《西北半干旱地区林草复合模式耗水特征的研究——以毛乌素沙地为例》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
中国农业大学博士学位论文西北半干旱地区林草复合模式耗水特征的研究——以毛乌素沙地为例姓名：桑玉强申请学位级别：博士专业：生态学指导教师：吴文良;张劲松20061101 摘要本文以内蒙古毛乌素沙地杨树．紫花苜蓿复合系统为饲，采用热扩散法(TDP)和经涡度相关验证后的Penman·Monteith修正模型测算了21年生杨树林带和2年生紫花苜蓿蒸散耗水量，分析比较了林草的耗水变化特征、种间耗水比例以及复合系统内土壤水分的变化规律，以期为西北半干旱地区退耕还林还草的科学配置提供必要的理论依据。防护林带由单排新疆杨组成，林带结构为通风型，东北一西南走向，株距2m，带距150m，平均树商15m，平均胸径21．1cm．紫花曹蓿于2003年8月人工播种，播种密度和深度分别为30kg／hm2和2cm，并在防护林带东部约600m处设一单作牧草系统作为对照。全文结论如下：1、生长季节(4-9月份)，杨树蒸腾速率日变化表现为随着太阳辐射的增加，蒸腾速率迅速上升，中午前后达到峰值后并维持较长对闯，然后缓慢下降，直至次目日出前后降为0。晴天和阴天杨树蒸腾日变化表现为单峰曲线，多云日表现为双峰曲线；非生长季节(10-3月份)，杨树蒸腾速率日变化不明显，昼夜波动较小。2、2004、2005年单株杨树年耗水量分别为7490．86L和6245．54L，其中生长季节耗水量分别为5300．96L和4665．82L。耗水量最大出现在6月，分别为1073．82L和I163．65L，占生长季节耗水量的20．26％和24．94％；非生长季节耗水量分别为2189．90L和1579．72L，耗水量最小出现在2月。分别为312．37L和190．781．．，占非生长季节耗水量的14．26％和12．09％。3、通过对生长季节空气温度(Ta)、相对湿度(尼阿)、风速(y)和太阳辐射(Q)等气象因子与杨树蒸腾速率进行多元回归分析，回归方程为：Tr=1．0191+0．025621V+0，03799Ta-0．01485RH+0．0015400，F=15509．78>>Forol(4，18288)=3．32，可通过显著性检验。说明影响杨树蒸腾速率的最主要气象因子为太阳辐射，二者的偏相关系数为O．561，相对湿度与蒸腾速率表现为负相关，=者的偏相关系数为．0．477。杨树耗水量与参考作物蒸散量之间存在较好的线性相关关系，相关系数为0．73：杨树蒸腾速率与叶面积指数、叶面积指数×水面蒸发的关系分别用三次曲线和乘幂关系拟合效果较好，相关系数分别为O．84和0．83。4、利用Pcnman-Monteith计算的牧草蒸散值与涡度相关实测值具有很好的一致性，R2=o．“，平均相对误差为14，73％，说明利用Penman-Monteith修正模型计算林草复合系统紫花苜蓿蒸散耗水量是可行的。5、2004年牧草全生育期复合系统内与单作紫花苜蓿耗水量分别为222。83ram和269．02ram，复合系统紫花苜蓿耗水量降低了17．2％。不同生育期紫花苜蓿耗水量差别较大，耗水最大出现在开花-结荚阶段，该阶段复合系统与单作紫花苜蓿耗水量分别占总耗水量的45．66％和48．43％．复合系统内紫花苜蓿产草量(干重)比单作高11．1％；距离林带04)．7H树高处为紫花苜蓿减产区域，1．3·&7H范围为增产区域。总体而言，由于防护林具有增加空气相对湿度、土壤水分和降低风速的作用，复合系统内紫花苜蓿表现为增产效应，具有较高的水分利用效率。6、林草复合系统内净辐射，相对湿度和土壤水分交化表现为抛物线形状：距离防护林越近，数值越小，在中心位置处，数值最大；风速和气温表现为倒抛物线形状；距离防护林越近，数值越大，在中心位置处，数值最小．土壤水分最低和最高分剐出现在7月和8月份。距离林带04)，7H处，土壤水分低于单作系统，表现为负效应，I．3-8．7H处土壤水分高于单作系统，表现为正效应。与对照相比，牧草生育期内复合系统内土壤水分，空气温度和空气相对湿度分别增加了13．2％、 4％和7．8l％，净辐射和风速分别降低了28．25％和12．19％。7、从单位面积而言，林、草耗水比例为2：1，说明林带蒸腾耗水占主导地位；从实际区域面积而言，林、草耗水比例为I：8．34，说明牧草耗水占据主导地位。因此从合理利用水资源的角度而言，在该地区适度发展宽带距林草复合系统是可行的。与种植其他玉米、春小麦、豆类等作物相比。林革复合系统均具有明显的节水效果，因此，在该地区推广宽带距林草复合模式具有一定的应用价值。关键词：毛乌素沙地，杨树，防护林，紫花苜蓿，蒸腾，TDP，Penman—Monteithn AbstractWiththethermaldissipationprobe(TOP)methodandthevalidatedPenman-Monteithmodel，thetranspirationofpoplarshelterbelts(PopulusbolleanaL．)andalfalfa(MedicagoSativaL．)indifferentgrowingstages，plantedinthepoplarshelterbelts，weremeasuredandcalculatedinthetree-grasssystemsintheMaownsuSandyArea,InnerMongolia,northwestChina．Thebroad-spaCeshelterbcltswerecomposedofsinglerOWofpolartress，21-year-old，spacedat2mbetweentreesand150mbetweenrows．Thetreeswereabout15mtallonaverage，withameantrunkdiameterof21．1cm．TheshelterbeltrOWSwel'eorientednortheast-southwest．AlfaWasplantedinAugust，2003andtheplantingdepthanddensitywere2emand30kg／hmz，respectively．MonoeulturesystemofalfalfaWasestablishedtobeacontrolplotabout600meastawayfromthetree—grasssystemsThewaterconsumption,theratioofwaterbetweenpoplartreesandalfalfaandthevariationofsoilwatercontentinthetree-grasssystemswereanalyzedtoprovideguidelinesforthedistributionoftreeandgrassinsemi·aridregions．Themainconclusionswereasfollows：1．Thediurnalpatternofpoplartranspirationingrowingmonths(fromApriltoSeptember)wasdemonstratedthatthetranspirationincreasedwiththeincreaseofsolarradiation，andreacheditsplateauduringthenoonandthethendecreasedgradually,reachingZerojustbeforethesunriseinthenextday．Thetrampirationpatternofpoplarteesonsunnyandovercastdaysshowedsingle-peakcurveanddouble-peakcurveoncloudydays；duringthenou·growingmonths(fromOctobertoMarch)，thetranspirationpatternofpoplartreeshadlittledifferencebetweendayandnight．2．Theammalwatereousamptionofindividualpoplartreesha2004and2005wgTe7490．86Land6245．54L，respectively．ThemaximumwatercousumptionoccurredinJune，theamountin2004and2005was1073．82Landl163．6SLrespectively,accountingfor20．26％and24．94％ofthetotalamountofgrowingmonths，respectively．TheminimumwaterCOUSamptionWasfoundinFebruary,withtheamOUntof312．37Land190．78L,respectively,accountingfor14．26％and12．09％ofthetotalamountofnon-growingmonths,respectively．3．Multi-regressionequationWasestablishedbetweenthetranspirationandcanopymierometeorologicalfactorsinthegrowingmonths：Tr=i．0191+0．025621V+O．03799Ta-0．01485RH+0．001540Q．TheregressionequationshowedthatsolarradiationWasthekeyfactoraffectingtranspiration．Relativehumidityshowednegali、rcrelationshipwithtranspiration．TranspirationhadlinearrelationshipwithreferenCecropevapotranspiration，andcubiccurveandpowerrelationshipwithLAIandthecombirmtionofLAIandwaterevaporation,respectively．4．GoodagreementWasfoundbetweentheevapotmnspirationmeasuredbyEddyCovariancetechniqueandcalculatedbyPenman-Monteithmodifiedmodel．n把relativefft'l'orwas14．73％O世=0，84)’whichshowedthatPenman-MonteithmodelWasreliabletoestimateevapotnmspirationofpastmeintheshelterbelts．5．Duringthewholegrowingstagesof2004，eval)otranspirationofalfalfaplantedinshelterbeltsandUI inmonoculturewere222．83ramand269．02ram，respectively．Comparedwithmonoculture，waterconsumptionofalfalfashelterbeltsdecreasedby17．2％，ThemaximumofevapotranspirationWaSfoundflowering-prodncingphase．accountingfof45．66％ofthetotalammmt．Drygrassyieldofalfalfashelterbeltswas“．1％higherthanthatmonoculture．showingyield-improvingeffectand掰ghwater跚efficiencyduetothemicroclimateoftheshelterbelts．6．Netradiation，relativehumidityandsoilwatercontenttheshelterbeltsshowedparabolapattern，whilewindspeedandairtemperatureweredemonstratedwith⋯Vtrends．ThehighestandlowestsoilwatercontentshelterbeltsWasfoundAugustandJuly,respectively．Inthedistanceof0-0．7Htotheshelterbelts,soilwatercontentWaslowerthanthattheopenfield，showingnegativeeffect；,soilwatercontentthedistanceof1．3-8．7HtotheshelterbeltsWashigherthanthattheopenfield．showingpositiveeffect．DuringthegrowingStagesofal翻fa,comparedwjt}Itheopenfield，soilwatercontent，airtemperatureandrelativehumiditytheshelterbeltsincreasedhy13．2％，4％and7．8l‰respectively,whilenetradiationandwindspeeddecreasedby25．25％and12．190,6，respectively．7．Asfarasunitareaisconcerned，thewaterconsumptionratiooftreetograssWas2：1，showingthatshelterbeltstranspirationprevailedthesystems；Asfarasthetotalareaisconcerned．theratiooftreetograssWas1：8．34，showingthatalfalfawaterconsumptionprevailed．What’Smore，comparedwithothercropssuchasmaize．springwheatandlegume,water-savingeffectoftree—grasssystemsWaSprominent．ItisreaSonabletodevelopthebroad-rowtree-grasssystemsordertomakefulliLseofthewaterresourcos．Keywords：MaowusnSandyArea,PopulusbolleanaL．，shelterbelts,MedicagoSafivaL．，transpiration，theramldissipationprobe(1D既Penman-MonteithⅣ 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。～繇彰吞弓旅帆沪g钆月如日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可阻用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名．象七导师签名；弓苏时间：)伊p占年，，月如日时间：切衫年r好幻∥ 中国农业入学博上学位论空第‘章绪论1．1选题背景及立题意义第一章绪论西北地区地域广阔，主要包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西和内蒙古的西部等地，土地总面积为345万km2，占全国土地总面积的36％：资源丰富，民族众多，人N9178万，占全国总人口的7．3％；GDP为5013亿元，占全国总量的5．7％，人均GDP为5461元，为全国平均水平的77％．西北地区在我国经济建设、社会稳定和国防安全方面都具有重要的战略地位。同时，由于其特殊的自然地理条件，它又是我国极其重要的生态环境屏障。西北地区水资源多年平均总量为1635亿矗，仅仅为全国总量的5．84％；2000年人均多年平均水资源量为1781m3，是全国当年人均水资源的80．5％(钱正英，2003)。由于水资源紧张．干旱和风沙是我国西北地区乃至华北地区最容易发生的自然灾害，并由此导致了水土流失和土地荒漠化等一系列问题。为了改变这一严重的生态环境问题，加强植被建设、改善环境是我国西部大开发的切入点和根本点，退耕还林还草工程作为我国六大重点林业生态工程之一，是其中的主要技术手段。由于森林是陆地生态系统的主体，它在陆地生态系统中具有不可替代的作用；草类作为生态系统中的初级生产者之一，在退化生态系统恢复重建中的作用不可低估，草类的生态效益和经济效益极好，并具有极其重要的水土保持功能，因而林草复合系统被确定为瑙北半干旱地区植被建设主要技术模式。在实践中，农区、牧区造林不仅作为减轻和控制干早的一项生物工程措施在词北地区全面展开，而且已经被提到了我国林业建设的高度来进行规划。从1978年到2004年，“三北”地区森林覆盖率由原来的5．05％增加到9％(朱金兆等。2004)。但是西北地区气候干燥，水资源十分紧缺。严重制约了该地区林草复合系统的可持续发展，也是西北生态脆弱的主要根源和表现。而林木特别是乔木因为根深叶茂，其单株水平上蒸腾耗水强度较牧草相对要高。因此，就西部水资源半干旱地区植被建设模式与水瓷源关系。在学术界颇有争议，最突出的两个相关问题是：退耕还林还草植被建设工程以林为主还是以草为主；如果以林为主，那么是以乔木为主还是以灌木为主?大面积造林会不会导致土壤水分更加干旱，以致加剧整个生态系统的恶化?要想阐明上述争议问题，解决和完善关键配套技术，必须开展不同植被建设模式水分生态特征的定量研究，才能提供科学的理论依据。因此，有必要对林草复合模式不同植被的种问耗水进行比较，力争为西部生态建设提供证据，完善林草复合系统的理论。毛乌索沙地占据鄂尔多斯高原南部和黄土高原北部区域，地跨内蒙古、陕西、宁夏三省区。毛乌素沙地的发展、历史演变及现实状况，在很大程度上代表了中国干旱、半干旱沙区存在的人类活动与自然资源问相互关系的许多典型问题。开展对毛乌素沙地植被耗水的研究对于揭示干旱、半干旱地区的植被需水耗水特征具有非常典型的代表意义。本研究以内蒙古毛乌素沙地农牧交错带林草复合模式为例，采用当前国际先进的植物蒸腾和±壤水分测定技术，动态观测典型林草复合模式中林带的蒸腾耗水和土壤水分，计算、分析林带耗水规律及其影响机制和土壤水分效应及其时空分布特征；并利用验证后的模型计算林草复合系统及单作系统的牧草蒸散耗水量，分析其不同生育期的蒸散效应及其影响机制，揭示林草复合系统的种间耗水比例及水分供需平衡，旨在为西北半干旱地区林草植被的科学配置提供必要的水分 生态理论依据，提高植物的水分利用效率，并以别能为林草复合系统牧草蒸腾强度的计算提供可借鉴的方法和手段。1．2国内外研究进展农林复合系统(Agroforestry)又称为复合农林业，既是一种传统而新兴的土地利用方式，又是一门新型的交义性、边缘性学科。这种现代化土地利用模式，是1978年在印度尼两亚雅加达召开的第8届林业会上提出的(黄金东等，1999)。农林复合系统在解决农林“争地”矛盾，改善生态环境、提高自然资源利用率、增加农民收入、促进生态与经济持续协调发展等方面具有强大的生命力(张劲松，2004)。尽管世界各地及其不同的历史时期，对复合农林业的定义不完全一致，但其基本原理、基本内容和主要特征是相同的。其内涵可以概述为：复合农林业是以生态学、经济学和系统工程为基本理论，并根据生物学特性进行物种合理搭配，形成多物种、多层次、多时序和多产业的人丁=复合经营系统。物种结构、空间结构、时间结构和食物链结构是复合农林业的重要标志。对比其它土地利用系统，复合农林业系统具有多样性、系统性、集约性、等级性、高效性和持续性等特征(李文华等，1994)。目前，为大家统一接受的定义是国际农林业研究中,t=i,(ICRAF)所认可的，概念为：“Agroforestry是～种土地利用系统和应用技术的复合名称，是有目的地把多年生木本植物(乔木、灌木、棕榈和竹子等)与农业、牧业用于同一土地经营单位，并采取时空分布或短期相问的经营方式，使农林复合经营系统在不同组合之间存在着生态学和经济学的统—韵相互作用”(李文华等，1994；裘福庚等，1996；吴榜华等，2000)。根据经营目标、组合方式和功能的不同，农林复合系统的类型主要包括林．农复合、林．草复合、林．药复合以及林．草．牧复合等．林草复合系统又称为林草混交、林草间作，属于农林复合系统中的一个类型。随着我国西部大开发、生态环境建设和林、草业发展的需要，林草复合系统在我国日益受到重视。1．2．1农林复合系统研究与实践概述农林复合系统的实践活动在国外有较长的历史。亚洲是农林复合经营的主要发源地之一。早在1856年缅甸就出现了一种叫塔亚的系统(TaunyaSystem)，此系统是将农作物或JEfj材林实行间作，由于对农作物的精心管理，使得树木的生长也受益．20世纪50年代，马来西亚政府将这种塔亚系统引进了国内，并加以改进，以适应本地区的需要。印度尼西亚在20世纪50年代也将塔亚系统引进了国内，并取得了很好的效益。塔亚系统在东南亚各国得到了迅速的发展。随后，这种塔亚系统又传入非洲和南美洲的一些国家。到20世纪70年代，世界各地对农林复合经营系统开展了广泛的实践。例如，在亚洲，印度尼西亚的树木园田及“同佳”系统。在非洲，坦桑尼亚的“查卡”系统是由个体农民经营的面积在lhm2左右的园田式系统，实施农、林、牧复合经营。中美洲还推行破布木与玉米、可可、咖啡间种；果树与咖啡问种；果树与牧草问种等形式，效益倍增。在欧洲，意大利的杨树和稻子、玉米、小麦以及三叶草间种；葡萄牙、西班牙的柑橘、葡萄与农作物的间种，以及栓皮栎树下的牧草问种等均取得良好效益．澳大利亚和新西兰由于畜牧业比较发达，所以林牧复合经营方式得到广泛应用(裘福庚等，1996)。2 中国农业大学博上学位论文第一章绪论摄近几年来，不仅是亚非洲发展中国家，就连欧美～些发达国家对农林复合系统的研究也十分重视。虽然欧洲农林复台经营的类型和规模均不及亚洲、非洲等地区，但在英国，农林复合系统的研究已经比较深入。1986年，英国成立农林复合经营研讨会(AFRUKDF)，并出版刊物(AgroforestryForum}。英国现在有7个国家级农林复合系统研究试验站，研究内容包括植物生理、环境影响、社会经济、生产力等。目前，英国在农林复合系统模拟模型研究领域居世界先列水平，许多相关性模拟模型(PARCH，HYBRID，SCUAF等)均由英国学者研制开发；在美洲特别是美国，农林复合系统的研究发展很快，在水肥动态，生物生产力、生物多样性、土地资源优化设计、经济风险和社会持续发展等方面具有较好的研究基础。从1989年开始，美国每孤年举办一次农转复合系统学术研讨会(Zinkhan，1997)．这些在很大程度上促进了农林复合系统的发展。从国外的农林复合经营发展来看，农林复舍经营发展时闻早，复合经营的模式和种类多样，许多模式得到了推广。在许多国际性组织，如ICRAF、FAO的参与和资助下，国外对农林复合经营结构、功雒与生产力的研究较为具体和深入，基础研究较多，但对农林复合生态系统的应用以及将其作为一个整体来研究并与农、牧、渔等相结合的工作相对较少。我国农林复合经营的思想和实践有着悠久的历史。但是有组织、有规模地发展农林复合系统是20世纪50年代以后在防护林建设推动下才开始的。河南省在20世纪60年代兰考县桐粮闻作的基础上，大力发展多种模式的桐稂间作。70年代在河南及黄淮海地区得到迅速的发展。该地区在桐粮间作的启发下，杨粮问作也得到了相当的发展。70年代末，在海南岛和云南南部发展林胶茶问作模式，即在橡胶园四周建立防护林带，林带问巷状种植胶树和茶树，对抵御寒风和热带风暴的自然灾害有明显的作用。80年代，在江苏里下河地区的湿地，发展了林．渔．农复合经营系统。在滩地开沟或挖塘，沟塘边形成台地，沟塘养鱼，台地农林间作，在里下河地区大面积推广。90年代以来，在话南山地、丘陵地区发展的等高植物篱技术——在坡地沿等高线布置灌木或矮化乔木作为植物篱带，带间种农作物，能有效地防止水土流失和提高土壤肥力，取得良好的经济效益，生态效益和社会势荔：历经近30年的发展，国家级防护林工程——三北防护林工程共完成造林2350万公顷。20％的沙漠化土地得到治理，40％的水土流失面积得到控制，64％的农田得到保护，被国际友人称为“世界生态工程之最”和“中国的绿色长城”，可以堪称是农林复合经营系统在客观水平和宏观尺度上应用的光辉典范。目前，我国农林复合的研究主要集中在植物材料筛选、结构配置与模式构建、经营管理、特征与功能等方面。与国外相比，研究技术手段落后，监测缺乏连续性，研究结果缺乏系统性和整体性。由于我国地域的辽阔性及气候、土壤的多样性，许多模式只在局部地区得到推广，在其他地方则受到限制。缺乏如何经营管理复合生态系统的研究，不能充分发挥复合生态系统的优势。理论研究落后于实践，不能给实践以很好的指导作用．1．2．2农林复合系统水分生态特征研究水分是植物生长的源泉，水分生态问题是农林复合系统的重要研究内容，农、林之间的水分竞争一直是农林复合系统的研究热点。关于农林复合系统中水分效应的正负问题，目前尚未形成3 中国农业人学博L学位论文第一章绪论统一的认识。一些研究认为农林复合系统加剧了水分竞争，恶化了土壤水分条件。他们认为，由于林木的肪护作用，导致作物的冠层温度升高和气孔导度增加，从而增加作物的蒸腾耗水量。风速的降低，只有在水分充足的情况下，才有可能起到降低蒸散的作用。Brown＆Rosenberg(1971)研究认为，在非平流条件下，农田防护林区与开阔地的蕉散量相差不大。如果防护林内作物的气孔阻力降低，那么防护林内作物耗水量将大于开阔地。Lynch(1980)认为，只有在士壤水分充足的条件下．防护林才有可能起到降低土壤蒸发和作物蒸散的作用。Cieugh(1998)指出，防护林对林内植物的蒸腾和土壤的蒸发起增加作用还是降低作用，主要取决于土壤及植物本身的水分状况和当时的天气状况，只有在土壤水分不成为蒸散发生的限制因子的条件下，风速的降低才是农田蒸教降低的主导因子。合作杨间作紫花苜蓿的土壤含水餐测定结果表明，除O-5cm表层土外，林草间作地土壤含水量均低于单纯林地，40cm以下土壤含水量仅为纯林的48．5．56．1％，形成了千土层(孙祥，1985)。华南赤红壤坡地幼龄果园间种牧草试验表明，干旱季节间作地土壤水分含量较清耕对照低25％，且牧草生物量越大，消耗的水分越多。Ludwig(2001)研究了东非稀树丈草原上的林草间作后发现，林下草地的有效水比空旷地草地要少，通过高大林木的液压提升作用(hydrauliclift)，林木可以从深层土壤中获取水分，尽管这些水分不能弥补林草之间的水分竞争，但是可以缓和两者之间的竞争关系。也有一些研究认为林草复合系统对土壤水分的影响不大，如李光晨等(1996)研究了白三叶草、早熟禾和自然生草对北京郊区灌溉苹果园土壤水分的影响，结果表明．白三叶草(TrifoliumreperaLinn．)对果园土壤水分无显著不良影响，早熟禾和自然生草除个别测定曰低于对照外，其他时间与对照土壤含水量无显著差异。Cleugh(1998)研究发现对于灌溉作物而言，防风林的小气候效应能增加作物产量，从而提高水分利用率，但对于旱地农业而言却没有这种作用。罗天琼等(2001)对梨(PyruasPP．)的生草试验表明大部分时间生草梨园和清耕园土壤含水量差异不显著。还有研究认为农林复合系统能增加或孝改善±壤水分状况，其珲论基础在于：在农林复合系统中，由于林木的遮阴、风速及湍流交换作用的减弱等原因，将具有降低林内植物蒸腾和土壤蒸发强度的作用，降低的强度还跟作物生长季节及天气类型有关。康斯坦季诺夫(闻大中，1983)研究表明：农田防护林带能极大得降低农田的可能蒸散量，50-100hm2中等大小的网格可降低蒸散10-20％，并随着林网网格面积的缩小，降低幅度更大。在难以灌溉和降水不足的地区，网格面积缩小至中等网格的i／3．1／2，在当地降雨量只有300-400ram的情况下，仍可以节约40—100mm的耗水量。前苏联的研究表明，由胡颓子和榆树组成的2．3行牧场防护林网与空旷地相比，提高了空气相对湿度，增加了土壤水分。吴运英等(1991)对桐麦问作进行研究，结果表明：在晴天天气条件下，间作系统内小麦的可能蒸散和实际蒸散都低于单作小麦，间作密度越大，蒸散减少的幅度越大。陆光明(1992)通过在我国黄淮海地区的多年研究发现：梨麦问作系统可以使小麦可能蒸散和实际蒸散分别降低5．3％和14．9％。防护林降低林内蒸散的程度与气候年型有关，偏早年的降低幅度大于多雨年份(陆光明，1993)。