耗水規(guī)律根據(jù)以及毛白楊生長與土壤水分有效性間定量關(guān)系(Xiet al.，2016)。2016—2017 年當(dāng)?shù)晤^下方 20 cm 處土壤水勢達(dá)到 -20 kPa 時(shí)進(jìn)行滴灌，使土壤濕潤體內(nèi)水分達(dá)到田間最大持水量。隨著林分生長，為滿足林木增大的水分需求，2018—2020 年當(dāng)土壤水勢達(dá)到 -18 kPa 時(shí)進(jìn)行滴灌。根據(jù)試驗(yàn)期間獲取的生長數(shù)據(jù)可知，林分6 年生時(shí)（2020 年）的蓄積連年生長量與年均生長量變化曲線交叉，因此，本研究中毛白楊林分輪伐期為6 年。

2 研究方法

2.1 林分蒸騰

利用熱擴(kuò)散探針(北京時(shí)域通科技有限公司，北京，中國)于樹干北側(cè)1.3～1.5 m 高度處插入測定液流速率(Js, cm·s-1)。探針安裝完畢后，使用橡皮泥對探針基部與樹干連接處進(jìn)行黏固，然后采用泡沫和錫箔紙分別進(jìn)行探針的固定和包裹，具體安裝過程參照Yang 等(2019)。2016 年使用10 mm 長度探針測定液流速率，2017—2020 年使用30 mm 長度探針。2016—2017 年生長數(shù)據(jù)顯示，林木胸徑變異很小，選擇平均標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行插針測定；2018—2020 年，林木分化導(dǎo)致林木胸徑差異增大，根據(jù)胸徑分布規(guī)律，將林木劃分為不同徑階，并在每一徑階選擇1 株平均標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行插針測定。由于探針數(shù)量有限，2016—2020 年測定樣樹株數(shù)分別為5、5、5、5 和6 株。根據(jù)趙小寧等(2023)對毛白楊不同液流速率計(jì)算公式的對比研究結(jié)論，本研究采用Granier 原始公式(1)（Granier, 1987）對熱擴(kuò)散探針測定的溫差數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算以得到液流速率。

式中：溫差系數(shù)K=(ΔTM-ΔT)/ΔT；ΔTM為液流速率為0 cm·s-1時(shí)的溫差 (℃)；ΔT為某一時(shí)刻的瞬時(shí)溫差(℃)。林分蒸騰量 (Tr, mm·d-1)由單木蒸騰量推導(dǎo)而來，2016—2017 年Tr 計(jì)算見公式(2)，2018—2020 年Tr 計(jì)算見公式(3)。

式中：Js-ave為測定的平均標(biāo)準(zhǔn)木的液流速率平均值(cm·s-1)；Js-i為第i級徑階平均標(biāo)準(zhǔn)木的液流速率(cm·s-1)；As-total為測定林地所有林木的邊材面積總和(cm2)；As-i為第i級徑階所有林木的邊材面積總和(cm2)；AG為測定林地的面積 (m2)。

林木邊材面積利用前期建立的異速方程（Zhaoet al., 2023），以液流測定位置處的樹干直徑為自變量計(jì)算得到。

2.2 土壤蒸發(fā)

受冠層發(fā)育的影響，林地內(nèi)距樹不同距離的土壤會(huì)接受到不同程度的降雨量和太陽輻射，從而導(dǎo)致林地不同位置的土壤蒸發(fā)存在差異。為將土壤蒸發(fā)的空間變異考慮在內(nèi)，2016 年于林內(nèi)選取2 株標(biāo)準(zhǔn)木作為樣樹，在距離每株樣樹樹干30、80 和130 cm 處各安裝1 個(gè)內(nèi)徑7.5 cm、高度20 cm 的微型蒸滲儀（Boastet al., 1982）進(jìn)行土壤蒸發(fā)測定。2016 年的土壤蒸發(fā)數(shù)據(jù)表明，距樹80 和130 cm 的土壤蒸發(fā)無顯著差異，此外，前期研究發(fā)現(xiàn)灌溉下的最大土壤水平濕潤距離約為50 cm(李豆豆等，2018)。因此，2017—2020 年只在距樹30 和80 cm 處測定土壤蒸發(fā)。試驗(yàn)期間，每3～4 天灌溉或降雨后對蒸滲儀進(jìn)行換土，換土后每天使用精度為0.1 g 的電子天平對微型蒸滲儀進(jìn)行稱重，然后采用質(zhì)量減差法(Xiet al., 2017)計(jì)算林內(nèi)每日的土壤蒸發(fā)量(Es，mm·d-1)。

