利用TDP茎流计研究沙地樟子松的树干液流

利用TDP茎流计研究沙地樟子松的树干液流 利用TDP茎流计研究沙地樟子松的树干液 流 第13卷第4期 2006年8月 水土保持研究 ResearchofSoilandWaterConservation Vol_13No.4 Aug.,2006 利用TDP茎流计研究沙地樟子松的树干液流 张友焱.,周泽福.,党宏忠,李卫. (1.北京林业大学,北京100083;2.中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局森林培育重点实验室,北京100091) 摘要:用TDP茎流计连续测定了沙地樟子松南北两方向的树干液流,并用传感器同步记录环境因子变化,探讨 环境因子对树干液流的影响.沙地樟子松树干液流日变化呈双峰有规律变化,南面树干液流速度和变化幅度大于 北面树干液流速度和变化幅度f树干液流启动比环境因子晚1小时左右,然后迅速上升,在9:30达到第一个峰值, 在17:2o左右迅速下降,南面树干液流速度峰值出现在9:30左右,北面峰值出现在l3:2O左右;通过相关系数分 析,树干液流与空气温度,空气相对湿度,太阳辐射和土壤水分相关明显,南北两方向的树干液流受环境因子的影 响程度不一样,在南面,太阳辐射>空气温度>空气湿度,而在北面空气温度>太阳辐射>空气湿度}日树干液流 量集中在9t30到l7:20,占全天树干液流量的7O多,北面树干液流量是南面树干液流量的0.5,O.6. 关键词:沙地樟子松;TDP茎流计;树干液流速度f树干液流量 中田分类号:$718.5文献标识码:A文章编号:1005—3409(2006)04—0078—03 AStudyontheSapFlowofPinusSylvestrisvar. mongolicawithThermalDissipationProbe ZHANGYou—yah,ZHOUZe—fu.,DANGHong—zhong..LIWei. (1.BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China' 2.ResearchInstituteofForestry.CAF;KeyLaboratoryofForestSilviculture oftheStateForestryAdministration,Beijing100091,China) Abstract{Byusingthermaldissipationprobe,sapflowofPinussylvestrisvar.mongolicawasmeasuredonsouthandnorthside ofthetree.Atthesametime,thecircumstancefactorswererecordedbyradiation,temperatureandhumiditysensor,andrela— tionshipbetweenthesapflowvelocity(SFV)andthecircumstancefactorswerediscussed.TheSFVfluctuatedwithseveraleli— maxinoneday,andtheSFVonthesouthsideofthetreewasbiggerthanthatonthenorthside,anditsrangewaswide.One hourafterthechangeofthecircumstancefactor,theSFVincreasedquicklyandreachedfirstclimaxat9:30,anddecreased quicklyat17:20.TheSFVincreasedquicklybetweentheSFVbeginningtoincreaseandthefirstclimax,anddecreasedquickly betweenlastclimaxandSFVbeingsmall,andmaintainedahighervelocitybetween9:30and17:2O.TheclimaxofSFVonthe