重庆铁山坪马尾松林蒸散及其组分特征1)

王轶浩 符裕红 王彦辉

(重庆师范大学，重庆， 401331)(贵州师范学院)(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所)

蒸散是森林水文循环过程的重要环节和水量平衡的主要组成部分，也是开展森林涵养水源功能评价的重要指标[1]。森林蒸散不仅与森林类型、树种组成、林分密度(盖度)、生长阶段等植被特征密切相关[2-3]，同时还受气象、土壤、地形等自然环境因素影响。为了解森林蒸散过程及其规律，往往把森林蒸散分为林冠截留蒸发、林冠蒸腾和林地蒸散(包括土壤蒸发、草灌蒸腾、草灌及枯落物等地被物截留)三个基本组分[4]。林冠蒸腾目前主要通过热扩散法实测；林地蒸散则主要采用微型蒸渗仪或大型称重式蒸渗仪实测。秦颢萍等[5]分析了冠层结构对华北落叶松林林冠蒸腾的影响；李振华等[6]研究了六盘山半干旱区华北落叶松林林地蒸散特征；王幼奇等[7]研究了黄土高原水蚀风蚀交错区苜蓿、柠条和茵陈蒿等植被的蒸散特征。

森林具有调节气候、固碳释氧、保持水土等多种生态功能，其中，涵养水源是最基本和最重要的生态功能之一[8]。马尾松(Pinusmassoniana)作为我国南方主要造林树种和先锋树种，在当地广泛分布，是三峡库区防护林体系中面积最大和最重要的森林类型[9]，对维护三峡库区“一江碧水”和我国重要的淡水资源战略储备库发挥着重要作用。因此，量化评估马尾松林涵养水源功能对于科学认识库区森林生态服务功能价值具有重要意义。以往针对马尾松林降水再分配、枯落物持水、土壤贮水等涵养水源功能指标已有不少研究[10-12]，然而由于森林下垫面及冠层结构的复杂性和试验条件的局限性，目前对马尾松林蒸散及其组分研究还十分不足，严重制约着对马尾松林涵养水源功能精准评估和科学认识。

本研究在三峡库区的重庆铁山坪林场，以林龄50～70 a的马尾松林为研究对象，采用热扩散式探针、微型蒸渗仪等进行野外长期定位观测，分析马尾松林林冠截留、林冠蒸腾、林地蒸散等蒸散组分及其动态变化和影响因素，以期为三峡库区森林水源涵养功能精准评估及其经营管理提供基础数据。

1 研究区概况

研究区位于重庆市江北区铁山坪林场的林中园小流域，属亚热带湿润气候，多年平均降水量1 100 mm，年均气温18 ℃。该地属四川盆东平行岭谷地貌，海拔242～584 m，坡度5°～30°。土壤以砂岩上发育的山地黄壤为主，土壤质地为粉砂壤土和粉砂粘壤土，土壤厚度50～80 cm。铁山坪林场有森林面积1 200 hm2，森林覆盖率90%以上，森林类型主要是上世纪五六十年代天然林被破坏后自然更新形成的马尾松次生林。林分的分层明显，优势层以马尾松为主，伴有少量香樟(Cinnamomumcamphora)、楠木(Phoebezhennan)；下层主要有木荷(Schimasuperba)、茜树(Aidiacochinchinensis)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)、杉木(Cuninhamalanceolata)、毛桐(Mallotusbarbatus)、白栎(Quercusfabric)等；草本层以铁芒萁(Dicranopterislinearis)为主。

2 研究方法

2.1 样地设置

在铁山坪林场林中园小流域，选择林龄62 a具有代表性的马尾松林分，分别设置面积规格为30 m×30 m的典型样地4个，并对各典型样地的基本情况进行调查(见表1)。

表1 马尾松林典型样地基本概况

2.2 林冠截留量测算

马尾松林林冠截留量(I)通过公式I=P-T-S计算得到，其中，P为林外次降雨量(利用林外空旷处设置的自动气象站(Weather Hawk 232)获取)；T为林内穿透雨量(通过在马尾松林各典型样地内随机布设的16个雨量桶(内径20 cm)测定)；S为马尾松林的干流量(在各典型样地内，根据马尾松径级大小分布选定的14棵马尾松，并结合样地每木检尺数据测定[8])。

