华北石质山区乔、灌木耗水特征比较.doc

华北石质山区乔、灌木耗水特征比较资金项目：河北省林业科研指导计划项目（课题编号：1126419）作者简介：史文兵，女（1982-），满族，林业助理工程师，主要从事森林经营与管理。责任作者：马长明，男（1980-），主要研究方向为森林培育。史文兵1，刘春鹏2，马长明3，司国玉1，孙双印1（1 河北省塞罕坝机械林场，河北 围场 068450；2河北省林业科学研究院，河北 石家庄050061；3 河北农业大学林学院，河北 保定 071000；）摘要：本研究采用热扩散式液流探针（TDP）法对华北石质山区黄连木(Pistacia chinensis)、刺槐(Robinia pseudoacac)酸枣(Zizyphus jujuba)、荆条(Vitex negundo var. heterophylla)的树干液流进行了监测。结果表明：（1）四树种的树干液流均呈现“几”字形，其中黄连木呈单峰型，刺槐呈宽峰型，酸枣荆条呈波动状；液流启动黄连木的最早，酸枣和荆条的居中，刺槐最晚；液流停滞黄连木和刺槐晚于酸枣和荆条；液流速度大小为：黄连木酸枣荆条刺槐，日均耗水量为：黄连木刺槐酸枣荆条。（2）四树种树干液流变化阴天时要比晴天时平缓, 液流启动晴天早于阴天，而停滞则晴天晚于阴天。（3）不同树干直径的各树种树干液流变化波形基本一致；黄连木树干液流直径大的启动晚,而停滞早，而刺槐则相反；酸枣和荆条不同直径的液流启动与停滞时间几乎一致；除刺槐外，各树种树干液流速度均表现为直径大的小于直径小的，而刺槐则相反；各树种日均耗水量均表现树干直径大的耗水量大。关键词：树干液流；热扩散式探针法（TDP）；耗水量The Comparison of Shrubs and Arbors Water-Consumption Characteristics in the Rocky Mountainous Area of North ChinaShi Wen-bing1,Liu Chun-peng2,Ma Chang-ming3,Si Guo-yu1,Sun shuang -Yin1(1 Saihanba Mechanical Forest Farm, Weichang 068450 Hebei, China；2 Forest Academy of Sciences of Hebei, Shijiazhuang 050061 Hebei, China；3 College of Forestry, Agriculture University of Hebei,Baoding 071000 Hebei, China；)Abstract: In this research, to sdudy water-consumption Characteristics of native trees arbor Pistacia chinensis, Robinia pseudoacacia and shrub Zizyphus jujuba, Vitex negundovar.heterophylla, stem sap flow was continuously detected with the thermal dissipation probe (TDP) in the rocky mountainous area of north China. The result was: (1) the variation of stem sap flow velocity of four trees can be all described as “n” shaped curve; the diurnal variations of sap flow veloeity showed as a single-peaked curve for Pistacia chinensis, broad-peaked curve for Robinia pseudoacacia and many-peaked curve for Zizyphus jujube and Vitex negundo var. heterophylla; the sap flow of Pistacia chinensis started earlist, Zizyphus jujube and Vitex negundo var. heterophylla were the next, Robinia pseudoacacia was the last; the sap flow of