冀州区栾树耗水特征研究

肖永青 刘志炜 王冰鹤 许 叶 董 阳

(1.河北省林业和草原局，石家庄 050081；2.河北农业大学，河北 保定 071001)

水分是树木生长、发育和繁殖等行为活动的重要因素之一，水分是维持树木新陈代谢以及各种活动不可或缺的因子。广义地说,林木个体耗水性指的是林木的根吸收土壤中的水然后通过叶片蒸腾耗散的能力。随着近年来水资源的紧缺，研究树木的耗水特征对选择造林树种、调整的种植结构以及对节省水资源有着重要意义。因此，树木的耗水特征受到许多学者的关注与研究。该研究采用热扩散式探针法原理测量液流以获得植物的耗水量。由于通常只加热升高1～5 ℃，因而对作物无害。热扩散式探针法原理被科学证明对绝大部分作物和许多树种有效。液流探头无须标定，可直接通过能量平衡和植物液体流动的热对流速率测量液流通量来测定活体树木的液流量[1]，进而从时间的维度上分析树木蒸腾耗水速率和耗水量。因此该文采用热扩散式探针法原理设计的热扩散探针(Granier方法)从时间的角度上对栾树的耗水特征进行研究。

1 研究区概况

研究区位于河北省冀州区北漳淮乡林场，属于典型平原区，地理位置为37°24′05″N，115°26′17″E，海拔约22 m，属温带大陆性季风气候，其特点是四季分明。春季干燥多风，夏季炎热多雨，雨、热同季，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥。多年平均气温13.4 ℃，1月平均气温-4.3 ℃，7月平均气温26.4 ℃。年平均降水量511.6 mm，年平均降水日数为68 d；降水集中在每年6-8月，7月最多。年平均风速1.8 m/s。年平均蒸发量为1 430.5 mm。全年光照时间达 2 779.7 h，光照率达67%。该地区的风向以北风、西北风为主，冬、春两季多风。人工造林样地树种主要有栾树(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、五角枫(AcermonoMaxim.)、榆叶梅(Amygdalustriloba)、海棠(Malus)、白蜡(Fraxinuschinesis)等。农田主要作物为小麦、玉米、辣椒；主要草本植物有千屈菜(LythrumsalicariaL.)、狗尾草(Setariaviridis)、猪毛菜(SalsolacollinaPall.)、刺儿菜(Cirsiumsetosum)等物种。

2 材料与方法

2.1 试验材料

该次研究对象为栾树主要树种。依托2014—2016年实施的地下水超采综合治理试点林业项目在冀州区北漳淮乡林场样地内布设长期协同固定观测样地。标准地面积为20 m×20 m。在标准地内进行样树的每木检尺，并在此基础上选取10棵生长良好、树形因子差别不大的标准样树。采用热扩散式液流测定系统TDP在树干上安装10 mm探针，TDP安装高度为40 cm。利用专用塑料泡沫固定探针尾部，防辐射铝箔进行包裹，探针与CR1000 数据采集器连接，进行连续测定，采集频率1次/min。

每木检尺调查采用如下方法(如图2-1所示)。首先在标准样地内用测绳打出小网格，并简单标定小网格的边界点(如左图中A1、B1、C1、D14点)。小网格调查路线按照S型路径进行，并按调查的先后对网格小样地编号记录。小网格具体尺寸视样地状况而定，该次调查评估每块样地面积为20 m×20 m，小网格面积为5 m×5 m。对乔木树种(包括枯立木)、胸径、树高、枝下高、冠幅、树龄、优势度、层次、起源、损伤、干形质量、树龄和病虫害状况等进行调查并记录于表。

图2-1 每木检尺调查图

2.2 耗水测定方法

该实验采用树干边材液流速率利用热扩散式边材液流探针TDP(ThermalDissipationProbe)进行测定[1]。将热扩散式边材液流探针TDP探头的2枚探针，分上下方向插入树干，下方探针为环境探针，上方探针持续加热，测量2个固定探针的温度之差，用 Grainer经验公式计算树干液流速率。

式中 Vs 为液流速率(cm/s)；dTm 为分析日24 h内上下探针的最大温差值(℃)；dT为某时刻瞬时温差值(℃)，即当时测定的温差值。

2.3 蒸腾耗水量的计算

为避免对标准样树的伤害，在样地内选取10棵与样树胸径差别较小的试验树[1]，植被耗水采用在固定样地内设立树干液流计并结合文献资料获取,基于树干液流的林木蒸腾耗水量的计算的流程如下。

K=(dTM-dT)/d

Js=0.0119×K1.231×3600

其中K为无量纲常数；dTM为液流速率较弱或为零时的最大温度值；dT为测定时的温度值；Js为液流密度(cm3·cm-2·h-1)。在一定的时间段Δt内，单株的液流总通量Qt可以表示为：