2.3 林冠蒸腾量测算

马尾松林林冠蒸腾量采用热扩散法测定，首先在2号马尾松林样地选择具有代表性的3株马尾松优势木(见表2)，通过在各优势木胸径位置处安装SF-L树干液流探针，获取马尾松单株树干液流密度，具体测定原理及计算方法见文献[13]。然后在2号马尾松林样地外选择11株不同径级马尾松，在其胸径位置处利用生长锥钻取树芯，测定边材宽度，拟合边材面积与胸径的函数关系，并结合样地每木胸径数据，获得样地内每木边材面积。最后以边材面积为空间纯量，计算马尾松单株蒸腾量[14]，进而推算样地的林冠蒸腾量。

表2 测定树干液流的马尾松单株特征

2.4 林地蒸散量测算

马尾松林林地蒸散量采用微型蒸渗仪测定，具体为在马尾松林各典型样地内选择代表性地点，分别布设4个微型蒸渗仪(内径20 cm、深度40 cm，桶底带筛孔，下方放置收集渗漏水的容器)及其附近放置1个雨量桶(用于测定穿透雨量)。微型蒸渗仪筒内分别装有无任何覆盖、枯落物覆盖、草本植物(铁芒萁)覆盖、枯落物和草本植物(铁芒萁)覆盖的原状土柱，每周称量2～3次，并同步观测穿透雨量和渗漏水量，然后根据原状土柱称量前后两次的质量差以及穿透雨量、渗透水量，计算不同覆盖条件下的林地蒸散量，再根据马尾松林样地的地表覆盖情况推算样地的林地蒸散量。

2.5 数据处理

采用Excel2019软件对数据进行处理与绘图，利用SPSS23.0软件进行马尾松边材面积与胸径的回归方程拟合，对不同覆盖条件下马尾松林林地月蒸散量采用多变量方差分析，月均气象因子采用皮尔森相关分析和多元回归分析。

3 结果与分析

3.1 马尾松林林冠截留量变化

由表3可知，马尾松林林冠的月截留量变化在1.98～25.98 mm，平均值为12.94 mm，标准差为7.25 mm，变异系数为0.56，说明马尾松林林冠的月截流量变异程度较大。总体看，2010年马尾松林林冠月截留量变化呈“单峰”模式，即先增加，直到7月份达最大值(19.99 mm)，之后总体呈下降趋势；2011年马尾松林林冠的月截留量变化则呈明显的“双峰”模式，表现为从1月份开始逐渐增加，直到6月份达第一峰值(17.72 mm)，7—9月份处于低谷状态，10月份骤然增大，达到第二峰值(28.59 mm)，之后又呈下降趋势。研究期间马尾松林林冠截留量的月际变化规律与降雨量高度吻合，说明马尾松林林冠截留量受到降雨量明显影响。

马尾松林林冠的月截留率呈不规则的波动变化，月截留率变化在7.52%～27.78%，平均值为14.72%，标准差为5.06%，变异系数为0.34，可见马尾松林林冠的月截留率变异程度相对较小。

表3 2010—2011年马尾松林林冠截留量动态

3.2 马尾松林林冠蒸腾量变化

3.2.1 马尾松单株蒸腾耗水

由图1可知，马尾松树干边材面积(y)与胸径(x)呈显著的幂函数关系，随胸径增大而增大，拟合方程为y=0.665 5x1.939 1(R2=0.948 7，P<0.01，n=11)。由此可知被测树干液流的1、2、3号马尾松样树的边材面积分别为362.88、459.58、471.59 cm2。进一步计算得到各株样树的日蒸腾量，根据2号马尾松样树的日蒸腾量动态(图2)，可知研究期间2号马尾松样树的日蒸腾量变化在0.60～86.78 kg，平均值为23.02 kg，变异系数为0.83。

