生长季水曲柳树干液流密度的特征

孙 龙，张全智，吕新双，周晓峰

(东北林业大学，哈尔滨 150040)

水曲柳广泛分布于我国东北、朝鲜半岛北部、俄罗斯远东到日本北部，是珍贵的硬阔树种。自从20世纪70年代以来，许多学者就其生态学特性和培育技术做了大量研究，对其生物生态学特征有了深入、全面的认识，但是有关水曲柳的水文生态效应，目前报道较少［1］，况且基于传统技术的森林蒸腾耗水研究数据误差较大。本文应用热扩散技术对52 a生硬阔林内不同径级的水曲柳进行树干液流密度的测定及分析，为进一步构建更大尺度的林分蒸腾耗水模型提供科学依据。

1 研究区概况

试验在东北林业大学帽儿山林场老爷岭生态站内进行。生态站位于黑龙江省尚志市境内，北纬45°20'～ 45°25'，东经 127°30'～ 127°34'。该地区属于长白山系支脉、张广才岭西北部的余脉。境内山峦绵延，丘陵起伏，平均海拔300 m，一般坡度在10°～15°，呈明显的大陆性温带季风气候，雨量集中在7、8月份，年降水量772.9 mm，年蒸发量884.4 mm。平均气温2.8℃，最高温度可达32℃，最低温度为－31℃左右。林场的森林覆被率为70.2%。境内天然次生林类型多样。2004年5月，在生态站52 a生硬阔林内选择不同径级的被测样木，同时建立3个20 m×30 m的标准固定样地，并对样地内林木的相关指标进行测量。

2 研究方法

2.1 材料的选择

根据研究区域的实际情况，选择52 a生硬阔叶林为试验样地。为了能够进一步开展大尺度的林分冠层蒸腾外推研究，测定样木的选择标准根据径级而定，分为优势木 (胸径为26.7～36.0 cm)、中等木 (胸径为17.0～21.7 cm)和被压木 (胸径为10.9～13.6 cm)3个径级，且具备通直、无病虫害和生长状况良好等特点。为了满足统计学规律并且能够真正反映硬阔林分的蒸腾状况，每个径级的样木选择3株进行测定。

2.2 测定原理

将TDP热扩散探头(Thermal dissipation probe)刺入树干木质部［2］，并接通恒定的电流以测定边材的导热率。热扩散法需要以液流量等于零时的加热功率及温度变化为依据进行零值校正。热扩散探头有两根探针组成，上部呈恒定连续加热，内含有加热元件和热电偶;下部探针为参考端，只有热电偶。通过测定两根探针在边材的温差值计算液流速度。当液流速度等于0或很小时，两根探针的温差 (dT)最大;当液流增大，温差值减小。通过已知的温差与液流密度的关系可以连续测定液流速度变化［3－5］。

树干液流密度的测定由无量纲的K值来计算:

式中:dTM为无液流时探针的最大温差值;dT为当时测定的温差值。

液流密度是单位边材面积单位时间的液流量，用于对比不同树种的蒸腾耗水能力及液流格局的差异。

2.3 仪器安装

在样木树干胸径处南向 (所有样木均选择此位置)，用刀将树干死树皮刮成1 cm宽、5 cm长的长方形，操作时不能损坏树干的形成层。把两孔距离为4 cm的钻孔模板放在待测的位置上，然后用直径为3 mm的钻头钻两个20 mm深的孔，两孔尽量保持平行并与树干保持垂直。将20 mm长、直径为2.5 mm的探头加热针和参考针分别逐渐插入上部孔和下部孔。探针与树干接触处用凡士林封住，以免雨水接触探针造成所测定的温差因外界因素而波动。为防止太阳辐射对探针的影响，安装好探针后，用铝箔围住探头的外部，再用透明胶封住，然后在封口处涂上凡士林，防止水分沿树干流下接触探针。探针一端与数据采集器CR23X连接，通过计算机输入编好的程序测定探针间的温差数据。

3 结果与分析

根据数据采集器的性能和数据采集要求，通过编程实现每隔15 min采集一次温差数据。数据计算和分析采用TDP树干液流测定系统提供的基于Excel的宏分析软件完成。对每个径级样木计算的液流密度值进行平均，然后再对每小时内的4次测量结果进行平均，得出每小时的液流密度值，从5月29日到10月29日，选择晴天、阴天和雨天数据以及整个生长季液流数据进行分析。