赵焕胤等(1994)对林网内农田的水面蒸发资料分析发现，随着距离林缘距离的增加，水面蒸发逐渐降低，在大约5倍树商处，水面蒸发降为最低，随后又逐渐增大，在靠近下一条林带处，蒸发又有所降低。经济林内间作牧草后，无论是冬季还是夏季，林内土壤水分均高于对照，起到了保持水分的作用(市村贵弥，1994)。河北省4 中国农业人学博L学位论文第一章绪论林业科学研究所在太行山区的研究表明林草间作可使9月份蒸发量减少1．7mm(王建江等，1996)。季志平(1997)从水分生理生态的角度对油茶复合林与纯林进行比较后得出，复合林地与纯林地相比不仅提高了土壤的持水性能，而且对水分的散失具有缓冲性，即月际变化幅度小。李会科和王忠林(2000)对榆林风沙区牧场防护林进行研究后发现，牧场防护林内-十壤水分含量比对照提高了2．02％，空气相对湿度提高了12．4％。郑长禄和耿生莲(2001)研究了青海沙区农田防护林土壤水分的变化，发现林网内土壤水分含量不仅显著高于对照，而且月变化值较小。张劲松等(2002)对黄淮海平原农区银杏一小麦问作系统的热量效应(白天)和水分效应进行了研究，结果表明：小麦抽穗一乳熟期和拔节一腊熟期，问作系统小麦日蒸腾速率比单作麦田低18．4％；系统内麦田土壤贮水量随带距的变化呈抛物线状分布，对比单作麦田，问作系统总体平均可使麦地0-100gnl土壤贮水量提高6．84％；问作系统小麦叶片水分利用率比单作麦田约商4．O％。张劲松等(2002)对太行山低山丘陵区苹果一小麦复合系统水分效应研究表明：对比单作小麦系统。复合系统具有明显的小麦蒸腾需水及耗水降低效应，其值分别可达18．o％N16．8％；小麦拔节．腊熟期间各时段内，复合系统中0-80era土层贮水量随带距的变化均大致呈抛物线状分布。复合系统土壤水分总体趋势要略高于单作小麦系统。邓玉林等(2003)研究了三蛱库区果牧结合生态农业模式的综合效益，发现土壤含水量以果一草-牧模式最高，果菜套种其次，单纯果园最低，果．草．牧生态农业模式能有效地增强土壤保水能力。对于坡耕地及水分亏缺地区有着重要意义。陈家宙等(2003)研究了红壤丘岗区不同林草复合生态土壤水分状况，发现阔口f林和混交林F层土壤水分含量比马尾松林和自然草被低，说明林种的选择对林草复合系统的土壤水分含量影响也比较大。杨福兰等(2003)对山东黄河淤背区防护林研究后发现，由于林分改善小气候效应，林内风速减弱，空气湿度增加，地面蒸发量降低，从而使林地土壤0-60em土层中含水量相应增大。一天中林内相对湿度变化，从8点到18点呈较平缓高-低一高变化，丽无林对照区空气相对湿度变化始终处于逐渐减少趋势。盂平等(2004)对黄淮海平原农区宽带距多行带梨．麦问作系统水分效应进行了研究，结果表明：小麦拔节一乳熟期间，问作系统内小麦日蒸腾耗水比单作麦田低21．6％，距梨树0．0．7．0m为n十壤水分的降低区，7．0．2s．om为土壤水分提亳区．间作系统总体上使麦田0-700cm土壤贮水量提高11．81％。梁伟等(2006)研究了黄土丘陵沟壑区退耕还林还草区土壤水分后发现，退耕还林还草后。不同林地的土壤含水量均有不同程度的提高，综上可以看出，关于林草复合系统能否改善土壤水分状况尚未形成一个定论，由于试验方法、研究地区和试验对象的不同，其结果有很大差异。目前的文献中关于农、林之问的水分竞争研究较多，而有关林、草之间的水分竞争研究较少，对于西部半干旱地区的林革复合模式的水分生态研究基本没有涉及．因此开展西北地区林草复合模式的植被耗水研究对于提高该地区植物的水分利用效率，节约有限的水资源对具有很重要的现实意义。1．3植物蒸散测算方法蒸散包括土壤蒸发和植物蒸腾两部分，蒸发是指土壤水分汽化并向大气扩散的过程，蒸腾是乔灌木树种叶片(或茎叶)上的气孔向外界扩散水分的过程，树木吸收的水分99．8％以上都用于蒸腾作用(王沙生等，1991)。作为植物耗水的主要方式，蒸腾一直是农学、林学、气象学、水文学、生态学等相关学科领域共同关注的重要课题之一。因此，选择合适的蒸散测算方法。正确5 中国农业大学博i学位论文第一审绪论地测算林、草蒸散耗水量，全面了解蒸散的发生规律，对于二揭示水资源紧缺的西北半干旱地区的林草耗水规律及其影响机制、对林业建设战略规划、林草模式的选择及林草水分管理等具有重要的理论指导意义．1．3．1单株植物蒸腾的测定方法对于单株植物，常用的蒸腾测定方法包括快速称重法、风调室法、气孔计法、同位素示踪法等。快速称重法是基于枝叶离体短时间内蒸腾变化不大的情况下，剪取枝叶进行两次间隔称重，用失水量与时闻之比推算出蒸腾速率。该法因为投资少，简便容易操作，深受不少学者的喜爱。此技术可用于测单位叶面的蒸腾强度，而对整株植物的蒸腾耗水量难以较精确地计算。快速称重法因为改变了植物的生理状况，测定有系统误差，影响测量准确度，在应用中需要经过订正(刘奉觉等，1990，1997；巨关升等，2000)。风调室法是指将研究范围内的小部分林地置于一个透明的风调室内，通过测定进出风调室气体的水汽含量差以及室内的水汽增量来获得蒸散量。在国外，该法已被应用于森林，最大的风调室可容纳高度大于20m的树木。但风调室内气候与自然小气候有差别，其研究结果只具有相对的比较意义(魏天兴等，1999：苏建平等，2004：司建华等，2005)，而且由于该法不能在大面积上应用，所以极大地限制了该方法的应用：气孔计法通过气孔计直接测定叶片的蒸腾速率(刘奉觉，1988；司建华等，2005)。目前国内使用的直接测定蒸腾速率的有美国产LI。1600型气孔计，使用方便、精度高，可进行不离体无损伤测定。但由于估计蒸腾有效叶面积时存在较大误差，叶室内的环境也不同于自然环境，而且叶片的选取必须具有代表性，需要由单叶蒸腾外推到整株植物，容易产生较大的误差，应用具有一定的局限性。同位素示踪法是将氚水作为一种示踪法注入植物体内以研究水分的传导速率，优点是灵敏度商、方法简便、容易操作，测定不受其它非放射性物质的干扰。但因样本的代表性问题，难以准确地用单株或凡株植物推出大面积林地的蒸散量，在野外应用具有局限性(苏建平等，2004；司建华等，2005)。风洞技术是用来研究单一环境因子对植物蒸腾的影响的方法。1．3．2林地群落蒸散耗水的测算方法1．3．2．1水文法水文法，是基于一定区域面积和土体深度在某一时段内的水量平衡，闻接测定总蒸散量，故又可称为“水量平衡法”。水文法包括水量平衡法、水分运动通量法和蒸渗仪法。水量平衡法是通过计算区域内水量的收入支出差额来推求蒸散量。测定特定时段的降水量、径流量、土壤水分变化量等因子，根据水量平衡方程计算。某一区域的水分平衡方程为：P=Q+E+S+DL1·1J其中，，为降雨量，Q为径流量，助蒸散量，妫土壤含水量的变化，D为地下水渗漏量。在实际应用中，根据实际情况，上述方程通常可以简化，如对不透水区域，计算年蒸发量时，地下水渗漏量和土壤水含量均可不考虑；在比较干旱的地区，径流量一般不考虑；在地下水位较深的和降雨量较少的地区，地下水不能对土壤进行水分补给，也不存在渗漏量。6 中圊农业人学博l’学位论文第一章绪论水量平衡法适用范围，“泛，测量的空间尺度可小至儿平方米，大至几十平方公里的林分、流域和区域蒸散耗水鼍。该方法最大的优点是：在非均匀下垫面和任何天气条作下都可以应用，不受微气象学方法中诸多气象条件的限制。缺点是：由于水分平衡方程中包含的分量较多，各平衡分量因空间变异特性所导致的测蹙误差，将会集中到蒸散总量上，从而会影响计算精度。在土壤空间较大、树木株距较远的森林中，需要更多的测点布置，才能保证蒸散的测算精度(申双和，1991)。由于水量平衡法是从计算区域内水量的收入和支出的差额来推求蒸发量的，因此用该方法不能解释蒸散的日动态变化规律，不能阐明控制和影响蒸发的各类因子的作用，只能给出蒸散的总量；而且因时间步长相对较长，该方法只能给出较长时段(一周以上)的总蒸散量(m啪&K曲嘶i，2000；司建华等，200s)。水分运动通量法是从土壤水分运动出发结合土壤物理状况来研究蒸发的一种方法。水分通量法有两种，即零通量法和定位通量法。零通量面法是近期国外发展起来的一种研究土壤水补给、损耗和均衡的田问试验新方法，对研究土壤水分运动，有重要的实用价值。零通量面就是土壤中水分通量为0的界面。零遁量面法的应用是有条件的，当地下水位很高时，一般不能应用，降雨频繁，零通量面不稳定时也难易庵用(魏天兴等．1999；陈永金等，2004)。此外，零通量面法是测定零通量面以上各层土壤的蓄水变量来计算蒸发量的，当作物根系穿透零通量匾并吸收其下部的土壤水分时，这部分用于作物蒸腾的水量，在零通量面法中没有考虑进去。而且由于零通量面并非任何时刻都存在，常用定位通量法计算蒸发量或入渗量。蒸渗仪是指装有土壤和植被的容器，通过将蒸渗仪坶设于自然的土壤中，并对其土壤水分进行调控，可以有效地模拟实际的蒸散过程，再通过对蒸渗仪的称量，就可以得到蒸散量。由于该法必须将植被及其根系土壤置于容器内，当蒸散损失水量远小于树木与土壤的重量时，用蒸渗仪测量的误差将会很大。而且随着树形的增大，对设备的要求将会更高，在很大程度上限制了其在森林蒸散研究中的应用(Wul|schlegcretal．1998；Rana&Katerji，2000；王安志等，2001)。1．3．2．2微气象学法微气象学法基于感热和潜热通量确定的基础上，主要包括：能量平衡法、空气动力学法、能量平衡和空气动力学联合公式法、涡度相关法、红外遥感法等。随着电子计算机技术、气象仪器的不断发展，数据的自动化采集与运算系统的日益先进，该方法已成为较为常见的蒸散计算方法。(I)能量平衡法即波文比能量平衡法(BowenRatio-EnergyBalance．BRER)，该方法的物理概念明确，计算方法简单，有着较好的物理基础，能了解蒸散的物理过程，对大气层结没有特别的要求和限制。通常情况下，精度较高，常可作为检验其它蒸散计算方法的准判别标准(Toddetal．2000)。其计算植物蒸散的公式为：胁筹。茬㈣)其中，LE为蒸散量，风为净辐射，G为土壤热通量，，为波文比，是显热灯与潜热z占的比值，AT和Ae分别为不同高度处的温度和水汽压差。r为干湿球常数。7 中国农业大学博t学位论文第一章绪论BRER最基本的假设条件是：空气动量扩散糸数、热量扩散系数和水汽湍流扩散系数相等，所以，只有在开阔、均一的下垫面情况下，才能保证有较高的精度。在平流逆温条件下，由于空气的温、湿度铅直廓线的非相似性，导致了热量和水汽湍流交换系数的非等同性，使用BRER计算蒸散的结果会偏低。在非均匀的平流条件下，还会导致极大的误差。观测点附近还不能有垂直方向上的辐合区和辐散区(刘昌明，1997)。另外，仪器的安装高度要有足够的风浪区长度(fetch)(S胁ard，1997)。一般认为风浪区长度应是仪器传感器的安装高度的100倍以上(刘昌明，1997；谢贤群，1997)。因此，采用BRER法计算沙漠绿洲农田、四周干燥的湿润农田、表面粗糙较大的高杆作物和森林植被，以及多种植被共存的农林复合系统等植被蒸散时，会有较大的误差(Rana&Katcrji，2000)。(2)空气动力学方法空气动力学方法又可称紊流扩散学法，是由Thomthwaise和Holarnan于1939年基于地面边界层梯度扩散理论首次提出的。其理论基础为：近地面层温度、水气压和风速等各种物理属性的垂直梯度，受大气传导性制约，可根据温度、湿度和风速的梯度及廓线方程，求解出潜热和显热通量。据陈发祖(1990)研究指出，只有在湍流涡度尺度比梯度差异的空问尺度小得多的条件下，梯度扩散理论才能成立。故在平流逆温的非均匀下垫面、粗糙度很大的植物覆盖以及在植物冠层内部情况下，该理论不适用。也就是说，空气动力学方法对下垫面的粗糙度和大气的稳定度的要求极为严格，因而，该方法很难在实际工作中得到推广应用。(3)能量平衡空气动力学阻抗联合法penman于1948年将能量平衡原理和空气动力学原理结合起来，首次提出著名的Penman公式，用以计算潜在蒸发量。尔后，于1953年又提出植物单叶气孔的蒸腾计算模式。Covey于1959年将气孔阻抗的概念推广到整个植被冠层表面。Monteith于1965年在Penman和Covey工作的基础上，提出了冠层蒸散计算模式，即著名的Penman-Monteith(P-M)模式。该模式全面考虑影响蒸散的大气物理特性和植被的生理特性，具有很好的物理依据，能比较清楚地了解蒸散的变化过程及其影响机制，为非饱和下垫面蒸散的研究开辟了新的途径，现已得到了广泛研究与应用(Malek“a／．1992；Everetal．1998；Jacobsetat2002；王健等，2002；贺康宁等，2003：程根伟等，2003；Ortega-Fariaseta／．2004)。其计算公式为：LE：—A(&-a)+po—c,(eo-ed)／ro(13)A+Y(ro+‘)／‘式中：工：水的汽化潜热(取2450J／g)晟蒸散量(mm)△：饱和水汽压与温度曲线的斜率(k_Pa／'C)。焉：作物表层的净辐射(w，m2)，G：土壤热通量(W／m2)，A：为空气密度(kg／m3)取1．293，G：空气定压比热(J／kg．℃)，取1009．26，岛：饱和水汽压(KPa)，ed：实际水汽压(KPa)，，：干湿表常数(KPa／'C)，取0．066，ra：空气动力学阻抗(s／m)，re：作物冠层阻抗(s／m)(4)涡度相关法涡度相关法是一种直接测算下垫面显热和潜热的湍流脉动值，从而求得植被蒸散量的方法，由澳大利亚著名微气象学家Swinkbank于1951年首次提出。涡度相关法的基础在于：近自然表8 中国农业大学博i：学位论文筇一声绪论面的大气边界层的空气处于乱流之中，在任一位置，向上和向F的瞬时能链流交替发生着。净能量流就是这瞬时能晕流的总和。假定能同时测定垂直于下垫面的风的波动以及空气湿度含量的波动，蒸散就可以被测定出来。由于该方法的理论假设最少，因此被认为是水汽传输测量方法中最优方法之一，相比其它微气象法，其物理理论展为完善和可靠，且精度很高。其计算公式为：LE：L—w'p—，(1·4)日=岛c。而(1·5)，，：一pa—w'u'(1·6)上述各式中，比为潜热通量密度(W／m2)，H为感热通量密度(W／m2)，r为动量通量密度(W／m2)，r(℃)、PC(g／m3)、'．，(m／s)、∥(m／s)分别为近地面大气湍流运动引起的温度、湿度、垂直和水平风速的脉动量，成为空气密度(g／m3)，e为空气定压比热(J／kg．℃)，上为水的汽化潜热(J／g)。涡度相关技术以较为坚实的物理理论为基础，直接测定各种下垫面和大气之间的水、热和C02通量，从而被认为是测定蒸散量的相对标准观测方法(frier＆Brunet，1996：Jacobsetal．2002：Ranaetal．2005)。在20世纪90年代后，该方法在电子技术和计算机发展的基础上逐渐发展起来，且广泛应用于研究植被和大气相互作用的过程及其机制．(5)红外遥感法20世纪70年代以来，随着遥感技术的不断发展，出现了利用遥感遥测技术计算植被蒸散的方法，即红外遥感法。它是一种通过植被的光谱特性、红外信息结合微气象参数来计算蒸散的方法。Brown＆Rosenbeg(1973)提出利用遥感技术测定作物表面温度，结合下垫面的能量平衡和湍流运动规律来计算农田蒸散的方法。由于具有多时相、多光谱的观测资料，该方法既克服了微气象学{圭中困下垫面几何结构和物理属性的水平非均匀性，而难以悔“点”上观测资斟应用到“面”上的局限性，也克服了水量平衡法在时间分辨率上的缺陷，既适用于田问尺度的测定，又适用于大面积范围的测定。故该方法具有广泛的应用前景(张劲松等，2001；司建华等，2005)。1．3．3热量法茎流测定技术热量法茎流测定技术是利用安装在植物枝干的加热探针，通过建立温差与液流的关系来测定茎流速度，研究植物蒸腾耗水的一种方法，其主要优点是可以在植物的自然生长状态下，对植物的整个生长期进行连续腮测而不破坏植物正常的生理活动，时间分辨率高，避免了从叶片到植株尺度的转换，易于野外操作。热量法测定技术已广泛应用在农业、园林和林业等各个领域(Baker&Baval，1987：Green＆Clothier，1988：HattonetaL1995；KostneretaL1996；Burgesseta1．2001；Luetal．2004)。热量法茎流测定技术主要包括热脉冲法(HeatPulseVelocity，HPV)、热平衡法(StemHeatBalance，SHB)和热扩散法(ThermalDissipationProbe，TDP)。1．3．3．1热脉冲法茎流测定技术9 中国农业人学博t学位论文第一章绪论热脉冲技术最早由Rein(1928)用于测定动物血液流动速率。后米德国物理学家Huber(1932)利用安装在树干上的一个热电藕感应到了在它下部电阻线上发生的一个热脉冲，用它测量树木的术质部树液流速，首开该技术应用于植物水分生理研究的先河。为了解释热电藕温度时高时低变化的现象，他在热源的上部和下部各安装了一个热电藕，这就是Huber的热量“补偿方法”(1937)，采用了在热源上下不等距离设置热电偶探头法，F端热电偶的距离大于上端热电偶距热源的距离，就能将热脉冲在其传导系统中的运动和外界环境中的热干扰有效地区别分开来。但是问题尚未完全解决，因为测得的热脉冲传导速度显著低于导管中的实际液流速度。为了解释热脉冲的速度明显低于导管中液流速度这一现象。Marshall(1958)设计了一个物理模型，即认为热脉冲在由树液和木质部组成的均一介质中，热量可以在木质和液质之间自由交换，使热脉冲法适用范围扩大到测量任意茎流速度，其结构是将贴在茎表厩的加热元件和测温结点插入茎杆的木质部，在理论上引入了热扩散基本理论，从而解决了Huber的设计中热脉冲法不能测定小于60em／h的茎流速度．按照Marshall的理论，如果把树木边材当作均一的介质，则树液流速与热脉冲速度的比率可用下式表示：监：旦．堡：鱼VAO'sm，c二(1．7)式中：矿为导管中树液的流速，圪为热脉冲速度，口为导管(管胞)断面积，A为边材总断面积。为树液密度，G为树液比热，口。为木质树液(包括气体)总密度(即边材密度)，c。为木质树液(包括气体)总比热(即边材比热)．边材由气态、液态和固态三类物质组成，各类物质所占的比率分别用疋，局和，；表示。设树液密度(O"s)为1000kg／m3，木质密度为1530kg／m3(此值在树种之间变化不大)。木质比热(c1)为!．38x106KJ／kg．℃，树液比热等于水的比热，为4，186x106KJ／kg．℃。则边材密度(含有木质与树液)可表示为：10o-m=1530·Fm+100-E边材的热容量必须等于各组分热容量之和，所以边材的比热为：，1．53·吒·c肿．c|·巧k2百面十瓦丽另外，根据总边材断面积计算的液流速率可以用下面公式表示：y’：丘A(1．8)(1．9)(1．10) 中田农业大学博1一学位论文第一蕈缔论矿·：堡垒(1．II)o|‘cIy·：里：!!：!!：互±墨!：堡：墅：!：!!：!竺：：堡±兰：!!!兰!竺!：曼(1．12)4．186x106×(只+1．53·‘)V‘=圪·(0．505·兄+巧)(1·13)但Marshall的理论并没有完全解释测定结果比实际结果低的现象，后来Swanson发现问题的原因在于热探头在插入过程中对树干造成损伤所致，Swanson＆Whitfield(1981)通过一个数值计算模型模拟了热对流及传导现象，给出了一个二维数值解：V6=P+qV。+r(V。、2(1．14)V6是修正后的边材总断面液流速度，矿’是修正前的液流速率，P、q和，是与伤口大小及液流速度有关的回归系数，根据不同的探头间距及设置出了伤口修正参数表，可以根据探头的间距和树干构造的相应参考数据直接查算订正。Edwards(1991)总结了上述三人的理论，即Huber的热脉冲补偿系统，Mashall的流速流量转换分析和Swanson的损伤分析，发展为成熟的热脉冲测定技术体系。Edwards提出Y--次曲线的径向干流模型，即自形成层开始，液流的速度随边材深度的分布呈二次曲线关系，根据这一理论，编制了相应的计算机软件。由于这种方法在液流速度较慢时测值相对不精确(Coheneta1．1993；Hat,oneta1．1995)，Swanson也对热脉冲法茎流测定技术的理论和实验分析部分进行过订正，但在实践应用中没有人对其在极端低的液流测定进行检验。目前比较成熟的热脉冲技术基于这样一种原理：在树干木质部内安装热脉冲注射器，设定时同间隔，每隔一定时间定时发射热脉冲(脉冲持续时阿可人为设定)，使树液流得以间断地加热，在被加热部位上下方的一定位置安装热敏探头，两个探头分别与惠斯通电桥的两臂相连接，以测定两个探头的电压差，当携带热脉冲的被加热液流位于两个测点的中间位置时，两探点温度相等，电桥恰好达到平衡状态，记录热脉冲发生到电桥平衡的时间，用它除被加热液流向上移动的距离，就能得出树液流动值。在热技术中，热脉冲技术发展最早，也相对比较成熟，国外此项技术已经得到了广泛的应用(Cohenetal．1981。1988，1993；Swanson，，1994；Greenetal．2003)。相对而言，国内的研究报道相对较少，居于领先地位的是中国林业科学研究院的刘奉觉等人利用该项技术对杨树树干液流的动态研究(1989，1993a，1993b，1997)，李海涛等(1998)对暖温带森林生态系统主要树种如辽东栎、五角枫和棘皮桦等的液流研究，以及后来孙鹏森(2000)等对水源保护林的树木水分特性进行了研究，龚道枝等(2001)对不同水分条件下桃树根茎液流变化进行了观测；尹光彩等(2003)利用热脉冲系统对桉树人工林液流通量进行了研究。张小由等(2003)对黑河下游的胡杨、沙枣、梭梭、柽柳等植被液流进行了分析研究．李春萍(2003)采用热脉冲技术对河套灌区新疆杨防护林的耗水进行了研究。丁日升等(2004)对西北地区苹果液流进行了研究。 中国农业人学博十学位论文第一章绪论1．3．3．2茎热平衡法液流测定技术二十世纪六、七十年代，在热脉冲法摹流测定技术的基础上，一些专家提出了茎热平衡(StemHeatBalance)方法。茎热平衡法的基本构思是：在作物蒸腾过程中，作物根系从土壤中吸收的水分通过作物茎秆送至叶片，并通过叶片气孔散发到大气中，在这一过程中，茎秆中的液体一直处于流动状态。当茎秆内液流在一点被加热(相当于输入功率JP。)，则液流携带的热量一部分由正常向上传输的水流向上传输(缈，一部分则与上部及下部的水体发生热交换(Qv)，还有一部分则以辐射的形式向周围发散(D)，根据加入茎流中的热脉冲向上传输的速率以及与周边液流的热交换程度，即可用热传输与热平衡理论通过一定的数学计算求得茎秆的水流通量，即作物蒸腾速率。其能量平衡方程表达为：Pm=Q。七Qr+Qf只：V2／R根据Fouder定律，垂直方向上的能量Q由下式计算：Q，=Q。七QdQ=髟·A·d瓦／d．Qd=K。·A·drd／dx见、伤分别为向上、向下交换的能量。Q，=Kn·Ch(1．15)(1．16)(1．17)(1．18)(i．19)(1．20)一Pb,-K目．A．dTu积+dTdKsh．Ch(1．)F21：坐‘l·Jcp·dT式中，，为茎流通量(g／s)；Pn,为输入的功率(w)；墨，为茎干的热传导特性(W／m．K)；A为茎秆的截面积(m2)；dTu为为向上传导的温度(℃)；dTd为向上传导的温度(℃)；赤为测定温度梯度时的两个热电偶之间的距离(m)；Ch为辐射源的电源电压(mv)；岛为探头热导常数；cp为水的比热容(4．186J／fr'C)；dT为茎秆液流温度变化(℃)。最早由Dam(1967)通过在木质部设置多个测温点，探讨茎内部组织各点温度以及沿茎轩流动汁液温度的分布。利用此法Daum还分析了太阳直接辐射作用下茎杆不同部位的热量平衡。后来，人们在实验中都采用人工热源以便取得更为精确的结果．在实践中，根据研究的需要，热平衡法茎流测定系统产生了两种探测器(测定探头)．一种 中国农业人学博卜学位论文第一。章绪论是外置式探头，另一种是内置式探头，即探针。外置式探测器的加热及测温元件都紧贴在植物茎杆的外表面，再用厚的隔热材料包裹起来防止热损失(Sakuratani，1984)。实际上，理想的绝热效果是不可能的，Baker等(1987)对这种非损伤型的茎流探测器进行了改进，并且对测鼍误差进行了模拟分析，其误著不大于实际测值的20％。罗中岭(1996)介绍了一种适合小麦茎杆的可装卸式小型传感器。在Sakurani研究的基础上增加一组独立的热电耦以便于和带多路转换器的微电脑接口，传感器贴在茎的表面，不刺伤植物组织。因为热量损失的原因，这种外置式探测器适于直径较小的树木。SHB技术在80年代后期才开始有了较大的发展，多廊用于园艺、农作物等草本植物。Cohen等(1993)用称重法作为标准，将HPV和SHB技术测定液流的精确性进行了比较，发现HPV技术在液流速率很低时精度不高；Weibel&Boersma(1995)利用改进的SHB技术对表面不规则的或树皮对热敏感的植物如苹果液流进行了测定，并用称重法进行比较，发现改进后的SHB仪器便于安装，测定精度高，误差小，并且指出，当植物直径大于30ram时，植物茎干内的储存能量(storedenergy)就会丈量增加，从而产生较大误差。Kjelgaard等人(1997)利用SHB技术采用持续加热和变化加热的方式对太阳花、玉米和西红柿等三种植物进行了观测，发现采用变化加热方式估算出的液流较低，采用持续加热的方式能较正确的反应液流变化。谢华(2001)在研究小麦茎流规律时，验证了热平衡法茎流测定技术在测量作物蒸腾方面确实具有实用价值。Steppe等人(2002)利用热平衡法对日蚀天气下的山毛榉树的液流动态进行了研究。Lott等(2003)利用SHB技术对肯尼亚半旱区银桦玉米复合系统的水分利用进行了研究。汪泽军(2003)采用SHB技术对枣幼树的茎流规律进行了研究。金红喜等(2004)采用热平衡法对西北地区常见的梭梭、沙拐枣和柽柳等进行了观测。Rana等(2005)利用SHB技术研究了地中海气候下灌溉柑桔的液流变化，用涡度相关法对SHB进行了比较，发现二者具有很好的一致性。1．3-3．3热扩散法液流测定技术利用热扩散边材液流探针(TDP)测定树干边材液流速率的方法是在热脉冲液流技术(HPV)的基础上发展起来的。Granier等(1985，1987)将利用脉冲滞后效应为原理的热脉冲液流检测仪改进为利用双热电偶检测热耗散为原理的热扩散液流探针。该技术的测量原理是：将同时内置有热电偶的一对探针(下部或上、下两个探针内置有线形电阻丝热源)插入具有水分传输功能的树干边材中，通过检测热电偶之间的温差，计算液流热耗散(液流携带的热量)，建立温差与液流速率的关系，进而确定液流速率的大小。Lu等(2004)围I-ITDP技术测定原理(Luet以2004)Fig．1-1PrincipleofTDPmethod(Lad4‘2004)】3 对TDP技术的原理及应用中注意事项进行了详细喇述，并对TDP技术的应Hj前景进行j，展望。其主要计算公式如下：Fs=0．0119K1231×SA×3．6(1．22)置=—dTMi广-dT(1．23)黝：至翌=生2(1．24)4式中，西为树干液流速率(t庙)，可近似为蒸腾速率(Fredrik&Anders，2002)：K为无量纲参数，d孙，为一日内最大温差值，一般出现在夜间至黎明前，此段时间树干木质部基本没有上升液流，dT为某时刻两个探针的温差值。＆4为边材面积(cm2)，D为去皮直径(伽)，d为髓心直径(cm)。TDP法由于克服了HPV法在使用中的由于热脉冲等待，加热间隔等导致数据的连续性不强以及SHB只适用于幼小的、外表平滑的植物等局限性，一经问世就在世界各地广泛应用。Granier等人(1996)对法国圭亚那地区的热带雨林一些树种液流进行了研究；Sellami&Sifaoui(2003)利用TDP技术研究了突尼斯南部地区绿洲中海枣杏树闻作系统的蒸腾耗水量变化；Lu等人利用TDP技术对云杉、芒果、香蕉、葡萄等植株的液流变化进行了详细的研究(Luetal．1995，2000，2002，2003；Lu&Chacko，1998)，并利用改进的TDP技术对漆树液流速率进行了研究(Lu，2001)，使得TDP技术在农业、林业、园艺等各个领域广泛应用。在我国，TDP技术在植物蒸腾中的应用从最近几年才开始发展起来。严昌荣等(1999)利用热扩散技术对北京山区胡桃楸的树干液流进行了研究；鲁小珍等(2001)对南京的马尾松、栓皮栎等树种液流进行了观测；虞沐奎等(2003)对安徽一林场的火炬松液流研究；马履一等(2002，2003)对北京山区油松、侧柏、槐树等树种进行了分析研究；张金池等(2004)对徐淮平原农田防护林带杨树树干液流进行了研究；孙慧珍等(2002)对东北东部山区水曲柳、蒙古栎、核桃楸、紫椴、白桦、樟子松等树种的液流变化进行了系统的研究；陈仁升等(2003,2005)对黑河流域的云杉、樟子松、自榆、二白杨、沙枣、胡杨等液流量进行了长期观测；马长明等(2005)对北京延庆山杨液流研究；肖以华等(2005)对华南地区主要造林树种马占相思液流变化进行了观测；张劲松等(2005，2006)分别对河南济源苹果和内蒙古毛乌素沙地樟子松液流进行了研究。