southsideoccurredat9:30,anditoccurredat13:20onthenorthside.CorrelationexistedamongtheSFV,airtemperature, airhumidity.solarradiationandsoilwater.butinfluenceofthesefactorswasdifferenttotheSFVonthesouthandnorthside. Onthesouthsideoftree,solarradiationwasthemostimportantfactorandthenairtemperature,airhumidity,onthenorthof it,airtemperaturewasthemostimportantfactorandthensolarradiation,airhumidity.Thesapfluxdensitybetween9:30and 17:20wasthemajorinoneday,anditwasmorethan70percent.Thesapfluxdensityonthenorth sideofthetreewas0.5一 O.6ofthatonthesouthside. Keywords:Pinussylvestrisvar.mongolica'ThermalDissipationProbe;Sapflowvelocity;S apfluxdensity 植物蒸腾是土壤一植物一大气连续体水热传输过程中 一 个极为重要的环节,如何精确测定植物的蒸腾耗水成为 SPAC系统研究的难点和重点.国内许多学者采用快速称 重法,叶室测定法,大型蒸散仪和热脉冲技术对植物蒸腾耗 水进行了大量的研究l1],但由于这些方法不能连续测定或 者对糕株植物测定精度不高,不能精确确定植株一段时间的 蒸腾耗水.TDP(ThermalDissipationProbe)茎流计采用热 扩散原理,克服了以上方法的缺点,能连续精确测定整株植 物的液流量,进而计算其蒸腾耗水,为树木燕腾耗水的研究 提供了有效的方法,近几年被一些学者应用].沙地樟子 松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是一种良好的沙地造林 树种.以往对沙地樟子松的研究主要集中在培育和更新[8], 对其蒸腾耗水的研究少见,而对沙地樟子松需水规律的了解 和准确测定其耗水量是环境水分定量研究的需要.本文用 TDP茎流计测定沙地樟子松的树干南北两方向的液流,探 讨沙地樟子松树干液流规律,以及树干液流和几个环境因子 的关系,为沙区植被建设提供依据. 1试验区概况 试验地位于内蒙古乌审旗,地处北纬38.57,东经109. 17,海拔高度为l2001350m.该区属于温带大陆性半 干旱气候,年平均温度6.4"C,多年平均降水量347.5mm, *收稿日期;00603—29 基金项目:国家重大农业节水专项(2002AA2Z4271)部分研究内容 作者简介:张友焱(1975一),男,助理研究贞,北京林业大学博士生.主要从事林业生 态工程方面的研究. 第4期张友焱等;利用TDP茎流计研究沙地樟子松的树干液流?79? 年际变化较大,丰水年可达634mm,枯水年仅为132.9mm, 其中7O降水集中于7月至9月;年蒸发量z300mmI极端 最高气温36.5?,极端最低气温一30.1?,?10?的有效积 温2804.3,3052.9?.年日照时数2886h左右.无霜期 1zO,135d;土壤类型以沙土为主.林下植被主要以油蒿 (Artemisiaordosica),柠条(Caraganakorshinskii)和少量沙 柳(Salixpsammophyla)为主. 2研究材料和方法 2.1试验材料 试验用的沙地樟子松是1983年营造的沙地樟子松纯 林,株行距为2mX6rfl,郁闭度约5O.通过测量樟子松林 树木的胸径,选取一株标准木作为测量对象,所选沙地樟子 松树树高为6.5m,胸径13.5cm,树冠3.0rfl. Z.2树干液流及环境因子测定 在树南北两方向各安装一个TDPS0茎流计探针(Dy— namax,U.S.A),自动连续测最记录两探针间的温度差,同 时用Li2OOX太阳辐射传感器(COMPBELL,U.S.A)测定树 冠上太阳辐射,用HMP45C空气温湿度传感器(COMP— BELL,U.S.A)测定空气温度和湿度,用生长锥确定测定位 置的边材面积,传感器和探针连接到同一数据采集器.观测 从2004年7月底持续不断的测量,数据采集为5min采集 一 次数据,lOmin内对两个数据进行平均并存储.茎流计探 针的使用方法按照Dynamax说明书进行安装. 