3.1 水曲柳树干液流的日动态

以6月14日到16日连续3个晴天的水曲柳优势木、中等木和被压木液流密度数据为代表，描述水曲柳液流密度日动态变化。其间最高气温29.5℃，最低气温 13.57℃，平均相对湿度为52.62%，水汽压亏缺 (VPD)最小为0.46 kPa，最大为2.52 kPa。优势木、中等木和被压木样木木质部平均面积分别为233.32 cm2、117.48 cm2和47.28 cm2。如图1所示，水曲柳树干液流密度昼夜变化的规律性较强，呈明显的单峰曲线，但曲线尖削度较小，说明日间维持较大的树干液流密度的时间较长。白天由于气温较高，树木蒸腾量较大，大量的水分通过根部被吸入植物体内，通过叶片进行蒸腾。夜间温度降低，蒸腾拉力减小，树木蒸腾量减小，水分通过根压以主动形式进入植物体，补充白天蒸腾的水分损耗，所以，液流密度极小甚至达到0。中等木液流密度全天基本没有0值出现，保持较高的水分需求。优势木和被压木一般每天大约从清晨5∶00开始加快流动，11∶00～13∶00左右达到峰值，液流密度可持续至19∶00左右。整体液流通量水平中等木最大，其次被压木，最小为优势木，原因为该硬阔林分水曲柳优势木基本进入成熟龄，生产力明显下降，蒸腾需水能力也随之下降。连续3 d水曲柳优势木、中等木和被压木的液流密度最大值分别为2.74 cm3/(cm2·h)、18.58 cm3/(cm2·h)和8.05 cm3/(cm2·h)。另外从曲线上还可以看出，在达到峰值前后除优势木外，中等木和被压木的液流密度均有一个微弱的下降，原因主要来自于正午强烈的太阳辐射，树木自身蒸腾保护机制。从图1中还可以看出，不同径级的水曲柳样木，其液流密度的变化趋势较为一致，但差异比较明显，优势木液流密度明显大于中等木和被压木，中等木和被压木液流密度值非常接近。

图1 水曲柳优势木、中等木和被压木液流密度的变化Fig.1 Variation on sap flow density(SFD)of manchurian ash dominant，medium and suppressed trees

3.2 不同天气条件下液流密度的变化

树木液流密度在不同天气条件下的日变化规律也大不相同，如图2所示。分别选择阴天 (7月1日)、雨天 (7月2日)和晴天 (7月3、4日)的液流密度变化来说明天气条件对液流密度的影响。从图2可明显看出，对于优势木、中等木和被压木而言，阴雨天液流密度值都较小且变化曲线十分不规则，出现多峰曲线，而且夜间液流密度明显增大，液流密度峰值出现的时间也不一定位于正午时间。优势木的液流密度只有在夜间才稍大于中等木和被压木，而且被压木的液流密度在阴雨天以及阴雨后转晴的第一天占据优势，比中等木液流密度要大。甚至在降雨后的第二个晴天，液流密度也和中等木变化基本一致，迅速回升。优势木和中等木和被压木的液流密度变化曲线在降雨后的第一个晴天液流密度迅速回升，并呈现正常的近似梯形曲线。说明在正午和下午温度较高的时间较长，水分补给充足，所以液流密度持续高值的时间较长。该特征与胡桃楸的研究结果基本一致。值得注意的是中等木在天气恢复晴天以后，夜间液流密度明显增大，原因可能来自于充足的土壤水分补给。

图2 不同天气条件下水曲柳优势木、中等木和被压木液流密度的变化Fig.2 Variation on sap flow density(SFD)of manchurian ash dominant，medium and suppressed trees in diffenent weather conditions

3.3 季节动态分析

如图3所示，水曲柳优势木、中等木和被压木在178 d～244 d之间具有变化趋势和数值大小基本一致的液流通量变化规律。6月初至6月末(150 d至178 d)，中等木日液流通量相对较高，明显高于优势木和被压木，中等木和被压木变化趋势基本一致，与优势木差异较大，优势木、中等木和被压木日液流通量最大值分别为648.46 L/(m2·d)、2 260.91 L/(m2·d)和 857.29 L/(m2·d);最小值分别为 123.64L/(m2·d)、224.51 L/(m2·d)和130.63 L/(m2·d);平均值分别为268.16 L/(m2·d)、1 396.19 L/(m2·d)和573.42 L/(m2·d)。进入7月初至8月末 (179～244 d)，日液流通量明显减小，优势木、中等木和被压木日液流通量最大值分别为1 032.48 L/(m2·d)、1 114.16 L/(m2·d)和 1 063.78 L/(m2·d);最小值分别为131.30 L/(m2·d)、88.34 L/(m2·d)和86.39 L/(m2·d);平均值分别为665.13 L/(m2·d)、634.44 L/(m2·d)和638.45 L/(m2·d)。可见，三者的最大值、最小值和均值基本差别不大，从变化曲线上也能看出日液流通量值非常接近。主要由于该时期降雨比较频繁，虽然土壤水分充足，但太阳辐射较弱，蒸腾拉力和时间不够，导致液流通量明显减小;9月份优势木的日液流通量有一个反弹 (245～273 d)，而中等木和被压木的日液流通量在这段时间内持续下降，分析245～273 d数据，优势木、中等木和被压木日液流通量最大值分别为605.58 L/(m2·d)、1 251.72 L/(m2·d)和724.22 L/(m2·d);最小值分别为26.36 L/(m2·d)、136.94 L/(m2·d)和56.17 L/(m2·d);平均值分别为94.36 L/(m2·d)、848.28 L/(m2·d)和 295.89 L/(m2·d)。10月份 (274～303 d)属于生长季末期，液流通量明显减小，且呈不规则波动。优势木、中等木和被压木日液流通量最大值分别为479.75 L/(m2·d)、609.89 L/(m2·d)和574.34 L/(m2·d);最小值分别为60.53 L/(m2·d)、61.57 L/(m2·d)和80.81 L/(m2·d);平均值分别为277.09 L/(m2· d)、299.83 L/(m2· d)和346.69 L/(m2·d)，优势木和中等木这段时期的液流变化不大，极值和均值都比较接近。尤其是在生长季结束以后，树木体内仍然有水分流动，所以在10月末日液流通量并未随着生长季的结束而变为0，而且夜间和白天液流无明显差异，全天液流呈波动状态，说明受环境因子影响大。

