全 文 ：植物生态学报 2009, 33 (4) 706~718
Chinese Journal of Plant Ecology

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收稿日期: 2008-04-11 接受日期: 2009-03-23
基金项目: 北京市教育委员会共建项目“北京地区人工林碳平衡与碳汇功能环境响应机理”、教育部重点项目“人工林生态系统碳水通量耦合动态
变化研究”(105027)、国家林业局“948”项目(2005-04-01)、高等学校博士专项科研基金“人工林生态系统碳水通量动态变化及其环境影响机理”
(20040022013)、国家十五科技攻关课题“森林生态结构与功能”和中美碳联盟 USCCC 国际合作项目
* 通讯作者 Author for correspondence E-mail: zhqzhang@bjfu.edu.cn
基于涡度相关法和树干液流法评价杨树人工林
生态系统蒸发散及其环境响应
刘晨峰1 张志强1* 孙 阁2 查同刚1 朱金兆1
申李华1 陈 军1 方显瑞1 陈吉泉3
(1 北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京 100083) (2 Southern Global Change Program, USDA Forest Service, NC 27606, USA)
(3 Landscape Ecology & Ecosystem Science, University of Toledo, OH 43606, USA)
摘 要 运用涡度相关(Eddy covariance)开路系统、树干液流(Sap flow)、土壤水分以及微气象观测系统, 于2006
年生长季(5~10月)对北京大兴区永定河沿河沙地杨树(Populus euramericana)人工林生态系统的水量和能量平衡进
行了连续测定; 分析了该系统能量平衡闭合水平及其组分分配特征, 不同水分条件下蒸发散及其各组分变化过程
和分配特征, 以及影响蒸发散的主要环境因子; 并对组分求和法、土壤水分平衡法与涡度相关法测得该生态系统
生长季蒸发散总量的结果进行了对比。结果表明: 生长季内该生态系统的能量闭合水平较高, 能量平衡各组分在
不同土壤水分环境条件下所占比例变化较大; 在水分充足的条件下, 潜热通量在可利用能量分配过程中占优势,
显热通量在水分胁迫条件下占可提供能量的比例比潜热通量大。雨季到来之前, 土壤蒸发与植被蒸腾强度相差较
小; 进入雨季后, 土壤深层水分得到补偿, 植被蒸腾显著增强而土壤蒸发强度减弱。涡度相关法所得的总蒸发散量
与基于树干液流法等组分求和法得到的蒸发散结果较接近, 分别为513和492 mm。土壤水分平衡法的观测结果略
高于前二者的观测结果, 雨季研究界面以下的土体也有水分交换是该方法高估蒸发散的主要原因。与环境因子的
响应关系表明, 蒸发散以及蒸腾的变化过程对净辐射的响应程度比对饱和水汽压差高; 水分条件较好情况下, 蒸
发散以及蒸腾的变化过程与水汽压差关系不明显, 说明水分充足时, 水汽压差不是蒸散强弱的限制因子。
关键词 涡度相关 树干液流 土壤水分平衡法 蒸发散 能量平衡 杨树人工林
QUANTIFYING EVAPOTRANSPIRATION AND BIOPHYSICAL REGULA-
TIONS OF A POPLAR PLANTATION ASSESSED BY EDDY COVARIANCE AND
SAP-FLOW METHODS
LIU Chen-Feng1, ZHANG Zhi-Qiang1*, SUN Ge2, ZHA Tong-Gang1, ZHU Jin-Zhao1, SHEN Li-Hua1,
CHEN Jun1, FANG Xian-Rui1, and CHEN Ji-Quan3
1Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating, Ministry of Education, Water and Soil Conservation College at
Beijing Forestry University, Beijing 100083, China, 2Southern Global Change Program, USDA Forest Service, Raleigh, NC 27606, USA, and
3Landscape Ecology & Ecosystem Science, University of Toledo, Toledo, OH 43606, USA
Abstract Aims Using field data from an eddy-covariance (EC) flux tower and sap-flow sensors in-
stalled in a poplar (Populus euramericana) plantation, we investigated the magnitudes and changes of
evapotranspiration (ET) under different soil moisture and climatic conditions. Our objectives were to
quantify the energy partitioning and energy balance, explore the dynamic process and regulatory
mechanisms on ET, and understand primary biophysical regulations, especially soil moisture.
Methods An open path EC system, sap-flow sensors, soil water balance monitoring system, and mi-
croclimatic station were installed to record various components of energy fluxes and water budget at an
11-year-old poplar plantation in Daxing District, Beijing, China. We used data collected at 30-min in-
tervals in the growing season of 2006 in this study.
