全 文 ：宁夏六盘山人工林和天然林生长季的蒸散特征*
曹恭祥1 摇 王绪芳2 摇 熊摇 伟1**摇 王彦辉1 摇 于澎涛1 摇 王云霓1 摇 徐丽宏1 摇 李振华1
( 1中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业局森林生态环境重点实验室, 北京 100091; 2宁夏回族自治区固
原市六盘山林业局, 宁夏泾源 756400)
摘摇 要摇 为了系统地认识森林生态系统结构对蒸散特征的影响,2009 年 5—10 月,应用热扩
散技术和传统水文学方法,对六盘山香水河小流域华北落叶松人工林和华山松天然林的蒸散
及分量进行对比研究.结果表明: 华北落叶松人工林生长季总蒸散量为 518. 2 mm,是同期降
雨量的 104. 6% ,远高于天然林蒸散量 420. 5 mm.两种林分总蒸散量在其垂直层次上的分配
比例相近,表现为冠层蒸腾量>草本+土壤层蒸散量>灌木蒸腾量,但林分各组成分量占总蒸散
量的比例明显不同.其中,人工林冠层月均截留量和蒸腾量为 19. 6 和 25. 2 mm,分别是天然
林的 1. 2 和 1. 9 倍;人工林灌木层月均蒸腾量为 4. 4 mm,占天然林的 23. 4% ;人工林草本+土
壤层月均蒸散量为 37. 1 mm,是天然林的 1. 8 倍.采用 Penman鄄Monteith 方程对林分的实测蒸
散量进行对比检验,两种方法对林分蒸散量的估计值基本接近.
关键词摇 六盘山摇 华北落叶松人工林摇 华山松天然林摇 热扩散技术摇 蒸散
文章编号摇 1001-9332(2013)08-2089-08摇 中图分类号摇 S715. 4 摇 文献标识码摇 A
Evapotranspiration characteristics of artificial and natural forests in Liupan Mountains of
Ningxia, China during growth season. CAO Gong鄄xiang1, WANG Xu鄄fang2, XIONG Wei1,
WANG Yan鄄hui1, YU Peng鄄tao1, WANG Yun鄄ni1, XU Li鄄hong1, LI Zhen鄄hua1 ( 1State Forestry
Administration Key Laboratory of Forestry Ecology and Environment, Research Institute of Forest
Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;
2Liupan Mountain Forestry Bureau of Guyuan City in Ningxia Autonomous Region, Jingyuan
756400, Ningxia, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(8): 2089-2096.
Abstract: In order to understand the effects of the structure of forest ecosystem on the hydrological
processes, a comparative study by using thermal dissipation technique and hydrological methodology
was made on the evapotranspiration (ET) and its components of Larix principis鄄rupprechtii plantation
and Pinus armandi natural forest in two adjacent stands in a small catchment Xiangshuihe of Liupan
Mountains during the growth season (May-October) in 2009. Throughout the growth season, the
total ET from the plantation was 518. 2 mm, which accounted for 104. 6% of the precipitation and
was much higher than that (420. 5 mm) of the natural forest. The allocation of ET in the vertical
layers performed similarly between the two stands, with the order of canopy layer > herb and soil
layer > shrub layer, but the ratio of each component to total ET differed significantly. The planta鄄
tion consumed 0. 2 and 0. 9 times more water for canopy interception (19. 6 mm per month) and
tree transpiration (25. 2 mm per month) than the natural forest, respectively. However, the tran鄄
spiration from the plantation was 4. 4 mm per month, and took up 23. 4% of the natural forest. In
contrast, the sum of soil evaporation and herbage evapotranspiration consumed 37. 1 mm water per
month in the plantation, which was 0. 8 times higher than that in the natural forest. The ET was
calculated by Penman鄄Monteith equation to compare the results estimated by sap flow measure鄄
ments, and the values estimated by the two methods were similar.