Qt=JstAsΔt

其中Qt是Δt时间内单株树干液流通量(mL)；As为被测树木的边材面积(cm2)；Jst是Δt时间段内的平均液流密度(cm3·cm-2·h-1);为测定时间。

而对于林分某一时间段内的总蒸腾耗水量，计算方法为：

其中Ta为一定时间段Δt内林分乔木的总蒸腾耗水量(mL)；n为所测样地中的乔木的总数，i为编号；Qti为Δt时间段内第i棵树的树干液流通量；Di为第i棵树的胸径(cm)，而a、b是胸径—边材面积回归模型，该模型需要针对样地单独建立。其建立方式就是在样地中选择一定数量的乔木测定其胸径计边材面积，进行回归分析得出，其形式呈指数型。

3 结果与分析

3.1 栾树在春季4-6月的耗水量特性

春季是植物开枝散叶的重要时期，该研究根据衡水市冀州区气候规律，选取4-6月作为春季调查期，着重对植被耗水进行了监测与分析。通过一系列的数据研究，如图3-2所示发现栾树在春季4-6月中栾树生长的重要时期，栾树的单日耗水量在4月份范围1.21～1.41 mm/d，平均日耗水量1.31 mm/d。5月份栾树单日耗水量范围为1.25～1.53 mm/d，平均日耗水量为1.39 mm/d。6月份栾树单日耗水量范围为1.36～1.6 mm/d，平均日耗水量为1.48 mm/d。平均日耗水量连月上升，与气温变化息息相关[2-4]。

图 3-2 栾树在春季4-6月的耗水量变化

3.2 栾树在夏季7-9月的耗水量特性

夏季是植物生长旺盛的季节，其耗水量也是最为活跃且多变的，该研究根据衡水市冀州区气候规律，选取7-9月作为夏季调查期，对栾树的耗水进行了监测与分析。通过图3-3所示可以看出7月份典型天气条件下1 d内耗水差异变化较小，8月、9月波动较大，呈现逐月波动增大的趋势。7月份栾树的日耗水量为1.11～1.46 mm/d，平均日耗水量为1.28 mm/d。8月份栾树的日耗水量在1.23～1.51 mm/d，平均日耗水量为1.37 mm/d。9月份栾树的日耗水量在1.38～1.6 mm/d，平均日耗水量为1.49 mm/d。总体上，栾树平均日耗水量波动较大，并存在减小的趋势，且每日耗水量波动趋势呈逐月减小的趋势[5-7]。

图 3-3 栾树在夏季7-9月的耗水量变化

3.3 栾树在秋季10-11月的耗水量特性

秋季是植物生长放缓并为越冬进行准备的时期，不同树种体现出了较大的差异，该研究选取10-11月作为秋季调查期，对栾树耗水进行了监测与分析。通过图3-4所示可以观察到栾树平均日耗水量在这个阶段变化幅度较小。10月份栾树的日耗水量在1.3～1.46 mm/d之间，平均日耗水量为1.38 mm/d。11月份栾树的日耗水量在1.1～1.3 mm/d，平均日耗水量为1.2 mm/d。栾树的平均日耗水量在这个阶段变化幅度较小[8-10]。10月份与11月份的波动幅度明显变小与温度、植物为越冬做准备等因素有关[11-13]。

图 3-4 栾树在秋季10-11月的耗水量变化

4 结论与讨论

该研究表明，在平原耕地条件下栾树的耗水特征，在不同的生长季节、不同时间维度下有着不同的耗水量趋势。参考以往的研究发现栾树的日平均耗水量约为1.75 mm/d，结果与该研究结果相近。通过对该实验的研究数据进行分析发现在1 d内温度高的时刻，耗水量比一般时刻要低，经过对栾树的研究与查找相关文献得知由于气温的升高植物体为避免水分的过度蒸腾进行了气孔的关闭，这是植物体进行避旱的1种措施，所以在下午的时候耗水量反而比一般时刻低，植物体在夜间进行呼吸作用消耗一定量的水，所以在夜间时耗水量趋于平缓，差值不大。当太阳生起时植物体开始进行光合作用，耗水量明显加大[14-16]。

通过分析栾树各月耗水量趋势得出：4-6月春季时期，栾树耗水量逐月升高。7-8月夏季时期，栾树耗水量较4-6月春季时期耗水量趋势波动大，且平均耗水量逐月上升。10-11月秋季时期，栾树耗水量相比春季的耗水量与夏季的耗水量相比有所下降，且11月的耗水量波动不大，耗水量变化幅度趋于平稳维持在1.2 mm/d左右，其原因通过分析得出：由于栾树进行越冬、气温低等气候条件因素所导致栾树在11月份耗水量下降[17]。