Important findings The overall energy closure of the study site was high (86%) during the growing
刘晨峰等: 基于涡度相关法和树干液流法评价杨树人工林
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season, but with notable dependence on soil water conditions. The ratio between sensible heat and net
radiation (Hs:Rn) was much higher during dry conditions than that during moist conditions. With dry
soils, net radiation and soil physical properties played important roles in transpiration, which was less
than evaporation prior to rain events. In contrast, transpiration exceeded evaporation when the soil water
content in the deep layers was more abundant following rain events. The total ET rates quantified by the
soil water balance and sap-flow methods were comparable and lower than that determined by the EC
method. The ratio between transpiration and ET appeared to be more dependent on net radiation and
vapor pressure deficit (VPD) during wet periods than that during dry periods.
Key words eddy covariance, energy balance, sap flow, soil water balance, poplar plantation
DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.04.009
由于蒸发散在生态系统水分循环与能量平衡
中占有十分重要的地位, 许多基于不同时空尺度
的蒸发散及其组分(如植被蒸腾、土壤蒸发和冠层
截留 )评估方法被不断地研究及改进 (宋霞等 ,
2003; Ferretti et al., 2003; Massman & Lee, 2002;
王礼先和张志强, 1998; 张志强等, 2001), 其中代
表性的方法有土壤水分平衡法 (Wilson et al.,
2001)、树干液流法 (刘奉觉和Edwards, 1997;
Hatton et al., 1990; Lundblad & Lindroth, 2002)、
植 物 气 孔 计 法 (Downton et al., 1988; Baker,
1991)、同位素跟踪法(Williams et al., 2004)、波文
比法(吴家兵等, 2005)、涡度相关法(Williams et
al., 2004; Law et al., 2002)、流域水量平衡法
(Eagleson, 1978; Milly, 1994)以及遥感法(刘雅妮
等, 2005)等, 这些方法技术原理不同、测定范围
不同、测量时的环境背景和假设条件也不同, 可
能有其特殊的优势, 也可能存在局限性。涡度相
关法是目前假设条件少且可以在生态系统尺度上
连续测定碳水通量的方法, 目前国内外有较多通
过该系统测定CO2通量的研究报道(宋霞等, 2003;
Ferretti et al., 2003; Law et al., 2002), 而将该系统
用于水分通量的研究在国内仅有少数报道(宋霞
等, 2004; 吴家兵等, 2005)。大多数涡度通量观测
系统可同时测定气象因子以及能量各组分, 这便
于分析水汽通量受各气象要素的影响以及与能量
平衡各组分的关系(Olivier et al., 2006)。但由于该
测量系统是基于湍流交换的空气动力学原理测定
通量过程的, 所以受湍流交换水平的强弱影响很
大。夜晚湍流交换较弱, 数据质量会受到影响, 使
得测量系统所得到的能量平衡闭合水平较低
(Lee et al., 1996; Falge et al., 2001a, 2001b); 其他
原因, 如雨季打湿的探测感应头, 或者鸟类的粪
便滴落在感应器上以及结露、结霜等情况都会使
仪器运转异常而影响数据质量, 通常的处理是去
除这些数据然后采用其他方法填补。而各种运转
故障的排除则需要定期的系统维护和保养。另由
于该测量系统要求下垫面平坦 , 林相均匀整齐 ,
所以在很多山区或者林分结构复杂的立地条件下
应用受到了限制。
树干液流法被广泛应用于森林生态系统不同
树种(刘奉觉等, 1993; 李海涛和陈灵芝, 1998; 高
岩等, 2001)、不同林分类型(阮宏华等, 1999; 孙鹏
森, 2000)以及不同气候区域(Thomas et al., 2003;
Lagergren & Lindroth, 2004)条件下树木蒸腾的研
究, 它被普遍认为是测定单株树木蒸腾作用较好
的方法。采用该方法与涡度相关法同时观测蒸腾
过程, 为研究特定生态系统在不同水分输入条件
下蒸腾变化及其与环境控制因子的响应机制、占
蒸发散的比重等问题提供了较为详细的信息。从
单株水平尺度扩大到林分水平的误差分析及解决
办法是目前该方法应用当中的研究重点(Wilson
et al., 2001; Hatton et al., 1990)。同时, 从树干液
流法经尺度转化所得到的生态系统尺度上的蒸腾
水平与涡度相关法“footprint”有效测区蒸发散
的实际测量水平是否一致也是一个急需研究的问
题(Williams et al., 2004)。评估蒸发散及其组分的
不同方法各代表的空间和时间尺度Wilson等
(2001)已有详细的总结。
土壤蒸发量对于未郁闭林地而言是蒸发散总
量中很重要的一个组分。独立评估土壤蒸发的水
平和过程能与树干液流法的测定结果相结合来验
证与涡度相关法测值的闭合关系, 也便于分析每
种方法在应用当中的局限性。目前评估土壤蒸发
较常见的方法有蒸渗仪法、水分通量法、蒸发皿
称重法以及林下涡度相关法等 (Olivier et al.,
2006)。但每种方法都有其局限性, 共同的缺点主

