全 文 ：第 6卷 第 3期
2 0 0 8年 9月
湿　地　科　学WETLAND　SCIENCE Vol.6　No.3Sept., 2 0 0 8
收稿日期:2008-03-05;修订日期:2008-08-15
基金项目:国家自然科学基金项目(40701001)、中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KZCX2-YW-309)、中国科学院东北地理
与农业生态研究所学科前沿领域项目(KZCX3-SW-NA3-08)和 “东北之春 ”人才培养计划项目资助。
作者简介:郭跃东(1978-),男 ,辽宁省沈阳人 ,博士 ,副研究员 ,主要从事湿地水文和生态过程研究。 E-mail:guoyuedong@neigae.ac.cn
毛苔草植被对沼泽湿地蒸散发影响的试验研究
郭跃东
(中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态与环境重点实验室 ,吉林 长春 130012)
摘要:为了揭示毛苔草植被对沼泽湿地蒸散发的影响 , 采用野外蒸发桶观测的方法 , 2007年 7月 5日至 8月 8
日 , 在三江平原对不同植物密度下的毛苔草(Carexlasiocarpa)沼泽湿地下垫面蒸散发进行了试验研究。结果表
明 , 毛苔草植被的存在能够增加沼泽湿地下垫面的蒸散发;与野外植物密度相同的有植物桶的蒸散发量平均达
到 13.88mm/d, 最大蒸散发量可达 22.26 mm/d,而无植物桶的蒸散发量平均仅为 4.81 mm/d;有植物桶的平均
蒸散发量为无植物桶蒸散发量的 2.9倍。毛苔草植物的密度越大 , 对沼泽湿地下垫面蒸散发增加的作用越大 ,
但只有当毛苔草叶面积指数大于 1.5时 , 下垫面的蒸散发量才会显著增加。太阳辐射和气象要素对毛苔草沼泽
湿地蒸散发的影响与植物密度间的关系复杂 ,还需要进一步研究。
关 键 词:毛苔草;沼泽湿地;蒸散发;三江平原
中图分类号:P343.4　　文献标识码:A　　　文章编号:1672-5948(2008)03-392-06
　　沼泽湿地蒸散发在湿地与大气界面的水热交
换过程中起主导作用 。植被在沼泽湿地蒸散发过
程中占有重要地位 ,植物种类 、高度和密度的变化 ,
将对沼泽湿地蒸散发产生不同的影响 。维管束植
物 ,如莎草(Cyperusdulouri),潜热传输率较高 ,而
非维管束植物 ,如泥炭藓(Sphagnum),实际蒸散发
量则明显低于潜在蒸散发量[ 1, 2] 。在目前开展的
湿地蒸散发研究中 ,存在着 “地表积水情况下 ,湿
地植被的存在是增加还是减少湿地蒸散发 ”的明
显争论 。理论上 ,湿地蒸散量不会超过明水面的潜
在蒸发量 ,但是有学者认为事实并非如此 [ 3 ～ 5] 。由
于测量技术及设备的限制 ,至今仍然无法将湿地水
面蒸发及植被蒸腾过程很好地区分开来 ,针对沼泽
湿地 ,尤其是草本沼泽湿地蒸散发过程的研究也相
对较少 ,对沼泽湿地蒸散发过程和驱动机制的认识
还不够深入和完善[ 6 ～ 8] 。
沼泽湿地在三江平原分布广泛 ,该区沼泽植物
建群种 、优势种的植物基本都是能适应积水的水
生 、湿生植物 ,其中毛苔草 (Carexlasiocarpa)为湿
地常见植物 [ 9] ,覆盖度一般为 90% ～ 95%,属维管
束植物 ,伴生有毛水苏(Stachysbaicalensis)、千屈菜
(Lythrumsalicaria)等。在三江平原沼泽湿地中 ,
进行不同密度下毛苔草植被对沼泽湿地蒸散发过
程的影响试验研究 ,能进一步认识植被在沼泽湿地
蒸散发过程中的作用 。
1　数据和方法
在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站
的沼泽湿地试验场(47.52°N, 133.5°E)进行野外
观测 。 2007年 7月 5日至 8月 8日为观测期 。观
测期间 ,试验场内毛苔草生长状况良好;地表常年
积水 。共布设了 10个直径为 61.8cm、高 80 cm的
玻璃钢蒸发桶 , 依次编号为 0号 ～ 9号 , 其中 2
号 ～ 9号蒸发桶内常年种植不同密度的毛苔草 ,且