Pistacia chinensis and Robinia pseudoacacia stopped later than Zizyphus jujube and Vitex negundo var. heterophylla;the order of the sap flow velocity was: Pistacia chinensis Zizyphus jujuba Vitex negundovar.heterophylla Robinia pseudoacacia, and the order of the average of daily water consumption was: Pistacia chinensis Robinia pseudoacacia Zizyphus jujuba Vitex negundovar.heterophylla. (2) The variation extent of stem sap flow of four trees was smaller incloudy days than in sunny days; the sap flow started earlier and stopped later in sunny days than in sunny days. (3) For four trees with different diameter, the variation extent of stem sap flow was similar; the sap flow of Pistacia chinensis started later and stopped earlier with larger diameter than with smaller diameter; the sap flow of Robinia pseudoacacia started earlier and stopped later with larger diameter than with smaller diameter; for Zizyphus jujube and Vitex negundo var. heterophylla with different diameter, Sap flow started and stopped similarly; being very contrary to Robinia pseudoacacia, the sap flow velocity was smaller with larger diameter than with smaller diameter for all trees; the average of daily water consumption was larger with larger diameter than with smaller diameter for all trees.Key words: sap flow; thermal dissipation probe method (TDP); water consumption;水在植物生命活动中有着极其重要的作用，植物根系吸收土壤中的水分，通过树干运输到叶片中，其中约95%的水分通过蒸腾作用散失到大气中，仅有极少部分被植物吸收储存于细胞中，用于各种代谢活动或其他过程1。尤其在水资源日益匮乏的当今世界，树木耐旱和耗水问题越来越受到国内外相关专家及学者的关注2-5。因此研究植物的耗水特征对于了解植物的生命活动过程及植物与环境之间相互作用的生态关系至关重要。黄连木(Pistacia chinensis)和刺槐(Robinia pseudoacacia)都耐干旱瘠薄，又能很好的改良土壤，是干旱缺水地区植被恢复的首选树种，同事也是我国北方干旱地区乡土树种。酸枣(Zizyphus jujuba)和荆条(Vitex negundo var. heterophylla)是太行山区常见的灌木，生长力极强，常与乔木结合，起到水土保持的作用。因此，研究黄连木、刺槐、酸枣、荆条的耗水特征，对于我国北方干旱区域的植被建设具有重要的意义。目前研究蒸腾作用的方法很多，有整树容器法、称重法、蒸渗仪法、稳态气孔计法、热扩散式液流探针（TDP）法等6，本实验采用国内北京雨根科技有限公司设计生产的RR-8210茎流仪（TDP），对乔木树种刺槐、黄连木和灌木树种酸枣、荆条进行树干液流的监测（乔木对胸径大的采用30探针，对于直径小的灌木树种采用10探针），通过比较分析，进而了解乔木与灌木水分利用机制的区别，为我国北方干旱区域造林提供理论依据和技术支持。