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要表现为试验所测土样与田地自然土壤性状有差
异, 虽然林下涡度相关法克服了这个问题, 但是
测值中除了土壤蒸发量外, 还包括了所测范围内
草灌层的蒸腾量。
本研究以位于北京市大兴区永定河沿河沙地
的杨树(Populus euramericana)人工林生态系统为
对象, 采用涡度相关法、树干液流法、土壤水分
动态监测和土壤蒸发称重法相结合的综合技术体
系, 分别测定了生态系统蒸发散、林木蒸腾量以
及土壤蒸发量, 其目的在于: 1)对生态系统能量
平衡的闭合水平进行检测, 评估涡度相关法测量
结果的精度; 2)对比分析与评价不同水分条件下
生态系统蒸发散及其各组分在不同时空尺度上的
差异, 分析影响该生态系统蒸发散水平的主导因
子; 3)对涡度相关法所测林分蒸散与分别基于树
干液流法、土壤蒸发法和林冠截留蒸发组分求和
而得的林分蒸散进行评估差异的分析比较。
1 研究方法
1.1 研究区概况
试验地位于北京市南郊大兴区榆垡镇大兴林
场(39°31′50″ N, 116°15′07″ E, 海拔30 m), 属暖
温带亚湿润气候区, 年平均气温为11.5 ℃, 极端
最低气温–27.4 ℃, 极端最高气温40.6 ℃, 年平
均无霜期209 d; 年平均日照总时数2 772 h, 净辐
射日均通量为6.7 MJ·m–2, 平均风速2.60 m⋅s–1,
风向变化显著; 年平均降雨量569 mm, 20 a内最
少年降雨量为262 mm, 最多年降雨量为1 058
mm, 其 中 7~9 月 降 水 占 全 年 降 水 总 量 的
60%~70%。该区是海河水系永定河洪积-冲积平
原, 土质为沙壤土, 通透性好, 保肥蓄水能力差,
容重1.43~1.47 g⋅cm–3 。地下水位2003~2006年平
均为16.67 m, 此期间水位平均每年下降1 m。
试验林为集约栽培‘欧美107’杨树人工纯林,
75%为2002年种植 , 其余主要为1998、2001和
2003年种植, 栽植密度(2 m × 2 m)。林地总面积
0.8 km2, 林木平均胸径为12 cm, 平均树高为12
m 。 林 下 植 物 种 类 较 少 , 优 势 种 为 灰 绿 藜
(Chenopodium glaucum), 伴 生 有 紫 花 苜 蓿
(Medicago sativa), 黄香草木樨 (Melilotus offici-
nalis), 猪毛菜 (Salsola collina)和蒺藜 (Tribulus
terrestris)等。
1.2 涡度相关法、树干液流法和土壤水分平衡法
的测定原理
1.2.1 涡度相关法
涡度相关是指某种物质的浓度与其垂直速度
的协方差。涡度相关法已经成为直接测定大气与
植物群落气体交换通量的通用标准方法 (Law et
al., 2002; Wilson et al., 2002 )。该试验区下垫面平
坦均匀, 符合涡度相关法观测要求。运用涡度相
关法 (EC)开路系统直接测定潜热通量和显热通
量 , 通过用实时所测的垂直风速与水汽浓度 /温
度的协方差所得 , 其湍流通量的计算式可表示
为:
qwCLE p ′′= ρ (1)
TwCHs p ′′= ρ (2)
式中, LE 为潜热通量, H为显热通量, ρ为干
空气密度, Cp为空气的定压比热, q′和T′分别为比
湿和位温的脉动量, w′为垂直风速的脉动量。
本研究中通量数据一般采用0.5 h间隔的汇总
或平均。数据处理基本步骤包括:
1)进行单位和量纲的统一。
2)去除峰值信号, 剔除3个方向上的风速、温
度和水汽密度数据中的野点 (异常值或奇异点 ,
这一步的具体做法为: 找到偏离物理量正常阀值
范围的单数据点, 并用连续平均值来代替。
3)统计学计算, 一般需要计算平均值、标准
偏差、统计学上的最小和最大值以及变量之间的
协方差。在进行这些计算前不对数据进行过滤 ,
只进行数据块平均(Block averaging)。
4)对原始数据中的3个方向上的风速资料进
行坐标旋转(Webb et al., 1980); 最普遍的旋转程
序是以测定平均风速所定义每个观测期内的直角
矢量为基础, 即自然风坐标系, 然后对所有观测
的通量进行坐标轴旋转, 使超声风速计平行于地
形表面。
5)另外仪器本身的倾斜也会对标量通量产生
误差, 继而对动量通量产生误差。这种倾斜错误
可以通过旋转风速矢量坐标来减少, 倾斜校正的
基本坐标变换途径 , 包括两次坐标轴旋转
(Double coordinate rotation, DR) (Massman & Lee,
2002)和三次坐标轴旋转 (Triple coordinate rota-
tion, TR)。通常使坐标系x轴与平均水平风方向平
行, 从而使平均侧风速度和平均垂直风速度为零,
即二次坐标轴旋转, 并且使相应的平均侧风应力
刘晨峰等: 基于涡度相关法和树干液流法评价杨树人工林
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也为零, 即三次坐标轴旋转。