Key words: Liupan Mountains; Larix principis鄄rupprechtii plantation; Pinus armandii natural for鄄
est; thermal dissipation technique; evapotranspiration.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2011BAD38B0503,2012BAD22B030102)、林业公益性行业科研专项(200904056,201104005鄄02)和国家自
然科学基金项目(41230852,41071023)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xwcaf@ 163. com
2012鄄09鄄29 收稿,2013鄄05鄄29 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 8 月摇 第 24 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2013,24(8): 2089-2096
摇 摇 森林蒸散是地球表面水量平衡和能量平衡的重
要组成部分,也是森林生态系统研究的基础[1],对
于局部地区的气候变化起着至关重要的作用[2] . 森
林蒸散包括植被蒸腾、冠层 /地被物截持和土壤水分
蒸发 3 部分[3] .森林蒸散及其分量组成不仅受林木
冠层生理[4]、形态特征[5]、土壤[6]和微气象等因素
的影响[7-8],而且与林分类型和结构有着密切的关
系[9-10] . Ewers 等[11]研究表明,阔叶林 (美洲山杨
Populus tremuloides ) 比 针 叶 林 ( 黑 云 杉 Picea
mariana)具有更高的蒸腾速率,不同林型的蒸散量
差异很大;Iida 等[12]研究表明,在同一地区不同时
期的赤松(Pinus densiflora) 林中,随着林分结构的
改变,各蒸散分量也发生明显的变化. 因此,有必要
系统认识林分结构对蒸散及其组成特征的影响,从
而客观地评价森林蒸散对区域水量平衡及水资源形
成中的作用.
人工林是森林资源重要的组成部分,对生态环
境的恢复及经济发展发挥着巨大作用[13] .我国是现
今世界上人工林面积最大的国家[14] . 但是,由于其
树种组成单一、结构不合理等原因,引发了一些生态
环境问题.尤其是在我国北方的干旱缺水地区,人工
林耗水问题更成为人们关注的焦点[15] . 一方面,人
工林的高耗水可以引起土壤水分亏缺,导致“土壤
干层冶现象[16];另一方面,土壤水分的过度消耗也会
影响树木的正常生长,形成“小老头林冶 [17] .目前,有
关国内外人工林蒸散耗水的研究已有大量报
道[18-19],但对人工林与天然林蒸散的对比研究还较
少,尤其是缺乏在同一气候和立地条件下的野外对
比试验.开展相关研究,对于正确评价人工林水分消
耗及其与天然林蒸散的关系,揭示森林生态系统结
构对蒸散及组成特征的影响机制具有重要意义.
华北落叶松(Larix principris鄄rupprechtii)是我国
北方地区的主要造林树种,自 1964 年引入宁夏六盘
山地区以来,在该地区生长良好且大多郁闭成林,目
前,面积已达 15700 hm2[20] . 然而,大面积栽植人工
林改变了土地利用类型的组成比例,而且由于人工
林的过度耗水可能导致该区域水资源的安全问题.
目前,虽然对华北落叶松人工林蒸散量的季节变化
以及人工林与天然林部分蒸散组分特征已有报
道[21-22],但缺乏其与天然林蒸散及其组分的比较研
究,还不能系统认识人工林结构对其耗水的影响,及
对其长期的生态水文效益进行合理评价.因此,本研
究利用热扩散技术,结合传统水文学方法,对六盘山
香水河小流域内的华北落叶松人工林和华山松(P.
armandii)天然林蒸散及其分量进行了定位观测,并
用 Penman鄄Monteith方程进行了检验,旨在对比两种
不同起源林分的蒸散及其分量组成特征的差异,分
析林分结构对蒸散及组分的影响,为促进半干旱地
区森林植被建设和完善林水综合管理技术提供理论
依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究 区 位 于 宁 夏 六 盘 山 自 然 保 护 区
(35毅27忆22义—35毅33忆29义 N,106毅12忆10义— 106毅16忆30义 E)
南部核心地带的香水河小流域,海拔 2040 ~ 2942
m.该地区年均气温 5. 8 益,最热月(7 月)平均气温
17. 4 益,最冷月(1 月)平均气温-7. 0 益,年均降水
量 710 mm,多集中于 7—9 月,干燥度<1. 0,无霜期
100 ~ 130 d.土壤主要为山地灰褐土,厚度在 30 ~
100 cm.该流域植被茂密,森林覆盖率在 70%以上,
植被以天然次生林为主,如华山松、白桦 (Betula
platyphylla)、红桦(B. albo鄄sinensis)、辽东栎(Quer鄄
cus liaotungensis)等,人工林主要是华北落叶松和油
松(P. tabulaeformis).