上述这些研究当中，除了张劲松、孙慧珍、陈仁升等人对试验对象进行了较为长期的观测以外，其余均为比较短期的观测，在一定程度上不能全面反应研究对象的完整的周期变化规律。1．4研究目标与研究内容1．4．1研究目标通过对毛乌素沙地农牧交错带林草复合模式林草蒸腾耗水量、土壤含水量等进行试验测定和模拟计算，揭示复合系统的水分生态耗水特征及种间耗水比例，为西部退耕还林还草模式的配置14 提供必要的理论依据，进一步补充和丰富林草复合系统的水分生态理论。1A．2研究内容(1)毛乌素沙地杨树林带的蒸腾耗水特征及其影响机制利用1rI)P技术对杨树液流进行常年连续的观测，分析不同天气类型下杨树的蒸腾日变化和季节变化规律，结合利用自动气象站获取的气象数据，分析影响杨树耗水的主要机制。(2)紫花苜蓿的蒸散耗水特征及其与对照的差异利用经涡度相关技术验证后的Pcm∞．Montc袖修正模型，结合田间小气候资料，计算不同生育期复合系统和单作牧草的蒸散耗水，并分析了复合系统与单作牧草耗水产生差异的原因。(3)林草复合系统内土壤水分的时空动态变化规律分析了复合系统内土壤水分的时间和空间变化特征，并以单作牧草系统作为对比·分析了复合系统的水分效应，为缓和林草争夺水分提供理论支持。(4)林草复合系统种问耗水比例的比较及水分调控分析比较了复合系统的林、草种间耗水比例，对林草复合模式提出了优化改进建议，并就如何改善林革复合系统水分状况提供了水分调控措旌。 中周农业大学博上学位论文第一审结论1．4．3技术路线16‘图1-2技术路线框图Fig．1-2Diagramofthei'tsetrch盍 第二章试验设计2．1试验地概况及试验材料毛乌素沙地占据着鄂尔多斯高原南部和黄-十高原北部区域，地跨内蒙古、陕西、宁夏三省区，总面积约40，oookm2，其中2／3面积分布在内蒙古鄂尔多斯市境内。毛乌素沙地处于荒漠草原．草原-森林草原具有特殊地理景观的过渡带。这是一个草原气候条件下的沙地，是以草地放牧业为主的农、林、牧交错区，具有相当强的代表性。毛乌素沙地的水热状况处于半干旱与干旱区的过渡地带，气候特征表现为冬季受蒙古冷高压影响，干燥寒冷：春季多风少雨，旱情严重；夏季受海洋湿润气候的影响，降雨较多，经常以暴雨形式降落，是我国沙区暴雨中心之一。毛乌素沙地的发展、历史演变及现实状况，在很大程度上代表了中国半干旱、干旱沙区存在的人类活动与自然资源间相互关系的许多典型问题。例如发展农牧业、工矿业、能源、交通、通讯等事业与保护沙地脆弱生态系统问的矛盾；人口增长与自然资源利用间的矛盾：农、林、牧(草)协调发展过程中出现的矛盾等(姚洪林等，1992)。毛乌素沙地地下水资源比较丰富，分布普遍但不均匀。据水文地质部门勘查测量，仅浅层地下水存量达1203亿t，地下水主要靠大气降水补给，补给量多年平均为14亿t，地下水质较好。综上所述，毛乌素沙地光、热、风、土、水等资源丰富，特别是浅层地下水储存量和补给量都比较高，是我国内陆沙漠中较易治理和具有开发前景的一片沙地。．试验区域位于内蒙古鄂尔多斯市乌审旗图克苏木境内的毛乌素沙地开发整治研究中心(图2一I)，地理位置在北纬38057’．390l’，东经109。2"-109017’，海拔高度1200—1350m，总面积为87．14kin2，其中流动沙丘占65％，固定和半固定沙丘占10％，滩地占25％。研究中心深居内陆，为温带大陆性半干旱气候，年平均温度6．4"12，兰10℃年平均积温2890"C，持续期155天，量0℃年平均积温3320℃，年平均降雨量360mm，降水量年闻变率大，降水主要集中在6月中旬至9月中旬。试验地地F水位在多雨年份可达滩涂地地表，低洼处受Ij有季节性积水，人畜饮用及农作物灌溉均取自浅层地下水。地带性土壤为栗钙土，由于受沙地基质稳定性及其它自然因素的影响，沙地土壤发育不很明显。试验区的±壤除滩地上的沙地草甸土外，绝大部分以风沙土为主，其中流动风沙土占65％，固定、半固定风沙土占10％，潍地土壤(丘问低地)占25％。地带性植被为半干旱草原，试验区内的天然植被以油蒿(Artemisiaordosiea)为主，其次为臭柏(Sabinavulgaris)，柠条(Caraganainterraedia)等，多分布于固定、半固定风沙土上，天然乌柳(Salixcheilophila)等主要分布在滩地边缘与沙地交界处；人工植被多为沙柳(Salixpsammophila)，樟子松(PinuJsyvistrisM：mongolica)和杨柴(Heysarumfruticosumvatmongolicum)等，分布于固定、半固定风沙土上(张国盛等，2002)。新疆杨(PopulusbolleanaL．)属于杨柳科杨属白杨派，高大落叶乔木，枝直立向上，树冠呈现为窄圆柱形或尖塔形，树皮灰自或青灰色，光滑少裂，树干通直，生长迅速，具有喜光、喜温、抗风、抗干旱的生态学特性，生长快，根系较深，萌芽性强，为中湿性树种。新疆杨树姿优美、挺拔，深受人民喜爱。可用做风景树、行道树、防护林以及“四旁”绿化树种，材质较好，纹理直，结构较细，可供建筑、家具等用(赵天锡等，1994)。新疆杨是毛乌素沙地主要优势人工林17 中国农业大学博上学位论文第一审试验设计树种，属当地林业生态J：程建设的优选乔木树种，在中国曲北地区“三北”防护林上程中发挥着重要作用。图2-1毛乌素沙地开发整治研究中心位置图Fig．2-1ThemapofMaowusuSandyAreaExploitationandControlResearchCenter紫花苜蓿(MedicagoSativaL．)属于多年生豆科牧草，其营养丰富、产草量高、适应性强、生长寿命长，而远近闻名。紫花苜蓿青草及其调制的青贮、干草、草粉是许多家畜必不可少的饲料，各类家畜都喜欢食用。紫花苜蓿除了产草量高、可利用年限长以外，还具有保持水土、改良土壤、提供蜜源、保护环境等功效，因此深受农牧区人民的喜好。紫花苜蓿在世界各地广泛种植，在我国种植面积也很大，分布在全国14个省区，总面积为133万公顷，在世界苜蓿生产大国中居第6位(耿华珠等，1995)。紫花苜蓿是世界上栽培历史最长、种植面积最大、在牧草作用中最大的牧草，因此被称为“牧草之王”。随着人们对认识的深入，紫花莒蓿对人类的贡献越来越大，人们对紫花苜蓿的研究越来越系统化和深入化，目前已经形成了对苜蓿的选种、优质栽培、加工贮藏和利用以及系统管理等产业化研究(胡跃高等，2003)。试验地设在新疆杨防护林内，防护林由单摊新疆杨组成，林带株距为2m，带距为150m，树龄2la，平均树高15m，平均胸径21．1cm。林带结构为通风型，防护林为东北一西南走向，树木长势良好。林内牧草品种为紫花苜蓿(MedieagosativaL．)，于2003年8月开始整地，播种紫花苜蓿。播种方式为人工条播，播种深度为2cm，播种密度为30kg／hm2。播种后5天左右开始破土出苗．于第二年4月下旬紫花苜蓿返青后开始试验。在距离防护林东部大约600m处一开阔地块设置对照点(单作牧草系统)，对照点的土壤理化性状、紫花苜蓿种植方式、播种密度均与林内的基本一致。18 中国农业大学博{+学位论文第一章试验设计2．2试验观测项目和方法2．2．1杨树液流的观测首先测定了防护林带中树木的胸径，对胸径的大小分布进行胸径分析(图2-2)。在此基础上从防护林带正中位置选取4株相邻、干形通直、生长良好的杨树作为被测木，在各样株南、北2个方向处采用TDP技术测定液流。被测木基本特征见表2-1。1820222426283032胸径(∞)图2-2新疆杨防护林带中树木径阶分布Fig．2-2DiameterchosofP．bolleanashelterbelts表2-1杨树被测样株基本特征Table2-1ThemaincharacteristicsofthemonitoredpophrtreesTDP具体安装方法如下：在各树干胸径处用小刀刮去树干死皮，用特定规格的钻头，钻两个80mm深的孔，两孔尽量保持平行并与树干保持垂直。将80mm长、直径为1．65ram的TDP探头(Dynamax公司，USA)逐渐插入上部孔和下部孔。常见的TDP探头型号参数见表2-2。插针的时候注意加热针在上方，参考针在下方，同时不要把探头弄弯，以免损坏内部。探针与树皮接触处用橡皮泥封住以免雨水接触探针，造成测量不准。为防止太阳辐射和降雨对探针的影响，安装好探针后用铝箔在探头的外部围住。将探头数据传输电缆线与数据采集器(CRIOX，Campbell公司，USA)相应的接口进行连接，探头和数据采集器的电源线与电源(12V铅酸电池)接通，197654321O^嚣v■轻*聋 中周农业大学博t学位论文第二幸试验设计通过太阳能板给电池供电。程序设定为探头每2min采集一次数据，数采器每10min保存一次平均数据。利用笔记本电脑通过数据线向数采器(Data-logger)发送程序，并定期采集数据。表2-2常见TDP探头型号规格及工作参数Table2-2TDPspecificationsandworkingparameters根据获得的液流温差数据，通过以下公式计算出单株林木蒸腾耗水量：风=O．0119K123’×SA×3．6置：—dTM—-dT·打删：!翌二盟4(2．I)(2．2)(2．3)式中，fi为树干液流速率(I／h)，可近似为蒸腾速率；K为无量纲参数，d孤，为一日内两个探头的最大温差值，一般出现在夜间至黎明前，此段时间树干木质部基本没有上升液流，刀为菜时刻两个探针的温差值。5“为边材面积(cm2)，19为去皮直径(啪)，d为髓心直径(cm)。边材面积通过以下方法求得：在林带中选择与被测木邻近且具有相似直径的树木，用生长锥从胸高直径部位钻取木条，根据木条颜色深浅区分边材、心材直径，计算出边材面积。采用MicfosofiExcel2003和SPSS以及仪器提供的相关软件进行数据处理分析．2．2．2冠层气象要素和林内小气候的观测在其中一株被测木冠层上方1．Onl高度处，采用小气候自动监测系统连续观测空气温度(勋)、相对湿度(㈣、风速(1,0、太阳总辐射(Q)、降雨量(P)等气象因子。Bn勋和RH，P所采用的传感器探头分别为L1200X、05103，HMP45C、TE525M。数据采集器型号CRl0X。气象要素采集、保存时闻与树干液流观测同步。在防风林带中部沿垂直于林带方向0．1H、0．3H、0．7H、1．3H、2．3H、5H、7．7H、8．71-I、9．3H和9．7H处牧草冠层上方1．0m处(H表示树高倍数)，分别采用微气象自动观测系统观测净辐射(砌)，空气温度(勋)和湿度(冗日)、风速(矿)等微气象要素．Rn，nTa和RH所采用的传 中国农业大学博l‘学位论文第二章试验设计感器(探头)分别为L1200X、05103和HMP45C。数据采集器为CRIOX(Campbell公司，USA)．每隔2rain扫描1次，数据采集时问步长30rain(输出30rain平均值)。在对照地同步观测了上述微气象要素．试验测点示意图见图2-3。图2-3防护林内主要测点示意图Fig．2-3Diagramofpositiansformeasuringsoilwatercantent,micro-climatefactorsandsapflow2．2．3新疆杨叶面积指数的测定瓤强杨在4月下旬开始展叶，从4月30日起采用LAI-2000植被冠层分析仪(LI-COR，inc．，Lincoln，NE)测定新疆杨叶面积指数(LAD，每隔10天测定一次。2．2．4土壤含水量的测定采用AquaPro-Sensors(APS)R脚o，Nevada，USA)系统测定土壤体积含水量，测定深度可达200em。从土壤表层向下每10cm作为一个层次，每lO天测定一次测定土壤含水量，雨后或典型干旱天气均加测。为了提高土壤水分的测定精度，同时采用烘干称重法测定土壤质量含水量对通过AP法测定获得的数据进行校正．防护林内土壤水分的测点布置如下：从防风林带中部沿垂直于林带方向开始，分别在距离主风林带OH、0．03H、O．IH、0．13H、0．3H、0．7H、IH、1．3H、1．7H、2．3H、3H、5H(试验地中心)、7H、7．7H、8．3H、8．711、9H、9．3H、9．71-1处埋设土壤水分测管，在每个土壤水分测点处，按O-lOcm，10-20era,20-30cm，¨⋯．，190-200era等20个层次观测土壤水分垂直动态变化。21 在单作紫花苜蓿试验地中心埋设2根长度为200cm的土壤水分测管，其观测层次和时间与防护林内土壤水分观测一致。取2根测管对应层次的平均值作对照地的土壤水分。2．2．5紫花苜蓿生物量的测定采用LAI-2000植被冠层分析仪(usA)在不同的生育期测定紫花苜蓿的叶面积指数(LeafAreaIndex，LAD：在不同生育期内测定紫花苜蓿的株高，并于紫花苜蓿成熟后采用收割法计算牧草干重。植株高度的测定：在试验地选取代表性植株30株，并加以标记。在各生育期测定其植株高度。植株高度测量从地面量到叶尖。紫花苜蓿生物量的测定：在紫花苜蓿迸入成熟期以后，在距离林带不同距离分别选择3块具有代表性的Ira×lm的样方，人工进行收割，收割时留茬高度为lem左右。将收割后的紫花苜蓿立即带回室内，采用精度为0．0001的电子天平称其鲜草重量，之后放入烘箱内，在105"C下杀青30min，然后在75℃下烘干24h至恒重，称其干重。紫花苜蓿生育期划分标准：(1)返青期：紫花苜蓿开始返青的日期(2)分枝期：主茎长出侧枝的日期(3)现蕾期：茎枝(包括主茎和分枝)出现花蕾的日期(4)开花期：植株开始开花的日期(5)结荚期：植株有荚果出现的日期(6)生育期天数：自返青到出现结荚的天数。2．2．6紫花苜蓿蒸散量观测(涡度相关技术)于紫花萏蓿生长盛期(2004年7月20口．8月20日)，在防护林内紫花莒蓿地中心处(约距离防风林带75m)牧草活动菌上方约O．5m处，采用涡度相关技术自动观测紫花苜蓿蒸散量，以对通过Penman-Monteith模型计算出的紫花苜蓿蒸散耗水量进行验证。水汽及三维风速传感器(探头)分别为Li-7500和CSAT3，数据采集器为CR5000，程序设定为每隔ls扫描lO次，数据采集时问步长30min(输出30rain平均值)。2．3利用Penman-Monteith修正模型计算紫花苜蓿蒸散耗水量Monteith在Penman等人的工作基础上于1965年提出了水分限制条件下计算蒸散的Pm)man-Monteith公式(Monteith，1965：Alleneta／．1989)：伽盟南A铲／c：4，+，，It+t)L式中：三：水的汽化潜热(取2450J，g)置蒸散量(ram)A：饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa／'C)，焉：作物表层的净辐射(W／m2)，G：土壤热通量(W／m2)，内：为空气密度(kg／m3) 取1．293，c0空气定压比热(J／kg．℃)，取1009．26，ea：饱和水汽压(KPa)，ed：实际水汽压(KPa)，，：干湿表常数(KPa／'C)，取0．066，ra：空气动力学阻抗(s／m)，rc：作物冠层阻抗(s／m)。在实际应用中，若当地海拔高度超过500m，需要进行气压订正：皿：墼竺：竺：竺垒二坐眩s，r。oA+，(‘+rD／roI"o和P分别是海平面标准大气压和当地的实际气压，其余符号意义同上。△：—25—04—ex—p(黑世皇上L)(2．6)△=——————土二兰车二二土一(2．6)(f+237．3)2乞=ot6¨×exp(翕簇》旺，，％=RH·气(2．8)在中性稳定层结下，空气动力学阻抗(b)可以按照下式计算：，：鲤眩，，．’4七2“其中，z：风速测量高度(m)，d：零平面位移高度(m)d=2／3．Ilc，Zo：冠层粗糙度(m)zo=O．13髓，k：卡门常数(取0．41)，“：风速(m／s)。在非中性层结下，需要对空气动力学阻抗进行订正，Monteith的订正公式为：fk=ro!!+I玎·(z—d)三．1nz-jZo【2．10J‰为非中性层结时的空气动力学阻抗(s／m)，n为经验系数。对于作物冠层阻抗(rD，采用下式进行计算：‘：^(O．5埘D—l(2·11)上述公式中，n：单叶气孔阻抗(s／m)，通过测定植物单叶气孔导度转换为倒数获得．Ld／．-作物叶面积指数k：作物(牧草)高度(m)。气孔导度模型的建立方法有多种(Kim&Verma，1991；Webb，1991；石培华等，1995；Zhang甜aL1997；Sommereta1．2002；张继祥等，2003)，其中常见的有Jm'vis模型，也称阶乘因子模型，前提是假设各环境变量对气孔导度的作用是相互独立的；另一种是Ball提出的组合因子模型，认为气孔导度是叶面上空气相对湿度(腰)，C02浓度(G)，和光合速率(R)的函数，在植物水分不亏缺的条件下，有gs=go七哦RH|cd(2．12)、l●●●I，●●●t／ 中国农业人学博卜学位论文第一二章试验设计当光照趋于0时气孔导度接近于0。式中口为系数，助为参数。本文采用了Jarvis气孔导度模型，其表达式为：器=＆。。，(g)，(r)／(纡，D)，徊)，(c口)(2·13)其中gu为最大气孔导度(m／s)，胞J，fa)．f(VPD)，侧、f(Ca)分别为太阳辐射、气温、空气饱和差、根区土壤水分、空气中c02浓度对叶片气孔导度的修正函数。项斌等(1996)研究发现，光合有效辐射(PAR)在很低的水平(<100|ll-nolphotons／m2．s)就达到饱和，它对气孔导度的影响在试验PAR范围内可以忽略不计。本试验区太阳辐射很强，在试验过程中对气孔导度的影响可以忽略。Granier&Loustau(1994)、Wright等人(1995)研究发现，气温对气孔导度的影响很小，基本可以忽略。此外，空气中C02浓度基本视为恒定，在试验中可以不考虑其对气孔导度的影响。这样气孔导度主要与空气饱和差，根区土壤水分有关，上述公式变为：g，=g；一八VPD)f(O)(2．14)VPD为饱和水汽亏缺，在实际应用中，用100．兄Ⅳ代替，其意义可认为是叶片内外相对湿度之差(项斌等，1996)。／(啪)21一而南(2．15)胛)=而a-a．(2．16)乩．一矿函为气孔导度(m／s)，岛。。为最大气孔导度，在水分充足条件下，选择典型晴天测得。b为参数(取0．08353)，苁O为水分胁迫系数，0为根区土壤体积含水量(本文取0-100cm)，最。为田间持水量，以为萎蔫系数。 中国农业大学博上学位论文第：章杨树朴带蒸腾耗水特征及其影响机制第三章杨树林带蒸腾耗水特征及其影响机制通过利用TDP技术测算得到杨树的蒸腾速率，分析杨树蒸腾的日变化、日际变化规律和季节耗水变化特征，并结合气温、相对湿度、风速、太阳辐射等气象因子和土壤水分数据，分析环境因子对杨树蒸腾耗水的影响机制。3．1杨树液流变化特征3．1．1杨树液流启动时间从观测的数据来看，大部分日期杨树树干液流的启动时间都在5：30．7：00之间(图3-1)。4月份由于受到太阳辐射弱，气温低等气象因子的影响，杨树树干液流平均启动时间比其他月份要滞后，启动时间在早上7：00左右，而且上升速率比较平缓。5．9月份杨树液流启动时间分别出现在5：30、6：00、5：30、6：00和5：30，介于5：30-6：00之间。相比之下，4月份杨树液流启动时间比其余各月滞后了一个半至两个小时左右。0：001：002：003：004：005：006：007：008：009：0010：00ll：0012：OO时间图3．12004年生长月份杨树槲干液流启动时问聪3-1Startingtimeofsapflowinpoplartreesduringgrowingmonthsof2004与生长季节相比，非生长季节杨树液流启动时间明显滞后，而且液流的变化不太规则(图3-2)。从图中可以发现，1月份杨树液流启动时间在7：00前后，其余月份液流启动时间在7：30-9：30之间。由于非生长季节杨树液流昼夜变化不明显，使得液流启动时间也不明显。2月份杨树日平均液流为0．39L／h，白天(08：00-18：00)平均液流为0．30L巾，夜晚(18：30-07：00)平均液流为0．45LJh，白天平均液流反而低于夜晚平均液流0．16L／h．冬季杨树叶子已经完全脱落，树干内微弱的液流活动肯定不是用于蒸腾作用，其原因可能是在寒冷的冬天，杨树根系从土壤中吸收水分，以维持自身微弱的生理代谢活动。至于夜晚比白天液流较高的原因，其原因可能是：虽然在白天杨树受到了太阳的照射，但是由于太阳辐射很弱，光强很低，对树木基本上不能产生影响。在进行了一天的光照后，光照积累到一定程度，杨树树体开始对光照有所响应，液流活动略3525l5O2IO^；厂1v锝磺嚣攥 中困农业大学博卜学位论文第三章杨树林带蒸腾耗水特行投jt影响机制p善V籀驿匿{《O：001：002：003：oo4：005：006：007：008：009：0010：001l：0012：00∞504030曩20100时间图3-22004年非生长月份杨树树干液流启动时阉Fig．3-2Startingtimeofsapflowinpoplartreesinnon-growingmonthsof2004量景景景曼善量暑景曼导争量暑景晕景晕量甘-Ep寸甘甘寸∞∞∞∞∞∞∞‘D‘o‘o∞‘o卜1·41t21^08考鹾0．6犟0．4霉02O0，060．050．040．030．020．010g2呙8霉昌82蠹宝导昌g2呙昌导昌g呻甘甘_呻呻∞‘f)∞∞∞∞co∞∞口co∞卜时间图3-3生长季节晴天，阴天杨辫树干液流的启动过程(2004)Fig．3-3StartingconrRofsapflowontypicalsunnyandovercastdaysduringgrowingmonths0f2004l8642On融仉^lI，1v糌硝嚣餐姗瑚伽∞o^墨v堞餐巾聋^H_j言v按弊 中国农业大学博L学位论文第王章杨树林带蒸腾耗水特征及其影响机制有增强。3月份杨树日平均液流为0．54L／h，自太平均液流为0．58L／h，夜晚平均液流为0．56LJh，二者基本持平，昼夜液流差别很小，几乎没有液流降为0的时间。树木的蒸腾主要通过叶片的气孔开合来实现，同时叶片气孔的开合程度主要受到太阳辐射等因子的控制。为了说明太阳辐射与杨树树干液流启动的关系，我们以生长期内典型晴天和阴天为例进行详细的阐述。从图中可以发现，无论晴天还是阴天状况下，杨树液流的启动时间均滞后于太阳辐射(光照)(图3-3)。以2004年6月1日(晴天)为例，杨树液流为0的时间出现在4：50，在5：10液流开始以非常低的速度启动，随后在太阳辐射的影响下，液流速率开始逐渐上升。光照的启动时间为5：00，与液流启动时间基本同步，但是随着太阳辐射辐射的逐渐增强，液流速率增加十分缓慢，几乎还是维持在8'J8【I启动时的水平。由此说明，液流的启动与光照有关。同时也说明，液流的启动与光照不完全同步，表明，杨树树干在接受到太阳辐射后，经过一段响应时问，才能开始液流的启动。因为外界环境变化时，杨树内部需要一段时间的调整以适应这种变化。6月4日为阴天，杨树在6：oo时液流为0，之后液流开始启动，然后逐渐上升。光照的启动时间出现在5：20，比杨树树干液流的启动提前了半个多小时。从图中还可以发现，阴天天气日，杨树液流速率的增长不如晴天，这是由于虽然阴天杨树在光照的影响下，液流开始启动，但是由于阴天的太阳辐射明显比晴天低，光强不足以启动杨树树干液流。随着太阳辐射辐射的增强，光照达到一定的强度，即光补偿点，杨树树干液流开始启动。这说明，树木液流的启动主要是受太阳辐射的控制。从生理学的角度来看，清晨，太阳辐射逐渐增加，气温逐渐升高，诱导植物叶片气孔开放，进行光合与蒸腾等生理活动。但光照需达到一定的强度即光补偿点以上，气孔才开始开放，因此，阴天气孔开放的时问较晚，且液流通量值低。孙鹏森(2002)研究发现，油松等树种的液流启动在晴天与光照基本同步，阴天滞后于光照约半小时左右。3．1．2夜间杨树液流的变化一般情况下，白天气孔张开，蒸腾出现，夜间由于光照的消失，气孔关闭，蒸腾为0。但是本研究发现夜间杨树依然存在液流。为了说明夜间杨树的液流变化，以2004年6月22-23日为例进行阐述(图3．4)。6月22日19：oo以后太阳辐射开始下降，在20：30左右降为0，一直到6月23日凌晨5：10左右太阳辐射才开始逐渐增加。杨树树干液流从6月22日下午19：00左右开始呈缓慢下降趋势，19：00时液流为2．41L／h，直至6月23日凌晨5：10左右液流降为0，之后由于太阳辐射增加，液流启动，开始了再次的循环．从6月22日19：oo至23日凌晨5：00，夜晚杨树平均液流为0．74I庙，6月22日6：00至19：00，杨树树干平均液流为2．44L／h，夜晚杨树液流速率占白天的3l％．夜晚太阳辐射为0，意味着光强对叶片气孔导度没有刺激，使得气孔关闭，气孔导度变为0，理论上植物叶片蒸腾量应为零。根据Dixon和Rennet提出的关于植物体水分运动的内聚力学说，蒸腾作用的停止意味着水分上升的拉力消失，说明在夜晚杨树被动吸水的动力蒸腾作用已经基本停止。但是试验表明，夜晚液流依然存在。这种差异现象说明了一个问题，即由于白天树冠强大的蒸腾作用，使树体失水强度加大，而根系吸水能力差，导致耗水大于吸水，造成树体水分供耗平衡失调，树体储水减少。根系在夜间吸收土壤水分，有效地补充了树体由于白天蒸腾引 中固农业大学博l7位论文第t章杨树林带燕腾lE水特衍及j‘影响机制起的水分丐缺，其动力是根庶的存在。孙鹏森等(2002)认为夜间树木液流的存在有可能是根压的作用，也有可能是白天蒸腾拉力的持续。32．5，、2S丢1’5嫠露H-1O·5O19：0020：0021：0022：0023：000：00l：002：003：004：005：006：00时间图3-42004．06．22-23杨辫液流与太阳辐射变化矸岛3-4TheralationshipbetwwenSapflowandsolarradiation(2004,06．22-23)p善V接辫疑板3．1．3不同方位杨树液流的日变化规律被测木的南北两个方向液流变化趋势非常相似，相比之下，树干南侧方向的液流速率比北侧方向液流速率略高8％左右(图3-5)。这是由于在晴天天气日，南部方向的树干比北侧方向的树干更多的暴露在太阳辐射下，较强的太阳辐射使得南部的液流流动加快，蒸腾增强。同时，液流速率的大小也跟树冠形状有关，一般情况下，南部方向的树冠要比北部方向的树冠要大。阴雨日，被测木树干南北方向两侧液流差别不大(图3-6)。主要原因在于在阴雨天气下，树干南北方向所4．543．532．52I．5l0．500：∞2：004：∞6：∞8：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：00时间圈3-5晴夭日杨斜不同树干方向液流日变化特征(2004．07．04)lr,g．3-5Dailyvariationofsupflowondifferentsidesofthetreesousunnydays““July,2004)伽御m伽伽∞∞柏幻o^《1)蹭攥巾茸 中国农业大学博仁学位论文第二章杨树林带蒸腾耗水特征及廷影响机制接收的太刚辐射差别很小，气象因子对树干液流的影响很小。在阴雨日，树干液流启动比较晚，与晴天相比，液流启动时间推迟了将近4个小时，日最大液流速率为3．19L／h，出现在12点左右，与晴天相比，日最大液流速率降低了20％0左右。0：002：004：006：008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：000：00时间图3．6降雨天气杨槲树干不同方向液流日变化特征(2004．07，29)Fig．3-6DailyvariationofsapflowOHdifferentsidesonrainydays(Z9‘’July,2004)对于每株树而言，树干南北方向两侧的液流速率具有很大的相关性。对于被测木树l和树2来说，其相关系数分别为O．95和0．91(图3-7)。将2株被测木同一方向平均后再进行相关分析，其相关性仍然很大，相关系数达到O．94(图3．8)，其拟合方程见表3．I。因此，在实际应用中，我们可以只需测定树木某一方向的液流，通过拟合方程进而求算出整个植株的液流(Lu订a1．2000；赵平等，2005)。SV静般嚣楚黑H-聋树干南向液流速率(L／b)圈3-7杨树南北树干液流相关性分析n备"Correlationanalysisofsapflowbetweeunorthandsouthsideofthetrees5352515032lO^s9*篇端辫 中固农业大学博E学位论文第二二驴杨树林带蒸辑耗水特征及其影响机制3^耋N制-2囊要军1茸Ol234树干南向液流速率(L／h)图3-8杨树南北辫于液流相关性分析(被测木平均)Fig．