1 研究区概况试验区设在河北省平山县岗南镇寺家沟村，属于暖温带半干旱半湿润季风型大陆性气候，年平均气温12.7，全年太阳辐射量为131136千卡cm-2,全年有效辐射为65.4 kcalcm-2,多年平均日照时数26002750h，年平均降水量609mm，多年平均蒸发量1815.4mm，年平均干燥度为1.38。多年平均风速2.2ms-1,土壤为石灰性褐土。试验地位于阳坡坡中，周围植被乔木有黄连木(Pistacia chinensis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、柿树（Diospyros kaki）、君迁子(Diospyros lotus)、山杏（Prunus sibirica）等；灌木有酸枣(Zizyphus jujuba)、荆条(Vitex negundo var. heterophylla)；草本有白羊草(Bothrtochtoa)、黄背草(Themeda triandra)等。本试验选择树干通直，生长良好的乔木树种黄连木、刺槐和灌木树种酸枣、荆条作为研究对象，各选取2个胸径（酸枣、荆条为树干的0.3 m处直径）级别，每个级别重复三次。所选研究对象树干直径大小如下：黄连木：17.20.5cm、15.90.4cm；刺槐：10.60.3cm 、9.20.4cm；酸枣：3.00.05cm、2.60.03cm ；荆条：3.10.1cm、2.70.05cm。2 研究方法2.1仪器安装设计本试验采用热扩散式液流探针（TDP）对试验材料进行测定，先用罗盘选定样树的正南方向，并于黄连木、刺槐树干的胸高处 （约1.3m高处），酸枣、荆条的树干的0.3 m处， 上下垂直，在两点相距（约1015cm） 间削去一小片树皮，大小便于探针插入即可 (注意不伤到边材 ,有树皮或伤到韧皮部都会影响到数据的准确度) 。然后用直径为2.5mm的钻头依靠打孔板于刺槐、黄连木钻30mm深 , 于酸枣荆条钻10mm深，分别插入30探针和10探针，为避免自然环境的影响 ,每组探针外用大小合适的泡沫盒子罩上，然后与数据采集器和电源连接，并设置每10min进行平均并储存数据。测定期间为2008年5月3日5月8日，其中5月3日、7日为阴天，4日、5日、6日和8日为晴天。2.2边材面积的测定乔木树种采用生长锥法获取完整长芯，对于灌木则直接用锯子于其0.3m处锯断，观察量取去皮直径以及边材厚度，进而计算边材面积。经计算，各树种各级别边材面积如下：黄连木：162.212.2cm2（胸径：17.2cm）、121.211.3cm2（胸径：15.9cm）；刺槐：29.32.2cm2(胸径：10.6cm)、21.81.8cm2(胸径：9.2cm)；酸枣：4.70.1cm2 (0.3m处直径：3.0cm)、3.60.1cm2(0.3m处直径：2.6cm)；荆条：5.00.2cm2(0.3m处直径：3.1cm)、4.00.1cm2(0.3m处直径：2.7cm)。2.3树干液流参数计算液流速度：V=0.0119K1.231 (cm/s)其中K(dTM-dT)/ dT式中：dTM为探针测到的最大温差；dT是探针测到的瞬时温差。液流通量：Fs=AsV3.6 (L/h)式中：As为边材面积（cm2）。3 结果分析3.1树干液流的日变化在整个测定阶段，将黄连木（胸径15.9cm）、刺槐（胸径9.2cm）、酸枣（0.3m处直径3.0cm）与荆条（0.3m处直径3.1cm）树干液流速度绘图（如图1所示），无论是晴天还是阴天，四树种的树干液流均表现出明显的昼夜变化规律,呈现“几”字形，白天液流相当活跃，夜间液流非常小，几乎为0。白天刚开始气温低，空气湿度大，叶面温度不高，大部分气孔关闭，树干液流速度小，随气温升高，空气湿度变小，气孔逐渐张开，树干液流速度增加。当树干液流速度增加到顶峰后，温度逐渐下降，出现与上述过程相反的过程。夜间，气孔几乎全部关闭，但其液流并非为0，主要是由于白天树冠强大的蒸腾作用，失水强度大，根系吸水能力小，耗水大于吸水，造成树体水分供耗平衡失调，树体储水减少，水容下降。到了夜间，根系在吸收土壤水分，有效地补充了树体由于白天蒸腾引起的水分亏缺7。其动力实根压的存在8。就波形而言，黄连木呈单峰型，刺槐呈宽峰型，酸枣和荆条呈波动状。就液流启动时间和停滞时间而言，无论是晴天还是阴天，黄连木的启动时间最早，约6：006：30，酸枣和荆条的居中，约6：107：00，刺槐最晚，约7：008：30。黄连木和刺槐几乎到凌晨0点才停滞，而酸枣和荆条在晚上7：30左右停滞。