在对该测定系统能量闭合 (Energy balance
closure)验证的基础上运用以下公式通过潜热通
量(LE)计算林地蒸发散:
( )T
LEET
564.0597
43.0
−=
(3)
式中, 潜热通量(LE)的单位为(W·m–2), (597–
0.564T)为水的汽化热(cal·g–1), 0.43为单位转换系
数, T 为冠层高度处的空气温度, 蒸发散(ET)通
过将1 d中各0.5 h的值相加得到, 最后输出单位为
(mm·d–1)。
1.2.2 树干液流法
树干液流法(Sap flow method)利用热扩散原
理, 通过测定插入树干边材的热探针与参比探针
的温度差dt的方法来估算平均液流速率。Grainer
(1987)提出了一个无量纲的参数K, K=(dtm–dt)/dt,
其中dt是无液流时热探针与参比探针的温度差 ,
dtm是阶段内探针的最大温差值。Grainer给出了
平均液流速率Vs (cm·s–1)的经验公式Vs=0.011
9K1.231, 边材的流量Fs (cm3·h–1)可由Fs=As×Vs×3
600求得, 其中As为边材面积。
树干液流从单株水平到林分水平的空间尺度
转化方法取决于立地条件和林分状况, 考虑到该
试验林分为龄差较小的纯林, 胸径和边材面积具
有很好的相关性, 故选用胸径作为纯量来推求林
分水平的蒸腾量。解析木得到边材面积和胸径的
关系方程为: 当DBH>6.5 cm时: y=11.77x–54.41,
R2=0.98; 当DBH<6.5 cm时: y=6.44x–18.67, R2=
0.998; (y为边材面积, cm2; x为胸径, cm)。据此得
到样地中所有样木的边材计算值。可用下式表示
林分水平的蒸腾量(T, mm·d–1):
T= ΣFi/A/1000 (4)
Fi= ΣJsk×Sk×24 (Hatton & Vertessy, 1990) (5)
式中: T为林分水平的蒸腾量(mm·d–1); Fi为
径阶i梯度组中所有样树的蒸腾量(cm3·d–1); A为
样地总面积(m2); Jsk为测株k日平均每小时的液流
密度(cm3·cm–2·h–1); Sk为同一径阶梯度组里所有
样树的边材之和(cm2)。
1.2.3 土壤水分平衡法
对于本研究区而言, 水分收入项中除去降雨
还在不同时段有一定的灌溉量, 由于该系统为平
坦的沙地, 水分可以全部渗入土体, 土壤表面并
不形成表面径流, 所以准确测定土壤水分含量是
较为准确的测算该系统蒸散量的基础, 但水分通
量零通量面的选择是本方法的难点所在, 由此造
成的测算误差也是该方法的主要误差来源, 本研
究中, 根据植被根系层的分布深度将土层的研究
界面划定在2 m深度处, 假设2 m以下的土体水分
不再发生上下交换, 再根据实际计算结果来检验
假设并进行此方法的评价。
本研究中土壤水分平衡法计算蒸散总量的公
式可表示为:
SIPET r Δ−+= )( (6)
式中, P为计算时段内的降雨量(mm); Ir为计
算时段内的灌溉量(mm); SΔ 为计算时段内的土
体蓄水的变化量(mm)。
通过2006年生长季所测各时段内的降雨量、
灌溉量及土壤储水变化量依据上述公式推求各时
段的蒸散量。
1.3 试验方法
本试验利用涡度相关观测系统, 在试验站点
中心架设一高18 m的观测塔。主要观测仪器包括
净辐射仪(Q7.1, REBS, Seattle, WA, USA)、日照强
度计(LI200X-L, Li-Cor, Lincoln, NE, USA), 仪器
安装高度均为15 m; H2O和CO2红外气体分析仪
(Li-7500, Li-Cor, Lincoln, NE, USA)安装高度13
m; 三维超声风速仪(CSAT3, CS, USA)和气压计
(CS105, CS, USA)安装高度均为13 m, 翻斗式自
动雨量计(TE525-L, Texas Electronics, USA)安装
高度为17 m; 空气温湿度传感器(HMP45C, Vais-
ala, Helsinki, Finland)在2、6、10和14 m高度处各
安置一套; 土壤温度传感器(TCAV107, CS, USA)
和土壤热通量板(HFT3, Campbell Scientific Inc.,
Logan, UT, USA)均置于地表以下5、10、20 cm处;
土壤水分观测仪(CS616, CS, USA)位于地表以下
15和20 cm处。采用数据采集器 (CR5000, CS,
USA)以10 Hz频率采集观测数据, 实时数据采集
的同时自动计算出通量数据并取30 min平均值 ,
全部观测数据保存到CF卡定时下载, 所下载的数
据包括实时数据和0.5 h平均或汇总数据, 常规气
象数据仅保存0.5 h平均或汇总数据。整个观测过
程从2004年10月开始。
选择4株可代表林地不同径级的标准木作为
树干液流的测株 , 样树的胸径梯度从80到180
mm, 树高梯度从7到16 m。采用美国Dynamax公
司生产的TDP热扩散液流探针 (Thermal dissipa-