图3 水曲柳优势木、中等木和被压木日液流通量季节变化Fig.3 The seasonal changes of daily sap flow flux of the dominant，medium and suppressed trees of manchurian ash.

进一步分析水曲柳生长季树干液流的动态特征可以发现 (见表1)，优势木、被压木6月份和9月份液流密度平均值均小于中等木，7月份、8月份和10月份液流密度月平均值非常接近;中等木液流密度平均值6月份最大，9月、7月、8月和10月份液流密度均值依次下降，10月份液流密度波动较大，大部分液流都出现在夜间或者凌晨。优势木的液流密度最大，月均值出现在7月份，8月、6月、10月和9月份依次减小;中等木液流密度最大月均值出现在7月份，6月、8月、10月和9月份依次减小。需要说明的是虽然10月份的液流密度高于9月份，但是10月份水曲柳已经生长季结束，基本上具有很少或者没有蒸腾水分的消耗，应该来自于树木体内水分的自然扰动。通过液流密度的月均值也充分体现了树干液流通量的季节变化趋势。

表1 各月份液流密度平均值/cm3·cm－2·h－1Tab.1 Average sap flow density in each month/cm3·cm－2·h－1

4 结论与讨论

水曲柳树中等木日液流通量大于被压木和优势木，中等木液流密度变化呈单峰曲线;被压木液流密度变化曲线近似梯形;优势木由于年龄较大，液流密度曲线变化平缓，没有明显的峰值，呈弧形曲线。

不同天气条件下，液流密度日变化规律大不相同，阴雨天液流密度值较小且变化曲线十分不规则，波动性较大，甚至出现多峰曲线。生长季，优势木和被压木日液流通量最大值均出现在7月初至8月末 (179～244 d)，分别为1 032.48 L/m2·d、1 063.78 L/m2·d;中等木液流通量最大值出现在6月初至6月末 (150～178 d)，为2 260.91 L/m2·d;优势木和被压木日液流通量最小值出现在9月份 (245～273 d)，分别为26.36 L/m2·d和56.17 L/m2·d;中等木日液流通量最小值出现在生长季末期 (274～303 d)，为61.57 L/m2·d。随季节推移，生长季各月份液流密度均值基本逐渐减小，进入生长季末期 (10月)基本处于微弱波动状态。水曲柳优势木、被压木6月份和9月份液流密度平均值均小于中等木，7月份、8月份和10月份液流密度月平均值非常接近;中等木液流密度平均值6月份最大，优势木和中等木的液流密度最大月均值出现在7月份。

树干液流密度特征仅是揭示水曲柳不同径级树木的水分利用动态变化趋势，只能反映单位边材面积的液流速度，研究整树蒸腾耗水量还需进一步测定样木及林分的边材面积，才能实现蒸腾耗水在个体水平至林分水平的尺度上推。

［1］董铁狮，赵雨森，党宏忠.黑龙江省东部地区水曲柳天然林水源涵养功能［J］.东北林业大学学报，2004，32(5):1－3.

［2］孙 龙，王传宽，杨国亭，等.生长季红松树干液流密度的特征［J］.东北林业大学学报，2006，34(1):12－14.

［3］朱玉胜，王 平.落叶松与水曲柳混交林的营造 ［J］.森林工程，2004，20(4):16－18.

［4］龙晓飞.科技对引种火炬松林分生长量的影响研究 ［J］.林业调查规划，2009，34(6):116－118.

［5］王晓学，吴秀芹，赵陟峰.黄土半干旱区白榆人工林密度与林下物种多样性的关系研究 ［J］.林业调查规划，2009，34(3):12－16.