2.3 林分蒸散量及參考作物潛在蒸散量

林分蒸散量(ET，mm·d-1)即林木蒸騰和土壤蒸發(fā)的總和，采用公式(4)進(jìn)行計(jì)算。

2016 年，使用位于林地中心的自動(dòng)氣象站(Delta-T Devices Ltd., Cambridge, UK)對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。2017 年起，采用林內(nèi)和距離林地900 m 的自動(dòng)氣象站(北京時(shí)域通科技有限公司，北京，中國)對林內(nèi)和林外的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測。測定的氣象指標(biāo)包括太陽總輻射(W·m-2)、空氣溫度(℃)、空氣相對濕度(%)、風(fēng)速(m·s-1)、風(fēng)向和降雨(mm)。由于2016 年(2年生)林木高度較低，且2016 年和2017 年同時(shí)期林內(nèi)和林外氣象站采集的氣象數(shù)據(jù)沒有明顯差異。因此，根據(jù)Allenet al. (1998)的計(jì)算方法，利用林內(nèi)氣象站監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算2 年生林分的ET0(mm·d-1)，利用林外氣象站監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算3～6 年生林分的ET0。

式中：Rn為凈輻射量 (MJ·m-2d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2d-1)；T為平均氣溫 (℃)；u2為2 m 高處的平均風(fēng)速 (m·s-1)；es為飽和水汽壓 (kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ 為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率；γ 為干濕表常數(shù)。

2.4 作物系數(shù)及基礎(chǔ)作物系數(shù)

采用FAO-56 (Allenet al., 1998)中雙作物系數(shù)法對作物系數(shù)Kc和基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcb進(jìn)行計(jì)算。

式中，Ks為水分脅迫系數(shù)，反映土壤含水率不足時(shí)對植物蒸騰的影響，本研究中毛白楊在生長過程中水分供應(yīng)充足，故Ks=1。Ke為土壤表面蒸發(fā)的蒸發(fā)系數(shù)，Ke= Es/ ET0。

由上推導(dǎo)可得，Kc為林分實(shí)際蒸散量與ET0的比值，Kcb為林分蒸騰量與ET0的比值。

2.5 葉面積指數(shù)、地下水位及莖干直徑

采用Li-Cor 2 200 冠層分析儀(PCA, Li-Cor Inc.,Lincoln, Nebraska, USA)測定林分葉面積指數(shù)(LAI，m2·m-2)（ Liuet al.，2022)。基于實(shí)測的LAI 值，采用線性內(nèi)插法估算林分生長季內(nèi)每日的LAI。

利用位于林地中心的自動(dòng)觀測井和水位計(jì)(G3061, 北京時(shí)域通科技有限公司)測定林分地下水位(GWL，m)。此外，在林內(nèi)選擇3 株標(biāo)準(zhǔn)木，于樹干約 1m 高度處安裝直徑微變化傳感器(北京時(shí)域通科技有限公司)對樹干直徑的生長動(dòng)態(tài)進(jìn)行測定，測定頻率為 每10 min 一次，精度為1 μm。上述采集的數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)于自動(dòng)采集器(i-logger，北京時(shí)域通科技有限公司)。

2.6 數(shù)據(jù)分析

本研究中的所有數(shù)據(jù)分析均在半月時(shí)間尺度上進(jìn)行，為此，從4 月1 日開始，將每15 天的數(shù)據(jù)做平均（10 月13 日—10 月31 日期間的數(shù)據(jù)為19 天數(shù)據(jù)的平均值）后用于分析。此外，因降雨天未能獲取土壤蒸發(fā)實(shí)測數(shù)據(jù)，且降雨會(huì)導(dǎo)致蒸騰大幅度下降，為得到環(huán)境穩(wěn)態(tài)期間的Kc和Kcb，故剔除其降雨天數(shù)據(jù)。

熱擴(kuò)散液流探針采集的溫差數(shù)據(jù)采用Baseliner軟件進(jìn)行處理和計(jì)算(Oishiet al., 2016)。使用SPSS（v. 19.0, SPSS Inc., Chicago IL, USA）對不同時(shí)期的平均莖干直徑日增長率（Trunk diameter daily growth rate，DGR; μm·d-1）數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)，以確定其與0 μm·d-1是否在P= 0.05 水平上存在顯著差異，如差異顯著，則認(rèn)定該時(shí)期為林木主要生長階段(Deslaurieret al.，2003)。使用Origin 10.0 (OriginLab Corporation, MA, USA)對不同變量間的關(guān)系進(jìn)行線性和非線性回歸分析以及繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分生長動(dòng)態(tài)

由圖1 可知，毛白楊每年的主要生長階段有所變化，但4 月中旬—7 月末為所有林齡林分的主要生長階段。此外，5—7 月為毛白楊生長速度最快的時(shí)期，2～6 年生林分在該時(shí)期的生長量占年總生長量的69%～88%。