2.3数据处理及计算 数据处理采用EXCEL软件完成,树干液流的计算采用 Granier~"得出的计算公式 3结果与分析 3.1树干液流日变化规律 沙地樟子松树干液流速度白天呈双峰有规律变化(图 1),图中采用了9月6日到9月10日共5d的数据,其中9 月6日为多云天气,其它日为晴天.除树干北面液流速度有 一 变化陡的峰值,树干液流的变化曲线大致里"几"字型变 化,从树干液流上升到第1个峰值和从最后一个峰值到树干 液流较小这两段时间,树干液流急剧上升和下降,变动速率 大;两段时间中间维持一个较大的流速,但变化相对较缓. 晚上,树干液流没有完全停止,仍然存在很小的液流速度,在 第2天日出前达到最低. 由沙地樟子松连续5日的树干液流变化曲线可知,树干 液流速度变化南北方向趋势基本吻合,但不尽相同.南面液 流速度和变化幅度大于北面液流速度和变化幅度,与R. Oren的研究有相同趋势Dz].北边树干液流7:zO左右开始 上升,在13:2O左右达到最大值,然后在l7:20左右迅速下 降;白天其树干液流出现z个峰值,第1个峰值出现在9:30 左右,第2个峰值出现在17:20左右.南边树干液流启动和 北面基本同步,但其最大值一般在9:30左右,在13:3O左右 出现第2个峰值,然后缓慢下降,在17:2O左右迅速下降;南 面树干液流达到最大后迅速下降,然后在一定值平稳变化, 其最大值在这5d内逐渐增大. 由于南北液流速度不一样,沙地樟子松南北边树干液流 量不一样,南面液流量大于北面,经观测期内南北树干液流量 计算,北面树干液流量是南面的0.5,O.6.沙地樟子松树干 液流量集中9:30和17:2O之间,通过全天分时段计算,这段 时间的树干液流量占全天的7O%多(见1),集中了全天大 部分的树干液流量.从5d樟子松的液流量来看(表1),标准 木樟子松的日液流量在6L左右,9月为樟子松的生长末期, 从而可以知道,在生长末期,樟子松日耗水量在6L左右 l上 - 目 \ {鸷l 嘲 耀 j壹苎 40 O 9月6日9月7日97J8日9月9日9月10日 时间 . 图1樟子松树干南北液流连日变化 表1高峰时段树干液流量 3.Z树干液流速度和环境因子关系 3.Z.1树干液流速度与空气温度 随着空气温度的升高,树干液流逐渐变大,呈现正相关(图 Z),经Excel对空气温度和树干液流速度5天数据进行相关系数 分析,两者间相关系数北面为0.863,南面为0.834,相关明显. 相对于空气温度,树干液流启动有一相对延迟,在空气温启动1 h左右后开始启动.树干液流的最大峰值出现在空气温度最大 之前.在温度升高的前段时间,树干液流随温度的升高而升高, 而再随着温度的升高,树干液流呈波动变化. 3.Z.Z树干液流与空气湿度 空气湿度与树干液流速度呈负相关(图3),相关系数北 面为一O.847,南面为一0.827,其变化趋势与空气温度与树 干液流速度的变化趋势相似,只是随湿度的减小,树干液流 逐渐上升.空气湿度在日出前达到最大,然后下降.从下降 到9:30这段时间,其变动较大,从5d的数据,空气湿度变 动在35.8%到63.5%之间. 3.2.3树干液流速度与太阳辐射 树干液流速度与太阳辐射呈现正相关(图4),相关系数 为北面为0.859,南面为0.877.在太阳辐射上升1h后,随 着太阳辐射的增加,树干液流速度逐渐增大,北面液流速度 最大值和南面液流速度的第2峰值出现在太阳辐射最大值 40min左右. 3.2.4树干液流速度和土壤水分 土壤水分是植物蒸腾的水源,和植物蒸腾耗水关系密 切.通过对沙地樟子松连日的日树干液流量的分析(图5), 土壤水分对沙地樟子松的日树干液流量影响较大.在9月 5日到9月17日这段时间里,9月6日为多云天气,9月5 日,17日为降雨日,9月5日降雨3.4mm,其他日为晴朗天 气,从9月7日开始日树干液流量逐渐减小,而这段时间其 他环境因子变化不大,起主要作用的是土壤水分.随着时间 的推移,由于地面蒸发和植物耗水,土壤水分逐渐减小,限制 了沙地樟子松从土壤中获取的水量,从而减少了沙地樟子松 的树干液流量. 3.3树干液流变化分析 树木的液流量99.8以上是用于蒸腾耗水[1,可以用 液流量直接反映树木的耗水能力.沙地樟子松树干液流变 化与环境因子关系密切,随着太阳辐射和温度的上升,沙地 樟子松叶气孔逐渐开放,所以相对太阳辐射和空气温度,沙 地樟子松树干液流有一相对延迟,而后随着空气温度和太阳 辐射的逐渐升高,树干液流迅速上升.