1郾 2摇 试验设计
在香水河小流域洪沟营林区内,选择相邻的华
北落叶松人工林(35毅30忆50义 N,106毅13忆30义 E)和华
山松天然林(35毅30忆52义 N,106毅13忆30义 E)作为研究
对象.在 2 种林分内各建立 1 个 20 m伊20 m 的固定
样地,分别对样地内的冠层截留、乔木蒸腾、灌木蒸
腾、草本+土壤层蒸散等分量进行定位观测,各分量
累加后为总蒸散量,并用 Penman鄄Monteith 方程对蒸
散量进行验证. 2 个固定样地水平距离在 70 m 左
右.华北落叶松人工林为纯林,华山松天然林以华山
松为优势树种,伴生树种有白桦和红桦.样地的基本
特征见表 1.
1郾 3摇 研究方法
1郾 3郾 1 林冠截留测定摇 1)林外降水:在样地附近的
空地上采用标准雨量筒进行测定;2)林内降水:在
各样地内分别布设 24 个雨量筒进行测定;3)树干
茎流:按树木径阶(按 4 cm 划分)进行测定,每个径
级选 1 ~ 2 株标准木,用塑胶管做成蛇形管收集树干
茎流.树干茎流量(C, mm)和乔木冠层截留量( I,
mm)计算公式为:
C =移
n
i = 1
Cn·Mn
S·104
(1)
I = P - T - C (2)
0902 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 1摇 华北落叶松人工林与华山松天然林样地的主要特征
Table 1摇 Main characteristics of the plots in the Larix principis鄄rupprechtii plantation and Pinus armandii stand
林型
Forest
type
海拔
Altitude
(m)
坡度
Slope
degree
坡向
Slope
aspect
乔木层 Tree layer
密度
Density
(stem·hm-2)
胸径
DBH
(cm)
高度
Height
(m)
郁闭度
Canopy
density
灌木层 Shrub layer
高度
Height
(m)
盖度
Coverage
(% )
草本层 Herbage layer
高度
Height
(cm)
盖度
Coverage
(% )
A 2278 37 东北 NE 1225 14. 7依3. 4 13. 8依2. 6 0. 64 1. 2依0. 3 17 37. 8依15. 4 70
B 2263 39 东南 SE 725 12. 1依6. 6 6. 9依2. 6 0. 35 1. 5依0. 8 77 27. 7依18. 3 25
A:华北落叶松人工林 L. principis鄄rupprechtii plantation; B:华山松天然林 P. armandii stand. 下同 The same below.
式中:n为树干径级数;Cn为每一径级的树干茎流量
(mL);Mn为每一径级的树木株数;S 为样地面积
(m2);P为大气降水量(mm);T 为林内穿透降水量
(mm).
1郾 3郾 2 单株蒸腾量测定及林分尺度转换摇 1)乔木单
株液流与蒸腾量的估计:2009 年 5—10 月,在华北
落叶松人工林和华山松天然林样地内选择生长良好
的样木,利用 SF鄄L型热扩散液流探头(德国 Ecomat鄄
ic公司),连续测定 5 株华北落叶松、3 株华山松、1
株白桦、1 株红桦样木的树干液流,数据记录间隔为
5 min.为避免太阳直接辐射引起的测定误差,树干
液流的测定位置在树干北面的胸高处(1. 3 m). 用
生长锥抽取样品来确定树木边材面积,通过式(3)
计算主要乔木树种的单株蒸腾量(Es, mm·d-1).
Es = Js·As (3)
式中:Js为样木的液流速率(mL·cm-2·min-1);As
为样木的边材面积(cm2).
2)灌木单株蒸腾量测定:在标准地选择主要灌
木树种样木,用快速称量法测定典型天气下树冠不
同部位叶片的蒸腾速率,计算单株蒸腾量 (WT,
mm·d-1) [23]:
WT =E1·H·O·P·C·L (4)
式中:E l为功能叶蒸腾速率的日平均值( g·g-1 ·
min-1);H为测定日实际日照时数(h);O 为天气系
数,本研究中:晴天为 1,下雨天为 0,多云天气为
0郾 7;P为叶位系数,指同一枝条不同部位叶片日平
均蒸腾速率与功能叶的比值;C为树冠系数,指树冠
不同方向和上下部位叶片日平均蒸腾速率与功能叶
的比值;L为树冠总鲜叶质量(g).
