塔里木盆地胡杨单木与林分耗水量的尺度转换研究
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塔里木盆地胡杨单木与林分耗水量的尺度转换研究
白云岗1 张江辉 1 王新友2 李冰2 潘洪彬2
(1新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐 830049;2新疆巴州水利管理处,库尔勒 841000)
【摘 要】:本文在单木液流测定的基础上,采用边材面积作为纯量,对塔里木盆地的防风固沙的主要树种胡杨进行由单木到林分耗水的推算.结果表明:胡杨边材面积与胸径之间存在较高的相关性,通过实测标准地的胸径分布,可推算出林地边材面积分布,进而可利用热脉冲技术测定单木液流通量,推算林分的实际耗水量.
【关键词】: 胡杨 尺度转换 液流通量 耗水量
胡杨又称胡桐是西北荒漠生态系统中主要树种之一,对于遏止沙漠扩展,改善生态环境,保护生物多样性等方面具有重要作用.然而,随着社会经济的迅猛发展,水资源的日益紧缺,大量河流由于上中游无序的开发,下游河道萎缩,甚至断流,胡杨林大面积死亡,造成当地生态环境条件恶化,干旱,大风,沙尘暴,冰雹等气象灾害频繁,灾害强度加大.因此,研究防沙造林中的先锋树种胡杨林分的耗水量,将对生态环境建设中科学合理的利用有限的水资源具有重要的意义.
热脉冲法基本不破坏树木在自然生长环境条件下的正常生长状态,可以长期自动监测树干茎流的动态变化;Huber(1932)首次将热作为示踪器测量树干茎流,Edwards[1]等总结成系统的理论技术,后经Olbrich[2] 进一步完善.刘奉觉[3]在我国最早使用热脉冲技术对杨树树干液流的时空动态进行了研究,同时马李一[4]对油松,刺槐单木与林分水平耗水量的尺度转换也进行了研究.
本文利用热脉冲技术对胡杨树木茎流密度进行测定,以边材面积为作为空间纯量,经尺度转换推算出林分水平耗水量,为今后生态恢复,建设以及管理提供理论依据.
1,研究区概况和研究方法
1.1研究区概况
试验区位于中科院新疆生态与地理研究所阿克苏水平衡试验站内,地理坐标:东经80°50′,北纬40°37′,海拔高程1 028 m.属于塔里木河三大源流—阿克苏河,叶尔羌河,和田河交汇处附近的冲积平原,气候为典型的大陆性气候,土壤为砂性壤土,年平均气温11.2 ℃,年平均降水量45.7 mm,无霜期207天.
1.2研究方法
在试验区及附近地区进行随机抽样,然后利用小型生长锥从树干木质部的4个方向钻人至髓心,取出木样,然后根据木质部的颜色区分心材和边材,用精确到0.5mm的钢尺测量心材,边材的长度并记录;在胡杨生长季节内,利用SF探针式茎流测定系统,选择标准木测定树干液流量;选择样木进行解析,分析年龄与边材,胸径与边材之间的关系.
2,结果分析
2.1林分边材面积分布模型
根据热脉冲测定树木液流的原理,边材作为水分的输导组织,其面积大小与水分的传导能力直接相关.边材面积与耗水量成正比关系.根据水分迁移守恒原则,如果把树木从根到枝叶看作为统一的平衡系统,所有的结构因子之间具有输导相同水量的能力,所以我们根据测定的单木液流量,可以通过边材面积估算到整个林分.但树木个体之间存在很大差异,因而其边材面积也不均一,需要对林分边材的分布作出预估,找出根据普通测树因子[如胸径]与边材之间的关系来预估整个林分的耗水能力.因此,对研究地区采取抽样调查的办法,分别测定调查区内胡杨的胸径和木质部直径,获取边材,心材,胸径,年龄等资料.经过统计分折,发现边材面积与胸径之间呈现相对高的相关性.如图1.
图1 胡杨胸径与边材面积的关系
根据调查的数据进行拟合,得到胡杨胸径与边材面积的关系,公式如下:
(1-1)
在调查区选取标准地,对林分中胸径的分布规律进行了每木调查(见表1),就调查区胡杨林分布的现状来看,胡杨胸径大部分分布在12—30cm径阶范围内,平均胸径为19.8cm.不同径阶胡杨的株数分布,按2cm整化,20cm株数最多.
