北京市5种园林树木蒸腾作用模拟研究

植物学通报 Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (3): 315−321, w w w .实验简报.北京市 5 种园林树木蒸腾作用模拟研究李新宇 1* , 赖娜娜 1 , 孙林 2 , 郄怡彬 1 , 蔺艳 11北京市园林科学研究所, 北京 100102; 2 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 北京 100091摘要通过对北京市园林5种常用乔木, 国槐(So pho ra ja pon ica)、银杏(Gi nk go b il ob a)、白蜡(Fraxin us ch in en si s)、杜仲(Eu com mia u lmo ide s)和臭椿(Ai lan thu s al tissim a)等植物蒸腾作用与周围环境气象因子(温度、湿度、太阳有效辐射)及 植株叶面积指数相关关系的研究, 利用Ja vi s公式计算冠层气孔阻力, 同时采用PM公式计算冠层蒸腾速率和植株日蒸腾量, 并 分析不同乔木的冠层气孔导度对环境主要驱动因子的响应规律 。

结果表明: 5 种被观测乔木中, 国槐耗水量最大, 白蜡耗水量 最小, 植株蒸腾量大小依次为国槐>银杏>杜仲>臭椿>白蜡(P<0 .01 )。

植物叶片气孔导度及蒸腾量与环境驱动因子太阳辐射及 水气压亏缺的相关关系表明, 在土壤水分条件较好时, 国槐长势优于其它4 种乔木, 但是其对水分的利用不够经济, 在干旱的 情况下不能有效节水。

关键词 冠层, 茎流, 气孔导度, 蒸腾, 乔木李新宇, 赖娜娜, 孙林, 郄怡彬, 蔺艳 ( 2008). 北京市 5 种园林树木蒸腾作用模拟研究. 植物学通报 25, 315−321.由于植物的水分利用效率对于维持其高生长速率至 关重要, 高大乔木必须具备有效的机制从土壤中吸收足 够的水分, 并经树干不受阻断地输送至树冠, 才能维持叶 片的膨胀状态, 以保证较高的光合速率。

深入研究植物 的蒸腾作用, 确定植物的生长需水量有助于揭示植物在 某个生长阶段的生长状况( 赵平等, 20 0 6 a; 马玲等, 2007)。

冠层气孔导度是进行生态气象和空气质量监测 模拟时使用的重要参数(Running and Coughlan, 1988; 周海燕和赵爱芬, 2000), 是森林生态系统响应环境变化 的敏感性指标, 可被用来监测水分胁迫、空气污染和大 气痕量气体(如 CO 2 )浓度等环境因子的变化及其对森林 生态功能的影响(Patak i et al., 1998a, 1998b)。

在较 小的时间尺度上(如昼夜), 冠层气孔导度对环境因子的响 应主要受大气条件的影响, 而长期性(如季节)的响应则受 土壤水分条件 、根系特征和根系在土壤中的分布所控 制(S chulz e, 1986)。

Jarvis 在 1976 年提出的基于环境 因子确定植物冠层气孔导度的可乘函数一直被广泛应用 (Jarvis , 1976; Granier et al., 2000)。

但由于植物冠层结构的异质性和测定技术上的限制, 仪器无法实现对整 树和林分蒸腾以及冠层气孔导度的准确测定, 并且这些 仪器只能用于对植物蒸腾等特征变量的瞬时测定, 不能 进行长时间的连续监测 。

因此该函数中参数的确定存 在较大误差。

近年来, 通过测定树干液流来计算冠层蒸 腾已成为国际上研究整株蒸腾作用的最主要方法。

由 于具有连续、准确和稳定的特点, 它可以长期监测气候 变化对森林冠层与大气之间物质和能量交换的影响(王华 田和马履一, 2002; Lu et al., 2004)。

这类方法基于热 电转换原理, 其理论基础是, 陆生植物通过根系吸收的 水分大部分通过蒸腾作用散失到大气中, 仅有极少量 水被用来作为植物体的组成部分, 因此流经树干的液 流量即可近似等于冠层蒸腾水量( K o z l o w s k i a n d P allardy , 1996), 基于对树干木质部液流变化的准确 测定, 可以计算整树和林段的蒸腾速率, 进而获得冠层 平均气孔导度 。

北京地区多年年平均降水量为 1. 05 ×10 1 0 m 3 左右, 其中 60%－70% 蒸发散失, 只有少部分成为地表径流和收稿日期: 2007-08- 30; 接受日期: 2007- 12- 25 基金项目: 北京市科委重大攻关项目城市节水型园林绿地的研究与示范项目(No. D0605001000021) * 通讯作者。

E-mail: lix iny u@ir es .c n316植物学通报25(3)2008入渗地下。

所以, 充分利用有限的水资源, 选择抗旱节 水树种, 做好适地适树至关重要。

目前国槐、杜仲、 白蜡、银杏和臭椿已经成为北京城区绿化的主要乔木, 其中国槐使用频度高达 8 1. 2 5 % ( 北京市园林绿化局, 2006)。

研究整树和林段蒸腾随时间变化的动态, 有助 于阐明乔木的生理生态行为与环境之间的关系, 从而进 一步确定北京市城区绿化用地的水量平衡。

本研究采 用热消散式探针法(t hermal dissipat ion probe, TDP )对 国槐、杜仲、白蜡、银杏和臭椿等园林常用乔木的树 干液流进行测定, 并利用 Javis 公式计算冠层气孔阻力, 采用 P M 公式计算冠层蒸腾速率和植株日蒸腾量。