圖1 2～6 年生毛白楊人工林莖干直徑日增長率（DGR）的動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Dynamic changes of trunk diameter daily growth rate (DGR) in 2-6 years old Populus tomentosa plantation

根據(jù)輪伐期內(nèi)林分的平均 DGR 和 LAI 季節(jié)動(dòng)態(tài)，可將毛白楊生長季劃分為 4 個(gè)階段（圖2）。第I 階段為生長前期，時(shí)間為 4 月初— 4 月中旬，該時(shí)期內(nèi)林木剛啟動(dòng)展葉，生長速率較小。第 II 階段為發(fā)展期，時(shí)間約為 4 月中旬— 6 月中旬，該階段林木冠層發(fā)育迅速，LAI 快速升高，林木生長速度較快，并出現(xiàn)全年的第1 個(gè)生長高峰（5 月初—5 月中旬）。第 III 階段為生長中期，時(shí)間跨度約在 6 月中旬— 8 月中旬，該時(shí)期內(nèi)LAI 達(dá)到全年最高水平且變化相對較小，并出現(xiàn)第2 次生長高峰（6 月中旬—6 月末），但生長速度從 7月中開始快速降低。第 IV 階段為生長后期，時(shí)間約為8 月中旬— 10 月末，這個(gè)時(shí)期林木基本不再生長，同時(shí)開始大量落葉，林分 LAI 快速減小。

圖2 2～6 年生毛白楊人工林平均莖干直徑日增長率（DGR）和葉面積指數(shù)（LAI） 的季節(jié)動(dòng)態(tài)Fig. 2 Seasonal dynamics of the average trunk diameter daily growth rate (DGR) and leaf area index (LAI) in 2-6 years old Populus tomentosa plantations

3.2 林分蒸騰、蒸發(fā)和蒸散動(dòng)態(tài)

不同林齡林分生長季內(nèi)的蒸發(fā)、蒸騰及蒸散量變化見圖3。2～6 年生林分生長季內(nèi)的累積Es分別為250、200、198、179 和255 mm，在林木栽植后的前5年，Es隨林齡增大而呈非線性逐漸下降，但在栽植后的第 6 年即輪伐期末，Es又出現(xiàn)明顯升高（圖4）。年際尺度上，Es對ET 的貢獻(xiàn)比例隨林齡增大而非線性逐漸下降（P= 0.038），并在 5～6 年生林分中趨于相對穩(wěn)定（圖4）。在年內(nèi)尺度上，Es對ET 的貢獻(xiàn)存在季節(jié)變化，且變化模式因林齡而異（圖3）。2 年生林分中，Es在整個(gè)生長季的ET 中幾乎均占主導(dǎo)地位；隨著林木發(fā)育，林分在 3 年生時(shí)達(dá)到郁閉，因而除了生長季和/或生長季末，其他時(shí)期內(nèi)Es在ET 中的占比均較小，且林齡越大該趨勢越明顯。此外，2 年生 和 6 年生林分中，Es的季節(jié)變化與 ET0呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05），但在 3～5 年生林分中相關(guān)性不明顯（P＞0.05）。

圖3 2～6 年生毛白楊林分土壤蒸發(fā)(Es)、林木蒸騰(Tr)、林地蒸散量(ET)及參考作物潛在蒸散量(ET0)變化Fig. 3 Variations of soil evaporation (Es), tree transpiration (Tr), stand evapotranspiration (ET), and reference crop potential evapotranspiration(ET0) in 2-6 years old P. tomentosa plantations

圖4 毛白楊林分林地蒸散量(ET)、土壤蒸發(fā)(Es)及其在ET 中的占比、林木蒸騰(Tr)及其在 ET 中的占比隨林齡的變化Fig. 4 Variation of stand evapotranspiration (ET), soil evaporation(Es) and its proportion in ET, and tree transpiration (Tr) and its proportion in ET with stand age

2～6 年生林分的累積Tr 分別為145、267、343、603 和664 mm，隨林齡增加而線性增大（P= 0.004），但其在林分ET 中的占比則隨林齡變化而非線性增大并在 5～6 年生林分中保持相對穩(wěn)定（P= 0.038），2～6年生林分中的該占比分別為37%、57%、63%、77%和72%（圖4）。Tr 在生長季內(nèi)的變化規(guī)律隨林齡而異（圖3）。其中，在2 年生林分內(nèi)，Tr呈緩慢上升趨勢，直至9 月中下旬大量落葉后逐漸下降。3 年生和4 年生林分進(jìn)入生長季后，其Tr 在約半個(gè)月內(nèi)即快速升高至全年較高水平，之后在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)，并分別從7 月上旬和 8 月上旬開始逐漸下降。5～6 年生林分的Tr在進(jìn)入生長季后同樣迅速上升，但上升期明顯延長，直至在 5 月下旬達(dá)到全年最高峰后保持穩(wěn)定1～1.5 個(gè)月，然后逐漸波動(dòng)下降?？傮w而言，Tr 的季節(jié)變化在 2 年生林分中與ET0的季節(jié)變化無關(guān)（P＞0.05），但在 3～6 年生林分中則顯著正相關(guān)（P＜ 0.05）。