晚上,太阳辐射为零, 沙地樟子松气孔关闭,树的蒸腾停止,但在这段时间依然存 ?8O?水土保持研究第13卷 在较小的树干液流,一般认为是由于白天的蒸腾耗水较多, 树体出现水分亏缺.晚上通过根吸水补充,从而出现树干液 流[1.经过晚上水分的补充,树体内水分较充足,此时叶水 势高,随着空气温度上升和空气湿度的下降,空气水势迅速 下降,叶水势和空气水势差值变大.使得蒸腾速率迅速上升, 所以,从树干液流上升到第一个峰值,树干叶流迅速上升;而 在最后一个峰值后,情况相反,叶水势下降,空气水势上升, 使得树干液流迅速下降. 树干液流和环境因子的相关分析表明,环境因子对树干 ? 目 \ 磺 爆 蛾 40 35 5 0 时间 图2液流速度与空气温度变化 0 ' 目 U ? 0 \ 瞬 鹾 时间 图4液流速度与太阳辐射变化 4机步结论 (1)沙地樟子松树干液流日变化呈多峰型,北面树干液 流最大峰值出现在l3:2O左右,南面树干液流最大值出现在 9}30左右. (2)沙地樟子松日树干液流量集中在9:30到17:2O,占 全天树干液流量的7O多,这段时间树干液流速率大且持 参考文献: 液流的影响南北两方向不一样.北面为空气温度>太阳辐射 >空气湿度,而南边为太阳辐射>空气温度>空气湿度.在 树南面,早上太阳直射.北面树冠受太阳辐射的影响小于南 面,所以太阳辐射对南北树干液流的影响程度不一样.南面 受太阳光线的影响,出现了小气候的不一样,南面空气温度高 于北面,使的树干液流急速上升,这也是南面树干液流出现在 9:30,而北面液流出现在13:2O左右的原因.在太阳辐射最 高值后40min左右,此时并不是空气温度的最高点和空气湿 度的最低点,说明太阳辐射对液流的峰值存在较大的影响 l正 ? 目 \ 硝 斌 攥 40 35 璃 攥 5 0 时间 图3液流速度与空气湿度变化 2O 00 \ 9唪I 制 时间 图5连日树干液流量变化图 续时间长.但波动较小. (3)土壤水分对树干液流影响大,在适宜的空气温,湿度 下,随着土壤水分的降低.日树干液流量逐渐下降. (4)树干液流与空气温度,空气湿度,太阳辐射相关明 显,对北面树干液流的影响依次为空气温度,太阳辐射和空 气湿度.对南面树干液流的影响依次为太阳辐射,空气温度 和空气湿度. 杨士弘.城市绿化树木的降温增湿效应研究EJ].地理研究,1994,13(4):74—8O. 刘增文,余清珠,等.黄土高原残塬沟壑区坡地刺槐不同皆伐更新幼林地土壤水分动态[J].生态,1997,17(3):234--238. 陈建耀,刘昌明,吴凯.利用大型蒸渗仪模拟土壤一植物一大气连续体水分蒸散EJ3. 应用生态,1999,10(1):45—48. 李海涛,陈灵芝.应用热脉冲技术对棘皮桦和五角枫树干液流的研究EJ-].北京林业大学,1998,20(1):1—6+ 熊伟,王彦辉,徐德应.宁南山区华北落叶松人工林蒸腾耗水规律及其对环境因子的响应[J].林业科学,2003,39(2):1,7. 马履,,王华田.油松边材液流时空变化及其影响因子研究EJ-].北京林业大 学,2002,24(3):23—27. 孙慧珍,孙龙,王传宽,等.东北东部山区主要树种树干液流研究[J].林业科 学,2005,41(3):36—42. 曾德慧,姜风岐,范志平,等.沙地樟子松人工林自然稀疏规律[J].生 态,2000,20(2):235—242. 韩广,张桂芳,杨文斌.影响沙地樟子松天然更新的主要生态气候因子的定量分析 LJ].林业科学,1999,35(5):22—27. 王沙生,高荣孚,吴贯明.植物生理学[M].北京:中国林业出版社,1991.192. GranierA.EvaluationoftranspirationinaDouglas-firstandbymeansofsapflowmeasurement[J].TreePhysiology, 1987.3:309—320. [i23ROren,NPhillips,BEEwers,eta1.Sap-flux-sealedtranspirationresponsestolight,vaporpressuredeficit,andleaf areareductioninafloodedTaxodiumdistichumforest[J].TreePhysiology,1999,19:337--347. 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