旨 在根据植物周围环境特征定量分析在正常的土壤水分条 件下树形特征基本一致的不同树种的树干液流和整树蒸 腾特征; 并分析不同乔木的冠层气孔导度对主要环境驱 动因子的响应规律, 以便更好地理解环境因子在冠层水 平上对森林生态系统水分利用的影响机理, 并为学者展 开树木蒸腾作用的深入研究提供参考。

1.2供试材料及液流监测选择外形特征基本一致, 移植 3 年的 5 种 乔 木 银 杏 (Gink go b ilob a L. )、国槐(S ophora japonic a L.)、白 蜡(Frax inus c hinens is Rox b . )、杜仲(E uc o mmia ulmoides Olive.)和臭椿(A ilanthus alt is s ima (Mill. ) Swingle)(表1), 建立TDP 树干液流测定系统(Dynamax. Inc )。

每种乔木设立 4 棵重复, 将 1 对长 3 cm 的 TDP 热 消散探针置于树干胸高处, 上下垂直相隔 5 cm, 平行地 插入树木边材, 将探针通过屏蔽信号线连接 Probe12-DL 型数据采集仪, 设定 60 分钟进行平均测定并自动储存。

1.3环境因子监测将本所内小型HOBO 气象站(Onset. Inc) 的传感器与数据 采集仪相连, 测定光合有效辐射(photosynthetically available radiat ion, PAR)(µmol.m－2. s －1)、气温(Ta, ° C)、降 水量(rainfall, mm)、风速(wind, m.s －1)和相对湿度(relative humidity, RH)(%), 设定 10 分钟进行平均并自动储存。

11.1材料与方法研究区概况1.4树形特征和林分叶面积指数测定采用 Impuls e200 型测高测距仪(Laser. Inc )测定树木高 度; 用皮尺测量胸径; 用CID-110数字植物冠层图像分析 仪(CID. Inc )测定林分的叶面积指数(leaf area index , LA I )。

采用生长锥打孔器钻取木栓的方法确定边材面 积。

所测植物外形特征见表 1 。

试验地点位于北京市园林科学研究所院内, 地处北京市 东四环外, 北纬 39. 97°, 东经 116. 46° 。

属于暖温带半 湿润季风型大陆性气候, 酷暑炎热, 降水集中, 形成雨热 同季。

年平均气温 8.5－9. 5° 年降水量 600 mm。

夏 C, 季各月平均气温都在 24° 以上。

C 最热月虽不是 6月, 但 极端最高温多出现在 6 月份。

进入盛夏 7 月, 是全年最 热月份, 平均气温接近 26° 高温持久稳定, 昼夜温差 C, 小。

全年降水量的 70% 主要集中在 5 月下旬至 8 月上 旬。

因此, 本试验选择在 200 6 年 6 月 － 8 月间进行。

1.5模拟计算植株蒸腾耗水量输入气象因子( 温度、湿度、光合有效辐射) 和叶面积 指数, 利用 Javis 公式计算冠层气孔阻力, 根据采用热消 散式探针法(TDP )观测到的乔木树干液流数据对参数进 行率定及检验, 再采用 P M 公式计算冠层蒸腾速率表 1 试验乔木外形特征 Table 1 Shape c har acteris tic s of f ive ar bor species in the study Species Height ( m) Diameter (c m) Sapw ood area (c m2) Eucommia ulmoides 5.5± 0.5 9.8± 2.6 26.2± 6.1 Ai lanthus alti ssi ma 4.4± 0.8 10.3± 3.1 31.8± 7.2 Fr axi nus c hinens is 5.9± 0.6 12.5± 3.6 32.2± 6.9 Sophora japoni ca 5.7± 0.6 9.4± 2.9 92.0± 10.1 Gi nkgo b iloba 6.9± 0.7 10.0± 2.9 36.9± 8.3Canopy area ( m2) 3.14± 0.6 3.14± 0.5 3.14± 0.2 3.14± 0.8 3.14± 0.6Leaf area index 1.5± 0.1 2.0± 0.2 2.0± 0.2 2.5± 0.2 2.0± 0.1李新宇等: 北京市 5 种园林树木蒸腾作用模拟研究317(mmol .m －2.s －1)和植株日蒸腾量(kg . d－1)。

壤水分(θs , v/v)、 土壤温度(Ta, ° C)对气孔导度的影响系数, 均为取值为0－1 的函数, 具体计算方法见公式6 到公式9。

1.5.1 PM公式计算冠层蒸腾冠层蒸腾速率的 PM 计算公式为: (1) 式(1)中, E为蒸发散量(mm.s －1), f1为冠层辐射吸收 系数, R n 为净辐射量(J.m－2.s －1), G为土壤热通量(J.m－1. d－1), λ 为水的汽化潜热(J .k g － 1), ∆ 为饱和水气压斜率 (kP a.° －1), Cp 为空气比热(J .kg －1.° －1), ρ 为空气密度 C C (k g.m ), es 为饱和水气压(k Pa), e 为水气压(kP a), γ 为－3(6)(7)(8)(9) 其中 k p ar 、k Ds 、k Ta 和 k θ 为系数, θ w 是萎蔫含水量(v/ v), θssa t 是田间持水量(v/ v), 由于在实验中土壤水分与温 度条件相同, 因此 k Ta 、k θ 为 0 。