六盤山北坡疊疊溝小流域華北落葉松生長及水分影響研究.pdf

1、本文在處于半干旱區(qū)的六盤山北坡的疊疊溝小流域研究了當(dāng)?shù)刂饕炝謽浞N華北落葉松的生長及其耗水規(guī)律，定量分析了水分條件等主要環(huán)境因素對(duì)生長的影響，詳細(xì)刻畫了華北落葉松在水分限制條件下的生長過程與特點(diǎn)。有關(guān)結(jié)果充實(shí)了半干旱地區(qū)林水相互關(guān)系研究中水分驅(qū)動(dòng)植被生長方面的內(nèi)容，利于促進(jìn)發(fā)展半干旱地區(qū)森林植被建設(shè)和管理的理論與技術(shù)，提高林水協(xié)調(diào)管理的水平，為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)與植被建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。主要研究結(jié)論為： 1．華北落葉松樹干的年內(nèi)徑向變化

2、規(guī)律 徑向變化由真正的生長和水分引起的脹縮兩部分組成，具有明顯的日變化和季節(jié)變化。日變化主要受樹干含水量直接影響，隨天氣類型和太陽輻射而變化：晴天時(shí)，直徑變化可分出明顯的膨脹、生長和收縮階段；陰天時(shí)，直徑在夜間膨脹生長，白天的收縮階段表現(xiàn)為弱，樹干直徑基本不變；雨天時(shí)，樹干吸水使直徑持續(xù)增大，直至雨停，只要日降水量≥5 mm，直徑日變化量就明顯大于正常值。季節(jié)變化主要決定于生長，生長速率表現(xiàn)為前期快后期慢，可分為三個(gè)階段，在迅速

3、生長(5～6月)、緩慢生長(7～8月)和生長基本停止(9～10月)階段，對(duì)應(yīng)的12棵不同大小樣樹的直徑日平均變化量分別為38.1μm、9.2μm和-3.9μm，其中9～10月份的負(fù)生長是由樹干縮水引起的，2006年生長季(5月5日～10月28日)的生長量平均為2419.3μm。 2．不同因素對(duì)華北落葉松徑向生長的影響 樹木個(gè)體生長和空間特征的影響：在年內(nèi)直徑迅速生長階段，所有生長特征(胸徑、樹高、冠幅、冠厚等)均與樹干徑

4、向變化極顯著正相關(guān)，其中胸徑和樹冠特征的影響高于樹高特征；空間特征(競(jìng)爭指數(shù)、大小比數(shù)、空間距離、胸徑分化度)中只有競(jìng)爭指數(shù)具有顯著負(fù)影響。在緩慢生長階段，各生長特征均存在極顯著正相關(guān)，冠幅和樹高的影響增強(qiáng)；而空間特征中僅有空間距離呈顯著正相關(guān)。在生長基本停止階段，所有樹木生長和空間特征均無顯著影響。 土壤水勢(shì)的影響：若以日內(nèi)時(shí)間尺度分析，直徑變化對(duì)同期土壤水勢(shì)變化的響應(yīng)不顯著；但隨時(shí)間尺度增加到日、3日和旬，二者相關(guān)性逐漸增強(qiáng)

5、，達(dá)到顯著相關(guān)，尤其是40-100 cm土層；若以月為時(shí)間尺度時(shí)，則只在60-80 cm土層顯著相關(guān)。綜合來看，3～10日是研究土壤水勢(shì)與樹干直徑變化的合適時(shí)間單位。 有效影響土層及其季節(jié)變化：由于存在土壤水分供給限制，樹干直徑變化的有效影響土層具有明顯的季節(jié)變化。對(duì)不同土層日耗水量與直徑日變化量的相關(guān)分析表明：5月份土壤水分條件較好，1 m土層平均水勢(shì)為-182.1 KPa，0～40 cm土層為有效影響土層；6月份水勢(shì)降為-3

