热扩散法液流误差校正及其在林分水量平衡中的应用

【摘要】：为实现植被生态需水与水资源合理配置的重大战略，揭示华北石质山地林业生态工程建设过程中的水量供需关系。本文选择太行山南麓主要造林树种—栓皮栎和侧柏为研究对象，利用热扩散探针测定栓皮栎、侧柏树干液流速率，并以称重法作为对照，分析Granier经验公式测定树木蒸腾量的精度，并对热扩散方法在测定过程中存在的潜在误差进行分析，提出相应的改进方法；进一步结合对栓皮栎、侧柏人工纯林生态水文过程的观测，探讨两个树种林地的水量平衡，为实现森林植被与水资源的协调管理提供理论依据。 （1）利用Granier原始公式计算的栓皮栎、侧柏树干液流通量密度平均值比称重法测定的分别低80.63±0.02%、83.84±0.03%。而对5个水柱高度下，称重法测定的液流通量密度与热扩散法测定的温差系数（K值）进行幂指数函数关系拟合，得到的栓皮栎和侧柏校正公式分别为：Fd=0.0819K1.4559（R2=0.8269）和Fd=0.0115K0.5581（R2=0.8319）。对以上校正的公式进行验证表明，基于栓皮栎、侧柏校正的Granier公式计算的平均液流通量密度与实际液流通量密度分别相差12.14±3.68%和6.70±0.02%，这说明基于栓皮栎、侧柏树种校正的公式计算其相应树种的液流通量密度具有较高的精度。 （2）栓皮栎、侧柏树干液流通量密度在晴天具有一致的变化趋势，其曲线呈单峰变化，且不同方位的树干液流通量密度峰值均表现为：南向﹥西向﹥东向﹥北向。而受阴雨天气的影响，两个树种树干液流通量密度变化规律性较差。栓皮栎、侧柏树干相同方位不同高度的液流通量密度存在明显差异，两个树种树干不同方位的液流通量密度峰值均表现为：上部﹥中部﹥下部。其树干上部液流通量密度以尖窄式曲线变化为主，而下部液流通量密度曲线变化相对平缓。两个树种的树干相同高度不同方位，以及相同方位不同高度的液流通量密度间均具有极显著正相关关系（P﹤0.001），栓皮栎、侧柏树干的不同高度不同方位间液流通量密度具有相同的变化趋势。 选取1天内ΔTmax，利用本文校正的Granier公式计算栓皮栎、侧柏树干中部南向测定的日夜流量与日蒸腾量仅相差4.39%和4.78%，处于校正的Granier公式计算的正常测量范围。基于本文校正的Granier公式，选取1天内的ΔTmax计算栓皮栎、侧柏树干中部南向测定的日夜流量，除以日夜流量与日蒸腾量的平均差值（栓皮栎为4.39%，侧柏为4.78%）即可得到栓皮栎、侧柏树干的实际日蒸腾量。 （3）栓皮栎、侧柏树干液流速率在晴天均表现为典型“单峰型”曲线。在阴天，两个树种的液流速率均远远低于晴天的，其中，栓皮栎液表现出多峰曲线变化，而侧柏以陡峭的尖窄型“单峰”曲线变化为主；两个树种树干液流速率在雨天的变化并无规律可循。在生长季（4—10月），栓皮栎、侧柏树干液流速率均表现为先增加后减小的变化趋势。 栓皮栎、侧柏树干液流速率除与降水量未达到显著相关以外，与气温、太阳辐射、风速、相对湿度、气压均具有极显著相关关系。以树干液流速率作为因变量，以其他气象因子作为自变量建立的多元线性回归方程，能够很好地利用气象因子预测两个树种树干液流速率的变化。 （4）栓皮栎、侧柏林内降水量、树干流量与林外降水量建立的相关方程具有很好的拟合效果，而林冠截留量与林外降水量拟合方程的效果较差。栓皮栎、侧柏样地土壤各层次含水量的逐月变化与降水量的变化具有同步性，各土层含水量均表现为：40-60cm﹥20-40cm﹥0-20cm。 林分蒸腾量作为各样地耗水的主要途径，栓皮栎、侧柏在2010年和2011年生长季内的总蒸腾量分别占同期降水量的61.58%、59.43%和59.15%、56.11%。栓皮栎、侧柏林地土壤水分盈余量在2010年和2011年生长季分别为1.3、27.0mm和24.3、67.4mm。但两个树种样地的土壤水分储量在各月存在明显差异，4月—6月，土壤水分处于亏缺状态，而在7月—10月，则处于盈余状态。