年際尺度上，2～4 年生林分的ET 從低于ET0到逐漸與其相當(dāng)，隨后5～6 年生林分ET 明顯高于ET0，且高出程度逐年增大（圖3）；2～6 年生林分的累積ET 分別為396、467、541、782 和919 mm，在整個(gè)輪伐期內(nèi)隨林齡增大而呈指數(shù)增加（P＜ 0.001）（圖4）。年內(nèi)尺度上，林分 ET 的動(dòng)態(tài)變化與ET0基本一致，二者間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05），且協(xié)同程度逐年升高（回歸方程的R2逐年增大）。整個(gè)輪伐期內(nèi)，ET 均在6 月達(dá)到最大；在毛白楊生長最快的5—7 月（圖1），林分 ET 占生長季總 ET 的比例在2～6 年生林分中分別為47%、48%、52%、61%和59%；在歷年主要生長階段（圖1）的累積ET 占生長季總ET 的58%～76%。

3.3 林分（基礎(chǔ)）作物系數(shù)動(dòng)態(tài)

不同林齡林分的作物系數(shù)季節(jié)動(dòng)態(tài)差異明顯（圖5a）：2 年生林分中，Kc在生長季內(nèi)整體呈階梯狀逐漸升高，但在3 年生林分中，Kc則呈“下降—穩(wěn)定—逐漸升高”變化；4～6 年生林分的Kc季節(jié)動(dòng)態(tài)大體一致，呈雙峰變化，且在生長后期快速下降。依據(jù)劃分的4 個(gè)生長階段（圖2），構(gòu)建 2～6 年生林分的作物系數(shù)曲線（圖6），利用該曲線可獲取不同林齡林分每半月尺度的作物系數(shù)。此外，不同林齡林分各生長階段的平均作物系數(shù)見表1，發(fā)展期和生長中期的平均Kc均隨林齡增加而逐漸增大（P＜ 0.05），但生長初期和末期則未出現(xiàn)該現(xiàn)象（P＞ 0.05）。

表1 2～6 年生毛白楊林分不同生長階段的平均作物系數(shù)(Kc)及基礎(chǔ)作物系數(shù)(Kcb)①Tab. 1 Average crop coefficient (Kc) and basal crop coefficient (Kcb) at different growth stages in 2-6 years old Populus tomentosa plantations

圖5 2～6 年生毛白楊人工林作物系數(shù)（Kc）和基礎(chǔ)作物系數(shù)（Kcb）的季節(jié)動(dòng)態(tài)Fig. 5 Seasonal dynamics of crop coefficient (Kc) and basal crop coefficient (Kcb) in 2-6 years old P. tomentosa plantations

圖6 2～6 年生毛白楊林分作物系數(shù)(Kc)曲線Fig. 6 Crop coefficient (Kc) curves in 2-6 years old P. tomentosa planations

毛白楊基礎(chǔ)作物系數(shù)的季節(jié)動(dòng)態(tài)在不同林齡林分中也存在明顯差異（圖5b）。2 年生林分中，Kcb逐漸升高，直至進(jìn)入生長后期以后保持相對穩(wěn)定。3～ 4 年生林分的Kcb季節(jié)動(dòng)態(tài)呈單峰變化：進(jìn)入生長季后，Kcb快速升高，于4 月中旬— 4 月末即達(dá)到全年最大值，在 5 月逐漸降低后保持相對穩(wěn)定，并在9 月中之后再次下降。5 年生和6 年生林分的Kcb整體呈雙峰變化，且Kcb在達(dá)到第1 個(gè)峰值后開始快速下降，直至第2個(gè)峰值出現(xiàn)。基于Kcb變化規(guī)律，構(gòu)建 2～6 年生林分的基礎(chǔ)作物系數(shù)曲線（圖7），由此可獲取各林齡林分每半月尺度的Kcb信息。通過表1 可知，除生長末期外，其他3 個(gè)生長階段的平均Kcb均隨林齡增加而逐漸增大（P＜ 0.05）。