植物密度依次增加。 2007年 7月 20日 ,用 LAI-
4000型叶面积仪对各桶毛苔草植被进行叶面积指
数(LAI)测量 ,其 LAI依次为 0.75、1.59、 1.97、
2.09、2.30、2.49、2.59和 2.83。 0号和 1号蒸发桶
中没有植物 ,以进行净水面蒸发观测并与 2号 ～ 9
号蒸发桶对照 。整个试验期间 ,同时测定 2号 ～ 9
号桶的植物生长状况 。 10个蒸发桶的安置情况
为:0号桶上缘的高度略高于外围植物的最大生长
高度 ,以作为水面周围无植物影响的水面蒸发参
照;1号 ～ 9号桶上缘的高度略高于地表水面 , 1号
桶作为水面周围有植物影响的水面蒸发参照 。所
有蒸发桶内水面高度要保证与桶上缘的距离小于
DOI :10.13248/j.cnki.wet landsci.2008.03.007
　3期 郭跃东:毛苔草植被对沼泽湿地蒸散发影响的试验研究 393　
5 cm,桶内外水面基本持平 ,以减少蒸发桶的边缘
效应 ,整个观测期内 ,地表水深大于 40 cm。
观测期间 ,每日在北京时间 06∶00和 18∶00进
行 2次观测 ,测量各蒸发桶水面高度以计算其日间
和夜间的蒸散发量。机械测量尺精度为 0.1 mm。
每次测量至少重复两次 ,以保证每次测量数据的误
差小于 0.05 mm。降水量较大的降雨过程会直接
导致测量数据的波动 ,因此这期间的测量数据被剔
除;在小雨天气 ,用试验场中的人工气象站的降水
量数据对测量数据进行修正。相关气象及辐射数
据来源于观测场小气候自动观测系统 ,选用植被冠
层上高度为 2m处的相关数据。
2　结果与分析
2.1　毛苔草沼泽湿地的蒸散发特征
观测期间 ,毛苔草沼泽湿地日蒸散发量波动幅
度较大(图 1),降水量较大的降雨过程可导致相邻
几日的蒸散发量剧烈波动 ,例如 2007年 7月 26日
的降水量为 45.9 mm, 27日和 28日间各桶蒸散发
量最大差值竟达 17.14 mm。
图 1　2007年 7月 5日至 8月 8日三江平原 10个观测桶的日蒸散发量
Fig.1　Dailyevapotranspirationof10pansintheSanjiangPlainfrom5 Julyto8 August2007
　　不同蒸发桶的日蒸散发量存在明显差异 ,种植
毛苔草的 2号 ～ 9号蒸发桶的日蒸散发量大于同
高度无植物的 1号蒸发桶;毛苔草密度高的蒸发桶
的日蒸散发量明显大于密度低的蒸发桶 ,且无植物
影响下的水面蒸发量(0号桶)大于周围有植物干
扰的水面蒸发量(1号桶)。 8号桶和 9号桶的植
物密度最大 , LAI分别达到 2.59和 2.83,几乎在整
个观测期内其蒸散发量都是最大的 ,其日最大蒸散
发量分别为 21.29mm和 22.26mm,平均日蒸散发
量为 12.37mm和 13.88 mm。植物密度最低的 2
号桶(LAI为 0.75)的平均日蒸散发量仅为 4.57
mm,无植被干扰的 0号桶日蒸散发量较之略高 ,平
均为 4.88 mm。 9号桶的毛苔草密度与桶外基本
相同 ,可以代表实际野外毛苔草的生长状况。通过
9号和 0号桶蒸散发量的对比 ,可以认为 ,在毛苔
草生长期内 ,毛苔草沼泽湿地蒸散发量大于无植物
的水面蒸发量 ,毛苔草能够增加沼泽湿地下垫面的
蒸散发量。即由于植物存在而增加的水分蒸腾量
远大于植物棵间水面面积及湍流携带动力减小而
引起的水面蒸发的减小量 。
各桶的 12 h蒸散发量具有相似的变化特征
(图 2)。日间 ,植物密度越大 ,其蒸散发量就越大;
夜间 ,沼泽湿地常会出现水汽凝结现象 ,对其蒸散
发量产生一定影响。日间 , 1号桶与 0号桶的差值
也明显大于它们的夜间差值。日间 ,最大和平均蒸
散发量 , 9号桶为 17.50mm和 11.40 mm, 1号桶为
7.91 mm和 2.73 mm, 0号桶为 8.97 mm和 3.27
mm。夜间 ,各桶蒸散发量相差不多 。但晴朗夜晚
高植被密度桶的蒸散发量仍然较大 , 9号桶夜间平
均蒸散发量为 1.84mm,逆温及过饱和时水汽凝结
量同样也大 ,最大值为 3.94 mm;而无植被的 0号
和 1号桶夜间蒸散发量的波动较小 ,平均值分别为