3-8CorrelationnanIysisofsapflowbetweenthenorthandsouthsidesofmonitoredthetrees(averageofthemonitoredtrees)表3，l杨树树干不同方位液流速率的相关性分析．坠ble3-1CorrelationanaIylhofsapflowondifferentsidesofpoplartrees注：Y表示南方向液漉．x表示北方向液流3．2杨树蒸腾耗水的时间变化规律将杨树全年分为生长期(4-9月)和非生长期(10-3月)2个时期，在生长期按晴天、多云和阴天3种天气类型，非生长期按照晴天和阴天2种天气类型，逐月将相同天气类型下各日对应时刻测得的蒸腾速率平均，得到各月杨树蒸腾速率的日变化曲线。3．2．1生长期杨树蒸腾的日变化规律在主要生长期内，杨树蒸腾速率具有明显的日变化特征(图3-9、10、11)．日内表现为在清晨，太阳辐射弱，气温低，空气相对湿度高，杨树的蒸腾速率上升缓慢；随着太阳辐射的逐渐增加，气温逐渐升高，蒸腾速率逐渐增强，午后，光照强度减弱，温度降低，导致叶内外水汽压差减少，蒸腾速率减小，到次日日出前，蒸腾速率降低为最低值。 5V哥捌墼椭时问图3-9晴天夭气日主要生长月份扬树燕腾速率8变化(2004)Fig．3-9Dailyvariationofpoplartranspirationonsunnydaysduringgrowingmonths0f2004晴天天气下，各月份杨树蒸腾速率均表现为单峰曲线，而且峰值较宽(图3．9)。略有不同的是，4月份杨树蒸腾速率上升比较平滑。从早上7：50至下午16：oo，一直处于上升阶段，峰值出现时间较短，而且最大蒸腾速率为2．39L／h，出现时间为17：30，明显滞后于其他各月最大蒸腾速率出现时间，然后蒸腾速率逐渐下降。5、6、7、8月份，杨树蒸腾速率从早上6：30左右开始上升，上升速度很快，受各月天气影响，蒸腾速率到达峰值时间从9：30至11：30不等，然后有个较宽的峰值，随后随着太阳辐射的减弱，蒸腾速率逐渐下降。5、6、7、8月份杨树最大蒸腾速率分别为3．18L庸、2．79L／h、2．49L／h和2．55L／h。时闻图3·10多云天气日主要生长月份杨树燕膳速率日变化(2004)Fig．3-10DaHyvariationofpoplartranspirationOncloudydaysduringgrowingmonthsof2004多云天气下，4、8、9月份杨树蒸腾变化表现为单峰曲线，其余5、6、7月份表现为双峰曲线(图3-10)。其中4月份的蒸腾速率变化比较平滑，从7：30左右蒸腾速率开始缓慢上升，最大蒸腾速率出现在16：30，为2．874L／h；8、9月份蒸腾速率上升开始时间跟4月份基本一致，3l^《1)*篇馥赣 中国农业大学博Jj学位论文第二三摩杨树林带蕉腾耗水特征及je影响机制均在7：30左右，但是蒸腾速率增加比4月份要快，lO：30左右达到峰值，比4月份提前了6个小时，且峰值持续时间较长，从lO：30到15：30左右，最大蒸腾速率分别为2．54L／h、2．32L／h。5、6、7三个月份蒸腾速率上升比较快，在10：00一IJ：oo左右达到蜂值，峰值维持到16：00-17：oo左右，中间受天气状况的影响，在不同时间内蒸腾速率有所降低，形成了双峰曲线。阴天天气下，各月份杨树蒸腾变化均表现为单峰曲线(图3．11)。受天气影响，各月份蒸腾速率上升时间不尽相同。5、6、7三个月份，蒸腾速率上升时间较其他各月较早，从7：00左右蒸腾速率上升加快，在11：00-1l：30左右达到峰值，峰值持续时间较跃，一直到16：30-17：00左右，然后速率缓慢下降。最大蒸腾速率分别为2．23L／h(13：20)．2．37L／b(14：50)，2029L／h(12：00)。4、8、9三个月份，蒸腾速率上升比较平滑，最大蒸腾速率及出现时间低于5、6、7三个月份，分别为1．9虬庸(17：00)，2．02L／h(15：30)，1．74L，Il(14：10)。O．500：002：DO4：006：008：00】O：∞12：00H：0016：0018：0020：0022：000：00时间图3-n阴天天气日主要月份杨树燕腾速率日变化(2004)Fig．3-11D_．1yvariationofpoplartranspirationonovercMrdaysduringgrowingmonths0f2004为了进一步说明杨树的蒸腾变化规律，本研究以8月份的典型晴天、多云、阴天为例，具体分析杨树蒸腾速率的日变化规律。本文选取8月15、16、17日连续三天杨树的日蒸腾变化为例进行分析，其中8月15日为阴天天气；16日为多云天气；17日为典型晴天(图3．12、13)。从图3·13中可以看到，在生长季节晴朗的天气条件下(以8月17日为例)，杨树的蒸腾速率日变化呈现出明显的单峰曲线，而且峰值比较宽。蒸腾速率日进程与太阳辐射、空气温度和空气相对湿度变化相一致。即在清晨太阳辐射弱，气温低，空气相对湿度高(图3-12)，杨树的蒸腾上升缓慢；蒸腾从早上7：40开始，随着太阳辐射的逐渐增加，气温逐渐升高，空气相对湿度下降，蒸腾速率逐渐增加，扶8：lO至ll：30，蒸腾速率增加很快，到ll：30左右达到峰值，由8：10的0．996L／h增加到11：30的3．094LJh。从11：30至16：00左右，杨树的蒸腾速率基本维持在峰值水平，变化范围为2．929L／h-3．273L／h，晟高值为3．273L／h，出现在14：30左右．14：30以后。随着光照强度的减弱，温度的降低，空气相对湿度的增高，叶内外水汽压差的减少，蒸腾速率逐渐降低(图3—13)。日落后(19：40左右)，杨树蒸腾依然存在，只不过蒸腾速率越来越小，直至第二天早上6：50左右降为0。从图3-8可以发现，杨树蒸腾速率的日变化曲线与太阳辐射325l^Il，1)静艘錾藩 中国农业大学博t学位论文第二章杨树林带燕腾耗水特衍发j￡影响机制有着很大的一致性。S20V趟赠磊'55，201∞806040200O：006：∞12：0018：000：006：0012：00t8：000：006：0012：0018：000：00时间图3-12生长季节空气温度与相对湿度的关系(2004．08．15-17)Fig，3-12TherelationshipbetweenairtemperatureandrelativehumidityduringgrowingmonChs(2004．08．15-17)3．532．52S1．5嚣，羹0．5O0：006：OO12：0018：000：006：0012：0018：000：006：OO12：OO18：000：00时间田3-13生长季节杨树燕腾速率与太阳辐射的关系(2004．08．15-17)F嘻3-13Therelationshipbctw∞utranspirationandsolarradiationduringgrowingmon岫s(Z004．08．15-17'8月15日为阴天天气，从凌晨2：00到上午10：oo有4．2am的降雨，使得该日的气温和相对湿度明显低于16日和17日(图3-12)，该日平均气温和相对湿度分别为14．02"C和92．38％，与16日、17日相比，气温分别低2．82℃和4．IO'C，相对湿度分别高17．45％和21．00％。杨树蒸腾速率远远低于晴天(8月17日)的蒸腾速率，总体上蒸腾速率变化趋势与晴天基本一致，有所^xv毯蚶韶罂瑚嘶咖啪和重暑o^七苫v每薜旺嵌 中国农业丈学博}学位论文第二章杨树林带蒸腾耗水特行及其影响机制不同的是。由于光照减弱，辐射小，液流启动比较晚，杨树蒸腾速率上升一直比较缓慢，纠将近12：00蒸腾速率才开始骤然增加，到15：30左右达到峰值，蒸腾速率变化范围为O．331．1．645L／h，峰值时间从15：30持续到18：oo左右，晟大蒸腾速率为1．645L／h，出现在17；20左右。此后蒸腾速率逐渐降低。与晴天相比，阴天的最高蒸腾速率降低了49％，最大蒸腾速率出现时间推迟了将近3个小时。8月16日为多云天气，该日杨树的蒸腾速率大小介于阴雨天气和晴天之间，其总体变化趋势基本一致，呈现为双峰曲线。12：oo左右由于云的遮挡，太阳辐射出现了波动，蒸腾速率也随之出现波动。该目晟大液流速率为2．08L／h，出现时间在13：50，跟晴天相比，最大蒸腾速率降低了36．4％，出现时间提前了半个小时左右。2005年杨树生长季节蒸腾速率日变化趋势与2004年生长季节很相似，我们以生长月份的典型天气进行阐述(图3．14)。6月2臼为晴天，该日杨树蒸腾速率从6：00以后开始迅速增加，lO：oo前后即达到峰值，峰值一直维持到19：00左右，然后蒸腾速率开始缓慢下降，到次日日出前后降为0，日平均蒸腾速率为1．76L／h，最大蒸腾为3。19L／h，出现在lO：20前后。6月29日为阴天，该目杨树蒸腾速率直到9：40以后才开始增加，14：lO达到峰值，蒸腾速率为2．36L／h，然后蒸腾速率开始降低。日平均蒸腾速率为O．53L／h。需要说明的是从16：00．18：00之间，降雨1．6mm，使得蒸腾速率骤然下降，并没有维持一个较宽的峰值。6月30日为多云天气，该目杨树蒸腾速率表现为多峰曲线，蒸腾速率从6．oo以后开始增加，但是增加幅度明显不及晴天，ll：00前后达到峰值，峰值维持时间较长，在12：30和18：30左右，受到太阳辐射的影响，蒸腾速率出现了暂时的降低，19：00以后蒸腾速率开始逐渐下降，日平均蒸腾速率为1．09ldh，最大蒸腾速率为2．48L抽，出现在15：30。3．532．5S2嚣1．5纛10．5O0：002：004：006：008：00tO：0012：0014：0016：0018：0020：0022：000：00时问豳3·142005年杨错生长季节典型天气燕腾日变化Fig．3-14Dailyvariationofpeplartranspiration011typicaldaysin2005 中国农业大学博十学位论文第三擎杨树林带蒸腾耗水特征段具影响机制3．2．2非生长期杨树蒸腾的日变化规律非生长期内，杨树蒸腾的目变化曲线不规则，昼夜差别远不如生长期明显。晴天天气下，10、1、3月份杨树蒸腾速率具有比较明显的昼夜变化，表现为单峰曲线(图3—15)。11、12和2月份杨树蒸腾速率昼夜差别不大，而且表现为白天杨树平均蒸腾速率低于夜问平均蒸腾速率。11、12和2月份白天杨树平均蒸腾速率分别为0．397L／h、0．377L／h和0．329L／h，夜问平均蒸腾速率分别为0．522L／h、0．594L／h和O，568L／h。在前面已经分析过白天杨树平均蒸腾速率还不及夜间杨树蒸腾速率大，其原因有可能是天气过于寒冷，太阳辐射辐射很弱所致。时间围3．15非生长期晴天日杨树燕腾日变化规律(2004)Fig．3-15Da砖yvariationofpoplartranspirationonsunnydaysduringnOB—growingmonthsof2004时间图3．16菲生长期阴天日杨树燕腾日变化规律(2004)Hg．3-16Dailyvariationofpoplartranspirationonovercastdaysduringnon-growingmonthsof200435^【I／1v铬缎熊糕^II／1v哥髑簦麟 中国农业人学博t学位论文第二章杨树林带蕉膊耗水特缸及儿影响机制阴大天气F，杨树蒸腾速率日变化很不规则(图3．16)。1月份杨树蒸腾速率表现出明显的昼夜变化规律，呈现为单峰曲线，而且昼夜蒸腾速率差别较大，白天和夜间平均蒸腾速率分别为0．849L／h和0．538L，ll。10月份和3月份杨树蒸腾速率也表现出昼夜变化规律，但是相对于1月份而言，昼夜蒸腾速率差别较小。其中lO月份白天和夜间杨树平均蒸腾速率分别为0．474L，ll和0．426L／h，3月份白天和夜间杨树平均蒸腾速率分别为O．395L／h和0．328L／h。ll，12和2月份杨树蒸腾速率日变化表现为夜晚杨树蒸腾速率比白天高，白天杨树平均蒸腾速率分别为0．285L／h、0．087L／hO和0．178L&，夜问杨树平均蒸腾速率分别为0．382L／h、0．161L／h和0．396L／h。在非生长季节，无论是晴天还是阴天天气下，杨树液流多在中午或者下午开始启动，与正常情况下蒸腾速率日变化有很大的差别。马履一等(2002)在研究油松液流变化规律时也发现液流启动时间明显滞后的现象，他把这种现象归因于土壤水分胁迫对液流的影响。本试验区地下水位很浅，基本不存在水分胁迫。Lu(2002，2004)则认为产生该现象的原因是由于加热探头与树干木质部接触不好，产生空隙所致。本试验中这种现象多出现在非生长季节，在生长季节基本没有发现这种现象，由此分析应该不是加热探头与树干木质部产生空隙所致。产生此现象的具体原因有待于进一步分析探讨。3．2．3杨树日累计耗水量曲线单个时间段的蒸腾速率只能表示瞬时蒸腾的快慢，不能反映树木整日的耗水量的情况。日累计耗水量曲线是把一天中一棵树的累计耗水量随着时间表示出来的曲线。我们从杨树主要生长季节的6、7月份和非生长季节的11、12月份选择各月中旬前后的典型晴天日为例，分析杨树日累计耗水变化规律(图3-17)。一V■*耀士喀皿0：002：004：006：008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：00时间田3·17杨树日燕腾耗水日累计曲线(2004)F．喈．3-17Diurnalgoglr∞ofaccumulatedWaifcon$Umllpii¨in2004从图中可以看出，在杨树生长季节与非生长季节，杨树日累计耗水曲线有着明显的差别，具体表现为：在杨树生长季节，杨树日累计耗水曲线总体呈现为“S”型，即夜里杨树耗水量很小，36们弱∞筋加坫mo 中国农业人学博t学位论文第三章杨树林带蒸腾耗水特缸及其影响机制从早上7：00前后耗水累计量开始上升，上午9：00．18：00上升速度很快，18：00以后耗水增加开始变缓，说明在生长季节，杨树耗水有着明显的昼夜差别，夜间耗水明显低于白天。6月14日与7月14日杨树耗水累计曲线产生差别的原因是由于当日的气象因子如太阳辐射、气温等因素差异所造成的。在杨树非生长季节，杨树日累计耗水曲线虽然随着时问表现为非常缓慢的增加趋势，但是增加幅度很不明显，基本维持在一个水平，昼夜耗水波动不大。本试验区地下水位很浅，而且在非生长季节，11、12月份林下土壤水分含量分别为20．53％和21．11％，生长季节6、7月份林下土壤水分分别为18．53％和17．28％，非生长季节林下土壤水分含量高于生长季节，不存在水分胁迫的可能。由此分析，产生该现象的主要原因是由杨树自身的生理特性和气象因子所决定的。杨树为了适应冬季的严寒，叶片脱落，树木生理活动减弱或者停止，进入休眠状态，体内存在微弱的液流很可能是为体内进行非常微弱的代谢活动而产生的。杨树的这种生理特点是为了更好地适应环境，以便安全度过寒冬，来年更好地生长。3．2．4杨树蒸腾耗水日际变化和年变化规律通过对杨树各日相邻时刻的蒸腾速率进行积分，得到了杨树蒸腾耗水量日际变化曲线(图3．18)，并对各月耗水量进行了计算(表3-2)．从图3．18、表3-2中可以看出，杨树日蒸腾耗水量呈现出明显的日际变化或月变化特征。从4月下旬起，随着叶片的生长、杨树叶匾积指数的增加。杨树蒸腾耗水量迅速增加。6月蒸腾达到全年的最大值，其主要原因为6月份杨树枝叶完全展开，枝叶繁茂，加上高温、强辐射等气象因子的作用，使得杨树蒸腾耗水量最大。2004、2005年6月份蒸腾耗水量分别为1073．82L和1163．65L，分别占生长季节耗水总量的20．26％和26．52％．从lO月起，杨树叶片开始脱落，蒸腾耗水量逐渐降低，从11月到12月至次年3月，随着寒冬的来临，杨树叶片全部脱落，树木进入休眠期，每天仅需少量水分维持自身的生理活动，蒸腾量很小。全年蒸腾耗水量最小的月份出现在2月份，2004、2005年2月份耗水量分别为31237L和JV捌*耀日期(月．日)图3-18杨树燕腾量日际变化规律M昏3-18Dailyvariationofwaterconsumptionofpoplartreesin2004and2005 中国农业大学博￡学位论文第．j学杨树林带箍腾耗水特缸及其影响机制表3-22004年杨树主要生长季节和非生长季节各月耗水量及占总曼的百分比Table3-2MonthlywaterconsumptionofpoplartreesduringgrowingandnOn—growingmonthsin2004表3-32005年杨扫l主要生长季节和非生长季节各月耗水量及占总量的百分比Table3-3Monthlywaterconsumptionofpoplartreesduringgrowingandnon-growingmonthsin2005 中国农业大学博卜学位论文第二幸杨树林带蕉腾耗水特征及其影响机制190．78L，分别占{I二生长季节耗水量的14．26％希112．09％。2004、2005年杨树全年耗水量分别为7490．86L和6245．54L，生长季节耗水管分别占年总耗水晕的70．77％和74．7l％，非生长季节耗水量分别占年总耗水量的29．23％和25．29％。2005年杨树蒸腾耗水量比2004年少1245．32L，产生差异的主要原因跟当年的气象因子如太阳辐射、降雨量等有关。以降雨量为例，2004、2005年降雨量分别为300．4ram和253．3ram。二者差值为47．1mm。虽然毛乌素沙地地下水位很浅，基本不存在水分胁迫，但是降雨量对表层土壤水分还是具有一定的影响，进而影响到杨树的蒸腾耗水。3．3环境因子对杨树蒸腾速率的影晌除了林木自身的生理特点外，其蒸腾速率的大小与其周围环境的变化有着密切的关系。影响植物蒸腾的因素基本可以分为3类：即生物因素、土壤供水因素和气象因素。生物因素决定蒸腾的潜在能力，土壤供水决定蒸腾的总体水平，而气象因素决定蒸腾的瞬间变动。3．3．1土壤水分对杨树蒸腾耗水的影响论述环境因子对树木蒸腾的影响，首先应当考虑的是水环境，即树木的土壤含水量，土壤的供水水平极大得限制树木的耗水能力，在很大程度上决定了树木蒸腾的总体水平。+土壤含水量+蒸腾耗水4月9日5月14日6月15日7月15日8月16日9月27日日期田3-19土壤水分与杨树燕腾耗水的关系(2004)Fig．3-19Relationshipbetweensoilwatercontentandpoplartranspirationduringgrowingmonthsof2004将O-180cm土层土壤含水量平均后，以平均值作为林下土壤水分与杨树蒸腾耗水进行比较，通过比较发现土壤水分含量对杨树蒸腾耗水量影响不大(图3-19)。首先来看土壤水分的变化情况，从2004年4月9日到6月5日。林下土壤水分变化不大，基本维持在一个稳定水平，波动范围为20．29-21．16％，5月14日、6月5日土壤水分含量略有增加，其原因为这两日分别有28．7mm和26．3mm的降雨，之后土壤水分含量星下降趋势，最低值出现在7月15日，为19．07％，从7^1)捌*耀缝馘∞∞鲫笛加坫m5O斟∞挖甜∞挎体仃^xv●*如嚣、静群卅 中国农业大学博￡学位论文站：章杨树林带蒸腾耗水特征及H影响"L制月16日到7月25日期间共有72．8mm的降雨，土壤水分得到有效的补充，土壤含水鬣增加到23．16％，然后由于树木蒸腾对水分的消耗，土壤水分含量又逐渐减少，8月25日到9月27日土壤水分含量在19．67．21．13％之问波动。杨树蒸腾耗水日际变化较大，其中5月14日和6月5日蒸腾耗水量明显低于其他各日，分别为13．27L和18．43L，其原因在于这两日分别有28．7mm和263．mm的降雨，降雨日使得太阳辐射降低，日辐射总量分别为4．07MJ／m2和11．93MJ／m2，从而降低了树木的蒸腾速率。在土壤水分得到明显的补充后，5月15日、6月6日和7月26目杨树蒸腾耗水量分别为21．48L、21．87L和24．82L，相比其他没有降雨的日期，蒸腾耗水量并没有明显的增加。Mcl|roy(1984)研究认为在足够干旱的条件下，土壤供水本身可以决定植物的实际蒸腾速率，而气象因子的影响效果则相对较小。但是本研究中通过以上比较可以看出林下土壤水分对杨树蒸腾耗水影响不大，其原因在于本试验区地下水位很浅，且杨树根深叶茂，能从较深层次的七层中或者直接从地下水获取水分，供蒸腾水分的消耗(Zhang盯a1．1999)。由此可以推断出在试验过程中对于杨树蒸腾耗水而言基本不存在水分胁迫，杨树蒸腾耗水的变化很大程度上是受到太阳辐射等气象因子控制的．33．2强降雨对杨树蒸腾速率的影响毛乌素沙地降雨主要集中在6-9月份，这个降雨量占全年总降雨量的80％左右，不但降雨时间分布不均匀，而且降雨强度很大，个别日降雨量能达到50多胁。为了了解强降雨对杨树蒸腾变化的影响，我们选择了2004年7月241日-26日连续3天分析杨树蒸腾速率的变化规律。f{o蠡驿噩嵌巨g一删腔世0：006：0012：0018：000：006：0012：0018：00O：006：0012：0018：000：00时问围3-20太阳辐射和降雨量的变化(2004．07．24-26)H垂3-20Variationofsolarradiationandrainfall(2004m7．24-26)首先分析天气变化情况，从图3．20中可以看到，7月24日没有降雨，太阳辐射总体呈现出抛物线的变化趋势：5：30左右太阳辐射开始增加，13：40达到最大，为1008w／m2，之后太阳辐射逐渐降低，在20：00前后降为0，期间受到云遮阴的影响，太阳辐射略有波动。7月25日早上6：00以后太阳辐射开始增加．到9：30左右达到峰值，为233．8w／m2，之后天气变阴，太阳辐射开始下降，lO：30左右开始出现降雨，一直持续到晚上22：oo前后，当日降雨量高达61．5mm．40狮眦啪枷瑚。 中国农业大学博E学僻论文第一幸杨树林带燕胯耗水特征鼓其影响机制由于受降雨的影响，太目j辐射一直很低，儿乎为0。7月26日没有降雨，太刚辐射呈现正常的变化趋势，与7月24日基本一致。从图3-21中可以发现，无论是晴天还是强降雨日，杨树蒸腾速率与太阳辐射的日变化趋势很相似。7月24日和26目，杨树蒸腾速率日变化表现为：早上蒸腾开始启动，之后蒸腾速率迅速上升，在上午9：00-10：00左右达到峰值，峰值～直维持到下午18：00．19：00左右，然后缓慢下降，直至第二天日出前达到最低值。7月24日和26日日平均蒸腾速率分别为1．31L／h和1．04L／h，最大蒸腾速率分别为2．611dh(出现在15：10)和2．41L／h(出现在13：10)。7月25日杨树蒸腾速率在9：10左右达到峰值，为2．22L／h，之后受到强降雨量的影响，杨树蒸腾速率骤然F降，日平均蒸腾速率为0．65L／h。由此说明：树干蒸腾的启动时间以及蒸腾速率的大小在很大程度上受到太阳辐射的调控(后面将阐述说明)。f{、一韶骤医《32-52雪V1．5铸蜊1蕤0．5O0：006：001Z：0018：000：006：00lZ：0018：000：006：0012：0018：000：00时间冒3：：杨铹蒸腾速率与太阳辐射盅勺变化规律(2004．07．24．26)n昏3-21Variationofsolaradiationandpoplartranspiration(2004．07．24-．拍)从图中还可以看到，虽然7月25日有61．5mm的降雨量，但是7月26日的蒸腾速率与降雨前的7月24日相比，并没有明显的增加，说明就本试验地而言，土壤水分不是影响杨树蒸腾大小的限制因子。因为毛乌素沙地地下水资源比较丰富，研究区域在多雨年份可达到地表，低洼处有季节性积水，在干早年份滩地地下水埋深0．5．1．5m，充足的地下水保证了杨树生长期的蒸腾耗水．3．3．3气象因子对杨树蒸腾速率的影响气象因子作为植物蒸腾的一种制约因子，有着固定的变化节律，对蒸腾的影响也有固定的节律性。气象因子中太阳辐射是一个很重要的因子，辐射强度的昼夜变化节律与蒸腾速率的节律变化非常相似，夜间和白天液流差别很大，就足以说明气象因子对于蒸腾的影响方式．气象因子对蒸腾的影响是一种制约，某一时刻蒸腾速率的大小与当时的气象因子是不可分割的，气象因子决瑚啪咖啪伽{若o 中国农业人学博i+学位论文第三幸杨树林带蒸腾耗水特征及其影响机制定了蒸腾速率的瞬时水平。为了确定气象因子与蒸腾速率的关系，分别用线性、二次、三次、乘幂以及指数等拟合模型对二者进行曲线拟合，从中选择最优模型。3．3．3．1太阳辐射对蒸腾速率的影响太阳辐射(光照)对蒸腾起着决定性的促进作用。太阳辐射是供给蒸腾作用的主要能源，叶片吸收的辐射能，大部分用于蒸腾。此外，太阳辐射影响着气孔的开闭，多数植物的气孔在无光照条件下关闭，气孔阻力无穷大．此时，不论其它环境条件如何变化，气孔的蒸腾作用都难以发生：日出以后，光照促进气孔开放，减少气孔阻力，有利于蒸腾的发生。其次，太阳辐射还影响着时温和气温，在强烈的太阳照射下，叶温可以高出气温2-IO'C，大大促进了水汽扩散梯度，水蒸气分子扩散力加强，从而提高了蒸腾的速率(王沙生等，1991)。太阳辐射与蒸腾速率的各种拟合曲线见表3-4。通过拟合发现，二次曲线的拟合效果最好，具有较高的相关系数。所以可以认为，太阳辐射与蒸腾速率表现为二次曲线关系。分析该曲线关系可以看出，当太阳辐射较低对．蒸腾速率随太阳辐射的增加而增加。可是，当太阳辐射大于某极限值时，蒸腾速率将随太阳辐射的降低而快速降低。如果辐射强度超过此值，高强度的辐射伴随着气温的升高，叶片表面温度也升高，树叶气孔大量关闭。从而导致蒸腾速率的下降。在正常的太阳辐射情况下，树木的蒸腾作用比较旺盛，从而使此时的蒸腾维持较高的水平。表3．4不同模型对燕腾速率和太阳辐射关系的拟台效果Table3-4Curvefilllngsbetweentranspirationandsolarraidatinbydifferentmodels在杨树不同的生长月份，太阳辐射强度不同。为了进一步阐明太阳辐射对蒸腾速率的影响，我们采用二次曲线，将各月份太阳辐射与杨树蒸腾速率进行了拟合，结果见表3—5。寰3-5不同月份模型对液流建度和太阳辐射关系的拟合效果Table3-5Fittfngsbyquardraticcurvebetweentranspirationandsolarradiationindifferentmonths从表3-5中可以看出。除4月份外，其余月份以及4-9月分综合太阳辐射与蒸腾速率均有较好的相关关系，R2在0．59-0．72之间波动。4月份太阳辐射与蒸腾速率相关性不大的原因在于：4 中国农业大学博卜学位论文第二章杨树林彳苗弗辑耗水}，缸『及旗影响机制月份气温低、辐射弱，而且杨树叶片尚未完全展斤，太RI辐射的峰值与蒸腾速率峰值时『日J差较人．3．3．3．2空气温度对蒸胯速率的影响除太阳辐射外，空气温度也是一个对蒸腾速率影响较大的环境因子。通过拟合发现，空气温度对杨树蒸腾速率表现为三次曲线拟合效果最好，R2达到0．5618(表3-6)。从-二者的关系曲线看来，在一定范围内，蒸腾速率随着气温的上升而缓慢上升。Mcllrog(1984)认为高温为近表面蒸发区(near-surfaceVaporizationZone，VZ)液态水提供蒸发潜热耗能，使得该区的水汽压提高。如果晴朗天气，大气中的水汽压可以认为不变，而叶片和大气中的水汽压梯度增大，从而加速了水分汽化过程，使蒸腾增加；同时，林冠表面温度的上升加大了蒸发表面与上层湍流高度上的水汽垂直输送，蒸腾加快，从而使得液流提升。裹3-6不同模型对燕腾速率和气温关系的拟合效果Tslbe3-6Curvefittingshtnweentranspirationandairtemperaturebydifferentmodels有研究表明：当空气温度由20℃增加到30。C时，vz和大气之间的水汽压差由1．16Kpa增加到13．04Kpa，如果气孔开度没有变化，水汽从叶内向外扩散的速度将增加近2倍(千沙生等，1991)。通过对生长季节各月份空气温度对杨树蒸腾速率的拟合，我们发现：除了4月份I也略低外，其余个月份R2基本在0．58·0．72之间波动，说明空气温度对杨树蒸腾速率有较好的拟合关系。4月份由于空气温度较低，对杨树蒸腾速率的影响不太明显；9月份空气温度对杨树蒸腾速率有很好的相关性，说明该月份空气温度对蒸腾速率的影响占有主导地位。表3·7不同月份三次曲线对燕腾速率和空气温度关系的拟合效果TaIbe3-7Fittingsbycubiccurvebetweentranspirationandairtemperatureindifferentmonths3．3．3．3相对湿度对燕腾速率的影响经拟合筛选发现，空气相对湿度与蒸腾速率的关系用线性、二次曲线和三次曲线的拟合效果相近(表3-8)，二者表现为负相关关系。