3.4 林分（基礎(chǔ)）作物系數(shù)與葉面積指數(shù)和地下水位的關(guān)系

林分Kc和Kcb與LAI 間的關(guān)系會(huì)隨林分發(fā)育而變化（圖8）。林分郁閉前（2 年生），Kc與 LAI 間無關(guān)系（P＞ 0.05），而郁閉后（3～6 年生），LAI 的變化能對Kc產(chǎn)生顯著影響，但影響方式并不固定：3 年生林分的Kc隨 LAI 增大而非線性降低（P＜ 0.05），4 年生林分中Kc則隨 LAI 增大呈先升高后降低的變化趨勢（P＜ 0.05），5～6 年生林分，Kc隨 LAI 增大而增大，但當(dāng)LAI 達(dá)到某臨界值后，Kc趨于穩(wěn)定（P＜ 0.001）?？傮w而言，3～4 年生和5～6 年生林分Kc隨LAI 的變化規(guī)律分別可用二次多項(xiàng)式函數(shù)和 S 型函數(shù)描述，其決定系數(shù)R2分別為 0.42～0.44 和 0.71～0.77（圖8）。

圖8 2～6 年生毛白楊林分葉面積指數(shù)(LAI)與(基礎(chǔ))作物系數(shù)(Kcb, Kc)的關(guān)系Fig. 8 The relationships between (basal) crop coefficient (Kcb, Kcb) and leaf area index (LAI) in 2-6 years old P. tomentosa plantations

林分郁閉前，Kcb的變化同樣不受 LAI 的影響（P＞ 0.05），但林分郁閉后則受其明顯控制（P＜ 0.001）（圖8）。在 3～6 年生林分中，Kcb均隨 LAI 增大呈現(xiàn)先升高再趨于穩(wěn)定的變化趨勢，且Kcb開始趨于穩(wěn)定的LAI 臨界值以及趨于穩(wěn)定的Kcb峰值有逐年增大趨勢；Kcb與 LAI 間的共變規(guī)律均可很好地用 S 型函數(shù)來模擬，模型決定系數(shù)R2達(dá)到 0.83～0.87。

線性回歸分析結(jié)果表明，整個(gè)輪伐期內(nèi)，各林齡林分的Kc和Kcb均與地下水位之間在半月時(shí)間尺度上無顯著相關(guān)關(guān)系（P＞ 0.05）。

4 討論

4.1 毛白楊人工林生長發(fā)育特征

在準(zhǔn)確了解林木生長動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行生長發(fā)育階段劃分，是構(gòu)建林木（基礎(chǔ)）作物系數(shù)曲線的前提，同時(shí)也能為人工林水分管理關(guān)鍵期的確定提供重要信息（Allenet al., 1998）。傳統(tǒng)林木生長動(dòng)態(tài)研究多是借助人力測定樹干直徑，時(shí)間分辨率低，同時(shí)，研究時(shí)間也大多較短（如1～2 個(gè)生長季），因此，對林木季節(jié)生長動(dòng)態(tài)的了解可能并不全面和準(zhǔn)確（王文全等,2001; Xiet al., 2014; Coyleet al., 2016）。本研究借助莖干直徑微變化傳感器，獲取了長時(shí)間尺度（5 年）的高時(shí)間分辨率（天尺度）直徑生長數(shù)據(jù)，并對整個(gè)輪伐期的生長動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析（圖1）。研究表明，每年 5—7 月是毛白楊生長最快的時(shí)期，占年總生長量的 69%～88%。該發(fā)現(xiàn)與 Xi 等 (2014)、王文全等(2001)和王燁等(2023)借助傳統(tǒng)樹木直徑監(jiān)測方法，針對1～2 個(gè)生長季觀測得到的毛白楊速生期相一致。由此表明，每年5—7 月可作為毛白楊水分管理的關(guān)鍵時(shí)期。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，毛白楊每年的主要生長階段長度并不一致，主要體現(xiàn)在4 月和 8 月的上半月是否有明顯生長（圖1）。本研究目前還無法解釋該現(xiàn)象，但可推測，如果能通過調(diào)控措施在每年均維持這2 個(gè)時(shí)段的明顯生長量，則能提高輪伐期內(nèi)主要生長階段的累積長度，從而進(jìn)一步提升林分生產(chǎn)力。