6、23.9 KPa，有效土層下移到80-100 cm；7月份隨水勢(shì)繼續(xù)下降(-515.3KPa)，在降雨首先補(bǔ)充上層土壤和表層土壤大量蒸發(fā)的共同影響下，有效土層回升到40～60 cm；8月份隨著進(jìn)入1年中降水最多的時(shí)期，土壤水分條件得到好轉(zhuǎn)，水勢(shì)回升到-438.2 KPa，但由于暴雨多，土壤水分條件變化劇烈，難以看出明顯的影響土層；9月份由于降雨的累積，1 m土層水勢(shì)上升到-320.5 KPa，有效土層則恢復(fù)到0～40 cm，該土層對(duì)應(yīng)的

7、土壤水勢(shì)為-49.9 KPa；10月份以后樹干直徑停止生長，且隨土壤和大氣濕度降低出現(xiàn)收縮，土壤水分消耗和直徑生長間不再具有相關(guān)關(guān)系。 氣象條件的影響：1)日變化影響：太陽輻射量和空氣溫度均只在5～6月份對(duì)直徑日變化存在顯著影響，并存在1-5 d的滯后；降水量和空氣濕度則在整個(gè)生長季內(nèi)具有顯著影響且無滯后；飽和水汽壓差與直徑變化呈顯著正相關(guān)，并滯后1～5 d，其相關(guān)性弱于空氣濕度；風(fēng)對(duì)直徑變化影響不顯著。2)月變化影響：各因子按

8、影響顯著性排序?yàn)樘栞椛?大氣水勢(shì)>空氣濕度>最大風(fēng)速>飽和水汽壓差>平均風(fēng)速，氣溫、土溫以及降水量的月變化影響十分不顯著。綜合來看，水分因子尤其是空氣相對(duì)濕度在整個(gè)生長季內(nèi)是影響直徑生長的限制性因子，而太陽輻射和氣溫僅在生長季前期具有影響。氣象因子對(duì)直徑生長的影響還與林木個(gè)體優(yōu)勢(shì)度有關(guān)，優(yōu)勢(shì)木對(duì)溫度變化的響應(yīng)更明顯；但在具有明顯個(gè)體差異的林木之間，它們的樹干直徑生長與降水量、空氣濕度等表示水分條件的氣象因子之間的相關(guān)程度并沒有明顯差別

9、，說明水分因子對(duì)樹干直徑生長具有最重要的影響。 3．華北落葉松樹干液流特征及影響因素分析 樹干液流速率的日和季節(jié)變化：晴天條件下，樹干液流速率白天呈單峰型，夜間仍有0.1 cm/min的微弱液流；陰天液流速率到達(dá)峰值的時(shí)間比晴天滯后2 h，而且峰值存在不同程度的降低；液流速率在降水過程中降到夜間水平，但降水結(jié)束后則視天氣條件馬上恢復(fù)到陰天或晴天的相應(yīng)水平。典型晴天時(shí)，9株樣木樹干液流速率在直徑迅速生長、緩慢生長和基本停止

10、生長階段平均峰值分別為0.510、0.412、0.219 cm/min，日均值(24小時(shí))則分別為0.152、0.120和0.105 cm/min。生長季內(nèi)單株樣木平均累積液流量在三個(gè)生長階段分別為773.38、688.90和479.71 L。 樹木個(gè)體生長和空間特征的影響：各特征對(duì)液流速率均沒有顯著影響，但由于林木大小與邊材面積成比例，各生長特征均與樹干液流通量顯著相關(guān)，且樹木個(gè)體差異很大，如胸徑17.7 cm的樣木平均液流通

11、量為13.845 L/d，而胸徑5.7 cm的樣木則為5.294 L/d。在考慮林木直徑的影響時(shí)，能大幅改善樹干液流累積量的擬合程度。 土壤水分的影響：5～8月份，樹干液流主要與根系層(0～40 cm)或其中某些土層的水勢(shì)顯著相關(guān)，即根系層的土壤水分對(duì)樹木蒸騰具有限制作用；9月份各土層水勢(shì)與樹干液流速率均無顯著相關(guān)，10月份的相關(guān)性進(jìn)一步下降，表明在雨季后土壤水分條件改善以后沒有明顯的限制土層。 氣象條件的影響：5～9月