710 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷
tion sap velocity probe), 所用的两个探针型号分
别为 TDP-30和 TDP-50, 其中 TDP-30探针长 30
mm, 探针头直径为 1.2 mm, TDP-50探针长 50
mm, 探针直径为1.65 mm。对于胸径为180 mm的
测株在树身的正南面1.3 m高处分别安装TDP-30
和TDP-50探针各一套, 其余测株均在其树身的南
北两侧1.3 m高处各安装TDP-30探针一套, 这种
试验设计可便于对比不同边材深度及不同方向的
液流水平差异。30 min 测量间隔所得的数据存储
在CR10数据采集器里(CR10, CS, Logan, UN), 定
时下载。该测量系统从2006年5月开始起测至今,
每年有效数据量不低于90%。
应用Micro-lysimeter蒸发器每天称重测定土
壤蒸发, 称重时间与该站点水面蒸发的测定时间
同步, 定为20: 00称测。由于降雨期间土壤蒸发量
在目前的测量条件下无法观测, 而填补空缺值的
方法难度较大, 故舍去降雨期间的数据。
由于土壤湿度探头位于地表以下20 cm处 ,
观测深度不够, 故辅以土钻烘干法连续测定2005
年至2006年生长季林内0~100 cm范围内的土壤含
水量(每间隔20 cm为1层, 分5层, 每隔10 d观测1
次), 为了进一步研究土壤水分的连续动态变化,
2006年增加了可测50和100 cm深度的TDR水分探
测仪, 测量间隔为1 h, 辅助分析土体含水量的动
态变化。观测点布设在各样地的标准木下。由解
析木分析了解到该林地林木主根系分布在地面以
下30~80 cm范围内, 在林地无地下水补给, 研究
区土壤层深厚的情况下, 对于降水入渗层和林木
生长耗水层来说, 0~100 cm土层的水分观测基本
能说明林地土壤水分的动态变化过程。
1.4 通量数据质量控制和空缺值填补
2006年微气象观测获得全年96%的气象数
据, 其中包括净辐射、空气温湿度和降雨等, 缺失
值采用平均昼夜变化法 (MDV) (Lagergren &
Lindroth, 2004)通过相邻10 d内相同时段的观测
平均值来填补; 土壤热通量数据有约20%未采集
到, 空缺值填补方法根据相邻20 d内土壤热通量
与净辐射线性回归方程插补, 回归系数在0.8~0.9
之间。分析生态系统蒸发散随时间动态变化过程
需对涡度相关法所得数据(30 min均值)进行严格
的质量控制和空缺值填补。采用以下几个标准进
行潜热通量和显热通量的数据质量控制: 1)大气
稳定度, 非常稳定和非常不稳定大气状态下所得
的数据进行了剔除(Hollinger et al., 2004); 2)根据
每个在线数据阶段内的数据记录数量, 即当实际
记录数据量达到应该记录数据量的95%时(在30
min的 10 Hz原始湍流数据中 , 应该记录到的
18 000个数据里至少需有17 000个数据得到记录)
方认为数据质量可靠; 3)湍流稳态测试, 将30 min
的数据分成6组5 min、10 Hz的短时间间隔数据系
列, 当其稳态测试比值小于30%时认为湍流通量
观测处于稳态条件 , 接受此条件下的观测通量
(Foken & Wichura, 1996; Mahrt, 1998); 4)在观测
期间任意时刻下, 当摩擦风速μ*<0.25 m·s–1时(对
试验数据进行综合分析后确定此临界值), 湍流
强度较弱, 拒绝此状态下的观测数据, 以保证涡
度相关的测定是处于强湍流条件下的观测结果。
通量数据经过上述步骤进行质量控制后, 潜
热通量和显热通量的数据中大约有35%的数据被
上述虑定条件拒绝, 成为空缺值。对于这些空缺
值的填补, 根据空缺窗口的大小进行了分类处理
(刘晨峰, 2007)。
2 结果分析
2.1 涡度相关能量平衡闭合分析
系统的能量平衡闭合分析是评价EC法观测
数据可靠性的主要方法之一 (Williams et al.,
2004), 以2006年生长季5~10月该生态系统经质
量控制后的数据每日的潜热通量和显热通量之和
(LE+Hs)与可提供能量(Rn–G)进行闭合(图1), 所
得回归直线斜率为0.86, 相关系数为0.87, 该闭
合水平在大部分文献报道结果的范围内(Wilson
et al., 2002)。该能量闭合的验证结果说明该站点
的涡度相关法观测数据是可靠的。
2.2 水分状况对能量分配的影响
图2表明研究区2006年降雨分布极不均匀 ,
全年降雨总量为444 mm, 比当地多年平均降雨
量低, 其中7、8月降雨量占全年降雨量的72%, 仅
7月降雨量就达243 mm, 日平均温度也到达全年
的最高水平, 为25.5 ℃, 最高温度为37 ℃, 这与
2005年7月降水为146 mm的情况下, 日平均温度
为27 ℃, 最高温度可达40.1 ℃相比, 相差较大;
而4和6月以及生长季末期9到10月林地水分输入
明显不足, 土壤水分含量一般降至3%以下, 约占
该林分田间持水量(为30%)的10%~15%, 从植被
生理过程到生态系统尺度上的蒸发散水平都提示
刘晨峰等: 基于涡度相关法和树干液流法评价杨树人工林
4 期 生态系统蒸发散及其环境响应 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.04.009 711