目前，林木生長發(fā)育階段有多種劃分方法，且劃分標(biāo)準(zhǔn)也較多（根據(jù)樹干生長節(jié)律、葉片發(fā)育動(dòng)態(tài)、枝條生長等）（裴保華, 1963）。例如，Li 等(2020)利用Gompertz 模型，根據(jù)樹干直徑日增長量，將2～3 年毛白楊生長階段劃為 4 個(gè)時(shí)期：早春出芽期（約 4 月初—4 月中旬）、春夏快速生長期（約 4 月中旬—6 月上旬）、夏秋緩慢生長期（約 6 月中旬— 10 月上旬）和冬季準(zhǔn)備期（10 月中旬—10 月末）。裴保華等(1987)通過定期測定胸徑，將 8～10 年生毛白楊的直徑生長階段劃分為 5 個(gè)時(shí)期：早春緩慢生長期（4 月初—4 月底或 5月初）、春季速生期（4 月下旬或 5 月初— 6 月初或中旬）、春夏緩慢生長期（6 月初或中旬—7 月上旬）、夏季速生期（7 月上旬或中旬—8 月上旬）和夏秋緩慢生長期（8 月上旬— 10 月上旬）。與以上研究不同，本研究結(jié)合整個(gè)輪伐期內(nèi)每年的葉面積指數(shù)和林木生長動(dòng)態(tài)，根據(jù) FAO-56（Allenet al., 1998）中的植被生長階段劃分方法，將毛白楊生長發(fā)育階段劃分為 4 個(gè)時(shí)期：生長初期、發(fā)展期、生長中期和生長末期（圖2）。該劃分方法不僅考慮了不同時(shí)期林分的冠層發(fā)育特征，而且也與前人的劃分在一定程度上保持一致。例如，本研究中的生長初期與 Li 等 (2020)中的早春出芽期以及裴保華和等(1987)中的早春緩慢生長期基本對應(yīng)；發(fā)展期與裴保華和等(1987)中的春季速生期大體一致；生長中期則包含了裴保華等(1987)中的春夏緩慢生長期和夏季速生期。因此，本研究劃分的生長階段同時(shí)兼顧了輪伐期內(nèi)毛白楊林分的平均冠層發(fā)育和樹干直徑生長特征，不僅可用于（基礎(chǔ)）作物系數(shù)曲線制定，而且也可很好地用于水分管理等集約培育措施的制定和優(yōu)化。

4.2 毛白楊人工林長期耗水規(guī)律

楊樹人工林耗水規(guī)律已有大量工作開展，但受限于研究方法，大多研究只獲取了林分耗水單一組分的變化規(guī)律。例如，Gochis 等(2000)和Hou 等 (2010)分別利用土壤水量平衡法和波文比法僅研究了楊樹人工林的蒸散季節(jié)動(dòng)態(tài)特征；Navarro 等 (2018)和 Du 等(2021)利用樹干液流法僅分析了楊樹蒸騰的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。有些研究綜合利用微型蒸滲儀法與樹干液流法獲取了土壤蒸發(fā)、林木蒸騰和林分蒸散等楊樹人工林的耗水多組分信息，但均局限在1～2 個(gè)生長季的短時(shí)間內(nèi)（劉晨峰等, 2009; Xiet al., 2017; Can?ete-Salinaset al., 2021; Songet al., 2021）。生產(chǎn)實(shí)踐中，以木材生產(chǎn)為目的的人工林均以輪伐期為經(jīng)營周期開展經(jīng)營活動(dòng)，而輪伐期長度因樹種和目標(biāo)收獲材種而異，少則5～8 年（如楊樹和桉樹紙漿林），多則 15 年以上（如楊樹大徑材林、油松（Pinustabuliformis）用材林），因而僅獲取短期內(nèi)的林分耗水或其個(gè)別組分信息對于用材林科學(xué)經(jīng)營的作用十分有限。為此，本研究利用微型蒸滲儀法和樹干液流法，針對毛白楊紙漿林，率先在一個(gè)完整的輪伐期尺度上詳細(xì)研究了林分耗水多組分的變化規(guī)律，可為短輪伐毛白楊人工林的全生命周期經(jīng)營提供重要理論依據(jù)。

由于多關(guān)注耗水個(gè)別組分和研究周期較短，目前對楊樹人工林耗水規(guī)律的了解多局限于特定林齡的生長季尺度，而對其耗水特征（總量、季節(jié)動(dòng)態(tài)等）的年際變化或隨林齡發(fā)育的變化還知之甚少。與其他研究結(jié)果相同（劉晨峰等, 2009; Houet al., 2010; Xiet al., 2017），本研究數(shù)據(jù)顯示楊樹林分ET 的季節(jié)動(dòng)態(tài)與 ET0相一致，并同時(shí)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這種協(xié)同性并不受林分發(fā)育的影響（圖3）。但是，毛白楊林分 Tr、Es和ET0的變化協(xié)同性則會(huì)隨林分發(fā)育而改變：對于 Tr，林分郁閉前，兩者的變化間無關(guān)系（P＞ 0.05），但郁閉后，則顯著線性相關(guān)（P＜ 0.05），且相關(guān)程度逐年增大；對于Es，兩者的顯著協(xié)變關(guān)系（P＜ 0.05）僅出現(xiàn)在林分郁閉前和輪伐期末（6 年生林分）。由此表明，大氣蒸發(fā)潛力能對林分耗水的各組分動(dòng)態(tài)產(chǎn)生顯著影響，但影響模式受林分發(fā)育控制：林分郁閉前，主要影響ET 和Es的季節(jié)動(dòng)態(tài)，但郁閉后則主要影響 ET 和 Tr，并在輪伐期末能對三者均產(chǎn)生顯著影響。