图1 马尾松边材面积与胸径的关系

由图2可知，马尾松日蒸腾量年内变化呈“单峰”模式，即从2月中旬开始波动上升，一般在7—8月份日蒸腾量达到峰值(2010年7—8月份蒸腾量为3.0 t，占5—12月份蒸腾量(6.58 t)45.59%；2011年7—8月份马尾松蒸腾量为3.64 t，占5—12月份蒸腾量(7.54 t)48.28%，占年蒸腾量(9.75 t)37.33%)，且维持在一个较高水平(2010年7—8月份马尾松日蒸腾量平均值为49.19 kg，最大值达77.61 kg，且超过50 kg的天数达36 d，占总天数58.06%；2011年7—8月份马尾松日蒸腾量平均值为58.42 kg，最大值达86.55 kg，且超过50 kg的天数达45 d，占总天数72.58%)，之后呈波动下降趋势，直到11月中旬左右达到年内低谷，且维持在低水平，一直到次年2月份(2010年11月—2011年2月份马尾松日蒸腾量平均值为13.10 kg；2011年11—12月份平均值仅5.10 kg)。

马尾松日蒸腾量的年内变化规律存在一定的年际差异，表现为2010年马尾松日蒸腾量年内变化的波峰出现时间较晚(7月初)，波峰较窄(7—8月份)，之后下降较平缓，且低谷比2011年保持在一个较高水平；2011年马尾松日蒸腾量年内变化的波峰则出现时间较早(6月初)，波峰较宽(6—8月份)，之后下降趋势较快。

3.2.2 马尾松林林冠蒸腾量

由表4可知，马尾松林林冠月蒸腾量的年内变化规律总体为先增加后减小，呈“单峰”模式，在7—8月份达到高峰，与马尾松日蒸腾量的年内变化规律基本一致。马尾松林林冠的月蒸腾量变化范围为11.64～62.42 mm，平均为33.58 mm。2010年5—12月马尾松林林冠蒸腾量为253.49 mm，其中7、8月份林冠蒸腾量分别51.61、55.86 mm，占5—12月份林冠蒸腾总量42.39%；2011年马尾松林冠蒸腾量为418.16 mm，其中7、8月份林冠蒸腾量分别为59.20、62.42 mm，占林冠年蒸腾量29.08%。

图2 马尾松(A2)单株日蒸腾量动态

马尾松林林冠的各月蒸腾量组分均以马尾松蒸腾量占绝对优势，2010年5—12月、2011年马尾松蒸腾量分别为221.85、364.66 mm，分别占林冠总蒸腾量的87.52%、87.21%。香樟、木荷等其他树种的林冠蒸腾量较少，林冠的月蒸腾量变化范围为1.45～8.14 mm，平均值为4.46 mm；2010年5—12月、2011年其他树种的林冠蒸腾量为31.62、53.49 mm，分别占林冠总蒸腾量的12.48%、12.79%。

表4 2010—2011年马尾松林林冠的月蒸腾量变化

3.3 马尾松林林地蒸散量变化

3.3.1 不同覆盖条件下马尾松林林地蒸散量

由表5可知，无覆盖林地的月蒸散量为2.98～37.23 mm，平均月蒸散量为9.61 mm；枯落物覆盖林地的月蒸散量为2.98～37.23 mm，平均月蒸散量为9.26 mm；草本植物覆盖林地的月蒸散量为4.32～57.01 mm，平均月蒸散量为14.77 mm；枯落物+草本植物覆盖林地的月蒸散量为3.89～47.64 mm，平均月蒸散量为12.98 mm。不同覆盖条件下马尾松林林地的月蒸散量年内变化规律基本一致，均呈“单峰”模式，表现为先增加后降低，在7—8月份达到最高峰，这与马尾松林林冠蒸腾量年内变化规律相同。

表5 不同覆盖条件下马尾松林林地月蒸散量动态

不同覆盖条件下马尾松林林地蒸散量由大到小的顺序为草本植物覆盖、枯落物+草本植物覆盖、无覆盖、枯落物覆盖。多变量方差分析表明，相比无覆盖林地，草本植物覆盖和枯落物+草本植物覆盖增加林地蒸散量的作用明显(P<0.01)，但枯落物覆盖对林地蒸散量的抑制作用并不显著(P>0.05)。