毫无疑问，空气相对湿度的增加会降低蒸腾的速率。因为相对湿度高，空气中水汽分压较大，使边界层水汽压与叶片气孔内腔水汽梯度减小，水的汽化过程变慢，蒸腾速率降低；空气相对湿度较低时，大气比较干燥，叶片内外水汽压梯度变大，水 中国农业人学博}学位论文第|三章杨树林带蕉腾耗水特征及其影响机制分就从叶片向大气中扩散，蒸腾速率增加。值得注意的是，在分析空气相对湿度对蒸腾的影响时，还应该考虑到气温的影响，因为不同温度下，相同相对湿度的水汽压差异会很大，温度较高时大气水汽压较低，大气与叶片之问水汽压梯度增大。因此相对湿度相同时，高温下蒸腾强度要大于低温。表3-8不同模型对燕腾速率和相对湿度关系的拟合效果TableCarvefittingsbetweentranspirationandrelativehumidltybydifferentmodels3．33．4风速对蒸腾速率的影响空气的水平运动称为风，风对蒸腾速率的影响，决定于其透过气孔的水气压梯度的陡度和叶子温度的相对影响。风速对蒸腾速率的影响与光照、气温一样，对蒸腾的作用比较明显和直接，同时反应较快。通过拟合发现风速与蒸腾速率的相关性不大，相比之下，三次曲线的拟合效果要优于线性和二次关系(表3．9)。其原因在于：风对蒸腾速率的影响比较复杂，较低的风速对蒸腾速率有两种相反的效应：一方面风速带走气孔附近聚集的水汽，增大了叶内外的永汽压差，倾向于蒸腾作用的增强；另一方面，风速又通过对叶温的效应而影响蒸腾，特别在太阳辐射很强时，风能明显降低叶湿，倾向于减弱蒸腾。风速过大时，会导致叶片迅速失水，从而导致气孔关闭，内部阻力加大，引起蒸腾速率的降低。在后面的分析中可以看到，风速有时候与蒸腾速率表现为正相关，有时候表现为负相关，正说明了风速对蒸腾速率所起的双重影响。砉3-9不同棒型对蒸腾速率和风濂的拟合效果Table．3-9Curvefittings[№tweentranspirationandwindspeedbydifferentmodeb3．3．3．5气象因子综合对杨树燕腾速率的影响在自然条件下，各气象因子并不是独立作用于林木蒸腾，而是综合影响，各因子之间相互制约、相互作用。为了更准确分析气象因子与杨树蒸腾速率的关系，需要对多因子进行综合分析．因此，在杨树生长季节，将太阳辐射(Q)、空气温度(绍)、相对湿度(RI-I)、风速(∞等气象因子与对应时刻的蒸腾速率(Tr)进行了多元回归分析，结果如下：Tr=1．0191+0．001540Q—o．01485RH-i-0．03799Z-口+O．025621矿(n=18,288) 中国农业人学博L学位论文第三章杨树林带蒹腾耗水特征及其影响机制式中：Tr、口、Ta、V的单位分别为L／h、W／m2、℃、m／s，RH为无量纲数，以％计量。复相关系数r=0．879，其中，T厂与Q、Ta、RH、V的偏相关系数分别为0．561、0．300、-0．477、0．067。F=15509，7p》FO．01(4，18288)=3．32。说明可通过显著性检验。由此可见，影响杨树蒸腾速率的最主要气象因子为太阳辐射。其主要原因在于：太阳辐射对树木蒸腾的影响主要是通过其引起气温以及相对湿度的变化，使树木液流随着改变，树木蒸腾便相应表现出明显的日变化。温度越高，气孔开度越大，树木液流越快，林木蒸腾耗水越多，反之亦然。过度的高温反而会引起植物呼吸作用增强，导致气孔关闭，植物蒸腾耗水降低。空气相对湿度与树木蒸腾表现为负相关关系。当夜间至黎明空气水汽相对饱和、相对湿度较大，叶子与大气的界面系统水势梯度差值很小，楗干液流趋于0，叶子几乎无蒸腾；白天空气相对湿度下降，界面系统的水势梯度增大，树干液流加快，蒸腾也相应增强。’表3．IO2004年杨树生长期各月液流速率与气象园子的回归方程Table3-10Multi-regressionequations[№tweeutranspirationandclimaticfie／orsduringgrowingmonths0f2004为进一步阐明气象因子对杨树蒸腾流速率的影响，我嚣】将杨树生长季节各月的气象因子与杨树蒸腾速率进行了回归分析，建立的多元回归方程见表3．10。从表3．10中可以发现，除了4月份杨树蒸腾速率与各气象因子的相关系数为0．71l，其余生长月份复相关糸敦均达到O．87以上，说明气象因子对杨树蒸腾速率具有很好的复相关性。杨树蒸腾速率与各气象因子的偏相关系数如表3-11所示。杨树蒸腾速率与风速的关系不确定，有时呈现为正相关，有时呈现为负相关．与空气温度呈现为正相关，与空气相对湿度呈现为负相关。除了4月份杨树蒸腾速率与太阳辐射呈现为负相关外，其余生长月份，均与太阳辐射呈现为正相关关系。4月份杨树蒸腾速率与太阳辐射呈现为负相关的原因在于：在4月份，太阳辐射每日达到峰值的时间比液流速率达到峰值的时间提前。以4月1日为例。太阳辐射最大值出现在中午13：00左右，而此时的树干液流正处于上升阶段；直到下午18：30左右蒸腾速率才达到最大值，而此时的太阳辐射已经几乎降为0。杨树蒸腾速率最大值与太阳辐射最大值之间有了5个多小时的时滞，导致了蒸腾速率与太阳辐射呈现为负相关关系。杨树蒸腾速率上升速度缓慢跟4月份的太阳辐射以及空气温度有关，此时太阳辐射较弱，空气温度较低，需要足够长的时间才能启动树干的液流。从表3一11中可以发现，在4-9月份，风速与蒸腾速率的偏相关系数不稳定，有时为正值，有时为负值，说明风速对蒸腾速率的影响比较复杂，与风速的大小有关。空气温度与蒸腾速率呈现为正相关，相对湿度与蒸腾速率呈现为负相关，除了4月份太阳辐射与蒸腾速率呈现为负相关外， 中国农业大学博l学佗论文第』章杨树林带蒜腾耗水特符投n影响机制其余月份太阳辐射与蒸腾速率均呈现为止相关关系。在整个生长季节，太刚辐射对蒸腾速率的偏相关系数最大，达到o．561，说明太阳辐射对蒸腾速率的影响最大，其次为相对湿度和空气温度，风速对蒸腾速率的影响最小。袭3-1I2004年杨树蒸腾速率对各气象因子的偏相关系数Table3一llPartialcorrelationcoefficientsbetweentranspirationandclimaticfactorsin20044月份杨树蒸腾速率与太阳辐射为负相关的主要原因在于4月份太阳辐射较弱，使得杨树蒸腾速率达到峰值的时间明显滞后于太阳辐射的峰值，尤其在4月初期这种现象尤为明显(图3-22)。o喜V接骤匠}乏3252§V1。5篓，羹0．502品2品?品穿=宝鬲2若2石0若2品牙品g吕3S8苦g；g苦Sg舀g；S；g苦。口o时间图3-22杨树蒸腾速率与太阳辐射的日变化(2004．04．01．10)F．唔3-22Diurnalvariationofpoplnrtrampirafionnedsolarradiation(2004m4．01-10)我们以2004年4月1日为例，对此现象进行说明(图3-23)．4月1日，太阳辐射从6：30以后开始出现，然后逐渐上升，在13：00达到最大，为770w／m2，而此时杨树蒸腾速率正处于缓慢上升阶段，蒸腾速率仅为0．84L／h。太阳辐射达到最大以后，开始逐渐降低，19：oo以后太阳辐射变为0。杨树蒸腾速率在18：30才达到最大值，为1．53L／h，此时太阳辐射已经很小，只有58．16w／m2，杨树最大蒸腾速率出现时间比太阳辐射最大值出现时间滞后了5个半小时．通过建立气象因子与杨树蒸腾速率之间的关系，不但能揭示气象因子对杨树水分生理变化的影响，而且还可以利用建立的回归方程，根据气象参数预测杨埘的蒸腾耗水量，以实现合理的灌46螂啪瑚鼬舌}枷鲫{暑雠。 中国农业大学博上学位论史第獐杨树林带蒸腌耗水特征及其影响机制溉，提高水资源利用效率。1．81．61．41，22lVo．8饕o．6蓑0．40．2O0：003：006：009：0012：0015：0018：0021：000：00时间图3-23杨树燕脯速率与太阳辐射的矗变化(200404．O”，弛&23Diurnalvarhationofpoplartranspirationandsolarradiation(1。April，2004)3．4杨树蒸腾耗水与参考作物蒸散量的比较参考作物蒸散量(ETo)是指作物高度为o』12m，并有固定的她表阻力为70s／m，反射率为0．23的参考冠层的蒸散量，相当于高度一致、生长旺盛，完全覆盖地面而不缺水的开阔草地的蒸散量(AllendaL199,1)。由于对地表物作了比较严格的定义，参考作物蒸散量的变化只与气象园素有关，能反映出一个地区的气象条件，因此，准确地测定和估算参考作物蒸散量不仅是制定作物灌溉制度和区域灌溉需水量计划的基本依据，而且已经成为检测农业旱情、提高区域水资源利用效率的关键环节。利用自动气象站观测得到的空气温度、相对湿度、风速、太阳辐射等因子，通过Penman-Monteith模型计算出参考作物蒸散量，将杨树蒸腾耗水量转换为单位面积耗水量(nun)，比较杨树蒸腾耗承量与参考作物蒸散量之间的变化，从图3-24中可以看出，通过TDP技术测定出的杨树蒸腾耗水量(A)与通过P∞man-Momeith模型计算出的参考作物蒸散量(ETo)的变化具有很好的一致性。波蜂波谷具有同步性，二者平均误差为21．1％左右，回归分析表明二者具有很好的相关关系，相关系数为O．73，拟合方程为：开卸．6938ETo+0．4655，说明利用TDP技术测算得到的杨树蒸腾速率是比较准确的。反映出杨树的蒸腾耗水变化规律是可信的。喜}鲫m枷善}伽枷瑚mo^N口I／3每霹臣K 中固农业人学博i二学位论文第二章杨树林带藏鹏耗水特征发J‘影响机制星V一簧耀日期(月一日)图3．”杨树燕腾耗水量与参考作物燕散量的比较Fig．3-24Comparisonbetweenpoplarwaterconsumptionandreferentcropevapotranspiratiou3．5叶面积指数和水面蒸发对杨树蒸腾速率的影响叶片是林木进行光合、蒸腾作用的主要器官，因此叶面积的大小及其分布直接影响着林分对光能的截获利用以及蒸腾作用的大小，进而影响着林分生产力。叶面积指数(LeafAreaIndex，LAD是指单位土地面积与其总叶面积的比值。LAI越大，说明叶片交错重叠程度越大。因此，LAI作为一个重要生理指标，在气体交换、光合产量和水分利用等方面都是必不可少的参数。48糍杂氍陋毒020406080100120140160180生长天数(day)田3-25杨树叶子生长天数与叶面积指数的关系Hg．3-25Relationshipb矗w托nleafgrowthdaysandLAI通过对LAI与对应的生长天数(从展叶开始算起)进行拟合，发现二者呈现为很好的对数关6543Z1O 中国农业人学博卜学位论文第三章杨树林带蒸腾耗水特征发其影响机制系(图3-25)，韶达到0．952。从4月20日杨树开始展叶，4月30日测定杨树叶面积指数为2．37，随后叶面积指数迅速增大，进入6月下旬后。叶面积指数逐渐趋于稳定，维持在4．71-4．98之间，在8月20日左右，叶面积指数达到最大，为4．98。髓后，随着气温逐渐降低，辐射减弱。杨树树叶开始慢慢脱落，叶面积指数也渐渐减小，等叶子完全脱落以后，叶面积指数降为0．从杨树生长季节中选择天气状况基本相似的日期，建立杨树平均日蒸腾速率与LAI的关系，结果发现二者的关系用线性关系、指数函数和三次曲线均能拟合出来，相比之下三次曲线拟合效果最好，R。为0．844(表3-12)，说明除了环境因子对蒸腾速率的影响外，LAI对杨树蒸腾速率的大小也起着相当重要的作用，因为林木的蒸腾作用需要通过叶片这个器官来实现。而LA!则是对叶片大小以及数量的反应。常学向等(2004)在研究了黑河中游沙枣树干液流与LAI后发现两者之问呈三次曲线，而发现二白杨树干液流与LAI呈现为线性关系。表3一12杨树燕腾速率与L棚的拟合效果Table3-12CuHefitlings“poplartranspirationandL^l植物的蒸腾受到大气、植物、土壤水分等多种因素的综合影响。水面蒸发(Ego)虽然不同于自然条件下的蒸发能力，但能够反映出不同生境下的最大蒸发能力，是一个能反映光、热、水、温等综合因素的小气候因子．显然水面蒸发和植物的蒸腾有着密切的关系。叶面积指数(LAI)作为一个重要的生物因素，对植物群体的生长分析起着非常重要的作用，已经成为一个非常重要的植物学参数和评价指标。O．3O．20．1O20406080水面蒸发与叶面积指数乘积(Ⅱm)图3-26杨树燕晴耗水与水面蒸发和叶面积指数的关系Fig．3-26RelatlnnsbipbetweenpoplarwaterconsumptionandcombinationofwaterevaporationandIAl^目gv*霉鑫德 中因农业大学博I学位论文第一：章杨树林带燕腾耗水}'征发其影响机制为此，本文利用2004年4月-9月测得的杨树日蒸腾耗水量(ram)，建立杨树日耗水量与日水面蒸发(mm)X杨树叶面积指数的关系，对二者进行回归分析，结果表明：杨树蒸腾耗水量与水面蒸发X叶面积指数具有较好的幂函数关系(图3-26)，相关系数为0．83(n=50)，拟合方程为：Tr=0．0028X(EVoXLAI)o’1“鉴于长期逐日进行光、热、水、温等因子的小气候观测具有很大的困难，而获得逐日水面蒸发资料相对比较容易。因此利用上述所建立的以水蕊蒸发和叶面积指数为自变量的杨树蒸腾耗水经验模式，逐日计算杨树蒸腾耗水量具有一定的可行性。3．6防护林下土壤蒸发的计算土壤蒸发是发生于土壤一大气界面上的水分散失过程，包括水分在土壤中的迁移和地表面的汽化过程，土壤蒸发既需要被蒸发的物质．土壤水分，又需要用于蒸发的能量．到达地表的太阳辐射，即物质能量的交换过程。凡是影响土壤水分、能量及其交换的因素，都将影响土壤蒸发的速率。对于林下土壤蒸发，应该考虑到林木对地表遮阴的影响，即叶面积指数对林下土壤蒸发的影响。叶面积指数对林下土壤蒸发的影响主要通过叶面积改变到达地面的辐射能(光照透过率)而起作用的。林本下土壤蒸发量较小，单独测定具有一定的难度。Richie＆Bumett(1971)研究了棉花和谷类作物的分摊系数和叶面积的关系，提出了充分供水条件下植物蒸腾开与蒸散量ETc的关系式。当0．1≤LAI≤2．7时，有：C=(-0．21+0．7．“，05)E瓦(3·1)当LAI≤O，1时，有Z“0(3．2)式中，矸为植物蒸腾量(ram)。曰：为蒸散量(舳)，z—J为叶面积指数。根据蒸散与蒸腾的差值，即可求算出土壤蒸发量．晷内对这方面研究工作开展不多，康绍忠(1994)通过研究发现；作物蒸腾在总蒸散量中所占的比例依赖于提供到作物冠层和棵问土壤表面的净辐射以及各部分的传输阻力。在充分供水条件下，可假定作物蒸腾在总蒸散中所占的比例与作物冠层所截留的净辐射在总的入射净辐射中所占的比例是相同的。若作物蒸腾与总蒸散用波纹比．能量平衡法计算：取=南b，，r=矗㈨，在充分供水条件下，声n芦?分别为蒸发面、植物冠层蒸发面到大气之间的波纹比。最终得到： 中国农业大学博卜学位论文第二争杨树林带蒸肫耗水特缸及嬉影响机制一Tr：h-kLO-(1,0q-_mif-∥13)|)‘3射E￡关系式：_IM-(I．O+AIm!型Jhe"I12I"E2乃i礤旺6’1一。4州”“I”皆。l，E=I啬(3．7)公式中各种符号的意义同前。本文采用康绍忠的计算公式，根据林木蒸腾量计算出土壤蒸发。杨树主要生长月份各月林下土壤蒸发见表3一13。2004年4月一9月，杨树舫护林带总的蒸散耗水量为697．66ram，日平均耗水量为3．81ram。其中防护林带蒸腾量为662．46mm，占总蒸散量的94．95％，日平均蒸腾耗水量为3．62mm；土壤蒸发量为35．2mm，占总蒸散量的5．05％，日平均蒸发量为O．19ram。通过对比各月份杨树防护林蒸腾耗水与林下土壤蒸发，可以发现：防护林的耗水以蒸腾耗水占据绝对的优势地位。由于杨树在4月下旬以后开始逐渐展叶，加上气温低、太阳辐射弱，使得防护林带蒸腾耗水较少，与别的月份丰甘比，这个时期林下土壤能接收较多比例的太阳辐射，而且4月份正值多风、大风季节，因此。林下土壤蒸发占总蒸散量的比例较高，为11．47％。5．8月份，杨树枝叶已经完全展开，枝繁叶茂，加上高温，强辐射等气象条件的作用，使得防护林带蒸腾消耗大量的水分，以维持旺盛的生理活动，这期问土壤蒸发仅仅占总蒸散耗水量的3．98％左右(5．8月份平均值)；进入9月份以后，杨树叶子开始逐渐脱落，叶面积指数有所降低，此时林下土壤能接收较多的太阳辐射，蒸发量较前一时期有所上升，为4．44％．衷3·13防护{奉带燕腾量与±壤蒸发量的比较(2004．04．09)Table3·13Comparisonbetweenpoplartranspirationandsoilevaporation(2004．04-09) 中国农业大学博l一学位论文第二争杨树林带菇腾耗水特征及其影响机制II3．7由单株到林带耗水尺度的转换采用TDP技术测算得到的蒸腾耗水是基于单株树木水平上的，研究单株林木耗水的目的是为了计算出整个防护林带的耗水量。Denmead(1984)首次提出“如何从树木说森林”的问题。这个问题对于研究某一立地或区域的水分利用问题非常重要。只有了解整个防护林带的耗水变化规律，才能为该地区的造林密度的选择和林带结构配置等提供理论依据。从单株树木耗水到整个林分蒸腾耗水尺度转换有多种方法。前人做了大量的尝试性的工作，其中常见的有以冠幅(CrownSize)、树干基部面积(BasalArea)、林冠投影面积(ProjectedCrownArea)和单木占地面积(Gro咖dAreaOccupiedbyEachTree)为基准变量，进行单株耗水的尺度扩展(Cermak&Kuceral987：Hattonetal．1990；Vertessyela／．1997)。此外，还有以叶面积(LeafArea)为变量实现单株到林分耗水尺度的转换(HattonetaL1995：VertessyelaL1995>。因为树木边材面积与液流直接相关，树木的胸径又容易测定，因此有人通过建立胸径与边材面积的关系，进而推算出林分的总耗水量(Vertessyela／．1995；CiencialaetaL2000：Robertseta／．2001；Wullsehlegereta1．2001：ee肌矗kel口，2004；Kumagaiel口，．2005)；我国的部分学者也利用胸径与边材面积的关系进行了由单株到林分耗水量的尺度扩大(孙鹏森等，2002：康峰峰等，2003：熊伟等，2003)。如果推算种植密度均一、树木生长状况一致的人工林的耗水，或者上层林冠郁闭较好的林分。按照每术平均占地面积来分配耗水份额是比较实际可行的。当林木生长不均一，林隙较大，特别是在推算天然林蒸腾耗水的时候，采用叶面积作为纯量来推算林分的蒸腾耗水量具有较高的精度。由于树木胸径比树木叶面积更容易测定，测定结果也比较准确，因此本研究采用胸径作为纯量进行林木耗水尺度的转换。具体方法如下：从林带中选取20株代表样株测定其胸径，边材和心材等资料，通过统计分析建立胸径与边材面积之间的关系，然后根据测得的胸径，利用该关系式，求算出林带的边材面积，进而求算出林带的总耗水量。从图3-27可以看出，杨树胸径和边材面积之问具有很好的相关性，其中拟合效果最好的为乘幂关系，R2为0．958(表3-14)。450^400g氍1鲁莽3501618202224胸径(m)图3-27杨树胸径与边材面积的拟合关系Fife3-27Fittingbetweendiameterandsapwoodarea 中国农业人学博卜学位论文第二章杨树林带蕉畴耗水特缸及其影响机制表3．14扬扫f胸径与边材面积的关系Table3-14Relationshipbetweendiameterandsapwoodareainpoplartrees往：报台万崔中x．Y分崩曩历啊径和边材面积根据二者之问的关系式和每木检尺测得的胸径，求算出整个林带的边材总面积。我们假定在相同立地条件下，同一树种同一时刻不同径阶的木质部之间液流速率没有很大的差异，在此假设条件下，得到了林带的总耗水量：j4E=鲥·【Q(3．8)8A=∑删。(3．9)其中E为林带总耗水量(L)，Qs为被测样株平均液流通量密度(L／cm2．h)，SA为林带总边材面积(cm2)，SA．为第n棵树木的边材面积(cm2)，n表示树木数量。计算出林带总耗水量的基础上，根据林带占地总面积，即可求出单位面积林带耗水量(栅)。为了便于与紫花苜蓿生育期耗水量进行比较，我们计算出了林带2004年4月20日．8月20日的耗水量总量为756．5m3，单位面积耗水量为445mm。3．8小结1．生长季节(4—9月份)，杨树蒸腾速率日变化表现为：随着太阳辐射的增加，蒸腾速率迅速上升，中午前后达到峰值后并维持较长时问，然后缓慢下降，直至次日日出前后降为0。晴天和阴天杨树蒸腾日变化表现为单峰曲线，多云天气表现为双峰曲线，这种变化曲线与太阳辐射等气象因子有关；菲生长季节(10-3月份)，杨树蒸腾速率日变化不明显，昼夜波动较小。2．2004、2005年单株杨树年耗水量分别为7490．86L和6245．54L，其中生长季节耗水量分别为5300。96L和4665．82L，耗水量最大出现在6月，分别占生长季节耗水量的20．26％和24．94％；非生长季节耗水量分别为2189．90L和1579．72L，耗水量最小出现在2月，分别占非生长季节的耗水量的14．26％和12．09％．3．通过对生长季节气象因子与杨树蒸腾速率进行多元回归分析，结果表明影响杨树蒸腾速率的最主要因子为太阳辐射，其次为气温，相对湿度与蒸腾速率表现为负相关，风速对蒸腾速率的影响比较复杂。4．杨树耗水量与参考作物蒸散量之间存在较好的线性相关关系，相关系数为0．73；杨树蒸腾速率与叶面积指数、叶面积指数×水面蒸发的关系分别用三次曲线和乘幂关系拟合效果较好，相关系数分别为O．84和0．83。5．与杨树蒸腾耗水相比，转下土壤蒸发在总耗水量中占的比例很小。2004．年4-9月份，土壤蒸发总量为35．32mm，占总耗水量的5．04％。 中国农业大学博卜学位论文第四申紫托曲蓿蒸散耗水特征第四章紫花苜蓿蒸散耗水特征通过观测和测定得到的田间小气候数据和紫花苜蓿株高、叶面积指数等指标，利用经过涡度相关验证后的Penman．Monleith修正模型，分别计算了林草复合系统和单作紫花苜蓿的蒸散耗水量，分析了不同生育期紫花苜蓿的蒸散耗水变化规律以及林草复合系统与单作系统牧草耗水差异性的原因，揭示牧草耗水的影响机制，从而为该地区林草复合模式的选择提供理论支持。4．1涡度相关法对Penman．Monteith修正模型的验证采用由涡度相关技术测定得到的防护林内紫花苜蓿蒸散速率，对利用P-M修正模型计算得到的紫花苜蓿蒸腾速率进行验证，其中，P．M计算值为防护林内各测点的平均值。验证结果表明：P-M计算值与涡度相关实测值具有很好的一致性，R2=o．8371，平均相对误差为14．73％(图4．1)。。％8巍一Oo00．10．2O．30．40．50．6P{计算的蒸散速率(m／h)围4-1紫花苜蓿耗水速率计算值与实测值的比较Fig．4-1Comparisonhetwe“calculatedandmejtsuredETrate为了进一步说明该模型的计算精度，本文选择2004年8月5日(晴天)、8月22日(多云)作为典型天气日比较蒸散实测值与计算值(图4．2)。从图4．2中可以看出，利用P-M计算的蒸散速率日变化趋势与涡度相关法基本一致，数值大小上略有差异。8月5日为晴天，上午P-M计算出的蒸散速率略低于涡度相关法，14：30以后二者比较接近(图4-2a)，R2=O．9436，平均相对误差为IO．28％；8月22日为多云天气，从7：30至19：oo，P-M计算出的蒸散速率与涡度相关法十分接近(图4-22b)，膏=o．9794，平均相对误差为11．79％。可见，采用P-M修正模型计算林落∞铷654321Om仉^《gv褥硝轻槌譬器诛彬曙魁鏖 中国农业大学博i举位论文第四辛紫花菖蓿燕敞耗水特征草复合系统内紫花苜蓿蒸散耗水量具有可行性。7：鞠●：∞9：抑Iq：拍Il∞12∞¨Ⅻ14：3015：3d¨3017：3Q1I：30'抽5拍g．3010：∞ll∞i2：3013；30‘4：30IS；30I●：蛐173018：柚时问时阃(a)(b)固4．2P．M修正模型计算与渭度相关测定的蕉散速率日变化Fig．4-2DiurnalvariationofETratebyP．Mmethodandeddycovnrinnee4．2紫花苜蓿生长变化规律4．2．1不同生育期紫花苜蓿株高的变化及其与生长天数的关系作为茎杆类牧草，生长高度是紫花苜蓿干物质积累的一个重要指标。由于各生育期牧草生理特点不同及气候条件的差异，紫花苜蓿不同生育期高度增长量不同(表4·1)。从表4一l可以看出，复合系统内紫花苜蓿在返青后分枝阶段以前植株生长缓慢，出苗20天生长高度只有5Cm，日生长量仅为O．25cln：分枝以后，随着气温回升，紫花苜蓿分枝增多，生长开始加速，个体发展明显，到6月20日左右，植株高度增加到30cm，平均日生长量达到0．63cm；分枝到现蕾生育天数为40天，高度增长量达到30cm，是全生育期高度增长最快的时期。现蕾后不久，紫花苜蓿进入开花期，其问气温高，降永充足，平均日生长量达到O．5cm，20天内高度增长了lOcm；开花至种子成熟期经历了40天，此期间紫花苜蓿生长日均生长高度为O．55cm，高度在40天时间内增加了22∞。单作牧草系统紫花营蓿不同生育期植株高度变化趋势与复合系统内一致，高度增长量低于复合系统内牧草。褒4-1譬花苜蓿不同生育期檀株高度的变化(2004)Table4-1Variationofalfalfaheightindifferentgrowingphasesf2004)注：防护林内檀株高度为紫花苜蓿平均值 表4-2紫花苜蓿撞株高度与生长天数的拟台效果Table4-2CurvefittingsIMtweenheightandgrowingdaysofaIfaJ自我们以紫花苜蓿返青的日期作为紫花莒蓿开始生长的第一天(如紫花苜蓿4月20日开始返青，记录4月21日为生长的第一天，以此类推)，分析紫花苜蓿植株高度与生长天数的关系。gV魁桓粪罂生长天数(day)囤4-3譬花苜蓿株高与生长天数的关系聊}4-3Relationship咖∞nheightandgrowingdaysofalfalfa拟舍的效果图见图4-3，从图中可以发现防护林内紫花首蓿植株高度与生长天数的关系可以通过线性、对数、指数以及乘幂关系表达出来，而且除了指数关系的R2略低外(R2=0．80)，其余的拟合关系R2都超过了0．93，说明三种拟合效果都比较好，其中拟合效果最好的要数线性关系，R2达到了O．98，四种关系式的拟合效果见表4_2。单作紫花苜蓿植株高度与生长天数的关系与林内紫花苜蓿很相似。用上述四种关系均能拟合出来，效果最好的为乘幂关系(表4．2)。杨小利(2004)在研究陇东春播紫花苜蓿的植株高度与出苗天数后发现，二者呈现为较好的线性关系。严格说来，紫花苜蓿植株高度与生长天数用线性关系来表达并不合适，因为紫花苜蓿在幼苗期(返青期)生长十分缓慢，这个阶段植株高度与生长天数并不是成简单的线性关系，用线性关系式来表达并不合适。在紫花苜蓿进入分枝阶段以后，植株高度增长迅速；现蕾阶段也是紫花苜蓿生长较快的一个时期；进入花期以后，紫花苜蓿营养生长相对缓慢，生殖生长开始占据优势，并一直维持到紫花苜蓿结荚成熟。 中国农业大学博{学位论文第明帚紫纯酉蓿菸散耗水特符4．2．2不同生育期紫花苜蓿叶面积指数的动态变化与其他作物相比，紫花苜蓿生育期相对较短，因此其叶面积指数的变化比较快。图4．4给出了防护林内与单作紫花苜蓿叶面积指数不同生育期内的动态变化情况。从圈中我们可以看到，防护林内与单作紫花苜蓿叶面积指数变化趋势具有很好的一致性，而且防护林内叶面积指数大于单作紫花苜蓿。在紫花苜蓿返青．分枝阶段，由于紫花苜蓿苜蓿刚刚返青，加上气温较低，紫花苜蓿生长十分缓慢，此时叶面积指数很小，防护林内与单作紫花苜蓿叶面积指数分别为1．43和1．02。随着分枝阶段的到来，紫花苜蓿开始了二级、三级分枝，叶片开始增多，生长开始加快，气温逐渐升高，积温增加，与返青阶段相比，紫花苜蓿叶面积指数有了很大的增加，防护林内与单作紫花曹蓿叶面积指数分别增加到4,3与3．69。进入现蕾阶段后，紫花曹蓿长势依然保持旺盛，叶面积指数也继续呈增加趋势，在现蕾．开花阶段，舫护林内与单作紫花苜蓿叶面积指数分别为5．21和4．6。随着花期的到来，紫花苜蓿逐渐由营养生长转入生殖生长阶段，此时叶面积指数增加趋势比较平缓，基本维持在稳定水平，防护林内与单作紫花苜蓿叶面积指数分别为5．74和5．13，并一直持续到紫花苜蓿结荚成熟。