郭宝妮，张建军，2†，王震，茹豪，黄明

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京;3.国际竹藤中心，100102，北京)

晋西黄土区刺槐和油松树干液流比较

郭宝妮1，张建军1，2†，王震3，茹豪1，黄明1

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京;3.国际竹藤中心，100102，北京)

应用TDP(Thermal Dissipation Probe)热扩散探针技术，通过对晋西黄土区刺槐和油松进行一个生长季(2010－04—10)的野外实地定位观测，结合同步测定的大气相对湿度、大气温度、太阳总辐射等气象因子，研究刺槐、油松树干液流的日变化及季节变化规律。结果表明:1)刺槐在5月上旬仅产生微弱液流，日均液流速率小于油松，无明显昼夜变化规律，到5月下旬，日均液流速率超过油松，并与油松呈现相同的昼夜变化规律，2树种夜间存在一定的树干液流，液流速率均于09:00开始快速上升，到12:00左右达到峰值;2)8月刺槐日均液流速率均大于油松，2树种液流速率连日变化规律基本相同，液流速率开始快速上升和达到峰值的时间与5月基本一致，峰值分别为5月的1.79和1.49倍，月平均值分别为5月的3.01和1.48倍;3)刺槐、油松树干液流和月耗水量呈现明显的季节性变化规律，耗水旺季集中在6—9月，4月达到最小值，7月达到最大值，在整个生长季(4—10月)，油松林的总耗水量是刺槐林的1.63倍。经回归分析可知，影响刺槐、油松液流速率的主要因子均为太阳总辐射。

树干液流流速;耗水量;刺槐;油松;晋西黄土区

随着全球水资源短缺和温室效应的加剧，植被蒸散已成为国际水文计划(IHP)国际地圈－生物圈计划(IGBP)等国际性项目的重要研究内容之一［1］。近年来，越来越多的学者开始投入到植被蒸散问题的研究中［2－9］，特别是整株树木的耗水量研究，受到不同学科专家和学者的共同关注。植被蒸散的测定方法有许多种，TDP热扩散探针法由A.Granier等［10］设计并研究应用，该法操作简便，数据采集具有准确、稳定等诸多优点［11］，在国内外被广泛应用到森林水文学、树木生理生态学等众多研究领域［12－16］。刺槐和油松作为晋西黄土区的主要水土保持树种，早已成为众多学者研究的焦点。周晓新等［17］对不同密度刺槐林蒸腾旺季的蒸腾特性进行研究，得出了黄土区15年生刺槐林的合理密度。聂立水等［18］通过对油松树干液流研究，得出油松在干旱地区大部分时间都受干旱胁迫的影响，应进行抚育间伐的结论。刘彩凤等［19］对不同径阶刺槐油松混交林蒸腾耗水量进行了研究。以往学者一般只针对刺槐或油松单一树种进行研究，对刺槐和油松树干液流的对比研究较为少见。笔者利用TDP热扩散探针技术，通过测定同一时期、同一生长环境下刺槐和油松的树干液流速率，探讨2树种树干液流的日变化规律、季节变化特征及其与环境因子的关系，并将其在林分尺度上进行扩展，对2树种耗水量进行比较研究，以期为晋西黄土区人工林营造过程中选择低耗水树种以及确定合理种植密度提供依据。

1 研究区概况

试验地位于吉县蔡家川流域，该流域地处山西省黄土高原西南部的吉县境内，地理坐标E110°40＇～111°48＇，N36°14＇～ 36°18＇，流域面积 39.33 km2。研究区属暖温带大陆性气候，年平均降水量575.9 mm，平均无霜期约170 d，年平均气温10℃，多年极端最低气温－20.4℃，多年极端最高气温38.1℃，光照时间平均2 563.8 h，稳定通过10℃的年平均积温为3 357.9℃。流域内土壤为碳酸盐褐土，呈微碱性。天然植被主要有辽东栎(Quercus liaotungensis)、山杨(Populus davidiana)、侧柏(Platycladus orientalis)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等，人工植被主要有油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、苹果(Malus pumila)、苜蓿(Medicago sativa)等，农作物以玉米(Zea mays)、小麦(Triticum aestivum)、谷子(Setaria italica)、豆类为主。防护林类型为水土保持林，主要组成树种有刺槐和油松。林分结构简单，以纯林为主，混生或伴生有山杨(Pobulus davidiana)，下层灌木有胡枝子(Lespedeza bicolor)等。