表1 胡杨林地各径阶边材面积分布
样地
径阶
株树
预测径阶边材面积/cm2
径阶边材总面积/cm2
胡杨林地
12
1
82.89
82.89
14
3
105.62
316.87
16
5
130.30
651.49
18
7
156.81
1097.65
20
10
185.06
1850.59
22
4
214.98
859.91
24
2
246.49
492.99
26
2
279.55
559.11
28
1
314.10
314.10
30
1
350.09
350.09
图2 胡杨标准地径阶与边材面积分布关系
2.2 基于单木液流通量的测定推导林分实际耗水量
对林分实际耗水的理论推导,源于热脉冲技术对单木耗水的实测结果,即单位时间通过单位树干断面积的平均水流量为Qs (液流通量).假设同一时刻,气象因子,土壤水分对于林分内的每一棵树都是同质的,且同一径阶树木之间相同高度断面的输水能力是相同的.这样某一时段ΔT内林分的总液流通量Qt可以表示为:
(1-2)
式中: Qt为时段ΔT内的总液流通量;
Qs为单位时间通过单位树干断面积的平均液流量;
b0,b1为胸径—边材面积模型参数;
k为起测径阶;
n为总径阶数;
m为该径阶的株数
c为整化长度.
由于液流具有即时变动的特性,一天中ΔT区分越小,测定数据越精确.通常我们测定的间隔为20—30min,在这样的时间间隔内,通常认为液流变动不大.上述模型要求我们同时测定林分中的各径级样本,如果林分径阶比较多,则测定株数相应增多,目前在树木耗水的研究中,由于受到试验经费和仪器设备的限制,这样的工作较难进行.
本次研究采用标准木法,通过林分调查,选出2棵能够代表林分平均生长水平的标准木作为定点监测木,然后测定其液流通量(详见参考文献5).并且假定,在相同立地条件下,同一时刻,该树种不同阶径的木质部之间Qs没有很大差异,基于这样的假设,ΔT时间内林分的总液流通量Qt的推导公式就变为:
(1-3)
本次试验设定热脉冲仪的读数频度为ΔT为30min,则从零点开始,林分一昼夜内的耗水量Es为:
(1-4)
Qsj为树种测定的一昼夜,从0:00开始,按30min时间间隔取样,第j次测定的液流通量Qs,其余参数同上.
试验中测定的胡杨防护林标准地面积为2.5m×60m,不同阶径胡杨的分布情况见表1.利用实测的单株胡杨,计算胡杨林分的耗水情况详见表2和图3,4.
表2 标准地内胡杨林分耗水
时间
林分月耗水量
(m3/月)
林分日平均耗水量
(m3/d)
4月
44.76
1.49
5月
82.16
2.65
6月
93.94
3.13
7月
98.06
3.16
8月
88.15
2.84
合计
407.07
图3 标准地内胡杨林分日耗水连续11日的变化过程图
图4 4月—9月间标准地内胡杨林分日累计耗水过程图
3,结论
(1)利用边材面积推算林分的耗水,具有较高的可靠性.其原因有二:一是边材面积与液流的关系非常密切;二是边材面积易于准确大量测定.所以尺度的扩展过程能获得比较好的结果.
(2)胸径与边材面积成较好的函数关系,通过抽样调查建立了边材与胸径关系模型,.该模型只能用于特定的水文立地条件,不同立地条件下,该模型参数会有些变化
(3)以边材面积为空间纯量,在假设同一时刻,气象因子,土壤水分对于林分内的每一棵树都是同质的,且同一径阶树木之间相同高度断面的输水能力是相同的基础上.建立了从单株树木推算整个林分耗水的计算模型:
.
(4)通过尺度上升转换得到了整个胡杨防护林地林分生长期内的耗水估计值.4月—8月份分别为44.76m3,82.16 m3,93.94 m3,98.06 m3,88.15 m3.4—8月生长期内总耗水量为407.07 m3.通过分析发现,林分耗水量从4月开始增大,7月份达到最高.
参考文献
[1] Edwards W R N,Warwick,N W M. Transpiration from a kiwifruit vine as estimated by the heat pulse technique and the Penmanmonteith equation[J],New Zealand Journal of Agriculture,1984,27:537-543.
[2] Olbrich B W. The verification of the heat pulse velocity technique for estimating sap flow in Eucalyptus grandis[J],1991,21:836-841.
[3] 刘奉觉,郑世锴. 用测定木质部液流速度的方法确定树木的蒸腾耗水量[J]. 林业科技通讯,1989,30(4):30-32
[4] 马李一,孙鹏森,马履一. 油松,刺槐单木与林分水平耗水量的尺度转换[J],北京林业大学学报,2001,23(4):1-5.
[5] 白云岗,宋郁东,周宏飞等. 应用热脉冲技术对胡杨树干液流变化规律的研究[J],干旱区地理,2005,28(3):373-376.
作者简介:白云岗,男,1973年03月,硕士,西北农业大学,新疆水利水电科学研究院,室副主任,工程师,地址:新疆乌鲁木齐市红雁南路2号,邮编:830049.联系电话:0991-8523145(办),13899867569,0991-8522078(传真),Email:xinjiangbyg@tom.com,xjbaiyg@yahoo.com.cn.
资金资助项目:国家自然科学基金项目(50579062),国家科技支撑计划(2006BAD11B09),国家"863"计划(2006AA100218).
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