赣靼嚣瞎古生育期图“不同生育内紫花蕾蓿叶面积指数的变化F睡4-4DynamicofaIfal缸LAIindifferentgrowiugphases袭4-3不同生育期内防护林与单作觜花苜蓿叶面积指数的变化Table413VarmtionofalfalfaL^Iinsbelterbeltsandmonocultureduringdifferentgrowingph∞a挂：叶面积指教为生育期内平均值 EV燃耀卷坦率嚣农业大学博卜学位论文第删节紫花苜蓿蒸敬耗水特玎4．2．3紫花苜蓿叶面积指数与株高以及生长天数的关系紫花苜蓿叶面积指数与植株高度有着很大的联系，前文已经提到，植株高度又与植株的生长天数密切相关。由于紫花苜蓿叶面积指数与株高、生长天数之间的关系主要是由其自身的生理学特性决定，因此我们以防护林内紫花苜蓿为例，分析紫花苜蓿叶面积指数与株高及生长天数的关系。通过对在不同生育期内测定的叶面积指数和株高进行拟合，发现二者呈现为很好的指数关系(图4—5)，一--0．96。从拟合图中还可以发现，当植株高度低于O．13m的时候，紫花苜蓿叶面积指数维持在一个较低的水平；当株高超过O．13m的时候，LA!增幅变大。也就是说，当紫花苜蓿进入分枝阶段以后，株高开始超过0．13m，此时LAI增加幅度变大。紫花苜蓿叶面积指数与生长天数的关系见图4．6。从图中可以发现二者也呈现为很好的指数关系，一达到0．97。由此也说明，紫花苜蓿生长天数与植株高度之间存在较好的线性关系。叶面积指数图4-5紫花莒蓿LAi与株高的关系F．哆4-5Relatiomhip晰weenLAIandheightofalfalfa4．3紫花苜蓿蒸散耗水变化规律耄V籁}|<半圭H4．3．1不同生育期典型天气日紫花苜蓿的耗水变化叶面积指数圉4．6絮花苜蓿L^I与生长天数的关系Fig．4-6RelationshipbetweMLAIandgrowingdaysofalfalfa紫花苜蓿于2004年4月20且左右开始返青，根据其生育期将紫花苜蓿分为返青(4月20日)，分枝(5月11日)，现蕾(6月21日)，开花(7月11日)，结荚(8月20日)等阶段。在不同的生育期内选取典型晴天天气分析紫花苜蓿的蒸散耗水变化规律。从图4．7、8、9、10可以发现，在不同的生育期内单作紫花莒蓿与防护林内蒸散耗水日变化规律基本上一致，二者表现出很大的相似性。具体表现为日出后蒸散开始出现，之后随着太阳净 中国农廿人擘博J：学位论文第叫节紫花凸蓿蒸散耗水特征辐射的增加，潜热不断增大，蒸散速率也逐渐增人，中午达剑最人值，然后逐渐降低，到日落前后蒸散速率将为0。2004年5月5日，防护林内紫花苜蓿从6：30开始蒸散出现，然后蒸散速率逐渐增加，9：00-9：30受到天气状况的影响，蒸散速率珞有F降，在tO：00又开始增加，最大蒸散速率出现在12：00，为0．022mm／h，从15：30开始紫花苜蓿蒸散速率逐渐下降，到20：00左右降为0。单作紫花苜蓿的蒸散耗水日变化与防护林内基本一致，也是在6：30左右开始出现蒸散，之后蒸散速率逐渐增加，最大蒸散速率出现在12：00．12：30之间，为O．030mm／h，14：30之后蒸散速率开始开始下降，到20：oo基本降为O，从图4．7中可以看出，返青．分枝阶段对照紫花苜蓿蒸散耗水速率高于防护林内紫花苜蓿蒸散速率，具体的数值大小见表4-3。2004年5月13日为分枝一现蕾阶段，该日紫花苜蓿的蒸散速率明显高于返青．分枝阶段(圈4-8)。7：00左时间围4．7返青一分枝阶段紫花苗蓿耗水变化Fig．4-7Dailychangeofalfalfawaterconsumptioninsurvival-branchingphase时间图4-9现■卜开花阶段紫花苜蓿耗水变化脚4-9Dailychangeofalhlfawritertonsumptioninbudding-floweringphm时闻图4．8分枝一现蕾阶段紫花苗蓿耗水变化Fig．4-8DailychangeofaIfaIfawaterconsumptioninbranching—buddingphase时间田4-10开花一结荚阶段紫花莒蓿耗水变化Fig．4-10Dailychangeofalhlfaw_tcrconsumptioninflowering-producingpUm右防护林内紫花苜蓿蒸散开始出现，然后蒸散速率逐渐增大，11：30左右，蒸散速率出现了波动，最大蒸散速率出现为12：oo，为O．075mm／h。随后蒸散速率开始缓慢下降，到20；oo前后蒸散速率降为0；单作紫花苜蓿蒸散速率与防护转内紫花莒蓿变化基本一致，只是最大蒸散速率出现在13：30，为0．097mm／h。7月8日为紫花苜蓿的现蕾．开花阶段，该日紫花苜蓿从6：30前后出现蒸散，然后蒸散速率开始增加，最大蒸散速率出现在上午lmoo，为0．278mm／h，之后，蒸散速率开始缓慢下降，16：30蒸散速率降低幅度较大，由16：oo的0．20mm／h降低为0．14mm／h，59^{v静嫂釜糕^{v井锻釜糠 中国农业人学博t．学位论文第四章紫仡甘蓿菇散耗水特钲到19：30前后，蒸散速率降为0。单作紫花苜蓿的最人蕉散速率出现在14：00，为0．39mm／h。8月5日为紫花苜蓿的开花．结荚阶段，该日防护林内紫花苜蓿从6：30左右出现蒸散，然后蒸散速率开始增加，9：00-11：00蒸散速率迅速上升，从11：00-16：00蒸散速率基本维持在一个较为稳定的水平，16：oo以后蒸散速率开始降低，到2l：oo前后降为0，该日最人蒸散速率出现为15：00，为0．449mm／h：单作紫花苜蓿的蒸散与防护林内基本一致，大小略高于防护林内紫花苜蓿蒸散速率，最大蒸散速率出现在12：30，为0A9mm／h。从图中可以发现，紫花苜蓿蒸散耗水速率日变化曲线在某些时间内出现波动，主要是因为受到净辐射、风速等气象因子的影响。以2004年5月13日为例，紫花苜蓿蒸散耗水速率在11：oo，12：00和13：30分别出现了瞬时的增加，主要是由于在这三个时刻，太阳净辐射出现了暂时的增加，使得用于蒸散的能量增加，相应地蒸散速率略有提高。表4．4不同生育期典型天气日防护林内与单作紫花苜蓿燕散耗水比较(2004)Table4-4Comparisonofalfalfawaterconsumptionontypicaldaysduringdifferentgrowingphases(2004)注：韩内蒸散速率为各测点口平均值表4-5紫花莒蓿各生育期内典型天气日防护林内与对照气象因子的比较(2004)Table4-5Comparisonofclimaticfactorsontypicaldaysindifferentgrowingphasesofalfalfa(2004)拄l林内气象因子为各测点日平均值其中，受紫花苜蓿生理特性以及天气状况的影响，各生育期内紫花苜蓿日最大蒸散速率不同(表4-4)，具体表现如下：返青至分枝阶段，紫花苜蓿蒸散速率相对较低，以5月5日为例，防护林内和单作紫花苜蓿最大蒸散速率分别为0．02mm／h和0．03mm／h，分别出现在12：oo和12：30(图4-7)；分枝至现蕾阶段(以5月13为例)，防护林内和对照紫花苜蓿日最大蒸散速率分别为0．10mm／h和O．08mm／h，出现时间分别为12：00和13：30(图4-8)；现蕾至开花阶段(以7月8日为例)，防护林内与单作紫花苜蓿最大蒸散速率分别为O．39mm／h和O．28mm／h，出现时间为12：30和14：00(图4．9)；开花至结荚阶段(以8月5日为例)，防护林内和单作紫花苜蓿最大蒸散速率分别为O．50mm／h和0．45mm／h，出现时间为15：00和12：30(图4．10)。最大日蒸散速率出现在开花至结荚阶段，晟大蒸散速率出现时间基本一致，维持在12：00-13：30之间． 中国农业大学博}：学位论文第叫幸紫花凸蓿菇敞耗水特扭通过上述比较可以发现，防护林内和单作紫花苜蓿在箨个生育期内蒸散日变化曲线很相似，单作紫花苜蓿的蒸散速率大于防护林内，说明防护林内紫花苜蓿受到防护林小气候效应的影响，使得紫花苜蓿蒸散速率比单作紫花苜蓿要低(表4-5)。防护林带小气候效应的实现主要通过林带改变林内的空气温度、相对湿度、风速，净辐射和土壤水分来实现的。为了说明林带小气候效应对防护林内和对照紫花苜蓿蒸散耗水的影响，我们将上述典型目的林内与对照的气象因子进行比较(图4-4)。从图4．4中看出，在各个生育期内的典犁天气日，防护林内日平均气温和相对湿度均高于对照，气温增幅范围为0．05-0．91℃，相对湿度增幅范围为0．82—9．14％；防护林内净辐射和风速均低于对照，净辐射减少范围为5．02-6．74MJ／m2．day，风速降低范围为0．38一1．01m／s。相对湿度的降低使得紫花苜蓿叶片与大气之间的水汽压差降低，叶片气孔张开较小，蒸腾耗水较少；由于风速的降低，减弱了湍流交换，加上紫花苜蓿接收到的能量较少，用于蒸腾的潜热通量相对也比较少，以上种种原因综合作用，使得林内紫花苜蓿的蒸散耗水比对照要少。4-3．2不同生育期紫花苜蓿的耗水变化特征研究表明：不同生育期紫花苜蓿蒸散耗水有着较大的差异(图4．11)。以防护林内紫花苜蓿为例，在返青阶段，由于紫花苜蓿生长缓慢，枝叶较少，叶面积指数(LAI)只有1．43(表4．3)，加上气温较低，太阳辐射较弱，使得紫花苜蓿生长速度缓慢，蒸散耗水量非常低，平均日耗水量只有0．24ram左右；随着紫花苜蓿进入分枝阶段(5月lO日以后)，紫花苜蓿进入快速生长期，生长点不断分裂，体细胞快速生长，节间伸长，分枝加快，主茎上叶腋中的叶芽形成侧枝，侧枝上的叶芽又长成新的分枝，叶片增大，叶子数量逐渐增加，LAI由原来的1．43增加到4．30，天气变暖，气温回升，太阳辐射增强，紫花苜蓿生长速度加快，生理需水和生态需水相应增多，蒸散耗水量逐渐增大，这个阶段紫花苜蓿平均日耗水量为1．73mm左右。6月20日以后紫花苜蓿进入现蕾阶段，这个时期紫花苜蓿生长速度最快，每天植株可以增高0．63em左右，随着叶子的增加，叶面积变大，LAI增加到5．2l，相应的耗水量也不断增加，平均日耗水量在2．25nun左右。现蕾20天左右，紫花曹蓿进入开花阶段，花期紫花苜蓿植株生长仍然比较旺盛，在进行营养生长的同时也进行着生殖生长，耗水量比较大，日均耗水量为2．48mm。这个时期，紫花苗蓿的叶面积指数基本趋于稳定，为5．74。随着结荚期的到来，紫花苜蓿趋于成熟。不同生育期单作紫花苜蓿的蒸散耗水变化趋势与防护林内紫花苜蓿基本一致(图4．11)，说明紫花苜蓿在各生育期的耗水量主要是由牧草自身的生理学特性决定的，只不过由于受到防护林小气候的影响，林内紫花苜蓿蒸散量比单作紫花苜蓿低(表4．6)。方差分析表明：在O．01的极显著水平上，二者差异极显著，说明杨树防护林对于减少紫花苜蓿蒸散所起的作用非常明显。防护林减少紫花苜蓿蒸散耗水是通过改善林内小气候实现的，其中风速的改变起主要作用。4-8月份，防护林内平均风速为1．17ntis，对照(单作紫花苜蓿地)平均风速为1．42ra／s，与对照相比，防护林内风速降低了17．6％左右。防护林内风速的降低，减弱了湍流交换，加上其它气象因素如辐射、空气相对湿度等共同作用，使得林内紫花苜蓿蒸散耗水低于单作紫花苜蓿．从图4．11中还可以发现，无论防护林内紫花苜蓿还是单作紫花苜蓿，其蒸散耗水量的大小与降雨量有着非常直接的关系。在紫花苜蓿生育期内，5月14日、6月5日、7月25日、8月14日和8月20日均有较大的降雨，降雨量分别为28．7nun、26．3mm、61．5mm、16．5ram和21．9ram，61 中国农业人学博L学位论文第刖搴紫托曲精蒸敞耗水特征与此相对应，各日内紫花苗蓿蒸散耗水量骤然F降，防护林内(单作紫花苜蓿)紫花哲蓿耗水量分别为：0．56ram(0．74ram)、1．39ram(1．77ram)、0．14mm(0．75ram)、0．15ram(0．39ram)和0，35mm(O．78mm)。7月25日当大降雨量高达61．5mm，使得紫花苜蓿蒸散量急剧F降，由7月24日的3．51mm降为0．|4ram，7月26日蒸散量又增加到3．31mm。在降雨量很大时，空气相对湿度很大，紫花苜蓿叶片内外水气压差很小，使得紫花苜蓿蒸散几乎不能发生。Eu■窿世；一hI．h一一一jI‘川5^4曼_3釜誉2l04—204—305—105—205-306-96—196—297-97一197—298-88—18I返青一分枝1分杖一现蕾l现蕾一开花I开花一结荚1日期(月一日)田4-11各生育期内防护林内与对照紫花苜蓿燕散耗水日际变化规律(2004)F．g．4-11Diurnalvariationofalfalfawaterconsumptioninshelterbellsandmonocnltureindifferentgrowingph_蝌(2004)从表4-6中看出，整个生育期内防护林内和对照紫花苜蓿蒸散总量分别为222．83mm和269．02ram。不同生育期紫花苜蓿蒸散量差别很大，紫花苜蓿蒸散量分别为5．03mm(返青一分枝阶段)、71．10mm(分枝．现蕾阶段)、44．95mm(现蕾．开花阶段)、101．74mm(开花．结荚阶段)，分别占总蒸散量的2．26％、31．91％、20．17％和45．66％。单作紫花苜蓿在不同生育期蒸散量分别为5．63mm、80．20mm、52．91ram和130．28ram，分别占总蒸散量的2．090,4、29．81％、19．67％和48．43％。其中蒸散最大的生育期为开花．结荚阶段，整个生育期耗水规律呈现为“低．高一低．高”趋势， 中国农业人学博l一学位论文第四节紫芘尊蓿蒸散耗水特征符合紫花莒蓿自身的生理耗水特性(耿华珠等，1995)．表4-6不同生育紫花苜蓿蒸散量以及占总蒸散量的百分比Table4-6Waterconsumptionofnlfslfaindifferentgrowingphasesandtheproportiontototalwateramount注：防护#内紫花苜蓿蒸教量为各测点平均值4．3．3不同生育期防护林内紫花苜蓿蒸散耗水空间变化特征距离防护林带远近的不同，林内紫花苜蓿蒸散量总体上表现为倒“v”字形的变化规律，在不同的生育期内，这种变化趋势基本一致(图4-12)。量V翻蔷耀超糠距离防风林带距离(H)田4-12不同生育期距离林带不同距离紫花苜蓿蒸散耗水变化Fig．4-12Changeofal臼Ihw●协reOnSD皿Iptiouindifferentdistancestoshelterhellsduringdifferentgrowingphases在返青．分枝阶段，由于受到防护林遮挡太阳辐射等因素的影响，靠近林带的紫花苜蓿返青较 中国农业大学博士学位论文第叫亭紫花凸精蒸教耗水特《f晚，生长比较缓慢，蒸散量较少。距离林带0．7H树高处，紫花苜蓿蒸散耗水量开始增加，2．3·7．71-1范围内蒸散量基本维持在一个水平，最大耗水量出现在距离林带约17．7H处，从距离防护林带8H开始，由于受到另一条林带的影响，蒸散耗水量开始下降。防护林内紫花苜蓿各测点蒸散量与对照紫花苜蓿蒸散量相比差别较大，防护林内紫花苜蓿耗水变化范用在1．06-4，22ram之间，单作紫花苜蓿蒸散量为5．63mm左右。进入分枝．现蕾阶段后，林内紫花苜蓿蒸散量较前一阶段有了大幅度的提高，与对照紫花苜蓿蒸散量的差异减少。从距离林带1．3H处开始，紫花苜蓿蒸散耗水量增幅加大，最大耗水量出现在距离林带7．7H处，之后蒸散耗水量又逐渐下降。该生育期林内紫花苜蓿蒸散耗水变化范围在39．60．80ram之间波动，单作紫花苜蓿蒸散耗水量为80．20ram，距离林带7．71-I处紫花苜蓿的耗水量基本与对照相持平。现蕾-开花阶段，林内紫花苜蓿蒸散耗水量从距离林带1．3H处开始增加，距离林带5H、7．71-I处耗水量维持在较高水平，最大耗水量出现在距离林带7．7H处，耗水量为51．5ram。之后，随着距离另一侧林带距离的变近，紫花苜蓿蒸散耗水量逐渐下降，防护林内紫花苜蓿耗水量变化范围在30．96，51．5ram之间，单作紫花苜蓿耗水量约为52．91ram。在开花．结荚阶段，由于该生育期紫花苜蓿在进行营养生长的同时还进行着生殖生长，紫花苜蓿耗水量有所增加，整个林内紫花苜蓿蒸散耗水变化范围在55．10-9]．68ram之问，单作紫花曹蓿耗水量为130．28ram。4．3．4全生育期防护林内与单作紫花苜蓿蒸散耗水的差异整个生育期内，随着距离防护林带距离的增加，防护林内紫花苜蓿蒸散量逐渐呈增加趋势(图4-13)，在距离防风林带7．7H处，紫花苜蓿蒸散量达到最大，为234．41mm，之后受另一侧防护林的影响，紫花苜蓿蒸散量又逐渐下降，整个防护林内紫花苜蓿蒸散量变化范围在127．06-234．41mm之问。整个生育期内防护林内紫花苜蓿平均蒸散耗水量为222．83ram，单作紫花苜蓿蒸散耗水量为269．02ram，与单作紫花苜蓿相比，防护林内紫花苜蓿蒸散量减少了17．2％左0．10．30．71．32．357．78．79．39．7距离防风林带距离(H)图4-13整个生育期距离林带不同距离紫花苜蓿燕散耗水变化Fig．4-13Alfalfaw-协rconsumptionindifferentdistancestoshelterbeltsduringthegrowingphases咖啪m∞o^lv●*辩罄糠。右 4．4紫花苜蓿蒸散耗水的影响机制蒸散包括土壤蒸发和植物蒸腾。蒸腾是指植物体内的水分通过气孔扩散进入大气的过程，是植物与其环境因素关系的～个重要反映，它既受到植物本身生物因素的制约，又受到环境因素的制约。对于特定的植物来说，其蒸腾耗水主要是受到环境因素的控制，环境因素包括土壤水分状况和气象因子等。4．4．1影响牧草耗水大小的理论分析根据P-M理论计算公式，蒸散(Er)主要由能量驱动项和扩散驱动项两部分组成(Green,1993；Zhangel以1997)．Nuberg(1998)曾剖析P-M公式指出，影响蒸散的关键因子是植被冠层导度，它同时出现在蒸散的能量驱动项和扩散驱动项。冠层导度与风速、净辐射，气温、土壤水分状况等多种因素有关，这几种因素共同作用于植物，控制着植物叶片气孔的开合程度，进而影响植物的蒸腾速率。能量驱动项与植被冠层所接收的净辐射有关，净辐射对植被蒸散的调控作用很大程度上是通过调节叶片气孔阻抗而实现的。冠层接收的净辐射越大，气孔阻抗越小，辐射项越大，植被的蒸散量也越大。扩散驱动项中，主要包括水汽压差和植被冠层阻抗以及空气动力学阻抗等部分，其中水汽压差与空气相对湿度有关，空气相对湿度越大，饱和水汽压差越小，空气动力学项则越小，与之相对应，植被的蒸散越小。由空气动力学阻抗的计算公式2-9、10得知，空气动力学阻抗与风速有着直接的关系，风速越大，空气动力学阻抗越小，植被的蒸散量越大，反之亦然。4．4．2牧草蒸散量与气象因子及土壤水分的关系对紫花苜蓿生育期各气象因子与苜蓿蒸散耗水量进行多元回归分析，建立的回归方程如下：ET=-2．947千O?i201矗．0÷0i5RH{O．i6《R8{0÷239V其中占LTa、Jt日、Rn和V分别表示蒸散(m)、空气温度(℃)、相对湿度(％)、冠层净辐射(MJ／m2)和风速(m／s)。相关系数团．879，其中，j跏、Ta、冗H、V的偏相关系数分别为0．631、0．539、-0．455、0．157．F=46．368>>Fool(4，94)=3．51成明可通过显著性检验。根据各因子对牧草耗水量的偏相关系数表明，影响牧草耗水的最主要气象因子为冠层净辐射，其次为空气温度，空气相对湿度与牧草蒸散表现为负相关。风速对牧草蒸散的影响比较复杂，一般风能带走叶片气孔附近聚集的水汽，增大了叶内外的水气压的独，从而增加牧草的蒸散；但是风速过大时，会导致叶片迅速失水，从而导致气孔关闭，引起蒸散速率的降低。对牧草生育期防护林内各测点土壤水分进行平均，通过内插法求得每5天一次的土壤含水量，建立非雨天天气条件下土壤含水量与牧草蒸散量的回归方程，结果如下：E1’-1．43i十O．603SWCET为牧草耗水量(mm)，SWC为土壤体积含水量(％)．r为0．414(n=21)，说明土壤水分对牧草蒸散耗水量的大小影响不大。产生该结果的原因是在于：对于本试验而言，水分条件相对较好，基本上不存在水分胁迫现象，水分不是影响牧草耗水的主要限制因子． 中国农业人学博I学位论文第阴亭紫佗曲蓿蔟敞耗水特征4．413防护林内小气候对牧草蒸散的影响防护林内紫花苜蓿蒸散耗水差异主要是由于防护林的小气候效应所引起的。在从理论上对影响牧草蒸散耗水量的机制进行分析后，为了进一步证实上述理论，我们结合测得的防护林内小气候因子，分析防护林内小气候的变化及其与对照的差异。4．4．3．1防护林的热力效应防护林的热力效应主要表现为防护林在一定范围内对净辐射、空气温度以及土壤温度的影响上．这里主要讨论防护林对林内净辐射和空气温度的影响。(1)防护林对净辐射的影响太阳辐射能到达地面后，进行一系列再分配。这种分配用热量平衡方程表示为：R。=三E+H+G(4．I)其中：焉为净辐射，饱为蒸散耗热(潜热通量)，砌下垫面与大气之间的湍流热通量(显热通量)，G为下垫面与土壤之间的热通量，其单位均为MJ／m2。林带的存在不仅影响林带附近的辐射，并且通过乱流交换作用，直接影响乱流失热和蒸发耗热等因素，因此防护林带的热力效应实际上就是对上述方程中各分量的影响。首先林带影响其接收的净辐射，特别是林带附近影响很明显。寰4．7防护林内净辐射变化Table4-7Changeofnetradiationinshelterbelts注I净辐射，b2004年4-8,q份总和从表4_7可以看出，随着距离林带远近的不同，林内净辐射表现为规律的变化趋势，呈现为“中间高，两边低”。由于林带的遮阴作用，距离林带越近，净辐射越小，主要是由于林带的遮阴缩短了林带两侧的日照时数。在下垫面性质基本相同的情况下，林带对日照时数的影响很大。随着距离林带的逐渐变远，林带对日照时数的影响迅速减少，净辐射逐渐增加，在距离林带5H处，林 中国农业大学博卜学位论文第四争紫花酋蓿蒸敞耗水特征内净辐射达到最大，为1225．31MJ／m2。然后受另一条防护林带的遮阴作用，林内净辐射开始逐渐变小，到距离林带距离9．711左右，净辐射减少为833．32MJ／m2。2004年4-9月份防护林内平均净辐射总量为915．97MJ，m2，旷野净辐射为1276．68MJ／m2，与旷野相比，防护林内净辐射减少了28．25％左右。(2)防护林对空气温度的影响从图4．14中可以看出，防护林内空气温度的变化趋势总体上呈现为“倒抛物线”形状，具体表现为，距离林带距离越近，防护林内空气温度越高，在试验地中心位置，空气温度最低。王忠林等(1995)、包翔等(1999)、封斌等(2005)研究表明，农田防护林对空气温度有调节改善作用，天气冷时林带起到增温作用，天气炎热时，林带起降温作用。但是本研究结果显示，无论是4-9月平均气温，还是4．9月各月气温，均为防护林内高于旷野。马国飞等(2005)研究表明，在试验观测日内。杨树和小美旱杨两种林内空气温度均低于对照点，温度变化幅度在0．5℃左右。李俊祥和宛志沪(2002)研究淮北平原杨麦间作系统的小气候效应发现，林粮间作可以降低农田地面温度1．7℃。而张继祥等(1997)对山东省平原复合农林业的气象效应研究表明，白天林内各高度的气温均高于林外，其中活动面(60cm)的增温效应尤为明显，平均提高0．2．0．YC。其原因可能是由于林内湍流较弱，活动砸上的湍流热交换小于旷野，使得林内气温较林外有所提高。17．6—17·4p。17·2瑙赠17F{H16．816．60．10．30．7I．32．357．78．79．39．7距离防风林带距离(H)图4-14距离林带不同距离处空气温度变化Fife4-14Changeofairtemperatureindifferentdistancestoshelterbelts从表4．8中可以发现，无论距离防护林带远近，防护林内空气温度均高于旷野。距离林带0．1H处，林下空气温度比旷野高4．1％左右，随着距离林带距离增大，在试验地中心位置，与旷野相比，空气温度增加2．54％，随着距离另一防护林带距离的变近，空气温度逐渐升高，在距离林带9．7H处，空气相对湿度为17．40℃，与旷野相比，增加了5．58％。防护林内平均气温为17．14"C，旷野气温为16．48"C，林内空气温度比旷野增加了0．66"C，增幅为4％．67 中嗣农业大学博L学位论文第四章紫花卣稽燕散耗水特缸表4．8杨槲防护林内气温变化规律Table4-8Changeofairtemperatureinshelterbelts往；气温为2004年4．9月平均值表4·9给出了不同月份晴天、阴天防护林内与旷野气温的比较。从表中可以发现，4-9)}份防护林内月平均气温无论在晴天还是阴天天气下均高于旷野，晴天防护林内月平均气温波动范匿为12．05—22．45"C，旷野月平均温度波动范围为11．83．21，52℃，防护林内外温差波动范围为0．22-0．94℃，温差最大出现在6月份，为0．94℃，最小出现在4月份，为0．22℃。4．9月份防护林内与旷野平均温差为0．64℃。阴天天气，防护林内月平均温度波动范围为11．47．19．33"C，旷野月平均温度波动范围为11．38-18．35"C，防护林内与旷野温差在009-0．984C"之阊波动，最大、最小温差分别出现在4月和7月，温差分别为0．09℃和0．98℃，4-9月份防护林内与旷野平均温差为0．58"C。从表中还可以看出，在4-9月份，晴天天气下防护林内与旷野温差比阴天大(7月份除外)，主要原因在于阴天天气日太阳辐射减弱，下垫面接收到的净辐射能变小，用以加热的能量减少，相应地防护林带的增温作用也不如晴天明显。14·92∞4年4．9月不同天气日防护林内与旷野气温变化比较Table4-9ComparisonofairtemperatureORsunnyandovercastdaysfromApril协Septemberin2004 中国农业人学博卜学位论文第四亭紫他苜藉连散耗水特{JJ=4．4．3．2防护林的动力效应防护林的动力效应主要体现在林带对风速的影响上，防护林对风速大小的影响是防护林的一个主要效应。影响林带防风效应的主要囡素是林带结构，包括树种、树高、株距和林带宽度等。凡是影响林带背风面风速及动量垂直通量的因子，都能在不能程度上影响林带的防护效应。这里我们主要分析距离林带远近对风速大小的影响。为此。将4．8月份防护林内各测点风速平均，然后分析防护林带对防护林内不同测点风速大小的影响。图4．15说明，距离林带不同距离风速变化曲线呈现为倒抛物线形状，表现为两边高，中间低。在距离林带51-I处风速最低，说明林带的防风效应在距离林带大约5H树高处表现最为明显。鼍暑V硝匠0．1o．3o．71．32．357．78．79．39．7距离防护林带距离(ID圈4-15舫护林内距离林带不同距离风速变化Fir．．4-坫Chan2eofwindslAeedindifferentdistancestoshelterbeIts表4．10防护林内风速变化规律Table4-10Variationofwindspeedindifferentdistancestoshelterbelts表4．10列出了距离林带不同距离的风速变化。与旷野相比，防护林内风速均有不同程度地减弱，防护林内风速变化范围在1．02．1．34m／s之间，旷野风速为1．42m／s，防护林的防风效应在421861lO 中囡农业大学博l学位论文第四争紫花f1．=音蕉散耗水特征5．35—28．34％之问；防护林内平均风速为1．24m／s，防护林内平均风速降低J，12．19％左后。风速减弱最大的区域在距离林带5倍树高左右(75m处)，平均风速为I．02m／s，与旷野相比，风速降低了28．34％。防护林内风速低于旷野的原因在于：当风速遇到林带的阻滞时，一部分风速被迫抬升到林带上面，由防护林带上方穿过，另一部分空气则透过林带，由林带背风面溢出，如此一来，风速将明显减小。另外，林带对气流还起着阻碍摩擦作用，由于空气黏性的影响，也消耗了一部分运动能量，使之变成无规则的湍流能量、热能、摇曳枝干的机械能等，从而减弱了风速。为了进一步说明防护林的防风效应，我们选择了典型大风天气日，比较防护林内风速与旷野风速大小的差异。由于试验地大风天气多发生在4、5月份，冈此我们以2004年4,q12日和5月15日为例进行详细阐述。o童V搠匠0：003：CO5：∞9=0012：舶lS00Is：忡乱：蚰·时间图4-16典型大风天气日林内风速与旷野风速的比较Fig．4-16ComparisonofwindspeedinshelterbeltsandopeBfieldoiltypicaldays我们将2004年4月12日、5月15日防护林内距离林带不同距离的风速各对应时刻平均，得到防护林内平均风速与旷野风速的日变化曲线(图4。16)。从图4．16中可以看出，在典型大风天气日，旷野与防护林内平均风速变化趋势基本一致，同时可以发现旷野风速明显大于林内平均风速。以2004年4月12日为例，从凌晨O：00至早上7：oo，由于风速较小，防护林内与旷野风速差异不大，随着风速增加，防护林内外风速大小的差异开始产生，从早上7：30以后一直到夜里19：30，旷野风速明显高于防护林内平均风速，这期问旷野和防护林平均风速分别为5．