图1 2006年1~12月经质量控制后的数据每日能量闭合
情况
Fig. 1 Daily energy balance closure using the quality con-
trolled data from January to December in 2006 for the
Daxing site
LE: Latent heat H: Sensible heat Rn: Net radiation
G: Soil heat flux



图2 2006年生长季内日降雨总量和日平均气温
Fig. 2 Daily precipitation and daily mean air temperature
during the growing season of 2006
T: Temperature P: Precipitation


存在严重的水分胁迫状态。这种春秋少雨、土壤
水分含量较低与夏季降雨充沛、土壤水分含量充
足的干湿季分明的气候特征便于分析该生态系统
在水分输入差异较大的情形下水量平衡各项的变
化和能量各组分所占比例的差异(根据该区域的
土壤特性和土壤含水量年内的变化过程, 将土壤
含水量为20%的田间持水量以下的阶段定义为该
生态系统的干季, 20%以上为湿季)。
该生态系统能量平衡在水分输入差异较大的
状况下各组分的分配比例显著不同。5月林地土壤
水分条件较差, 月平均土壤水分含量不到3%, 只
占该林分田间持水量 (30%)的10%, 而凋萎湿度
为1.44%, 故此期间的土壤水分严重限制了植物
的正常生长。可以将此阶段作为生长季中的典型
干季来分析。在典型干季日变化中, 显热高于潜
热 (图 3a), 该日 , 全天的净辐射收入量为 8.8
MJ·m–2, 显热通量耗热为5.1 MJ·m–2; 7月5日土壤
前期储水充足, 如图3b所示, 此期间土壤含水量
达到8%, 为田间持水量的27% (全年土壤含水量
最好状况下可达到10%), 可作为该生态系统特定
条件下的典型湿季。日变化过程显示潜热水平远
高于显热, 该天全天净辐射通量为29 MJ·m–2, 蒸
发散潜热为19 MJ·m–2, 说明该系统在供水充足的
条件下, 能量大部分用于蒸发散耗热, 大气增温
幅度较小; 而干季的林内, 由于水分胁迫使得蒸
腾强度很弱, 能量大部分用于加热空气所耗的显
热, 所以以往文献所提到的森林的增湿降温作用
在该生态系统中只在水分供应充足的条件下通过
量化的能量各组成的比例能明显体现出来; 而干
季, 这种效应几乎没有, 差异较大的原因除供水
条件的差异外, 与该林地为沙质土, 保水持水性
差, 散热和加热的速度都比较快、变化剧烈有关。
土壤热通量无论在干季还是湿季, 变化程度都不
大, 每天地热通量平均为1 MJ·m–2, 峰值发生的
时间段与蒸发散和土壤蒸发峰值段基本一致。
2.3 蒸发散组分变化特征
林分蒸发散总量和土壤蒸发量在生长季的峰
值段均发生在8月上旬 , 此期间平均每天蒸发散
量和土壤蒸发量为4.4和1.9 mm。而蒸腾量的峰值
段滞后并于8月中旬达到最高值 , 平均每天蒸腾
量为2.6 mm。蒸发散与蒸腾在生长季中的日峰值
均发生于8月1日, 分别为5.3和3.5 mm, 土壤蒸发
量在整个生长季内呈多峰分布, 峰值多发生于每
场降雨之后的典型晴天 , 全年日最大值为 3.7
mm。由于7月充沛的降雨使得此期间林分水分环
境是整个生长季最好的阶段, 8月蒸腾量占蒸发散
总量的63%, 而在5和6月平均为47%和38%, 这与
降雨在整个生长季内的数量和时间分布, 林分叶
面积指数变化过程密切相关。
5、6和7月土壤蒸发量与植被蒸腾量相当, 但
过程并不一样 , 其中 , 生长季初5月虽然降雨丰
富, 但由于林分正处于展叶期, 且春季的辐射和

712 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷
温度也不算高, 所以蒸腾水平偏低, 土壤蒸发和
蒸腾量相差不大。6月由于降雨量较小, 只有浅层
土体, 也就是土壤蒸发所需水分的来源层得到了
水分补偿 , 使得土壤蒸发量维持在较高的水平 ,
而深层土体水分没有明显的改善, 所以即使在林
分叶面积指数逐渐增大的情况下蒸腾仍然维持在
较低的水平。而7月, 由于降雨量较多, 大气温度
和辐射较低, 土壤蒸发和植被蒸腾水平也受到较
大影响, 按照该林分2005年所做林冠截留的试验
统计结果可知 , 截留量大概占降雨量的10%, 也
就是说7月截留蒸发量可以达到24 mm, 与蒸腾
量和土壤蒸发量共同构成了7月较高的蒸发散总
量。随着7、8月雨季的到来, 水分迅速下渗使深
层土体水分环境得到明显改善, 植物蒸腾量所占
比重显著增加 , 在8~10月期间远高于土壤蒸发
量。雨季前, 蒸腾量占蒸发散量比重较小, 而生长
季末蒸腾量比重增加, 反映了水分从浅层土体逐
渐入渗补偿深层植物根系主要分布区土体的过
程。涡度相关法和组分求和法所得蒸散的日尺度
进程见图4, 10月的观测结果显示, 涡度相关法日
尺度所测的蒸发散总量比当天的蒸腾量、土壤蒸
发量和林冠截留量三者之和偏低, 这是由于此期
间涡度相关系统出现了仪器故障问题而导致测量
结果低估了实际蒸发散总量。



图3 2006年生长季能量平衡各组分不同水分条件下分配
Fig. 3 Energy balance and its components under different water conditions during the growing season of
2006 (a) dry days and (b) wet days
Rn, LE, H, G: 同图1 See Fig. 1


图4 2006年生长季内组分之和法与涡度相关法所测蒸发散过程
Fig. 4 Daily ecosystem ET estimated by eddy covariance and components–base approaches during 2006
ET: Evapotranspiration T: Temperature Es: Soil evaporation Ei: Interception evaporation
刘晨峰等: 基于涡度相关法和树干液流法评价杨树人工林
4 期 生态系统蒸发散及其环境响应 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.04.009 713

2.4 生长季内蒸发散测定结果的比较
基于涡度通量法所测的蒸发散总量与树干液
流法所测的蒸腾及土壤蒸发量在生长季内每月的
总量(图5), 两种方法所测结果的相关性(图6), 3
种方法所测结果具有较一致的变化趋势。