1.28 mm和 0.51mm。
试验期间 , 1号 ～ 9号桶的总蒸散发量与毛苔
草 LAI有显著的正相关关系(n=9, p<0.01),呈
现“J”型曲线关系(图 3),这也证明了植被可以增
　 394　 湿　　地　　科　　学 6卷
图 2　2007年 7月 5日至 8月 8日三江平原 4个观测桶的 12 h蒸散发量
Fig.2　12 hours evapotranspirationof4 pansintheSanjiangPlainfrom5 Julyto8August2007
加沼泽湿地蒸散发量 ,且植物密度越高其效果越明
显 。可以看出 ,植物密度低对沼泽湿地蒸散发的促
进能力是非常有限的 ,而只有植物密度高才能明显
增加沼泽湿地下垫面的蒸散发量 ,毛苔草的 LAI至
少应达到 1.5。理论上 ,随植物 LAI在高位上的不
断增加 ,沼泽湿地下垫面蒸散发量最终应趋于平
缓 ,会呈现 “S”型曲线的增长方式 ,但由于本研究
中试验桶数量较少 ,所以无法显示更高植物密度下
毛苔草沼泽湿地总蒸散发量与 LAI的这种关系。
图 3　2007年 7月 5日至 8月 8日三江平原 1号 ～ 9号
观测桶总蒸散发量与 7月 20日叶面积指数的关系
Fig.3　Relationshipbetweentotalevapotranspirationofno.1
tono.9pansintheSanjiangPlainfrom5Julyto8 August
2007 andtheirleafareaindexeson20July2007
2.2　毛苔草沼泽湿地蒸散发的影响因素
太阳辐射是沼泽湿地蒸散发的最根本动力因
素 ,是沼泽水体水汽转化及植物叶片水汽蒸腾的能
量基础 。太阳辐射使叶面温度一般比气温高 2 ～
10 ℃,这使得叶片内外的蒸汽压差增大 ,有利于水
分从叶内逸出 ,另外太阳辐射能够促使气孔开放 ,
气孔导度增加 ,水分蒸腾的内部阻力减小 ,蒸腾作
用加强[ 10, 11] 。在本研究中 ,日蒸散发量与地表净
辐射量的相关分析表明 ,各桶蒸散发量与净辐射量
均呈现显著的线性相关关系(n=33, p<0.05;图
4),从 10个桶回归线斜率的变化看 , 0号 ～ 4号桶
的斜率几乎完全相等 ,而从 5号桶开始 ,其斜率随
植物 LAI的增大而增加 ,这说明具有高密度植物的
沼泽湿地下垫面蒸散发对净辐射能量的响应更加
显著和敏感 。由于沼泽植被的存在 ,湿地地表的水
热过程已经显著区别于简单的净水面过程 ,其水热
传输过程的物理结构及水 、热耦合机制都发生了质
的转变。植被覆盖的水体表面吸收的太阳净辐射
比净水面小 ,而蒸散发量却远大于净水面的事实说
明 ,有植被覆盖的沼泽水热转化效率比一般水体
高 ,这也是有机植物体的能量利用过程优于无机结
构的必然结果。
温度 、饱和蒸汽压差(VPD)及风速等气象要
素都是影响沼泽湿地蒸散发的重要因素 ,但都不是
控制水面水汽转化和植物气孔水汽蒸腾的直接驱
动力 ,蒸散发量与它们不存在直接的线性相关关
系 ,这点与太阳辐射迥然不同 。值得注意的是 ,尽
管上述各因素与蒸散发量间没有线性关系 ,但方差
分析表明 ,在饱和水汽压差 、日平均温度和风速变
化的影响下 ,各桶的蒸散发量有明显差异(图 5)。
正常植被覆盖情况下 ,上述各因素对沼泽湿地
蒸散发的影响是多方面 、多尺度的 ,存在着相互协
同作用。温度是表征物体能量存储状态的物理量 ,
温度高则水分子运动速度大 ,其主要从微观角度控
　3期 郭跃东:毛苔草植被对沼泽湿地蒸散发影响的试验研究 395　
图 4　2007年 7月 5日至 8月 8日三江平原 10个观测桶的日蒸散发量随净辐射量的变化
Fig.4　Variationofdailyevapotranspirationwithnetradiationof10 evaporationpans
intheSanjiangPlainfrom5 Julyto8 August2007
图 5　2007年 7月 5日至 8月 8日三江平原 4个观测桶的日蒸散发量
随 2 m高度饱和蒸气压差 、日平均温度和风速的变化