63m／s和3．91m／s，防护林内平均风速比旷野低1．72m／s：夜间由于风速降低，防护林内风速与旷野差别不大。全天防护林内平均风速为2．24m／s，旷野平均风速为3．30m／s，防护林内风速比旷野低32．1％左右。5月15日防护林内与旷野风速变化情况与4月12N相似，只不过防护林内外差异不如4月12日显著。5月15日全天防护林内平均风速为2．71m／s，旷野目平均风速为3．09rids，防护林内日平均风速比旷野降低0．37m／s，防护效应为12．1l％．由此说明防护林的防风效应在风大的季节更能体现出来，风速越大，防护林的防风效果越明显。4．4．3．3防护林对相对湿度变化的影响将2004年4-9月份各测点的相对湿度平均，分析防护林对距离林带不同距离处相对湿度变化的影响。从表4一il中可以看出，随着距离防护林带距离的增加，防护林内相对湿度逐渐增大，在距离 中国农业大学博}学位论文第四章紫花卣蓿蕉敞耗水特征林带大约5H处，空气相对湿度最大，为55．92％，之后受到另一侧防护林带的影响，空气相对湿度开始缓慢F降，整个防护林内空气相对湿度变化范围在50．34．55．92％之间，防护林内平均相对湿度为53．63％，旷野相对湿度为49．74％，与旷野相比，防护林内相对湿度增加了7．81％。其原因为由于林带降低了风速，乱流交换和湍流交换减弱，牧草蒸腾及士壤蒸发的水汽不易扩散，较长时间地停留在近地面层的空气中，从而增加了林带内的相对湿度。通过比较可以发现，防护林内相对湿度最大值出现的位置与风速最小值出现的地方一致．均在距离防护林带5H处左右，在这个位置风速最小，带走大气中水汽的能力相对最弱。从表4．1l中还可以看出，距离林带距离越近，空气相对湿度越小，距离林带0．1H处空气相对湿度为53．43％，在距离防护林带5H处(试验地中心附近)，空气相对湿度达到最大，为55．92％，随着距离另一防护林带距离的变近，另一侧防护林带的防护效应开始体现，空气相对湿度逐渐变小，在距离另一条林带5m时，空气相对湿度为50．34％。从表4-10中可以清楚地看到。不论距离林带距离远近，防护林内相对湿度均高于旷野，增湿效应在1．20．12．4％之间。表4．II防护林内相对湿度变化规律Table4-11Changeofrelalivehumidityinshelterbe|ts通过对比防护林内风速与相对湿度的变化可以看出，二者的变化趋势正好相反，即在风速减弱的地方，空气相对湿度比较高，在风速较高的地方，空气相对湿度比较低，说明空气相对湿度受风速的影响较大。表4-12给出了不同月份不同天气日防护林内空气相对湿度变化情况。从表中可以发现，在4月份，无论是晴天还是阴天天气下，防护林内空气相对湿度均低于旷野，差值分别为．3．61％和-3-38％。进入5月份后，防护林内空气相对湿度与旷野基本持平，二者差别很小．在6-9月份，无论是晴天还是阴天天气下，防护林内空气相对湿度均高于旷野：晴天天气日，6-9月份防护林内空气相对湿度变化范围在52．82-75．56％之闻，旷野空气相对湿度在50．73-66．06％之间波动，差值范围为2．09-9．50％，相对湿度差别最大的月份出现在8月份，为9．50％；阴天天气日，6-9月份防护林内空气相对湿度在72．40．96．82％之间变化，旷野空气相对湿度在68．43．87．13％之间波动，差值波动71 中圃农业大学博卜学位论文第叫章紫诧卣精燕散耗水特征范围在3．97-9．70％之间，差值艟人的月份也是出现在8月份，差值为9．70％。总体上看，4-9月份防护林内空气相对湿度均高于旷野，晴天二者差值为3，43％，阴犬为4．07％。表4-122004年-4-9月不同天气日防护林内与旷野相对湿度变化比较Table4-12ComparisonofreltivehumidityonsunnyandovercastdaysfromApriltoSeptemberin2004通过对防护林内小气候因子舶分析，从实测数据证实了前面牧草蒸敌耗水机制的理论分析，说明防护林带对牧草蒸散的影响主要通过改变冠层净辐射和风速等因素来实现的。需要说明的是，牧草蒸散耗水量的大小是在多种气象因子的综合作用F而改变的，各因子之间并不是独立存在和起作用的，彼此之间还存在着相互制约和相互协调。4．5紫花苜蓿水分供需平衡4．5．1不同生育期紫花苜蓿耗水量与降雨量的关系从表4-13中可以看出，不同生育期紫花苜蓿耗水量和降雨量均有着较大的差异，除了现蕾．开花阶段，其余各生育期降雨量均能满足紫花苜蓿蒸腾耗水的需求。在现蕾．开花阶段(6月21日．7月lO日)，降雨量为10．2mm，防护林内与单作牧草蒸散量分别为44．95ram和52．91ram，无论防护林内还是单作紫花苜蓿，降雨量均不能满足其蒸散耗水的需求，此时紫花苜蓿需要借助其强大的根系，从深层土壤中吸收水分，供蒸散需求。紫花苜蓿具有强大的根系，可以从深层土壤中吸收水分，相比之下，比一般的农作物抗旱。紫花苜蓿的根系属于直根系，由主根和侧根组成。主根入土深度与生长年限和土壤环境有关。襄4．13不同生育期内肇花苜蓿耗水量与降雨量的比较Table4-13Alfalfawaterconsumptionandrainfallindifferentgrowingphases 中国农业人学博十学位论文第四争紫诧邑蓿《散耗水特征4．5．2紫花苜蓿耗水量与土壤水分之间的关系紫花苜蓿生长发育所需的水分均来自土壤，土壤水分的状况及其变化决定了牧草对其吸收利用的强度和难易程度，从而影响牧草的生长发育以及产量。耿华珠等(1995)研究指出，苜蓿普遍具有“上保水．下耗水”的特点。Brown等(1983)曾报道，当叶片水势下降到一106Pa以下时，紫花苜蓿的茎和叶几乎停止生长。表4-14不同生育期内紧花苜蓿蒸教量与土壤水分的比较(2004)Table4-14AlfalfaETandsoilwaterCOntentindifferentgrowingphases挂：土壤体积含水量为各生育期测定值平均表4一14给出了不同生育期内紫花苜蓿蒸散量与土壤水分的关系。从表中可以看出，防护林内与单作紫花苜蓿地土壤水分含量在不同生育期内的变化趋势是一致的，而且单作紫花苜蓿地土壤水分低于防护林内土壤水分含量。在紫花苜蓿返青．分枝阶段，防护林内与单作紫花苜蓿地土壤含水量均比较高，其原因在于这个时期当地气温逐渐回升，太阳辐射渐渐增强，积雪开始融化，加上年前入冬时期土壤储存的水分，使得土壤含水量相对较高。在返青．分枝阶段。由于紫花苜蓿苜蓿该生育期的生理特性，比如枝叶很少、生长缓慢，加上气象因素的影响，气温较低，太阳辐射较弱，使得该时期紫花苜蓿蒸散耗水量在整个生育期内占的比例很小。随着分枝．现蕾阶段的到来，紫花苜蓿分枝增多，叶子变多、变大，蒸散耗水较前一生育期有了较大的提高，林内紫花苜蓿和单作紫花苜蓿耗水增幅分别高达66．97mm和75．57ram．与之相对应，土壤水分开始呈下降趋势，但是降幅不大，防护林内与单作紫花苜蓿地土壤体积含水量分别降低了O．3％和0．26％，其原因在于分枝．现蕾阶段有较大的降雨(表4-13)，降雨量为92．4mm，对土壤水分的消耗进行了补充。在现蕾．开花阶段，由于此生育期较短，紫花苜蓿总蒸散耗水量较少，但是其日均耗水量比较大，防护林内与单作紫花苜蓿日均耗水量分别为2．25mm和2．65ram。如此强的耗水强度必然使得紫花苜蓿从土壤中吸收大量的水分，以满足蒸散耗水的需求。加上这个期间降雨量很少，只有区区10．2mm，根本不能对土壤中的水分给予补充，在如此旺盛的蒸散情况下，降雨量甚至来不及深入土壤中，即被蒸发到大气中去了，最大限度地只能增加空气相对湿度，因此，现营一开花阶段，土壤体积含水量降幅最大。进入开花一结荚阶段后，紫花苜蓿由原来的营养生长开始转入生殖生长，同样需要消耗大量的水分，以形成碳水化合物(果实)。这个生育期防护林内与单作紫花苜蓿地日均耗水量分别为2．54ram和3．26mm，由于这个时期是试验区的主要降雨季节，不但降雨天数多，而且降雨强度很大，期问降雨天数为15天，总降雨量为163．5mm。占整个生育期降雨总量的60％，其中降雨强 中田农业人学博I．学位论文第叫章紫花凸帮蕉散耗水特征度最大出现在7月25日，降阿量高达61．5mm。这个阶段的降雨量对十壤中的水分进行了补充，使得虽然这个时期紫花苜蓿蒸散耗水量很大，但是士壤水分却有一定幅度的上升。4．6紫花苜蓿生物量分析4．6．1紫花苜蓿生物量及水分利用效率紫花苜蓿之所以被称为“牧草之王”，除了与它分布范围广、种植面积大以及改良十壤保持水土外，另一个主要原因就是紫花苜蓿作为饲料在农牧业生产中发挥着重要作用。它是家畜的主要优良牧草，无论是青草、干草还是青贮，都具有品质优良、适口性好等特点。紫花苜蓿含有丰富的蛋白质、矿物质及维生素等营养物质，其营养价值为各类牧草之首。因此，研究紫花苜蓿的一个主要目的就是为了获得更高的牧草产量。研究牧草生物量的变化，必然要涉及一个概念，即水分利用效率。水分利用效率(Waterusee筋ciency，WUE)是指植物消耗单位水分所生产的光合产物的重量。其计算公式为：’，∥UE=二L(4．2)Er式中。；VUE是指植物水分利用效率(kg／mm)；巧为地上部分生物量干重(kg／hm2)；点丁为植物的耗水量(mm)。在评价一种植物的优劣时，不仅要考虑其耗水量，同时要考虑其对土壤水分的利用是否经济。当水分成为限制植物生长的主要因子时，这个问题显得尤为重要。在水资源十分短缺的西北地区，作为早地农业的一个重要指标，水分利用效率更具有非常重要的理论意义和现实意义。襄4-15防护林内与单作紫花苜蓿产草量及水分利用效率的比较Table4-15ComparbenofalfalfabiomassandWUEinsheRerbeltsandmonoculture表4．15给出了防护林内与单作紫花苜蓿的产草量及水分利用效率。防护林内紫花苜蓿平均产草量(干重)为3287．28kg／hm2，单作紫花苜蓿为2959．93kg／hm2。二者差值为327．35kg／．hm2，防护林内紫花苜蓿生物量比对照高ll，1％；防护林内紫花苜蓿与单作紫花曹蓿水分利用效率分别为14．75和11．oo，二者差值为3．75，说明防护林内紫花苜蓿能消耗较少的水分，生产较多的生物量，具有较高的水分利用效率。’表4-16列出了距离防护林不同距离处紫花苜蓿的干草产量及其与对照的差异。从计算结果可以看出，杨树防护林内紫花苜蓿的干草产量随着距离的增加可以大致分为2个区域：1、减产区域距离防护林0-0．71-1左右，为胁地区域，在该区域内紫花苜蓿的干草产量低于对照紫花苜蓿， 中因农业大学博L学位论文第心事紫花菖蓿菇散耗庶抟秆BI根据距离林带的远近，其减产幅度不一，跑离林带0．31-1处，减产幅度为-j2．25％，距离林带0．71-1处，减产幅度为．5．59％，距离林带9．3H处，减产幅度为．2．12％。造成林带内紫花苜蓿干草产量降低的原丙是因为防护林的胁地作用，防护林产生胁地的主要原因在于：一是防护林带侧根向两侧水平延伸，与紫花苜蓿竞争水、肥，影响了紫花苜蓿的生长发育和产量；二是防护林带的遮阴作用。防护林树木高大，枝繁叶茂，使得距离林带较近的紫花苜蓿受到的光照时间缩短．光照强度减弱，影响了作物的光合强度。防护林带的遮阴作用及与林带附近牧草争夺水肥所产生的负作用超过了防护林的小气候效应．使得林带附近的牧草产每降低。2、增产区域所谓增产区域是指防护林内紫花曹蓿干草产量高于对照的区域。在本试验中增产区域出现在距离林带I．3-8．7H的区域内。在该区域内防护林内紫花苜蓿干草产量与对照相比增幅在11．07-31，57％之间，增产幅度最大的区域出现在距离林带大约7．71-1处，增幅高达3l，57％。造成增产的主要原因在于：在防护林的小气候保护下，土壤理化性质得到改善，水分条件较好，紫花苜蓿气孔开度较大。光合强度大，使得紫花苜蓿的产量有了提高。表4．16距防护林不同距离紫花苜蓿的产草量及与对照的差异Table4-16Comparisonofalfalfabiomassindifferentdistancntoshelterbetlsandinmonocnlture注：+袁示增产，凛示哇产4．6．2影响紫花苜蓿生物量的因素复合系统内距离林带不同距离紫花苜蓿生物量多少以及复合系统与单作紫花苜蓿生物量产生差异的主要原因在于林带产生的小气候效应。其中林带对太阳辐射和土壤水分的影响起着非常重要的作用。关于林带对土壤水分的影响将在下章进行阐述．前面已经阐述，林带对太阳辐射的影响表现为抛物线形状，距离林带越近，牧草接收到的太阳辐射越小，林带的这种胁地作用加上林带与牧草的水分、养分竞争，使得林带附近的牧草生物量低于单作系统。虽然在距离防护林较近的距离处有不同程度的胁地效应，造成紫花苜蓿的减产，但是总体上看，防护林内紫花苜蓿的产量还是高于单作紫花苜蓿。为了减轻防护林对紫花苜蓿胁地产生的负作用，可以通过采取一些技术措施，如开沟断搬、开沟贴膜、物质补给等方法，尽量减少其负作用，提高紫花苜蓿的产量，增加农牧民的经济效益。75 中国农业人学博l学位论文第凹章紫花凸稽蒸散耗水特征4．7小结1．利用Penman-Monteith计算的牧草蒸散值与涡度相关实测值具有很好的一致性，R匈．84，平均相对误差为14．73％，说明利用Penman—Monteith修正模型计算林草复合系统紫花苜蓿蒸散耗水量是可行的。2．2004年牧草全生育期复合系统与单作紫花苜蓿耗水量分别为222．83mm和269．02ram，复合系统紫花苜蓿耗水量降低了17．2％。不同生育期紫花苜蓿耗水量差别较大，耗水最大出现在开花．结荚阶段，该阶段复合系统与单作紫花苜蓿耗水量分别占总耗水量的45．66％和48．43％。复合系统内紫花苜蓿产草量(千重)比单作高11．I％，水分利用效率较高。3。林草复合系统内净辐射、相对湿度的变化表现为抛物线形状；风速和气温表现为倒抛物线形状。与对照相比，牧草生育期内复合系统内气温和空气相对湿度分别增加了4％和7．8l％，净辐射和风速分别降低了28．25％和12．19％。这些小气候因子的差异是造成复合系统与单作牧草耗水量产生差异的主要原因。 中网农业人学博卜学位论文第五亭复合系统内￡壤农分生化规律第五章复合系统内土壤水分变化规律土壤水是植物赖以生存的主要水分来源，植物根系吸收土壤水分，供给植物生长必不可少的水分需要，并蒸腾大量水汽到大气中，以改善小气候环境。当土壤水分含量充足时，作物生长旺盛，产量提高：当土壤水分很低时，植物可能因为水分亏缺而萎蔫，气孔关闭，光合、蒸腾作用大大减弱甚至停止，长时间缺水，可使植物干旱桔死。因此，在干旱、半干旱，甚至半湿润地区，营造防护林的重要目的之一，就是在于保持水分，改善土壤水分，提高作物产量。本章分析了防护林内土壤水分的时空动态变化规律，并通过与对照作比较，从而为缓解该地区林草复合系统林草的“争水”矛盾提供理论依据。5．1试验地降雨量变化规律土壤水分的变化除了与土壤的理化性质有关外，更主要的是受气象因子尤其是降雨量的影响较大。因此我们先来了解一下试验地区降雨量的变化规律。试验区年平均降雨量为360ram，降水量年问变率大，降水主要集中在6月中旬至9月中旬。该地区年蒸发量为2100．2600mm，水分亏缺比较严重。根据自动气象站监测记录显示，试验区2004年和2005年降雨量为分别为300Amm和253．3ram，均低予年平均降雨量(表5—1)。表5-I试验地年降雨量各月分配Table5-lDistributionofrainfallindifferentmonthsin2∞4and2005从表5．1中可以看出，该地区降雨量主要集中在6．9月份，其中降雨量最多的时间出现在7月份，而且降雨日数比较多，2004年、2005年7月份降雨量分别为92．4ram和107．6ram，分别占全年总降雨量的31％和43％．由此可见。试验地降雨分配极不均匀。I．4月份和1l、12月份，月降雨量均没有超过5啪(2005年4月除外)，降雨分布具有明显的季节性。从图5．1中可以发现。2004年单日降雨量较大的日期主要集中在6-8月份，5月14日也有一次较大的降雨过程，降雨量为28．7mm。2005年单日降雨量较大的日期主要集中在7-9月份，其中5月16日也出现一次较大的降雨，日降雨量为20．1mm。无论是2004年还是2005年1．4月份单日降雨量都很小，最大不超过6mm(2005年4月8日降雨量为5．2ram)，10-12月份单日降雨量跟1-4月份大体相 似，最大不超过10mm(2005年10月11目降附量为9，6ram)。如此少的单次降阳量对土壤含水量的影响很小，最火限度只能是短时间内增加表层土壤的水分和空气的相对湿度。营u翻豫趁l-313-2‘一I卜l[-3Ip3D7一靳8-299-勰10-符只船<月一日)围5-1试验地2004、2005年日降雨量变化n参5-1Vnriationoftlinfallin2004and20055．2降雨对土壤含水量的影响土壤含水量受到降雨量的影响很大，特别是在干旱、半干旱地区，降雨对十壤水分的补给显得尤为重要。为此，我们分柝了降雨前后土壤水分的变化情况。首先了解一下降雨情况，2004年4-9月份的降雨分布情况见图5．2，从图中可以看出，2004年降雨量主要集中在6-8月份，其中降雨强度较大的日期有5月14日、6月5日和7月25日，降雨量分别为28．7mm、26．3mm和61．5mm，明显高于其他各日降雨量。另外，s月中旬到下旬之间，日降雨强度虽然不及5月14日、6月5日和7月25日大，但是降雨日数较多。8月14日．8月27日降雨日数为7天，总降雨量为54．Imm。根据有关研究，紫花苜蓿的根系一般在土壤中集中分布在0-30cm的耕作层内(耿华珠等，1995)。同时考虑到，本试验区在降雨季节，降雨强度较大，因此，分别将0．40cm、50．110cm、120-180cm的土壤水分平均。将土壤划分为三个层次，分析降雨对土壤水分变化的影响。从图5-2中可以看出，O-40cm层次的土壤水分含量由于受到气象因子和土壤蒸发以及牧草蒸腾耗水的影响，变化比较剧烈，土壤体积含水量较高的日期为5月14日、6月5日、7FJ26日、8月16臼以及8月25日，土壤含水量分别为18．66％、17．75％、20．39％、19．71％和20．04％。这几日土壤水分含量较高的原因是由于降雨对土壤中的水分进行了补充，使得土壤水分在满足牧草蒸散消耗的同时，水分还略有盈余。从6月5日开始，由于期间降雨量不多，牧草消耗了大量的土壤水分，土壤水分表现为持续下降的趋势，7月15日土壤水分含量最低，为12．19％，之后受到7月25日强降雨的{}充，土壤含水量猛然增加。3月5日前后由于没有降雨的补充，土壤水分略低，由于8月中下旬有一定的降雨量，8月16日和8月25日土壤含水量又有所增加，之后，随着降雨季节的过去。土壤水分呈缓慢下降趋势并逐渐趋于稳定。50．1lOom层次土壤在气象因子、植被耗水和深层土壤水分补给的双重作用下，土壤水分略有波动，但是变化不如0-40cm层次明显。当天气特别干旱时，由于O-40cm层次的土壤水分不能满足牧草耗水的需求，牧草便向30cm以下的较深层吸取水分，这时50-1tocmN次的土壤水分就表现为下降趋势；当有降雨发生且降雨强度很大时，降雨开始渗入78 中国农业丈学博L学位论文第五章复合系统内t壤水分变化规律到30cm以F的土壤中，该层次的土壤水分得到了补充。从图中可以看剑，从7月26H到8月25日，由于此阶段降雨最较大，50-110cm的土壤表现为缓慢的增加趋势。同时，120．180cm层次的水分也通过毛细管作用等逐渐向上层土壤输水。120一180cm层次土壤水分含量明显高于0-40cm和50-1]0cm两个层次，而且各日之间波动不大．其主要原因是：该层次距离地表较深，降雨、土壤蒸发和植被的蒸腾耗水对该层次士壤水分几乎没有任何影响；本试验区地下水位很浅，该层次基本接近地下水位的位置。当该层次的土壤水分略有变化时，地下水对其进行及时的补充，使得该层次的土壤水分一直维持在一个较高的水平。该层次土壤水分的变化主要依赖于地下水位的高低。gEV棚窿鞋；I_|．|㈠一J．卜从L．1⋯4—94-295-196-86—287-188-78—279-16日期(月-日)田5-2不同深度±壤水分时间变化规律(2004)F．g．5-2Dynamicofsoilwatercontentindifferentdepth(2∞4)通过以上分析可以发现，降雨量主要影响0-40cm层次土壤水分的变化，对50-110cm层的土壤水分能产生一定影响，而对120．180cm层次的土壤水分基本没有任何影响。∞印∞仰∞加os；{s；号H珏幻堪：呈M他¨^Xv一*如蒜肇群卅 中国农业人学博f‘学位论文第五争复台系统内I。壤水分变化规律5．3复合系统内土壤水分的时间变化规律我们将防护林内所有土壤水分测定值平均后，分析防护林内土壤水分随时问的变化规律．结果如图5．3所示。零V■*缸器最群卅242118151112l456789月份图5-3防护林内与旷野地土壤水分月变化动态Fig．5-3Monthlydynamicofsoilwatercontentinshelterbeltsandopenfield从图5-3中可以看出，杨树防护林内土壤水分与旷野土壤水分变化趋势基本一致。旷野土壤水分含量低于防护林内。我们将其大致分为三个时期：l、土壤水分累积期(3月．5月)：这个时期有部分积雪融化，土壤水分得到一定的补给，由于气温较低，太阳辐射较弱，植物尚未完全开始生理活动，因此这个阶段土壤水分有小幅度的增加。2、土壤水分消耗期(6月．8月)：除了降雨量和土壤性质是影响土壤水分变化的主要因素外，土壤水分还与植物的蒸腾和气温、辐射等气象因子有关。从图中可|；(发现从6月份开始，防护林内、旷野土壤水分开始呈现下降趋势，7月份降幅很大。主要是由于6-8月份，气温升高，太阳辐射增强，植物进入生长旺期，蒸散耗水量很大，虽然期间有一定的降雨量，但是少量的降雨不能足以弥补土壤水分的消耗，使得土壤水分出现较大亏缺。8月份土壤水分含量上升的原因是从7月底开始，出现了强度大、时间长的降雨，从7月26日至8月27日，共降雨148．4mm，降雨天数为15天。使得土壤水分得到了有效的补给。3、土壤水分稳定期(9月．次年2月)：这一时期，气温降低，植物大多枯死或者进入休眠时期，蒸敖耗水很小，土壤水分相对比较稳定。5．4复合系统内土壤水分的垂直动态变化规律我们将各月测定的土壤水分平均后，得到不同月份防护林内土壤水分的垂直动态变化(图5_4左)，从图中可以发现，不同月份防护林内土壤水分的垂直变化趋势基本一致，土壤含水量最低 中国农业大学博十学位论文第五章复合系统内十壤水分变化蚬{窄为7月份，0-180cm平均十壤体积含水量为19．74％，最高为8月份，0．180cm平均十壤体积含水量为21．79％。土壤含水鬣最低值出现在7月的主要原因在于，7月份杨树林带和牧草均处于水分消耗盛期，消耗了大量的水分，该阶段降雨量对土壤水分的补给不能弥补土壤水分的消耗，因此土壤水分含量最低；7B底和8月份的降雨量对土壤中的水分进行了补充，而且此阶段林草水分消耗不如7月份，土壤水分含量较高。4、5、6、9月份0—180cm平均十壤含水量分别为21．48％、21．39％、20．54％和21．07％。在不同月份防护林内土壤水分垂直变化主要集中在0．1lOcm部分，其中0．40cm层次土壤水分的变化受植物根系吸永、气温、太阳辐射和降雨量的影响最大。50．110cm层次土壤水分变化不如0-40cm十壤水分变化明显。100era以下土壤水分含量维持在较为稳定的水平，说明其变化受气象因子影响不大，主要受到地下水位的影响。土壤体积含水量(％)衢∞衢"¨围5．4防护林内土壤含水量垂直动态变化Fig．5．4Verticalchangesofsoilwatercontentinshelterbelts我们将各月土壤水分平均后得到4-9月份防护林内土壤水分平均含水量(图5．4右)，从图中可以看出，防护林内土壤水分垂直动态表现为：0-40cm表层土壤水分由于受到大气降水、土壤蒸发以及根系吸水引起的强烈蒸腾作用等因素影响，数值波动较大，10cm、20cm土壤水分含量分别为15．83％和15，70％．30cm处七壤水分含量略有升高．含水詈为17．67％。土钻取十屁示，在距离表层40枷伽处存在干土层，干土层的存在使得40cm、50cm处土壤水分含量降低，分别为16．41％和14．90％，在50cm处表现尤为突出。60-90cm处土壤水分基本维持在一个较为稳定水平，土壤含水量在16．16-16．99％之间波动。100cm以下土壤水分含量增幅较大，在100cm处，土壤水分含量为19．52％，较90cm处增加了2．35％。100-130cm土壤含水量呈现逐渐增加趋势，土壤含水量从19．52％增加到223l％，140-180cm土壤含水量又出现一个较大的增幅，从140cm的24．29％增加到180era的30．93％。140cm以下土壤水分之所以较高，与试验地很浅的地下水位有很大关系。100-130cm层次的土壤含水量由于能受N140cm以下等较深层次土壤水分的补给，水分含量也比较高。对照地土壤水分的垂直变化趋势与林内基本一致，但是总体土壤水分含量低于林内平均值，尤其是在O-100cm层次内与林内水分差异很明显，主要原因在于对照地牧草没有林带小气候效应的作用，蒸腾强度大，消耗了大量的水分，100cm以下二者之间的差异减小，是由于该层次的水分能受到地下水的补给．Sl0{弓蚰∞翳∞加帅∞船∞^目0瑙错群卅 中国农业大学博士学位论文第五申复台系统内f。壤水分变化观律5．5复合系统内土壤水分的水平动态变化规律5．5．1牧草不同生育期内土壤水分的水平变化规律防护林内土壤水分的消耗主要是通过林带内种植的紫花莒蓿的蒸腾和七壤的蒸发来实现的，因此有必要将紫花苜蓿不同生育期内土壤水分的变化进行比较，以分析不同生育期内土壤水分的水平动态变化。根据紫花苜蓿的生育期的时间划分，将各生育期内所测定的土壤水分数值平均，代表该生育期内的土壤水分状况，以O-]80cm平均值来比较各个生育期距离林带不同距离的土壤水分的变化状况。零V一*加嚣蛙脊卅距离防护林带的距离(H)图5-5牧草各生育期内林内±壤水分的水平变化Fi备5-5Horizontalchangeofsoilwatercontentindifferentgrowingphases图5-5列出了紫花苜蓿不同生育期防护林内土壤水分的水平动态变化。从图中可以看出不同生育期内防护林内土壤水分水平变化趋势基本一致，大体上呈现为抛物线形状，即距离林带越近，土壤水分状况越差，主要是由于林带的根系争夺水分引起：越远离林带，土壤水分状况越好，最大土壤体积含水量出现在试验地中心位置附近。返青．分枝阶段(4月20日-5月lO日)，从林缘处开始，土壤体积含水量逐渐增加，土壤体积含水量最大值出现在距离防护林带7．7H处，为23．54％，然后土壤含水量开始下降，从距离林带9H处开始，土壤体积含水量下降幅度很大，其原因在于，该点距离另一侧林带只有15m，受 中国农业人学博l。学位论文第五亭复台系壬克内I．壤水分变化规律剑林带根系争夺水分的影响，土壤水分状况恶化比较严重。返青．分杖阶段，林带内十壤水分变化范围为18．11．23．54％，林带内平均土壤含水量为21，48％，单作紫花苜蓿地十壤水分含量为19．68％。林内比对照高出I．s％。分枝-现蕾阶段(5月11日-6月20日)，紫花苜蓿生长速度开始加快，相应蒸散耗水量也开始增加，此时杨树枝叶已经完全展开，在高温、强光等气象因子的作用下，杨树蒸腾耗水量很人，除了从林下土壤中吸收水分外，林带的水平根系开始从附近的土壤中吸收水分。在距离林带04)．7It之问，为杨树和紫花苗蓿根系竞争水分的集中区域，七壤水分状况较差。从距离林带1H处开始，林带内十壤水分明显增加。从0．7H处的18．78％增加J-020．83％，之后十壤含水量逐渐增加，最大值出现在距离林带约5H处，为23．15％，然后土壤体积含水量开始肇现下降趋势。分枝-现蕾阶段，林带内土壤含水鼍波动范围为18．41-23．15％，平均—t=壤含水量为21．19％，对照土壤水分含量为19．42％，二者差值为1．77％。现蕾．开花阶段(6月21日．7月10日)，由于林带和紫花苜蓿的蒸腾耗水消耗了大量的土壤水分，而且由于这段时间内降雨量并不多，使得该阶段土壤含水量下降幅度较大。由于林带和紫花苜蓿争夺水分。距离林带04)．7H处，土壤水分含量很低，0．7H之外土壤水分含毒开始逐渐增加，土壤水分含量展大值出现在距离林带5H处。为21．7S％，之后，受到另一条林带的影响，土壤水分含量开始下降。现蕾．开花阶段林带内土壤水分含量波动范围为16．31-21．78％，平均土壤含水量为19．55％，对照十壤含水量为17．9％，二者差值为1．65％。开花．