12、份，太陽輻射對(duì)樹干液流速率具有極顯著影響，是主導(dǎo)因子；空氣溫度僅在5月份呈極顯著正相關(guān)；土壤溫度的相關(guān)性不如氣溫顯著；空氣濕度則呈極顯著負(fù)相關(guān)；降水過程中的瞬時(shí)樹干液流速率顯著降低；但在陣性降水的日期內(nèi)，日均液流速率同降水量呈正相關(guān)，可能是對(duì)降水輸入提高土壤水分的響應(yīng)；大氣水勢(shì)和飽和水汽壓差同樹干液流速率均呈正相關(guān)，但6月份和8月份的影響不顯著；風(fēng)速對(duì)樹干液流速率的影響不明顯。 通過對(duì)樹干液流速率的擬合，計(jì)算出0～100 cm土

13、壤水勢(shì)、日太陽輻射量和日均氣溫對(duì)樹干液流速率的最大影響范圍分別為1.876、0.055和0.048 cm/min，說明土壤水分是影響林木蒸騰的最主要因子。 對(duì)液流速率和累積液流量的模擬：建立了太陽輻射量、1 m土層水勢(shì)和空氣平均溫度的日值與日均樹干液流速率的回歸方程，R值為0.832，將回歸方程系數(shù)表現(xiàn)為樹木生長和空間特征(胸徑、冠幅、冠厚、空間距離和競(jìng)爭指數(shù))的函數(shù)；并基于液流速率的擬合方程進(jìn)一步建立了生長季樹干液流累積量的擬

14、合方程，R值為0.826。此外，利用樹木胸徑和累積時(shí)間為自變量建立了另外一個(gè)樹干累積液流量回歸方程，其R值為0.859。 4．華北落葉松徑向生長(變化)的模擬 徑向日變化：1)利用日太陽輻射量作為自變量，建立華北落葉松徑向生長(變化)的擬和方程，回歸方程系數(shù)表示為胸徑和冠幅的函數(shù)，R值為0.905。2)利用空氣濕度作為自變量擬合，回歸方程系數(shù)表示為胸徑和胸徑分化度的函數(shù)，R值為0.881。3)在直徑生長的不同階段分別選擇

15、主要影響因子建立了樹干直徑日變化回歸方程。其中，在直徑迅速生長階段，選擇空氣濕度、日均氣溫、日均風(fēng)速和飽和水汽壓差作自變量，回歸方程系數(shù)表示為胸徑和冠幅的函數(shù)，R值為0.813；在直徑緩慢生長階段，選擇日降水量、空氣濕度和大氣水勢(shì)作自變量，回歸方程系數(shù)表示為胸徑、冠幅和空間距離的函數(shù)，R值為0.830；在直徑基本停止生長階段，選擇日降水量、1 m土層水勢(shì)和日最大風(fēng)速作自變量，回歸方程系數(shù)表示為胸徑、冠幅和空間距離的函數(shù)，R值為0.801

16、。 徑向累積生長量的擬合：1)以時(shí)間作自變量，回歸方程系數(shù)表示為胸徑和冠幅的函數(shù)，R值為0.937。2)以太陽輻射量的累積值作自變量，回歸方程系數(shù)表示為胸徑、冠幅和胸徑分化度的函數(shù)，R值為0.857。3)以日均氣溫的累積值作自變量，回歸方程系數(shù)表示為胸徑和冠幅的函數(shù)，R值為0.892。4)將不同直徑生長階段的由環(huán)境因子擬合的日變化方程累加，得到整個(gè)生長季的樹干直徑累積變化方程，R值為0.888。⑤以華北落葉松累積蒸騰耗水量為

17、自變量，回歸方程的系數(shù)表示為胸徑的函數(shù)，R值為0.849。 5．華北落葉松的連年生長規(guī)律及影響分析 連年高生長和直徑生長：按年高生長速率，可劃分為緩慢生長期(栽植后5年)和迅速生長期(5～20年)，坡下位林木在緩慢生長期內(nèi)的年均高生長為0.34 m，迅速生長期為0.54 m。造林后10 a內(nèi)，坡上位林木生長最緩，年均高生長0.272 m，坡中位林木最快，為0.538 m，而坡下位林木生長速度中等，平均為0.423 m。華