就液流速度大小而言，经计算，各树种在监测期间平均液流速度分别为：黄连木：0.00141 cm/s、刺槐：0.00032 cm/s 、酸枣：0.00103 cm/s 、荆条：0.00073 cm/s，表现为黄连木酸枣荆条刺槐。日均耗水量为：黄连木：14.73441 L/d、刺槐：0.59811 L/d、酸枣：0.42053 L/d、荆条：0.31772 L/d。图1 乔灌木树种树干液流速度日变化Fig.1 Diurnal variations of stem sap flow velocity of arbor and shrub表1 乔灌木树种耗水特征Tab.1 Characteristics of stem sap flow of arbor and shrub树种Trees液流平均速度Average sap flow velocity（cm/s）日均耗水量Water consumption(L/d)黄连木Pistacia chinensis0.0014114.73441刺槐Robinia pseudoacac0.000320.59811酸枣Zizyphus jujuba0.001030.42053荆条Vitex negundo var. heterophylla0.000730.317723.2不同天气条件下树干液流变化典型晴天（5月6日）和典型阴天（5月7日）树干液流速度如图2。就波形而言，四树种阴天时的树干液流变化要比晴天时平缓；就液流启动与停滞时间而言，四树种晴天时液流启动早于阴天，而停滞时间晴天晚于阴天，黄连木与刺槐表现得尤为明显，而酸枣荆条表现不显著。这是由于晴天有阳光，气温上升的早，空气湿度变小，气孔随之张开，进行蒸腾，产生液流。而阴天时，无阳光，气温上升的晚，空气湿度变小缓慢，气孔张开晚，从而液流启动晚。而液流停滞则是相反的过程。就液流速度大小而言，经计算，各树种平均液流速度分别为：黄连木：0.00166 cm/s（晴天）、0.00076 cm/s（阴天）；刺槐：0.00038 cm/s（晴天）、0.00016 cm/s（阴天）；酸枣：0.00117cm/s（晴天）、0.00075cm/s（阴天）；荆条：0.00080cm/s（晴天）、0.00062cm/s（阴天），表现为晴天液流速度明显大于阴天。由于同一棵树它的边材面积是不变的，根据液流通量的计算公式，易知四树种的耗水量晴天大于阴天，经计算得出各树种耗水量为：黄连木：17.38905 L/d（晴天）、7.92164 L/d（阴天）；刺槐：0.70874 L/d（晴天）、0.30971 L/d（阴天）；酸枣：0.47649 L/d（晴天）、0.30617 L/d（阴天）；荆条：0.34758 L/d（晴天）、0.26842 L/d（阴天）。 阴天晴天图2 不同天气条件下乔灌木树种树干液流日变化Fig.2 Diurnal fluctuation of sap flow velocity of arbor and shrub in different weather表2 不同天气条件下乔灌木树种耗水特征Tab.2 Characteristics of stem sap flow of arbor and shrub in different weather树种Trees液流平均速度Average sap flow velocity（cm/s）日均耗水量Water consumption(L/d)晴天sunny day阴天cloudy day晴天sunny day阴天cloudy day黄连木Pistacia chinensis0.001660.0007617.389057.92164刺槐Robinia pseudoacac0.000380.000160.708740.30971酸枣Zizyphus jujuba0.001170.000750.476490.30617荆条Vitex negundo var. heterophylla0.000800.000620.347580.268423.3不同直径条件下树干液流变化选择5月4日、5日、6日连续三个晴天，将四树种各自不同直径的树干液流变化绘图，如图3所示，就波形而言，不同树干直径的各树种树干液流变化波形基本一致。黄连木都呈现单峰型、刺槐都呈现宽峰型、酸枣和荆条都呈现波动性。就液流启动与停滞时间而言，黄连木液流启动直径大的（胸径17.2cm）晚于直径小的（胸径15.9cm）,停滞则是直径大的（胸径17.2cm）早于直径小的（胸径15.9cm）；刺槐液流启动直径大的（胸径10.6cm）早于直径小的（胸径9.2cm）,停滞则是直径大的（胸径10.6cm）晚于直径小的（胸径9.2cm）；不同直径的酸枣（0.3m处直径3.0cm、0.3m处直径2.6cm）和荆条（0.3m处直径3.1cm、0.3m处直径2.7cm）液流启动与停滞时间几乎一致。