图5 2006年长季内蒸腾、土壤蒸发和蒸散的月总量
Fig. 5 Monthly estimates of transpiration, soil evaporation
and evapotranspiration during 2006
ET, T, Es: 同图4 See Fig. 4



图6 组分之和法与涡度相关法所测结果的相关分析
Fig. 6 Regression between monthly ET estimated by ET
and component-based approaches in 2006
T, Es, Ei: 同图4 See Fig. 4


取8月水分条件较好的雨天和雨后晴天树干
液流法对植被蒸腾和涡度相关法对总蒸发散量在
林分水平上、小时尺度的测算结果进行对比(图7),
研究雨天和晴天两种方法观测结果相关性的差异
可知, 晴天树干液流法得到的植被蒸腾过程与林
分总蒸发散过程有很好的相关性 , 相关系数为
0.83, 而在雨天 , 这种相关水平较弱 , 相关系数
仅为0.57; 一方面8月土壤深层水分得到很好的
补偿, 植物蒸腾作用强烈, 蒸腾量占蒸发散总量
的比例很高, 二者的日变化过程很相似, 所以相
关性水平很高。同时数据分析表明, 此阶段夜间
蒸腾水平几乎为零, 但涡度相关法观测到夜间仍
有少量蒸发散量, 在晴朗的夜晚, 这部分蒸散应
当直接来源于土壤蒸发, 因为土壤蒸发的发生条
件比植物蒸腾简单, 只要有可供蒸发的水分以及
适合的气象条件, 土壤蒸发就能发生。这为评估
夜间土壤蒸发水平提供了较为精确的观测结果。
在雨天的情况下, 一则截留蒸发占当天蒸发散总
量相当的比重, 二则冠层顶部涡度相关法观测系
统上的感应头被打湿也会导致数据的较大变异 ,
这均是雨天蒸腾和蒸发散总量相关水平低的原
因。



图7 2006年生长季内涡度相关法测定的蒸发散和树干
液流法对蒸腾的评估在林分/小时尺度上的相关关系
Fig. 7 Relationship between hourly sap flow estimates of
transpiration (T) and eddy covariance estimates of
evapotranspiration (ET) during growing season of 2006


该生态系统生长季总水量平衡收入项及各分
量的支出比例如图8所示, 生长季内, 降雨共465
mm, 灌溉累计约86 mm, 水分收入共计551 mm。
基于土壤水分平衡法所计算的实际蒸发散总量为
531 mm,
涡度相关法所测实际蒸发散总量为513 mm,
比土壤水分平衡法测定低3.4%, 占降水量的93%;
其中 , 植物蒸腾量为281 mm; 土壤蒸发为165
mm; 而根据2005年观测试验所得到的经验公式

714 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷
计算出截留蒸发为46 mm, 这些基于独立方法所
测得的蒸发散组分之和为492 mm, 与涡度相关
法所得结果接近; 而与土壤水分平衡法测得的蒸
发散总量相比, 还有40 mm的差额, 分析认为根
据涡度相关法能量平衡闭合水平和严格的数据质
量控制过程, 涡度相关法所测的结果生长季内除
10月仪器故障质量较差外, 其余时段数据质量是
可靠的。而土壤水分平衡法在该研究的前提假设
下相对高估了蒸发散水平, 在7~8月的雨季期间,
由于降雨次数较多, 土体含水量一直偏高, 在这
种前期土壤水分较饱和的情形下, 后期降雨能较
快地补偿深层土壤水分并仍然有部分水分渗漏至
土体的更深层, 即2 m以下土体仍然存在水分交
换, 在这种状况下, 所计算的蒸发散量就会偏大,
误以为渗漏出研究系统界面的那部分水分是通过
蒸发散损失的, 从而高估了蒸发散水平。这个计
算结果可以考虑以后应用此方法时加深土体蓄水
量的观测深度, 找准水分通量零通量面是该方法
提高测定精度的主要因素。




图8 2006年生长季内对降雨, 基于土壤水分平衡法的实
际蒸发散, 基于涡度相关法的实际蒸发散
Fig. 8 The independent annual estimates of precipitation,
actual evaportranspiration (AET) derived from soil water
budget and EC methods in 2006
Ir: Irrigation EC: Eddy covariance ET, T, Es, Ei:
同图4 See Fig. 4