林分耗水總量隨林齡增大會(huì)發(fā)生明顯改變。眾多研究表明，林齡越大，耗水總量越高（Xiet al., 2017;Gochiset al, 2000; Songet al., 2021），但也有研究發(fā)現(xiàn)林分耗水量隨林齡增大并無明顯升高趨勢，僅呈波動(dòng)變化（韓輝等, 2020; Ouyanget al., 2022），這可能是因?yàn)檠芯繉ο笏幍牧址职l(fā)育階段（如幼林或成熟林）或表征林分耗水的指標(biāo)（如蒸騰或蒸散）不同所造成。與以上研究不同，由于本研究對耗水多組分進(jìn)行了長時(shí)間觀測，所以獲取了耗水多組分隨林齡的變化規(guī)律信息。 毛白楊林分的ET 和 Tr 隨林齡增大而逐漸升高，但二者分別呈非線性和線性升高（圖4）。與之不同，林分的年總Es隨林齡增大而非線性下降，但其在輪伐期末的 6 年生林分中又出現(xiàn)明顯升高，且達(dá)到接近 2 年生林分的水平，這可能是 6 年生林分中出現(xiàn)較強(qiáng)的自然整枝以及當(dāng)年遭受風(fēng)災(zāi)導(dǎo)致葉面積指數(shù)明顯下降，冠層透光率突然升高所致。與Tr 和Es總量的逐年變化規(guī)律不同，Tr 和Es對林分ET 的貢獻(xiàn)率隨林齡增大分別呈非線性升高和降低趨勢，二者在 5～6年生林分中趨于穩(wěn)定，但 ET 貢獻(xiàn)率是否會(huì)隨林齡的繼續(xù)增大而發(fā)生改變，還需更加長期的觀測數(shù)據(jù)予以證明。綜上，本研究揭示的林分耗水及其組分在整個(gè)輪伐期內(nèi)的年際變化規(guī)律，可為人工林集約培育措施的優(yōu)化及其耗水預(yù)測模型的構(gòu)建提供關(guān)鍵信息。

4.3 毛白楊人工林（基礎(chǔ)）作物系數(shù)曲線

在經(jīng)營人工林時(shí)，由于林地面積一般較大，所以水分管理等經(jīng)營措施的調(diào)整和實(shí)施的時(shí)間周期通常較長。鑒于此，本研究以每半個(gè)月為1 個(gè)周期來計(jì)算（基礎(chǔ)）作物系數(shù)的平均值，并依此構(gòu)建（基礎(chǔ)）作物系數(shù)曲線及其預(yù)測模型。這種處理方式也符合FAO-56（Allenet al., 1998）所提到的“計(jì)算耗水量的時(shí)間步長應(yīng)與獲取（基礎(chǔ)）作物系數(shù)值的時(shí)間步長相一致”原則。

毛白楊林分（基礎(chǔ)）作物系數(shù)的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律隨林分發(fā)育而變異較大（圖5），該現(xiàn)象產(chǎn)生的重要原因之一是Kc和Kcb與 LAI 間的協(xié)變關(guān)系在不同林齡林分中存在較大差異（圖8）。另外，與 FAO-56 的描述規(guī)律相一致，許多研究觀測到的Kc和Kcb季節(jié)動(dòng)態(tài)為：生長初期較低，在發(fā)展期逐漸升高，然后在生長中期達(dá)到高峰并保持穩(wěn)定，最后于生長末期逐漸降低（Allenet al., 1998; Gochiset al., 2000; Gonget al., 2007;Dinget al., 2015; Zhaoet al., 2018）。與這些發(fā)現(xiàn)不同，本研究在任何林齡林分中均未觀察到類似的季節(jié)變化規(guī)律，且主要體現(xiàn)在Kc和Kcb在郁閉林分的發(fā)展期即達(dá)到全年最高水平，但在生長中期卻出現(xiàn)降低或維持在發(fā)展期的水平（圖5）。這種結(jié)果差異可能是由于“（基礎(chǔ)）作物系數(shù)與 LAI 間定量關(guān)系不同”和“冠層導(dǎo)度季節(jié)動(dòng)態(tài)不同”的綜合作用，如果Kc、Kcb與LAI 間存在線性關(guān)系，則Kc和Kcb在生長季內(nèi)會(huì)逐漸緩慢升高，并在生長中期達(dá)到最高峰（Gonget al.,2007）；但如果Kc、Kcb與 LAI 間存在S 型的非線性關(guān)系，則Kc和Kcb的最高峰會(huì)提前出現(xiàn)在林木發(fā)展期，如本研究中的毛白楊（圖5, 圖8）。此外，毛白楊林分在生長中期為防止木質(zhì)部栓塞會(huì)關(guān)閉部分氣孔，從而導(dǎo)致冠層導(dǎo)度下降和蒸騰下降（圖3）（趙文芹等，2021），因此在郁閉林分的生長中期才會(huì)出現(xiàn)Kc和Kcb的明顯降低現(xiàn)象（圖5, 表1）。