2 研究方法

1)样地设置。试验设置刺槐、油松2块调查样地，调查样地基本情况见表1。

2)调查方法。2010年8月，通过对调查样地刺槐林和油松林进行每木调查(主要测定树高、胸径、枯落物厚度、草本覆盖度等指标)，选择树干圆满、不偏心、不偏冠且胸径上下50 cm处无结疤的刺槐、油松各3株作为观测样木，观测样木的基本情况记录见表1。然后按照TDP插针式热扩散植物茎流计安装说明书［20－21］，在观测样木上安装 TDP 热扩散探针。在2010年整个生长季(4—10月份)，每隔10 min测定1次树干液流速率，将30 min内测定数据进行平均运算并记录存储，最后运用 Granier公式［22］对液流速率数据进行计算。在树干液流观测的同时，利用自动气象站(Campbell公司生产的CR3000型)同步记录大气相对湿度、大气温度、太阳总辐射等气象因子数据，每隔1 h采集1次数据并存储。

3)蒸腾耗水量测算方法。由于树木液流量99.8%以上是用于蒸腾耗水，所以可以用液流量直接反映树木的蒸腾耗水能力［7］。马李一等［6］在油松、刺槐单木与林分水平耗水量的尺度转换研究中指出，刺槐、油松2树种边材面积与胸径之间存在较高的相关性，二者之间的关系可以用幂函数模型得到很好的拟合，刺槐边材面积与胸径之间的拟合模型为y1=0.824 4x1.94941，油松边材面积与胸径之间的拟合模型为y2=1.045 2x1.67112，式中y1、y2、x1、x2分别为刺槐、油松的边材面积(cm2)和胸径(cm)。根据该拟合模型以及研究区林分密度(表1)扩展至林分水平，最终可估算出刺槐林、油松林4—10月份的蒸腾耗水量。

4)分析方法。运用Spass18.0软件在0.01著性水平下，对刺槐、油松液流速率与大气相对湿度、大气温度、太阳总辐射进行相关性分析，并在相关性分析的基础上，利用多元线性回归方法对刺槐、油松树干液流速率和气象因子进行逐步回归分析。

表1 试验地及样本基本情况Tab．1 Basic situation of the experiment sites and the samples

3 结果与分析

3.1 生长季初期刺槐、油松树干液流的比较

图1为生长季初期(5月)刺槐、油松树干液流日平均流速动态变化曲线。可见，在该研究区，刺槐在5月1—16日液流速率较低，日间变化不明显，受气象因子影响较小，日均液流速率小于油松，从17日开始，刺槐液流速率逐渐上升，日均液流速率逐渐超过油松，并持续停留在大于油松的水平上。在整个5月份，油松树干液流速率波动较小，较为稳定。5月21、26、27日为阴雨天气，刺槐和油松液流速率均呈现下降趋势。

图1 5月刺槐、油松树干液流日平均液流速率Fig．1 Daily average sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in May

图2为5月刺槐、油松树干液流速率连日变化曲线。可见，刺槐在5月1—16日液流速率未呈现明显的昼夜变化规律，仅产生微弱液流，液流速率远小于油松，17日之后，刺槐液流速率开始呈现明显的昼夜变化规律，与油松变化规律基本一致，刺槐液流速率开始逐渐增大，并超过油松树干液流速率。

4月末至5月中旬，是黄土高原半干旱区刺槐的展叶期，展叶期间可分为芽期、展叶初期、中期和全叶期4个时期［23］。出现上述变化趋势的原因可能是刺槐的芽期持续到5月16日，在芽期叶片未展开，蒸腾作用较弱，液流速率较低，受环境因子影响较小，从展叶初期(5月17日)开始，叶片逐渐展开，蒸腾作用逐渐增强，液流速率逐渐上升，并明显受到环境因子的影响。

在5月份选择4个典型晴天(5月17—20日)，利用此间的观测数据，绘制了刺槐、油松树干液流连日变化曲线(图3)。由图3可见，刺槐从5月17日开始，液流速率连日变化曲线与油松相似，均于09:00左右开始快速上升，12:00左右达到峰值，达到峰值后仍有较小幅度的波动，形成多个小峰组成的“高峰平台”，在峰值持续时间为6 h左右，呈宽峰型曲线，于18:00左右开始下降，到23:00到达谷底。这与吴芳等［24］的研究结果类似。2树种白天的树干液流速率较大是由于白天树木蒸腾量大，大量水分通过根系以被动方式吸入体内，在夜间树干内仍然存在一定的液流量主要是由根压引起的，水分以主动方式进入树体补充白天蒸腾失水［25］。