取涡度相关法与基于独立方法所得到的各组
分之和两个结果的均值作为该生态系统生长季的
实际蒸发散量参考值, 则该生态系统蒸发散总量
占水分收入总量的91.3%。
2.5 主要环境因子对蒸发散过程的影响
林分在不同的水分环境条件下, 涡度相关法
和树干液流法在日尺度上的观测结果与饱和水汽
压差(VPD)和净辐射强度(Rn)具有较为相似的响
应关系(图9)。在土壤水分充足的条件下, 植被蒸
腾量在水汽压差变化较小的情况下仍显示出较大
的变化(图9a), 说明此期间植被蒸腾对于水汽压
差的响应程度较低, 此时水汽压差不是蒸散的限
制性因子。在土壤水分环境较差的情况下, 蒸腾
水平随水汽压差的增加而逐渐增强, 二者有较为
显著的响应关系, 说明此期间水汽压差是蒸腾水
平的重要限制性因子。虽然水汽压差在此期间的
变化幅度很大, 但并没有引起植被蒸腾的剧烈变
化, 这是由水分制约造成的。相似的响应关系见
于涡度相关法所测到的林分总蒸发散和水汽压差
之间(图9b), 在土壤水分含量较低的状况下 , 水
汽压差和蒸发散水平之间相应关系较平缓, 且干
季的蒸发散水平则相对较弱。同样是在水汽压差
较小的情况下, 湿季的蒸发散水平仍可维持在较
高的水平。
植被蒸腾与净辐射无论在干季还是湿季都呈
正相关关系 , 而相关系数均较低 , 但仍可看出 ,
水分环境较好的情况下, 植被蒸腾水平较高, 二
者的相关性直线斜率较大, 植被蒸腾随净辐射的
变化敏感度稍高(图9c)。而干季尽管净辐射在整
个数值区域广泛分布, 但植被蒸腾随之变化的幅
度很小。相对于植被蒸腾而言, 林分总蒸发散量
与净辐射的正相关性在干季和湿季均较显著(图
9d), 相关系数分别为0.55和0.71, 显然 , 土壤水
分条件较好的情况下, 净辐射的增加能较大程度
地提高蒸发散水平, 虽然在干季这种相关系数稍
低, 但净辐射仍有较强的影响作用, 比起饱和水
汽压差来说, 净辐射对蒸发散总量的影响作用更
大些。
3 结论和讨论
尽管目前大多数的研究将能量闭合水平作为
涡度相关法数据质量控制的重要依据之一, 但还
没有建立能量闭合水平及其对应的测量误差范围
的定量关系, 而能量闭合水平还依赖于不同的时
间尺度。我们采用涡度相关测量系统所研究的沙
地杨树人工林2006年的能量闭合水平在整个生长
季所得回归直线斜率为0.86, 相关系数为0.87,
刘晨峰等: 基于涡度相关法和树干液流法评价杨树人工林
4 期 生态系统蒸发散及其环境响应 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.04.009 715



图9 2006年生长季内不同的水分环境条件下涡度相关法和树干液流法在日尺度上的观测结果和气压差/净辐射
的响应关系
Fig. 9 Reponses of transpiration (T) and Evapotranspiration (ET) measured by sap flow and eddy covariance to the atmos-
pheric vapor pressure deficit (VPD), (a) and (b) for net radiation (Rn), (c) and (d) under different water input during the
growing season of 2006


与很多同类研究相比, 闭合水平较高, 数据质量
的可靠性较强。但这种闭合程度前提下所测得的
系统蒸发散水平的误差范围是多少, 闭合水平达
到多少才能将涡度相关法观测到的结果认为是标
准值而评价其他方法测定精度, 本研究采用土壤
水分平衡法、蒸发散组分求和法得到的杨树人工
林生态系统蒸发散值与涡度相关法测定结果进行
了比较分析, 为分析不同能量闭合水平条件下采
用涡度相关法生态系统蒸发散测定误差进行评
估。
由于本研究的杨树高耗水性和降雨短缺的矛
盾使得林分在能量平衡和水量平衡过程中有不同
于其他生态系统的特点。在水分受限期间, 能量
平衡各组分中显热通量的比重大于潜热通量, 占
净辐射通量的大部分, 能量的大部分用于加热空
气; 在有雨水输入的条件下则表现为潜热比例大
幅度提高, 显热显著较低。这表明, 该系统的能量
分配特征对水分输入状况敏感度较高。
在该生态系统水量平衡中, 蒸发散总量占降
雨总量的91.3%, 为503 mm, 其中各组分中土壤
蒸发占蒸发散总量的33%, 植物蒸腾量占蒸发散
总量的56%, 截留蒸发占10%, 土壤蒸发大约占
蒸发散总量的1/3, 比起很多同类研究这个比例
相对较高 (Williams et al., 2004; Wilson et al.,
2002)。在研究蒸发散以及蒸腾过程和环境因子的
响应关系中, 水分条件是最重要的环境因子。在

716 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷
水分环境较好的条件下, 水汽压差与蒸腾、蒸散
水平的响应关系不明显, 说明在水分条件充足的
情况下, 水汽压差不是限制蒸散的主要因子, 蒸
发散与净辐射的相关性比干季条件下显著, 且无
论在干季还是湿季, 蒸发散总量的变化与净辐射
的相关性均较高。这与2005年所研究的蒸发散与
环境因子相关性分析的结论是一致的(刘晨峰等,
2006)。净辐射是蒸发散发生的先决条件, 水分条
件的好坏决定了净辐射对蒸发散的影响程度。
对于没有径流形成的生态系统, 用土壤水分
平衡法测算总蒸发散量可能带来的误差较小, 但
是确定土壤水分零通量面位置难度较大。本研究
林木主根系主要分布在30~80 cm之间, 测定土壤
蓄水量变化的取土样深度为200 cm, 可能导致土
壤水分平衡法产生一定的误差。因此, 200 cm以下
土壤水分不参与水分交换的假设还有待于进一步
的试验证实。如果土壤水分测定取样深度增加 ,
能够找到零通量面就可以减少土壤水分平衡法测
定误差, 以此评价涡度相关法蒸发散测定精度更
为合理。
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责任编委: 李 博 责任编辑: 姜联合