3)单木到林分蒸腾量的尺度转换:用主要乔木
树种的边材面积为空间纯量来实现林分蒸腾量的尺
度放大,乔木层的林木蒸腾量(Ec, mm·d-1)计算
公式[24]:
Ec = Jmean·As鄄stand (5)
式中:Jmean为样木平均液流速率(mL·cm-2·min-1);
As鄄stand为单位面积上累积的边材面积(cm2·m-2).
1郾 3郾 3 林下草本+土壤蒸散量测定摇 用自制微型蒸
渗仪(直径 20 cm、高 30 cm) 24 h 连续测定其质量
变化,分别在标准样地内的林窗和树冠下布设 9 个
蒸渗仪,通过式(6)计算草本+土壤层的蒸散量(ET,
mm·d-1).
ET =移
n
i = 1
驻Wi / nS 伊 10 (6)
式中:驻Wi为第 i 个微型蒸渗仪 2 次称量值之差
(kg);S为蒸渗仪的开口面积(m2);n为测定个数.
1郾 3郾 4 气象因子测定摇 在林外空旷地设立 Weather鄄
Hawk鄄232 型自动气象站(美国 Weatherhawk 公司),
测定太阳辐射强度(W·m-2)、空气温度(益)、空气
相对湿度(% )、风向(deg)、风速(m·s-1)和降水量
(mm)等指标.
1郾 3郾 5 叶面积指数(LAI)测定摇 利用 LAI鄄2000 植物
冠层分析仪(美国 LI鄄COR公司)在生长季每月观测
3 次,并经过冠层分析仪校正.
1郾 3郾 6 Penman鄄Monteith方程摇 森林生态系统蒸散理
论公式[25]:
E0 =
Rn驻 + 籽CP(ea - ed) / ra
驻 + v(1 + rs / ra)
(7)
式中:E0为森林生态系统蒸散力(mm·d-1);v 为干
湿温度表湿度常数,v = 0. 61 mb·益 -1;驻 为在平均
湿球温度 t (益) 时饱和水汽压曲线的斜率
(mb·益 -1),驻= 5430 es / 1. 8T2(T = ta +273. 3);es
为 ta时饱和水汽压(kPa);ed为气温 ta时的实际水汽
压(kPa);Cp为空气比热, Cp抑1 kJ·kg-1·益 -1;籽
为空气密度(kg·m-3),查表可得;ra为空气动力学
阻力; rs为冠层阻力 ( ra、 rs数值和计算参见文献
[26];为减少叶面积指数对气孔阻力的影响,rs的实
际计算公式修正为:rs = rsp / k·LAI,k = 0. 5[27] );Rn
为有效辐射量,计算公式如下:
Rn =R0-Rr-R1 =R0(1-琢)-R1 (8)
式中:R0为总辐射;Rr为反射辐射; 琢 为地面反射
率;R1为热辐射,计算如下:
R1 = 着滓( ta + 273) 4 ·(0郾 56 - 0郾 079e0郾 5d ) ·
19028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曹恭祥等: 宁夏六盘山人工林和天然林生长季的蒸散特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
(0郾 1 + 0郾 9n / N) (9)
式中:着 为灰度系数(抑0. 95); 滓 = 5. 67 伊10-12
W·m-2;ta为近地表气温;n / N为实际天文日照时数
与可能时数的比,反映云量情况. 如果大气总辐射
(R0)和热辐射(R1)以能量密度单位 W·m-2计,则
Rn 是这些能量用于水分蒸发潜热的水当量
(mm·d-1),考虑到水的汽化潜热 L = 2500 J·g-1,
则:
Rn =864000·[R0(1-琢)-R1]·L-1 (10)
1郾 4摇 数据处理
应用 Excel 和 SPSS 16. 0 统计分析软件对数据
进行处理. 乔木层蒸腾、灌木层蒸腾、土壤+草本层
蒸散对比通过成对样本 T 检验分析差异是否显著
(琢=0. 05),单株日蒸腾量对比进行方差分析(one鄄
way ANOVA),采用最小显著差数法(LSD)进行差
异显著性检验(琢=0. 05).文中数据均为平均值依标
准差.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同林分冠层截留量的月变化
通过对 2009 年 5—10 月 23 次单场降水的观
测,对比了 2 种林分每月的截留量(图 1). 结果表
明,华北落叶松人工林与华山松天然林冠层截留量
的变化趋势相同,前者为 6. 2 ~ 33. 7 mm,月平均截
留率为 34. 6 % ,后者为 5. 5 ~ 24. 0 mm,月平均截留
率为 29. 1 % .受 6 月降雨影响,各林分冠层截留量
为生长季最低值.华北落叶松林冠层截留量明显高
于华山松林,这与 2 种林分的叶面积指数(LAI)差
异有关(表 2). 研究认为,冠层截留量由降水量决
定,在降水量一定时,林分 LAI是影响冠层截留量的
图 1摇 不同林分冠层截留量的季节变化
Fig. 1摇 Seasonal variation of canopy interception of different for鄄
est types.