3.3.2 马尾松林林地蒸散量与气象因子的关系

由表6可知，不同覆盖条件下马尾松林林地月蒸散量均受到器皿蒸发量、太阳辐射总量、气温、空气湿度和最大风速的显著影响，其中，除无覆盖林地与最大风速呈显著正相关(P<0.05)外，各覆盖条件下林地月蒸散量与器皿蒸发量、太阳辐射总量、气温和最大风速均呈极显著正相关(P<0.01)，说明林地蒸散量随器皿蒸发量、太阳辐射总量、气温和最大风速增大而增加，但与空气湿度均呈极显著负相关(P<0.01)，相关系数分别为-0.783、-0.715、-0.814和-0.796，说明林地蒸散量随空气湿度增大而减少。

由表7可知，进一步对不同覆盖条件下马尾松林林地月土壤蒸散量与器皿蒸发量、太阳辐射总量、气温、空气湿度、最大风速等月均气象因子进行逐步回归分析，表明除草本植物覆盖下林地月蒸散量(Y)与月太阳辐射总量(X2)呈极显著的线性函数关系外(P<0.01)，其他覆盖条件下的林地月蒸散量均与器皿月蒸发量(X1)呈极显著的线性函数关系(P<0.01)。

表6 不同覆盖条件下马尾松林林地月蒸散量与月均气象因子相关性(n=20)

表7 不同覆盖条件下马尾松林林地月蒸散量与月均气象因子的拟合方程

3.4 马尾松林总蒸散量及其组分比例

由表8可知，马尾松林月蒸散量的年内变化规律呈“单峰”模式，表现为先增加后降低，同样在7—8月份达到峰值，而在1、12月份为最低值。马尾松林的月蒸散量为18.69～109.90 mm，平均为64.21 mm，总蒸散量为1 284.26 mm，占同期降水量的70.06%，其中，2010年5—12月份蒸散量为502.61 mm；2011年蒸散量为781.66 mm。马尾松林各蒸散组分中，林冠蒸腾量最多(671.65 mm)，占总蒸散量52.30%，月蒸散量所占比例变化为35.57%～83.19%；其次为林地蒸散量为353.80 mm，占总蒸散量27.55%，林地月蒸散量为2.99～38.61 mm，平均为17.69 mm，林地月蒸散量所占比例变化为10.09%～42.38%；以林冠截留量最少，为258.81 mm，占总蒸散量20.15%，其林冠月截留量所占比例变化为5.53%～51.58%。

表8 2010—2011年马尾松林总蒸散量及其组分比例

4 讨论

林冠截留量是森林蒸散三个基本组分之一[15]，通常根据冠层水量平衡获得，所占森林蒸散的比例一般最小，并受到林分密度、冠层结构特征及降水条件等因素共同影响[8，12]。本研究马尾松林林冠截留量为258.81 mm(其中2011年林冠截留量为146 mm)，所占马尾松林总蒸散量的比例为20.15%，这与李振华等[6]研究的结果一致，但均低于江西千烟洲20年生马尾松人工林林冠年均截留量(165 mm)及其占总蒸散量的比例(23%)[16]。我国森林的林冠截留率一般为11.4%～36.5%，且针叶林的林冠截留率高于阔叶林[17]，本研究马尾松林林冠的月截留率变化为7.52%～27.78%，低于我国森林林冠截留率的变化范围；平均月截留率仅为14.72%，远低于我国森林林冠平均截留率(21.6%)[17]，主要与本研究区马尾松林密度较小且受酸沉降危害影响明显，冠层落叶率较高、叶面积指数小、冠层稀疏有关。

林冠蒸腾一般占森林蒸散的40%～70%[18-19]。本研究表明，研究期间马尾松林林冠蒸腾量占总蒸散量的52.30%，也是马尾松林蒸散的最大组分，高于李振华等[6]在六盘山半干旱区华北落叶松林林冠蒸腾的研究结果，但明显低于江西千烟洲20年生马尾松人工林林冠蒸腾量占总蒸散量65%的水平[16]。主要是因为在干旱缺水区土壤水分和大气降水条件限制了林冠蒸腾，而中亚热带水热条件好，更利于林冠蒸腾。同时，马尾松林林冠年蒸腾量(2011年为418.16 mm)也低于江西千烟洲20年生马尾松人工林(479 mm)[16]，主要原因是林分的优势度、树高、胸径、冠长等林分特征均显著影响着液流速率[20]，树干液流密度还受树冠重叠度影响[14]，并随林冠层叶面积增大而线性增大[5]。本研究马尾松林林分密度小、冠层稀疏且叶面积指数小。除此之外，气温、空气湿度、光合有效辐射、水汽压亏缺等气象环境因子均显著影响着马尾松树干液流密度[21]。