Fig.5　VariationofdailyevapotranspirationwithVPD, averagetemperatureandwindspeed
attheheightof2mintheSanjiangPlainfrom5 Julyto8August2007
制水汽输出过程 [ 12] 。饱和水汽压差则是控制水汽
界面垂直传输动力的主要因素 ,直接影响近地表空
气阻力和植被叶片界面阻力 ,因此其在叶片尺度和
群落尺度上的影响是同时存在的[ 13, 14] 。风能够促
进水汽交换 ,加强对流扩散 ,增加水面蒸发 ,同时风
可增大叶表面水蒸汽压梯度进而促进叶片蒸
腾 [ 15] 。研究表明 ,风速大小对蒸散量有一定影响 ,
但远不及净辐射 、饱和蒸汽压差等环境因子强烈 ,
当风速小于 1.0 m/s时 ,其对蒸散量影响甚微 ,只
有当风速很大(大于 3.5 m/s)时 ,风速才会对蒸散
量产生一定的影响 ,而且这种影响作用在白天和夜
间存在一定差异 ,夜间较白天明显 [ 16] 。森林生态
系统中 ,在风速较大的情况下树木间及近地表产生
的乱流会加速蒸散发过程 [ 17] ,但在本研究中 ,沼泽
湿地却没有此现象发生。在所有情况下 , 0号桶的
蒸散发量都大于 1号桶 , 0号桶周围毛苔草较密且
高度均一 、垂直湍流弱的特征应该是这种结果的直
接原因。植被对沼泽湿地蒸散发的影响有其内在
原因 ,但外在气象要素的作用同样不可忽视 ,尤其
是区域小气候的影响 。不同地区小气候特征多种
　 396　 湿　　地　　科　　学 6卷
多样 ,空气温湿度 、饱和压差 、风速及边界层厚度等
因素都会使下垫面的蒸散发产生很大差异 ,即使在
下垫面水文和植被特征基本一致的情况下 。因此 ,
是内在的植被因素还是外在的气象因素主导这沼
泽湿地蒸散发是因地 、因时而异的 ,这也许就是众
多研究得出不同结果的重要原因。
3　结　论
2007年 7月 5日至 8月 8日期间 ,不同植物密
度的毛苔草沼泽湿地的蒸散发有明显差异 ,对应于
分别为 0, 0, 0.75、1.59、1.97、2.09、2.30、2.49、2.59
和 2.83的叶面积指数 , 0号 ～ 9号试验桶内的沼泽
湿地下垫面的平均蒸散发量为 4.81 mm/d, 3.45
mm/d, 4.57 mm/d, 5.85 mm/d, 7.26 mm/d, 7.75
mm/d, 10.07 mm/d, 10.94 mm/d, 12.27 mm/d和
13.88 mm/d。结果表明 ,毛苔草植物密度越大 ,其
对下垫面蒸散发的增加作用越明显 ,但只有当植被
的叶面积指数大于 1.5时 ,下垫面的蒸散发量才会
显著增加。与野外试验场植物密度相同的有植物桶
的蒸散发量平均达到 13.88 mm/d,最大蒸散发量可
达 22.26mm/d,而无植物桶的蒸散发量平均仅为
4.81mm/d,毛苔草植被的存在使有植物桶的蒸散
发量平均为无植物桶蒸散发量的 2.9倍。因此 ,对
于 “地表积水情况下 ,湿地植被的存在是增加还是
减少湿地蒸散发 ”的争论 ,本研究认为:夏季 ,毛苔
草植被的存在能够明显增加沼泽湿地下垫面的蒸
散发量 ,蒸散发量随毛苔草密度增加而增加。可以
推测 ,大多数维管束沼泽植被都应该具有同样的效
果 ,原因在于它们基本都具有较高的蒸腾潜力和较
低的水汽蒸腾能量阈值。
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　3期 郭跃东:毛苔草植被对沼泽湿地蒸散发影响的试验研究 397　
InfluenceofDeyeuxiaangustifoliavegetationontheEvapotranspiration
ofMireintheSanjiangPlain
GUOYue-Dong
(KeyLaboratoryofWetlandEcologyandEnvironmentScience, NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,
ChineseAcademyofSciences, Changchun130012, Jilin, P.R.China)