图2 5月份刺槐、油松树干液流速率连日变化Fig．2 Diurnal variation in sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in May

图3 5月17—20日刺槐、油松树干液流速率连日变化Fig．3 Diurnal variation in sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis from May 17 to May 20

3.2 生长盛期刺槐、油松树干液流比较

生长盛期(8月)降雨充沛，太阳辐射强度较大，是一年的蒸腾旺季。图4为8月份刺槐、油松树干液流日平均流速动态变化曲线，图5为8月份刺槐、油松液流速率连日变化曲线。由图4和图5可知，整个8月份，刺槐日平均液流速率均大于油松，2树种树干液流速率连日变化趋势基本相同，均表现出明显的昼夜变化规律，白天液流速率明显大于夜间。8月上旬持续的阴雨天气，导致树干液流保持在较低水平，日间差距较小，到19日开始，液流速率开始呈现增大趋势。这是由于阴雨天过后，充沛的土壤水分和充足的光照使得树木的蒸腾作用持续增大，到27日开始随着土壤水分含量的逐渐降低，呈下降趋势。

图6为8月18—20日(其中19日为雨天)刺槐、油松树干液流速率连日变化曲线。可以看出，刺槐、油松树干液流速率变化趋势基本相同，夜间存在一定的液流速率，09:00开始快速上升，11:00达到峰值，在峰值持续4 h左右，14:00开始快速下降，刺槐17:00降到谷底，油松18:00降到谷底。在雨天，刺槐和油松液流速率基本上没有波动，白天夜间液流速率相差不大。雨后的晴天，2树种均于12:00达到峰值，然后迅速下降，19:00左右降到谷底，呈现窄峰型曲线。

图4 8月份刺槐、油松树干液流日平均液流速率Fig．4 Daily average sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in August

图5 8月份刺槐、油松树干液流速率连日变化Fig．5 Diurnal variation in sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in August

3.3 刺槐、油松树干液流速率季节性变化及其典型月份的比较

图7为刺槐、油松不同月份月平均液流速率变化曲线。可知，刺槐、油松树干液流呈现明显的季节性变化规律，最小值出现在干旱的4月，分别为1.30和1.80 cm/h，降雨充沛的7月达最大值，分别为5.60和4.50 cm/h，分别是4月份的4.30和2.50倍。刺槐月平均液流速率在温度较低、降雨较少的4、10月均小于油松的，在生长旺季5—9月均大于油松的。

图7 刺槐、油松不同月份月平均流速变化Fig．7 Monthly average sap flow velocity of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaeformis in different months

5月份，刺槐(展叶初期以后)、油松树干液流速率于09:00开始快速上升，到12:00左右达到峰值，分别为4.11和4.50 cm/h，月平均液流速率分别为1.76和2.09 cm/h;8月份刺槐、油松树干液流速率快速上升，到达峰值的时间与5月份基本一致，峰值分别为7.34和6.70 cm/h，分别是5月份刺槐、油松峰值的1.79和1.49倍，月平均液流速率分别为5.30和3.10 cm/h，分别是5月份的3.01和1.48倍。

3.4 林分的树木蒸腾耗水量估算

图8为刺槐、油松不同月份蒸腾耗水量直方图。可见，刺槐、油松的耗水旺季集中在6—9月份，耗水量最大值均出现在7月份，分别为89.58和52.79 mm，最小值出现在4月份，分别为20.80和21.11 mm，分别是7月份的0.23和0.40倍。在整个生长季(4—10月)，刺槐的总耗水量为388.72 mm，油松的总耗水量为238.24 mm，油松耗水量是刺槐耗水量的1.63倍，4和10月，耗水量刺槐略小于油松，5—9月份，刺槐明显大于油松。

图8 刺槐、油松不同月份蒸腾耗水量Fig．8 Transpiration water consumption of Robinia pseudoacia and Pinus tabulaepormif in different months

3.5 气象因子对树木树干液流速率的影响

对刺槐、油松液流速率与大气相对湿度、大气温度、太阳总辐射进行相关性分析。显著性水平为0.01时，刺槐液流速率与上述气象因子的相关系数分别为－0.435、0.510和0.725，油松液流速率与它们的相关系数分别为－0.322、0.532和0.895。可以判断，上述气象因子对刺槐、油松液流速率产生的影响由强到弱的顺序依次为太阳总辐射＞大气温度＞大气相对湿度。