本研究結(jié)果中，Kc和Kcb季節(jié)動(dòng)態(tài)并不符合FAO-56 中所描述的常見規(guī)律，因此，無法采用 FAO-56 建議的方法來構(gòu)建林分的（基礎(chǔ)）作物系數(shù)曲線。本研究在綜合數(shù)據(jù)變化規(guī)律和劃分的生長階段，并考慮使用方便性的基礎(chǔ)上，采用手工擬合法構(gòu)建了短輪伐毛白楊人工林的（基礎(chǔ)）作物系數(shù)曲線圖（圖6, 圖7）。在生產(chǎn)實(shí)踐中，利用該圖時(shí)應(yīng)按照以下幾點(diǎn)：首先，需要查閱某“半月”時(shí)期中心位置對應(yīng)的曲線數(shù)值得到該時(shí)期的Kc和Kcb；其次，利用當(dāng)?shù)囟嗄甑臍庀髷?shù)據(jù)算出該時(shí)期的多年平均ET0，或利用當(dāng)年的氣象數(shù)據(jù)算出該時(shí)期的實(shí)際 ET0；第三，將多年平均 ET0與Kc和Kcb相乘，可大致預(yù)測某一林齡林分在該時(shí)期的可能蒸散量和蒸騰量，或?qū)?dāng)年實(shí)際ET0與Kc和Kcb相乘，得到當(dāng)年該時(shí)期林分的實(shí)際蒸散量和蒸騰量；最后，利用上步獲得的耗水量信息確定對應(yīng)時(shí)期的灌溉量。此外，為了更加便于不同類型的生產(chǎn)人員進(jìn)行毛白楊人工林的科學(xué)水分管理，本研究也繪制了不同林齡不同生長發(fā)育階段的毛白楊Kc和Kcb平均值列表（表1），同時(shí)針對 3～6 年生林分構(gòu)建了基于 LAI 的Kc和Kcb預(yù)測模型（圖8）。在生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行方法選擇，但需注意的是，本研究構(gòu)建的（基礎(chǔ)）作物系數(shù)曲線、列表和預(yù)測模型，僅適用于相似氣候條件下以典型紙漿林栽植模式（密度 2 m×3 m）營建的短輪伐毛白楊人工林。

5 結(jié)論

結(jié)合樹干液流法和微型蒸滲儀法，針對短輪伐毛白楊人工林，在其整個(gè)輪伐期尺度上系統(tǒng)研究了林分的長期耗水規(guī)律。林分蒸散、蒸騰和蒸發(fā)的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征存在年際變化，大氣蒸發(fā)潛力的波動(dòng)是控制耗水季節(jié)動(dòng)態(tài)的重要因子，但控制方式因耗水組分和林齡而異。林分蒸散量和蒸騰量隨林齡增大均逐漸升高，但升高方式分別呈非線性和線性；林分蒸發(fā)量隨林齡增大先逐漸下降再明顯升高，但其在蒸散中的占比則一直呈非線性降低。毛白楊生長階段可劃分為 4 個(gè)時(shí)期，且每年 5—7 月為林分水分管理的關(guān)鍵時(shí)期。林分（基礎(chǔ)）作物系數(shù)的季節(jié)變化不受地下水位影響，而受葉面積指數(shù)控制，但該控制作用僅出現(xiàn)在林分郁閉后。此外，構(gòu)建的毛白楊人工林（基礎(chǔ)）作物系數(shù)曲線、列表和預(yù)測模型，可用于林分耗水量的估算，進(jìn)而精準(zhǔn)確定灌溉量。本研究發(fā)現(xiàn)將有助于短輪伐毛白楊人工林水分管理策略的制定和優(yōu)化，并為深化認(rèn)識(shí)人工林的長期耗水規(guī)律提供重要理論支撐。