Abstract:ForthesakeofunderstandingtheinfluenceofCarexlasiocarpavegetationontheevapotranspirationof
mire, fieldexperimentswerecariedoutwithevaporationpansinthetestfieldoftheEcologicalExperimentSta-
tionofMire-wetlandintheSanjiangPlainfromthe5Julyto8 August2007.10 evaporationpanswereinstaled
withdiferentdensityofCarexlasiocarpavegetation, andthedensitywasdesignedtoincreasewiththepannum-
bersfromno.0tono.10.Thedesignthatpansno.0 andno.1 weresetwithnovegetationwhileno.2tono.10
withdiferentdensityofCarexlasiocarpawastoexplorewhetherCarexlasiocarpavegetationcouldenhancethe
mireevapotranspirationcomparedwithwatersurface.Bythefieldobservationlastfor35 days, theconclusions
showedthatthemirewithCarexlasiocarpavegetationhadthelargerevapotranspirationthanthatofthewaterwith
novegetation.UndertheconditionofthesamedensitytonaturalCarexlasiocarpacommunity, thepanevapo-
transpirationwithCarexlasiocarpavegetationwas13.88 mm/daveragely, andthemaximumreached22.26
mm/d, whilethepanevapotranspirationwithnovegetationwasonly4.81 mm/daveragely.SotheCarexlasio-
carpacommunitycouldpromotepanevapotranspiratoin.Furthermore, thelargertheCarexlasiocarpacommunity
densitywas, themoreitspromotionontheevapotranpirationdid.Thetotalevapotranspirationexperiencedgrow-
ingupof“J” curvewiththeleafareaindex(LAI)ofCarexlasiocarpa.ButtheCarexlasiocarpacommunitywith
lowdensityhadlimitedactionontheevapotranspirationandonlythatwithhighdensitycouldresultinremarkable
promotion.ThehightranspirationpotentialandlowenergythresholdofvapourtransportinCarexlasiocarpavege-
tationweretheinherentreason.Theinfluencesfromtheradiationandmeteorologicalelementswerealsonoticea-
ble, andtheirrelationshipswithmirevegetationrelatedtoevapotranspirationwerecomplicated, whichneedsfur-
therresearch.
Keywords:Carexlasiocarpa;mire;evapotranspiration;theSanjiangPlain