A:华北落叶松人工林 L. principis鄄rupprechtii plantation; B:华山松天
然林 P. armandii stand. 下同 The same below.
表 2摇 不同林分叶面积指数的季节变化
Table 2摇 Seasonal variation of leaf area index (LAI) of dif鄄
ferent forest types
月份
Month
林型 Forest type
A B
5 3. 73依0. 45 2. 94依0. 46
6 4. 40依0. 04 3. 48依0. 32
7 4. 80依0. 05 4. 06依0. 12
8 4. 50依0. 13 3. 93依0. 11
9 4. 07依0. 07 3. 13依0. 11
10 2. 97依0. 35 2. 26依0. 53
重要因素.
2郾 2摇 不同林分主要乔木树种的单株及林分蒸腾量
2郾 2郾 1 树干液流速率 摇 华北落叶松、华山松和白桦
的树干液流速率都呈明显的昼夜交替变化(图 2).
通常,日出后树干液流开始启动,7:00—8:00 液流
速率快速增强,峰值多出现在 13:00—15:00,19:00
以后液流速率减弱,日落时液流速率降至最低.
各树种树干液流速率在白天基本表现为单峰曲
线,且峰值及形状受天气特征影响较大.例如:晴天(8
月 4—5日)各树种的液流密度明显高于多云天气(6
日)和雨天(7—9日).晴天时各树种树干液流速率的
大小依次为:白桦>华北落叶松>华山松;而在阴雨天,
各树种液流速率差别较小.这说明在湿润季节,气象
因子是树干液流速率的主要影响因素.
2郾 2郾 2 单株日均蒸腾量 摇 由图 3 可以看出,不同树
种单株日均蒸腾量差异显著. 受树干液流速率和边
材面积共同影响,白桦单株日蒸腾远大于其他树种,
分别是华北落叶松、华山松、红桦的 2. 0、2. 2 和 4. 3
倍.华山松与华北落叶松相比,5、6、10 月华山松日
均蒸腾量较大,7、8、9 月则是华北落叶松较大.这与
华山松为常绿树种有关.
图 2摇 主要乔木树种树干液流速率的日变化
Fig. 2摇 Daily variation of sap flow rate of main tree species.
玉:华北落叶松 L. principis鄄rupprechtii; 域:华山松 P. armandii; 芋:
白桦 B. platyphylla.下同 The same below.
2902 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 3摇 主要乔木树种单株日均蒸腾量的季节变化
Fig. 3 摇 Seasonal variation of mean daily transpiration of main
tree species.
郁:红桦 B. albo鄄sinensis. 不同小写字母表示树种间的差异显著(P<
0. 05) Different small letters indicated significant difference among tree
species at 0. 05 level.
2郾 2郾 3 冠层蒸腾量 摇 两个样地主要乔木树种胸径鄄
边材面积的相关性见表 3. 对样地每木检尺求算出
样地的累积边材面积,华北落叶松人工林固定样地
的累积边材面积为 5195. 4 cm2,是华山松天然林的
2. 1 倍,且由式(5)可知,累积边材面积与蒸腾量成
正相关.