结荚阶段(7月11日一8月20日)，紫花苜蓿逐渐由营养生长转入生殖生长，虽然此阶段林带和紫花苜蓿消耗不少的土壤水分，但是这一时期的雨水充足，降雨量较大，对土壤水分进行了补充，使得该阶段土壤水分含量较前一阶段有所升高。该阶段距离林带0．3H、10．7H处土壤含水量分别为19．1l％和18．70％，略低于林下土壤含水量(19．21％)，其原因在于林带截留的部分降雨量，沿树干渗入土壤，对土壤水分有所补充。该生育期林带内土壤水分含量波动范围为16．91．22．55％，最大值出现在距离林带5H处，林带内平均土壤含水量为20．64％，对照土壤含水量为19．17％，林内比对照高出1．47％。5．5．2牧草全生育期土壤水分的水平变化规律将牧草生育期(2004年-4．s月份)的土壤水分测定值平均后，分析牧草全生育期距离林带不同距离处土壤水分的变化情况(图5-6)。从图5-6可以看出，随着距离防护林距离的增加。防护林内土壤水分含量变化大体上表现为抛物线的变化规律，具体表现为：距离防护林带OH、0．3H和0．7H处，0-180cm平均土壤体积含水量分别为18．69％、18．04％和19．1l％，低于对照土壤体积含水量(19．3％)。其主要原因为林木具有庞大的根系。扩张的水平根系从土壤中吸收了大量水分以满足蒸腾耗水的需求，使得该处土壤水分含量较低。林下土壤体积含水量高于0．3H处的原因在于，林木本身能截留部分降雨量，截留获得的降雨量除了蒸发到大气中以外，还有部分降雨量通过树干下渗到林下土壤中，在一定程度上增加了林下土壤含水量。虽然防护林带具有改善小气候的作用，但是在该区域内防护林的小气候效应不足以抵消林带根系对土壤水分的消耗。该区域由于林带根系的影响使得土壤含水量低于对照地，称为防护林带的负效应区域。从距离防护林带0．71-I以后开始一直到距离林带8．7H处，防护林内土壤体积含水量呈现出增加趋势，高于对照土壤水分含量。各测点之闻±壤水分含量波动范围为20-24．96％。土壤体积吉水量最大出现在距离防护林带大约5H处，为24．96％。比对照土壤体 中国农业人学博{。学位论文第五章复合系统内t壤水分变化规律积含水量高出5．66％，增幅为29．3％。与对照相比，该区域内平均十壤水分含量增幅为21．5％，称为防护林带的正效应区。正效应的存在正是由于防护林带小气候效应而形成的。从距离防护林带8．7H开始，土壤体积含水量又呈现下降的趋势，距离林带9．3H和9．7H处土壤体积含水量分别为19％和18．77％，与对照相比，分别降低了0．3％和0．53％。由于这两个测点位置距离另一侧防护林距离很近，受到林带根系竞争吸水的影响大于林带的小气候效应，导致士壤水分含量较低，也称为林带的负效应区。防护林内平均土壤水分含量为21．86％，与对照相比，土壤含水量增加了2．56％，增幅为13．2％，总体上复合系统内土壤水分状况优于对照，说明林草复合系统并没有增加水分的消耗，反而能略微改善了土壤水分状况。00．71．32．357．78，79．3距防护林的距离(H)围5．6防护林内不同测点处±壤水分的变化规律F}昏5-6Horizonialchangeofso；!wai‘f∞ntcntinshcRcrk|ts从图中可以看出，防护林内土壤体积含水量最小值和最大值分别出现在距离林带0．3H和5H处，分别为18．04％和24．96％．综合前面对风速的分析，可以发现，土壤体积含水量最大值出现的区域基本跟林内风速最小值出现的区域相同，均在距离防护林带75rn左右的位置(大约5倍树高左右)，说明在风速较小的地方，土壤体积含水量较大{风速较大的地方，土壤体积含水量较小。土壤含水量的变化趋势与前面提到的空气相对湿度变化趋势一致，与风速的变化趋势正好相反，说明土壤含水量和空气相对湿度在很大程度上受风速的影响较大。对于本试验来讲，防护林带所产生的负效应区域在距离林带0-0．7H树高的范围，所产生的正效应区域在距离林带0．7-8．7H左右的范围内，水分效应最大的区域产生在距离林带大约75H树高的位置。弱弘嚣控孔∞均掩"坩^xv嘲篙舡鼷挚群爿 中国农业大学博±+学位论文第五章复台系绩内卜壤水分变化规律5．6小结1．试验地降雨主要集中在6-9月份，具有明显的季节性和不均衡性，降雨爱主要影响o-40cm层次土壤水分，对50-110cm的土壤水分产生一定的影响，120cm以下土壤水分受降雨蓬和植物耗水影响不大，主要受地下水位高低的影响。2．随着时间变化防护林内士壤水分大致可分为土壤水分累积期(3-5月份)、土壤水分消耗期(6．8月份)和土壤水分稳定期(9-2月份)。土壤含水鼙最低出现在7月份．最高出现在8月份。3．距离林带04)．7H树高范围内由于林、革争夺水分，土壤水分低于单作系统，表现为负效应，1．3．8．71-1树高内由于林带的小气候效应，土壤水分高于单作系统，表现为正效应。总体上。复合系统内土壤水分状况优于单作牧草系统。 中固农业人学博i‘学位论文第A章林荦复台系镜种蜘耗水比铡及水分调控第六章林草复合系统种间耗水比例及水分调控林带和牧草之间的耗水比例及水分竞争是林草复合系统研究的重点，只有计算出二者的耗水比例，分析其水分效应，才能为退耕还林还草模式的正确配置提供理论支持。在正确测算出林带和牧草耗水量的基础上，我们对林、草之闯的耗水比例进行分析比较，并就如何改善林草复合系统水分状况提出了调控措施。6．1林草复合系统种间耗水比例．在测算出杨树林带耗水总量和紫花苜蓿蒸散耗水的基础上，我们求算出杨树．紫花苜蓿林草复合系统的耗水总量。2004年4月20日一8月20日(紫花苜蓿生育期)，紫花菖蓿和杨树林带耗水量分别为222．83ram和445mm，平均日耗水量分别为1．81ram和3．62mm，二者比例为1：2，说明在单位面积上，紫花苜蓿蒸散耗水低于杨树林带，这主要是由于紫花苜蓿和杨树自身的生理生态特性的差异所造成的。因此，就单位面积上紫花苜蓿和杨树耗水比例而言，杨树林带是林草复合系统耗水的主要方式。由此说明，在该地区发展单纯的林业将会对土壤水分产生比较严重的消耗作用，不适宜大面积发展成片杨树林。试验区总面积为30000m2，其中紫花苜蓿种植面积为28300m2，杨树林带占地面积为1700m2。从2004年4月20日．8月20日，杨树．紫花苜蓿复合系统总耗水量为7062．59m3，其中紫花莒蓿蒸散耗水量为6306．1m3，杨树林带耗水量为756，5m3，分别占棘草复合系统总耗水量的89．29％和lO．71％，二者的比例为8．34：l。说明在实际区域面积上，紫花苜蓿是林草复合系统耗水的主要方式。从合理利用水资源的角度而言，在该地区适度发展宽带距林草复合系统是可行的。表6-1林草复合系统种问耗水比例(2004．04．20-08．20)Table6-1lhtioofspcci“intrce-grisssystems(2004．04．20-08．20)6．2林草复合系统水分供需平衡分析试验地2004年降雨量为300Amm，其中紫花苜蓿生育期(4月20日．8月20日)降雨量为273．$mm。紫花苜蓿生育期总耗水量为222．83ram，对于紫花苜蓿而言，降雨量略有盈余，基本能满足牧草耗水需求；2004年4月20日．8月20日杨树林带耗水量为445mm，二者差值为171．2mm降雨量不能满足林带耗水需求。杨树的水平根系延伸到邻近的土壤中．与林带附近的牧草争夺部分水分外，由于杨树属于深根性树种，杨树利用其强大的根系从深层土壤或者地下水中吸收水分以满足耗水需求。而且一年来，没有发现地下水位明显下降，由此说明这种宽带距林草复合系统并没有因为林带的耗水而导致土壤水分状况恶化等负效应问题。紫花苜蓿与林带的种间水分竞争主要发生在距离林带较近的地方，从本试验结果来看，主要 中困农业大学博一I：学位论文第八章林荦复合系统种删耗水比例及水分调控集中在距离林带04)．7H左右的区域，在该区域内紫花苗蓿由于受剑林本根系争夺水分的影响，土壤水分状况较差。但是总体上看，林带内紫花苜蓿的土壤水分较单作紫花苜蓿有所提高，表现为正效应。鉴于林带的动力效应与热量效应及其所导致的牧草蒸腾降低、土壤水分增加等水文效应，以及实际面积上牧草耗水占主导地位，可认为：在毛乌素沙地发展宽带距林草复合系统不会导致林、草水分竞争或进一步恶化土壤水分状况等负效应问题。从可持续发展角度来看，在不影响林带防风效应的前提下，可以适当地加宽防护林带树木的株距，以减少单位土地面积上水分的消耗。对于长期种植紫花苜蓿可能引起的地下水位F降等问题，可以在收获牧草翻耕后轮作粮食作物，以恢复地下水位及深层土壤水分．轮作粮食作物的年份越长，土壤水分恢复越好。对于倒茬时间，干旱区的倒茬时间以6．7年为宣，半千早区8-9年轮作一次，半湿润地区可以延长到9—10年，最多不要超过lO年(韩仕峰，1990；程积民等，2005)。6．3林草复合系统与其他作物耗水量的比较在试验区附近，农牧民除了种植紫花苜蓿、沙打旺等豆科牧草以外，还种植玉米、春小麦、豆类等作物。为了体现林草复合系统的水分效应，有必要将当地经常种植的作物耗水量与林草复合系统耗水量进行比较。据当地牧民介绍，当地种植玉米生育期耗水量大约为300t／亩，单位面积(每平方米)耗水量为449．78am；种植春小麦生育期耗水量大约为380t／亩，单位面积耗水量为569．72mm；种植豆类作物生育期耗水量大约为350t庙，单位面积耗水量为524．74am。除了玉米耗水量低于450am以外，春小麦和豆类作物生育期耗水量均超过了500am。作物种植面积按照跟林草复合系统大小一样计算(30000m2)，玉米、豆类和春小麦生育期总耗水量分别为13493．48m’、15741．6m’和17091．6m’，远远大于林草复合系统牧草生育期耗水总量(7062．59m3)。由于本试验在无灌溉条件下进行，而且紫花苜蓿也仅仅收割了一次，将这些因素考虑进去，改为收割两次，并进行适当的灌溉，林草复合系统总耗水量仍然低于单独种植玉米、春小麦和豆类等作物，说明林草复合系统具有很好的节水效果，在当地具有一定的推广应用价值。水利部牧科所的郭克贞等人(2005)曾经对毛乌素沙地沙地常见的饲草料作物耗水量进行了比较，也发现种植紫花苜蓿、沙打旺等牧草的耗水量要低于玉米等作物，具体数值见表6-2．因此，从提高水资源利用率的角度来考虑。毛乌索沙地更适合种植豆科类牧草。表6-2毛乌素沙地主要饲革作物耗水量(郭克贞等，2005)Table6-2WaterconsnNllptionofmainfoddergrassinMaowusuSandyArea(Gund越2005)作物名称生育期总耗水量(nun)玉米青贮玉米苜蓿沙打旺580592528516 6．4水分调控对策及途径分析6．4．1优化结构配置结构配置的合理性、科学性是优化复合模式、提高复合系统生态与经济效益的关键技术。林草复合系统结构包括物种配置和时空结构。物种是指复合系统中生物物种的组成及其彼此之间的关系：空间结构是指各物种之问搭配的层次和密度；时问结构是指根据生物生长发育的周期性和资源因子的发生的周期性的关系，使物质生产和资源利用所具有的时间序列性。在空间配置上：本林带由单排杨树组成，虽然对小气候起到～定的改善作用，但是还具有进一步改善的潜力。在今后的结构优化中若能改为双摊林，辅以不同林种，营造乔灌木混交林，建立不同层次的林相。并适当加宽林带之间的距离，将会起到更好的防护效果。本试验中杨树林带的株距为2m，树冠之间重叠现象比较严重，导致单位面积上林木耗水量比较大。如果能适当地加宽株距，不但能确保林带带的小气候效应，也能减少单位面积林木耗水量，而且可以更好地改善林带内土壤水分状况。在时间配置上：尽可能地缩短牧草与林木争夺水分的时期，减少林草用水矛盾，提高水分利用效率。如果是春播牧草，应适时的提前播种，促进牧草早熟：如果是多年生牧草，其一般在4月下旬返青。牧草的返青除了与温度有关外，土壤含水量的大小对牧草的返青时间也很重要。为了让紫花苜蓿提前返青，可以在返青前数日，进行适度的灌溉，适度的灌溉不但能保证紫花苜蓿等牧草提前返青，早日完成生育周期，而且能提高紫花苜蓿等牧草的返青率，最终提高了牧草产量，增加了农牧民的经济收入。一般情况F，牧草生产以收获牧草为目的，属于营养体生产，其营养体最大量出现在初花期，此时收获可获得较高的生物量，牧草并未完整经历整个生育期(孙洪仁等，2003，2005；张谋草等，2006)。因此，可以人为地中断紫花苜蓿生育期，不等紫花苜蓿等牧草进入成熟期就进行收获，不但能获得较高的牧草产量，而且使牧草的耗水高峰期与树木有所避开；同时，由千紫花苗蓿再牛性很强，收割后，经过4-7天时间，紫花苜蓿就可以再次生长，再加强田问管理，就会增加收割次数，提高紫花苜蓿总生产力。6．4．2加强林．草界面水分管理虽然林带具有“胁地一条线，增产一大片”的作用，但农牧民对于林带胁地所产生的负面作用还是颇有微辞。林带根系的吸水作用导致土壤水分的直接或者间接侧向运动，是靠近林带土壤水分转移的一种重要方式，也是复合系统土壤水分负效应存在的最主要原因。为了减少林草的水、肥之争，提高系统内土壤水分含量，充分发挥林草复合系统的正效应作用，有必要采取一定的措旌，将林草争水降至最小程度。对于林木的根系侧向吸水。可以通过以下措施进行控制：开沟断根：即在距离林带50-100cm处，挖开一条深50cm左右的深沟，切断侧根进入田间吸收水分、养分的通道；开沟贴膜：即开沟断根以后，在靠近林带的沟壁一侧贴上一层塑料薄膜，然后将士回填至原样． 中国农业大学博L学位论文第六审林荦复合系统种『uj耗水比例及水分调拧6．4．3建立高效节水灌溉制度和节水灌溉技术体系林草复合系统田间水分管理，与单作作物系统不同，在复合系统内部，随着距离林带距离不同，土壤水分具有明显的非均一性。因此，为了有效的提高有限的水资源利用率，很有必要建立高效节水灌溉制度和节水灌溉技术体系。高效节水灌溉制度是指在一定的气候、土壤和农业技术措施等条件下，根据作物(牧草)或者林木光合作用所需求的土壤含水量下限控制指标而涉及的一种操作管理模式，灌溉定额、灌溉次数和时间的确定主要取决于作物(牧草)和林木的生育期、生长状况及土壤含水量等因素。其中，准确预测田间土壤含水量是建立灌溉制度的关键技术。在本复合模式中，应该根据紫花苜蓿不同生育期的耗水特点，有选择地进行灌溉是提高该地区水分利用效率，增加牧草产量的重要举措。虽然春季土壤水分并不亏缺，但是为了增加牧草的返青率，提高牧草产量，可以考虑在牧草返青前进行适当的灌溉。现蕾．开花阶段，牧草耗水量较大，土壤水分亏缺比较严重，此时应加强灌溉。考虑到该地区的土壤质地多为沙壤土，土壤持水能力相对较差，而且该地区4、5月份风窖比较严重，在实施灌溉的过程中应尽可能地减少灌溉量，增加灌溉次数，以保证紫花苜蓿等牧草对灌溉水的高效利用。关于节水灌溉技术，目前比较常见的有喷灌、滴灌、微滴灌，渗灌以及管灌等。田间喷灌由于受到风速的影响比较大，喷灌面积和质量下降。毛乌素沙地在春季风速相对较大，对于喷灌的实施产生一定的影响，不但降低了喷灌喷水的辐射范围，而且由于大风将相当一部分尚未来得及落下的水滴带走，降低了水分的利用效率，而且喷灌对水压有～定的要求，水压太小，不能形成足够的动力。有些专家认为，在极端干旱的风沙区，由于喷灌蒸发漂移所损失的水量占总水量的30％以上(于根坚等，2002)。因此，不建议在该地区实施喷灌技术。在实施喷灌的时候，要根据天气预报尽可能的避开大风天气，以保证水分的充分利用。滴灌是通过安装在毛管上的滴管、滴头等工具，将水滴逐滴均匀地喷施在作物根区附近，不但可以控制灌溉水量，而且能有效减少±壤表面蒸发；减少无效水的消耗。相比较而言．滴灌技术{曼适合存该地区推广使用。除了从灌溉方式上着手外，目前，非充分灌溉、调亏灌溉以及控制性分根交替灌溉等理论已经在农牧业的具体实践中产生。并逐渐受到人们的重视．非充分灌溉(unsufficientirrigation)是指在灌溉水源有限，不能充分满足作物需水量的条件下，如何把有限的水最优分配至不同作物及作物的各个阶段，它追求的不是单位面积的产量最高，而是整个地区的总体增产(陈亚新等，1995)。调亏灌溉是澳大利亚持续灌溉农业研究所Tatura中心于20世纪70年代中期提出的一种新的灌溉理论。它主要是根据作物的生理生化作用受到遗传特性或者生长激素影响的特征，在作物生长发育的某一阶段施加一定程度的有益亏水度，调节其光合产物向不同组织器官分配的倾斜，从而提高所需收获的产量而舍弃营养器官的生长量和有机物质的总量，达到节水增产的目的．其关键在于从作物的生理角度出发，根据其需水特征进行主动的调亏处理(史文娟等，1998)。控制性分根交替灌溉理论，是基于节水灌溉技术原理与作物感知缺水的根源信号理论而提出的，它追求的不是田间作物根系层的充分和均匀湿润，而是强调从根系生长空间上，改变其土壤湿润方式，人为控制或者保持根区土壤在某个区域干燥，交替使作物根系始终有一部分生长在干燥或者较干燥的土壤区域中，让其产生水分胁迫信号传递到叶片气孔，形成最优气孔开度，而使一部 中国农业大学博{学位论文第六章林草复台系统种阁耗水比例发水蚀调拧分生长在湿润区的根系止常吸水，减少作物奢侈的蒸腾耗水和棵间蒸发，从而达到小牺牲作物的光合产物积累而大量节水的目的(康绍忠等，1997)。当前世界各地水资源日趋紧张，在西北干旱、半干旱地区，采用非充分灌溉等技术来指导作物的灌溉将会具有很广阔的应用前景。6．5小结1．单位面积上，林带耗水占据主导地位，说明在该地区不适合发展大面积成片林；在实际区域面积上，牧草耗水占据主导地位，说明林草复合系统并没有恶化土壤水分状况，在该地区发展宽带距林草复合系统是可行的。2．降雨量基本能满足牧草生育期耗水需求。但是不能满足林带耗水，林带借助其强大的根系从深层土壤或者地F水中吸收水分以供蒸腾耗水。3．与种植其他玉米、春小麦、豆类等作物相比，林草复合系统具有明显的节水效果。说明从合理利用水资源角度而育，在该地区更适宜发展宽带距林草复合系统。4．为提高林草复合系统的水分利用率，缓和林草之间水分竞争，可以通过优化结构配置、加强林草界面水分管理和建立高效节水灌溉体系和制度来实现。 中国农业人学浒1学付诒文铺匕奇结论与l寸论7．1主要研究结论第七章结论与讨论1．生长季节杨树蒸腾速率日变化表现为日出后增加，中午达到峰值，然后逐渐F降；非生长季节，蒸腾速率日变化不明显。2004、2005年杨树耗水总量分别为7490．86L和6245．54L，耗水量最大出现在6月，最小出现在2月，说明杨树耗水量与气象因子密切相关。2．影响杨树蒸腾速率的晟主要气象因子为太旰l辐射，空气相对湿度与蒸腾速率表现为负相关。杨树蒸腾速率与参考作物蒸散量、叶面积指数、叶面积指数与水面蒸发的综合分别用线性关系、三次曲线和乘幂关系拟合效果较好。3．整个生育期复合系统内紫花苜蓿蒸散量比单作牧草系统降低了17．2％。不同生育期紫花苜蓿耗水量有着较大的差别，耗水最大的生育期为开花．结荚阶段，林带内与单作紫花苜蓿耗水量分别为101．74ram和130．29ram。由于林带的小气候作用，复合系统紫花苜蓿生物量表现为增产效应，干草产量比单作系统高11．1％。4．复合系统内太阳辐射、相对湿度和土壤水分变化表现为抛物线形状，风速和气温表现为倒抛物线形状。与旷野相比，林带具有增加土壤水分、空气温度和空气相对湿度，降低太阳辐射和风速的作用。5．从实际总面积而言，牧草耗水占据主导地位。与种植其他玉米、春小麦、豆类作物相比，林草复合系统具有明显的节水效果。因此，从合理利用水资源的角度而害，在该地区适度发展宽带距林草复合系统是可行的。在不影响林带防护效应的前提下，可以适当加大杨树株距，以减少单位茵积上的耗水量。7．2本研究的特点1．采用国际上先进的野外观测技术，对毛乌素沙地杨树林带蒸腾耗水及牧草蒸散进行了连续的、系统的观测，克服了国内同类研究的数据连续性不足等缺陷。2．紧密结合正在实施的退耕还林还草工程建设，本研究提出在毛乌素沙地发展宽带距林草复合系统，能为该地区发展节水型林草复合模式提供一定的理论依据，进一步丰富农林复合系统的研究内容．7．3讨论7．3．1TDP技术的探讨TDP技术测定的是单株植物自然状态的蒸腾耗水量，对植物体产生的破坏最小。与HPV法相比，TDP技术消除了HPV的热脉冲等待、加热间隔以及液流速率很低时测定不准确等缺陷，使得测定结果更连续、更精确；与SHB法相比，TDP技术克服了SHB只能适用幼小植物的局限性，可以根据植物(树木)的直径大小选择不同长度的探针。因此，TDP技术是目前测定植物蒸，9I 中国农业入学博l-学位论文第七章结论’Jij论腾相对最稳定、方便的方法，在农业、林业、剧艺等各个领域J1泛应用。值得注意的是在安装TDP探针的时候，要用专用电钻打洞，以免洞的直径过大，使探针与树体之间产生空隙，接触不好，影响测定结果。7．3．2杨树蒸腾耗水在非生长季节，杨树蒸腾速率多在中午或者下午开始启动，与正常情况下液流启动时间有很大的差别。Ringersma等(1996)在对海枣(datepalm)的液流研究中也发现液流启动异常；马履一等(2002)在研究北京山区45年生油松液流变化规律时也发现液流启动时间明显滞后的现象，他把这种现象归因于土壤水分胁迫对液流造成的影响。本研究中这种非正常现象一般出现在非生长季节，非生长季节的土壤水分要优于生长季节，而且本试验区地下水位很浅，因此对于林木而言基本不存在水分胁迫。周慧珍(2002)研究东北山区混交林树木液流发现蒙古栎7月下旬和8月上旬液流主要集中在晚上和凌晨，认为其原因可能是两个树种生长距离太近，产生了水分竞争。Lu等(2002，2004)在对香蕉树的液流观测中也发现了液流启动时间反常的现象，他认为产生该现象的原因是由于加热探头与树干木质部接触不好，产生空隙所致。本试验中这种现象多出现在非生长季节，在生长季节基本没有发现这种现象，由此分析应该不是加热探头与树干木质部产生空隙所致。产生此现象的具体原因有待于进一步分析探讨。本研究结果表明杨树蒸腾耗水最大出现在6月份，Zhang等(1999)通过对英格兰东南部地区6年生毛果杨和青杨的枝干液流进行研究，发现其液流峰值出现在6月末7月初，与本研究结果基本一致。肖以华等(2005)通过对海南地区马占相思的液流进行研究后发现马占相思液流最大量也出现在6月份。但是常学向等(2004)采用HPV技术对荒漠绿洲农田防护树种22年生二白杨树干液流进行观测后发现，二白杨树干最高液流速率出现在8月份；马长明等人(2005)利用TDP技术对北京延庆地区8年生山杨边材液流测定发现最高液流速率出现在9月份。马长明等人的试验观测时间为2003年8月．10月，没有对5-7月份生长季节的液流速率变化情况进行观测；常学向的试验观测时间为2004年5月-9月，中间没有对6月份液流变化进行观测。本研究对杨树蒸腾实现了常年连续的动态观测，对杨树年耗水规律进行了完整的研究。除了与树木自身的生理学特性有关外，研究方法的不同、研究对象的大小和试验地的气候条件如降丽量等均有可能导致试验结果产生差异。7．3．3紫花苜蓿蒸散耗水为了减少人为因素对试验结果造成的误差。本研究始终没有进行灌溉、除草、施肥等人工措施，几乎是在完全自然条件下进行的。因此，与有的文献报道(杨启国等，2003：杨小利，2004：党志强等，2004)相比，整个生育期紫花苜蓿的蒸散耗水量较少。据当地农牧民介绍，一般情况下平均每年能收割两次牧草，亩产于草量约600kg，折合每公顷干草产量为9000kg，平均每次收获干革产量大约为4500kg左右。本试验中紫花苜蓿每公顷干草产量为3287．28kg左右，与当地紫花苜蓿干草收获量产生差异的原因在于：本试验过程中了为了消除人为因素对试验造成的误差，尽量减少外界条件对试验地的干涉，自始至终均没有进行灌 中国农业大学博仁学位论文第七章结论oj讨论水、施肥等措施，紫花苜蓿是在近乎先全自然条件F生长。而当地农牧K在种植紫花酋蓿的过程中要经常进行灌溉、施肥等措施，使得其干草产鼍高于本试验结果。而且本试验区紫花苜蓿于2003年8月份种植，严格地说只能算是一年生牧草。紫花苜蓿为多年生草本植物，生长年限比较长，在刚开始的一、两年内产量并不是最高，最佳利用年限通常在2-3年内，如果管理得当，利用年限会更长些。此外本研究对紫花苜蓿只进行了一次收割，测定了其生物鼋。刈割次数对紫花莒蓿产量也有一定的影响。适度地刈割能够促进紫花苜蓿的生长速度，进而提高其产草量。7．4研究展望与单作牧草系统相比，林草复合系统内紫花苜蓿能消耗较少的水分，产生较多的生物量，具有较高的水分利用效率，说明林草复合系统能提高牧草的水分利用效率，具有节水的优点，林草复合模式并没有加剧该地区的水分恶化，反而略微改善了土壤水分状况：林草复合模式的耗水量小于玉米、春小麦和豆类等作物，说明在毛乌素沙地地区发展宽带距林草复合系统完全具有可行性，不但能实现节约有限的水资源，而且能改善该地区的小气候效应。在不影响林带防护效应的情况下，可以适当加大株距，以减少单位面积上林带对水分的消耗。根系是植物吸收水分和养分的重要物质器官，研究林木和牧草根系的时空分布规律及其影响机制对于改进水分管理具有十分重要的意义．由于受到试验人力、物力等条件的限制，没有对林木和紫花苜蓿的根系的生长动态变化和空间分布规律进行研究。在今后的研究工作中，应把根系部分考虑进去，完善林草复合系统的水分研究内容。·乔、灌、草相结合是恢复西部地区植被建设的重要举措，受试验条件的限制，没有进行林草复合模式与灌草复合模式进行比较。在今后的研究中，若能对林草、灌草等不同模式的耗水规律进行比较，则能为西部地区的植被建设的恢复提供更为详尽的理论依据。 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致谢本论文是在导师吴文良教授和张劲松研究员的严格要求和悉心指导下完成的。吴老师严谨求实的科学作风以及对问题的深入理解和准确把握使我受益非浅。跟随吴老师的几年生活不仅使我积累了丰富的学术知识，更在人生哲理上感悟了很多，让我明白了先做人再做学问的道理。从论文的选题到定稿自始至终都凝聚了张老师的心血，张老师那开阔的思路、缜密的思维时刻影响着我，时刻给我启迪。两位恩师对我的谆谆教诲将一直伴随我在今后的道路上前进l本论文的野外试验在内蒙古鄂尔多斯市乌审旗毛乌素沙地开发整治研究中心完成，特别感谢研究中心的张忠山主任和赵海林师傅以及张丽女士。他们对我们的野外工作一直非常关注和支持，并提供了必要的帮助，使野外工作得以顺利完成!感谢中国农业大学资源与环境学院的施生锦副教授和李明硕士、李楠同学在仪器安装及调试上给予的热情帮助!感谢中国林科院的周择福研究员、张友炎老师和党宏忠老师在野外试验中给予的指导与帮助!感谢北京师范大学的刘绍民副教授在模型参数优化等方面给予的大力帮助!感谢北京林业大学的丁晓纲硕士在野外试验中给予的协助!感谢榆林气象局戴喜红师弟在野外数据采集上提供的帮助!感谢实验室的潘志勇博士后对本论文给予的热情指导。感谢同窗好友张庆忠、王晓风博士以及王明新、刘文娜、包永红、周中仁、苏子友、彭涛、陈淑峰等师弟师妹对本论文研究过程中提供的帮助和支持。感谢闰树峰老师和梁爱荣老师在日常学习生活中以及论文制作过程中提供的帮助!感谢好友刘明强、姚会敏、王纯枝、杨慧玲和郑海霞，平时与他们的交流使我的思路得以开阔，对于论文的顺利完成起了很大的促进作用。非常感谢我的父母和姐姐，他们的理解、支持与鼓励使我能够顺利完成学业。儿子桑天乐那穆嫩的声音、甜蜜的笑容时时激励着我，成为我不断前进的动力!感谢我的爱妻王风芹博士，生活中她给我无微不至的关心与照顾，试验上给予了极大的帮助与支持，每当我困惑、徘徊时，她总是以敏捷的思维，帮我指点迷津，使我从困惑中走出来·谨向所有帮助和关心我的老师、同学、亲戚和朋友献上最诚挚的谢意和衷心的祝福!桑玉强二零零六年十一月 中冈农业人学博l学位论文作者简介个人概况：桑玉强，男，i976年lO月生，河南安阳人。1995年．1999年在河南农业大学获得农学学士学位，专业为林学；i999年-2002年在河南农业大学获得农学硕士学位，专业为森林培育；2002年-2006年在中国农业大学攻读生态学专业博士，师从吴文良教授。在读期间参加的研究项目：参与了国家“863”节水专项课题(2002AA224271)《西北半干旱生态植被建设区(内蒙古乌审旗)节水综合技术体系集成与示范》中的一个子课题《节水型林草植被配置模式耗水特征及构建技术的研究》。在读期间发表的论文：1．’桑玉强，吴文良，张劲松，等．毛乌素沙地杨树防护林内紫花苜蓿蒸散耗水规律的研究．农业工程学报．2006,22(5)：44-49．2桑玉强，张劲松，吴文良，等．乌素沙地新疆杨蒸腾耗水变化规律及其与气象因子的关系．水土保持学报．(已接收)在读期间参加的会议：1．2004．II．17．18中国节水农业科技论坛山西榆次参加者2．November23-25，2005．Sino-ItalianWorkshop011SustainableForestry,AgroforestryandWoodTcclmology．Be{iing,China．speaker
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