林地蒸散作为森林蒸散的重要组成部分，对于掌握林地水分消长动态和水量平衡具有重要意义。本研究马尾松林林地蒸散量为353.80 mm(其中2011年为217.50 mm)，占总蒸散量的27.55%，低于六盘山华北落叶松林地蒸散量所占总蒸散量的比例[6]，主要是因为华北落叶松林下分布着较多草本植物，盖度高达75%，而本研究马尾松林下草本植物盖度仅为48.62%。相比无覆盖林地，草本植物覆盖均能显著增加林地蒸散量(P<0.01)。本研究枯落物覆盖虽然能减少马尾松林林地蒸散量，但其抑制作用并不显著(P>0.05)，这与朱金兆等[22]研究的结果不同，原因是因为马尾松林内微气候条件致使林下枯落物和土壤的蒸发速率基本相同。本研究无覆盖林地2011年蒸发量为192.87 mm，是江西千烟洲20年生马尾松人工林(87 mm)的2.2倍[16]，这与林内微气象条件有关。本研究表明不同覆盖条件下，马尾松林林地蒸散量均与器皿蒸发量、太阳辐射总量、气温、最大风速呈显著或极显著正相关(P<0.01)，与空气湿度呈极显著负相关(P<0.01)。

马尾松林总蒸散量为1 284.26 mm，其中2011年蒸散量为781.66 mm，与热带雨林(795.68 mm)及橡胶林(774.54 mm)相近、略高于亚热带常绿阔叶林(767.69 mm)和马尾松人工林(731 mm)，明显高于热带稀树灌草丛(435.35 mm)和亚热带亚高山针叶林(438.83 mm)[23]，这是由林分特征和气象条件共同决定，同时，也与研究方法有关，采用不同方法估算的森林蒸散存在一定差异，长期观测结果相对更可信[23]。由此可见，根据长期定位实测数据量化的马尾松林蒸散量及其组分较为精确，由于本研究未考虑林下灌木蒸腾量使马尾松林总蒸散量被低估，因此，今后还需进一步开展马尾松林下灌木蒸腾量研究，以更加精准评估马尾松林总蒸散量。本研究马尾松林蒸散量占同期降水量的70.06%，与颜廷武等[24]研究结果相似，略高于魏焕奇等[16]研究结果，但明显低于长白山阔叶红松林[24]。可见，森林蒸散仍是马尾松林最主要的水量支出项。

马尾松林总蒸散量及其各组分均呈明显的年内变化规律，其中除林冠截留量年内变化规律的年际差异较大外，其他蒸散组分及总蒸散量各年的年内变化规律均呈规则的“单峰”模式，这与云南省热带雨林、橡胶林及亚热带常绿阔叶林等森林类型[23]，辽东山区天然次生林[24]，我国东部典型森林类型[25]的总蒸散量及其各组分均呈明显的年内变化规律相似，基本在1、12月份为最低值，7—8月份达到峰值。这是因为林冠截留量主要受降水条件和研究地点的月降水量年内变化规律的影响较大[6，26]；其他蒸散组分及总蒸散量主要受气温、太阳辐射强度等气象因子影响。

5 结论

马尾松林冠截留量年内变化规律呈“单峰”或“双峰”模式，且年际差异较大，受降水量影响明显；马尾松林冠蒸腾量、林地蒸散量和总蒸散量年内变化规律均呈“单峰”模式；草本植物覆盖能显著增加林地蒸散量，枯落物覆盖虽能抑制林地蒸散量，但其作用不明显；不同覆盖条件下马尾松林地蒸散量均与器皿蒸发量、太阳辐射总量、气温、最大风速呈显著或极显著正相关，与空气湿度呈极显著负相关。蒸散是马尾松林最主要的水量支出项，各蒸散组分中以林冠蒸腾量最多，其次为林地蒸散量，林冠截留量最少。