就液流速度大小而言，各树种液流速度分别为：黄连木：0.00132 cm/s（胸径17.2cm）、0.00175 cm/s（胸径15.9cm）；刺槐：0.00073 cm/s（胸径10.6cm）、0.00040 cm/s（胸径9.2cm）；酸枣：0.00117 cm/s（0.3m处直径3.0cm）、0.00152 cm/s（0.3m处直径2.6cm）；荆条：0.00080cm/s（0.3m处直径3.1cm）、0.00099 cm/s（0.3m处直径2.7cm），表现为：除刺槐外，各树种树干液流速度均表现为直径大的小于直径小的，而刺槐则表现为直径大的（胸径10.6cm）小于直径小的（胸径9.2cm）。各树种日均耗水量分别为：黄连木：18.43235 L/d（胸径17.2cm）、18.35198 L/d（胸径15.9cm）；刺槐：1.85699 L/d（胸径10.6cm）、0.74816 L/d（胸径9.2cm）；酸枣：0.47499 L/d（0.3m处直径3.0cm）、0.47430 L/d（0.3m处直径2.6cm）；荆条：0.34432 L/d（0.3m处直径3.1cm）、0.34115 L/d（0.3m处直径2.7cm），均表现树干直径大的耗水量大。图3 不同直径乔灌木树种树干液流日变化Fig.3 Diurnal fluctuation of sap flow velocity of arbor and shrub with different diameter表3 不同直径乔灌木树种耗水特征Tab.3 Characteristics of stem sap flow of arbor and shrub with different diameter树种Trees直径Diameter（cm）液流平均速度Average sap flow velocity（cm/s）日均耗水量Water consumption(L/d)黄连木Pistacia chinensis17.20.0013218.4323515.90.0017518.35198刺槐Robinia pseudoacac10.60.000731.856999.20.000400.74816酸枣Zizyphus jujuba3.00.001170.474992.60.001520.47430荆条Vitex negundo var. heterophylla3.10.000800.344322.70.000990.341154 结论与讨论（1）无论是晴天还是阴天，四树种的树干液流变化呈现“几”字形，白天活跃，几乎为0。黄连木呈单峰型、刺槐呈宽峰型，酸枣荆条呈波动状。黄连木的启动最早，约6：006：30，酸枣和荆条的居中，约6：107：00，刺槐最晚，约7：008：30。黄连木和刺槐几乎到凌晨0点才停滞，而酸枣和荆条在晚上7：30左右停滞。各树种液流速度分别为，黄连木：0.00141 cm/s、刺槐：0.00032 cm/s、酸枣：0.00103 cm/s、荆条：0.00073 cm/s，表现为黄连木酸枣荆条刺槐；日均耗水量分别为：黄连木：14.73441 L/d、刺槐：0.59811 L/d、酸枣：0.42053 L/d、荆条：0.31772 L/d。四树种的液流速度与日均耗水量的大小顺序不一致，这是由于四树种的边材面积不同造成的，这说明判断和比较树种的耗水特性，不仅要比较其边材液流速度，还要看其边材面积的大小9。（2）四树种阴天时的树干液流变化要比晴天时平缓。四树种晴天时液流启动早于阴天，而停滞时间晴天晚于阴天。液流速度和和耗水量均表现为晴天液流速度明显大于阴天。这与这种现象与许多学者所得结论相似5,10-11,这主要是由气象因子的不同造成的。（3）不同树干直径的各树种树干液流变化波形基本一致。黄连木树干液流直径大的启动晚,而停滞早；刺槐则相反，直径大液流启动早,停滞晚；酸枣和荆条不同直径的液流启动与停滞时间几乎一致。就液流速度大小而言，除刺槐外，各树种树干液流速度均表现为直径大的小于直径小的，而刺槐则表现为直径大的小于直径小的。就日均耗水量而言，各树种均表现树干直径大的耗水量大。对于不同树干直径树木树干液流的研究很多结论不尽相同，刘德良等12在对侧柏的研究中认为，直径越大，树干液流速度越大，耗水量越大。而其在对油松的研究中发现液流速度和耗水量最大的是直径最小的,而其他