经回归分析，得到刺槐树干液流速率(vs1/(cm·h－1))、油松树干液流速率(vs2/(cm·h－1))与气象因子的多元回归模型如下:

式中:x1、x2、x3分别为大气相对湿度，%;大气温度，℃;太阳总辐射，J。从式(1)可以看出，影响刺槐液流速率的主要因子是太阳总辐射，其次是大气温度，最后是大气相对湿度。式(2)中被剔除的因子是大气相对湿度，可知，影响油松液流速率的主要因子是太阳总辐射，其次是大气温度。

4 结论

1)生长季初期(5月份)，刺槐在芽期仅产生微弱液流，日均液流速率小于油松，未表现出明显的昼夜变化规律，从展叶初期开始，液流速率迅速上升，到展叶中期和全叶期，刺槐液流流速开始呈现明显的昼夜变化规律，且与油松的变化规律基本一致。在生长盛期(8月份)，日均液流速率刺槐均大于油松，2树种液流速率连日变化规律基本相同，均表现出明显的昼夜变化规律。

2)生长季初期，刺槐(展叶初期以后)、油松树干液流速率12:00左右达到峰值，在峰值持续时间为6 h;8月份刺槐、油松树干液流速率到达峰值的时间与5月份基本一致，在峰值持续时间为4 h，峰值和月平均液流速率均分别大于5月份。

3)刺槐、油松树干液流呈现明显的季节性变化规律，最小值出现在干旱的4月，降雨充沛的7月达最大值。刺槐林、油松林的耗水旺季集中在6—9月，耗水量最大值均出现在7月份，最小值出现在4月份。在整个生长季(4—10月)，油松林的总耗水量明显大于刺槐林耗水量，4和10月，刺槐耗水量略小于油松，5—9月，刺槐明显大于油松。

4)气象因子对刺槐、油松液流速率的影响强度依次均为太阳总辐射＞大气温度＞大气相对湿度。经回归分析得，影响刺槐液流速率的主要因子均是太阳总辐射。

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Sap flow in forests ofRobinia pseudoaciaandPinus tabulaepormisby using TDP method

Guo Baoni1，Zhang Jianjun1，2，Wang Zhen3，Ru Hao1，Huang Ming1

(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing;2.Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing;3.International Center for Bamboo and Rattan，100102，Beijing:China)

Stem sap flow ofRobinia pseudoaciaandPinus tabulaepormistrees on the Loess Plateau，western Shanxi Province，was measured with the thermal dissipation probe(TDP)method during the growing season from April to October，2010.Combined with some concurrent meteorological factors，the diurnal and seasonal variations of stem sap flow of both species were comparatively studied.The model of sap flow and meteorological factors was established.The results showed that:1)the sap velocity ofR.pseudoaciawas lower than that ofP.tabulaepormisand no significant diurnal variation in early May.In late May，the average diurnal flow velocity ofR.pseudoaciawas higher than that ofP.tabulaepormis.Their diurnal variations were similar，and their flow velocity began to increase quickly from 9:00am and peaked at about 12:00am.2)In August，the average diurnal flow velocity ofR.pseudoaciawas also higher than that ofP.tabulaepormis.Their diurnal fluctuations were approximately same，and the time when flow velocity began to increase quickly and peaked was basically identical with that in May，but the diurnal peak values were 1.79 and 1.49 times as much as that in May.The average value of flow velocity in August was 3.01 and 1.48 times as much as that in May，respectively.3)Stem sap flow and monthly water consumption present seasonality law.Water consumption was high from June to September.Sap flow velocity reached a minimum at April and a maximum at July.From April to October during the whole growing season，the water consumption ofR.pseudoaciawas 1.63 times as much as that ofP.tabulaepormis.The regression analysis revealed that the main affecting factors of sap flow velocity were solar total radiation and vapor pressure deficit forR.pseudoaciaand solar total radiation and atmospheric temperature forP.tabulaepormis，respectively.

sap flow velocity;water consumption;Robinia pseudoacia;Pinus tabulaepormis;Loess Plateau in western Shanxi Province

2012－01－12

2012－05－17

“十二五”国家科技支撑项目“晋陕黄土丘陵沟壑区生态经济型水土保持林研究与示范”(2011BAD38B0603)

郭宝妮(1986—)，女，硕士研究生。主要研究方向:生态环境工程。E－mail:guobaoni1111@163.com

†责任作者简介:张建军(1964—)，男，博士，副教授，硕士生导师。主要研究方向:水土保持。E－mail:zhangjianjun@bjfu.edu.cn

(责任编辑:宋如华)