在生长季,2 种林分冠层日均蒸腾量差异极为
显著(图4) .华北落叶松人工林冠层日均蒸腾量为
表 3摇 主要乔木树种树干胸径(x)与边材面积(y)的关系
Table 3 摇 Relationships between DBH ( x) and sapwood
area (y) of dominant tree species
树种
Tree species
回归方程
Regression
R2 样品数
Sample number
玉 y=1. 17x1. 6655 0. 93 9
域 y=1. 2125x1. 7144 0. 98 21
芋 y=1. 3262x1. 6031 0. 96 18
郁 y=1. 2687x1. 6046 0. 89 11
玉:华北落叶松 L. principis鄄rupprechtii; 域:华山松 P. armandii; 芋:
白桦 B. platyphylla; 郁:红桦 B. albo鄄sinensis.
图 4摇 不同林分的日均蒸腾量
Fig. 4摇 Mean daily transpiration of different forest types.
0. 25 ~ 1. 33 mm·d-1,华山松天然林冠层日均蒸腾
量为 0. 07 ~ 0. 63 mm·d-1 . 5 月各林分冠层日均蒸
腾量随气温、太阳辐射回升而迅速增加;受 6 月降雨
影响,2 种林分冠层蒸腾出现不同程度的回落,进入
雨季后蒸腾量迅速回升;10 月降至生长季最低. 可
以看出,在少雨季节土壤水分是林分蒸腾量的限制
因子;当土壤水分较为充足时,累积边材面积对林分
蒸腾量影响较大.
2郾 3摇 不同林分的灌层蒸腾量和草本+土壤层蒸散
量
不同林分灌层日均蒸腾量和草本+土壤层日均
蒸散量差异显著(表 4). 华北落叶松人工林中较低
的灌木郁闭度使灌层蒸腾较低,而草本+土壤层的
蒸散较高,这可能是由于林冠遮阴和较少降水可以
补充浅层土壤水分,使得林下蒸散受太阳辐射和土
壤水分影响较小,而受温度、湿度等影响较大,使得
灌木蒸腾量和草本+土壤层蒸散量与温度的季节变
化一致.
2郾 4摇 不同林分的总蒸散量
华北落叶松人工林生长季总蒸散量 518. 2 mm,
为同期降水量的 104. 6% ;华山松天然林生长季总
蒸散量 420. 5 mm,为同期降水量的 84. 9% ,而且 2
种林分总蒸散量变化趋势相近(图 5).即 5 月随着
气温回升和树木的快速生长,总蒸散量较高;6 月受
降雨量的影响,蒸散量较低;7 月随着降水量增加,
总蒸散量回升,至 8 月林分总蒸散量达到全年最大
值;到 9、10 月,气温开始下降,总蒸散量逐渐减小.
摇 摇 受林分垂直结构影响,各蒸散分量所占比例存
在明显差异.华北落叶松人工林月均蒸散量为 86. 4
mm,其中,冠层蒸散 44. 8 mm(冠层截留 19. 6 mm,
乔木蒸腾 25. 2 mm),灌木蒸腾量 4. 4 mm,草本+土
壤 层蒸散量37 . 1 mm,分别占51 . 9% 、5 . 1%和
表 4摇 不同林分灌层蒸腾量和草本+土壤层蒸散量季节变化
Table 4摇 Seasonal variation of mean daily transpiration of
shrub layer and mean daily evapotranspiration of herbage
and soil layer under different forest types
月份
Month
温度
Temperature
(益)
A
a b
B
a b
5 8. 76 1. 13依0. 12 0. 13依0. 02 0. 73依0. 25 0. 57依0. 09
6 12. 45 1. 23依0. 61 0. 17依0. 01 0. 70依0. 38 0. 88依0. 09
7 14. 25 1. 70依0. 31 0. 19依0. 01 0. 84依0. 13 0. 91依0. 01
8 12. 53 1. 37依0. 54 0. 19依0. 01 0. 76依0. 01 0. 82依0. 03
9 10. 10 1. 08依0. 35 0. 14依0. 01 0. 59依0. 02 0. 45依0. 01
10 4. 82 0. 75依0. 01 0. 05依0. 01 0. 46依0. 16 0. 21依0. 03
a)草本+土壤层日均蒸散量Mean daily evapotranspiration of herbage and
soil layer; b)灌木层日均蒸腾量 Mean daily transpiration of shrub layer.
39028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曹恭祥等: 宁夏六盘山人工林和天然林生长季的蒸散特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 5摇 不同林分的总蒸散量及组成的季节变化
Fig. 5 摇 Seasonal variation of total evapotranspiration and its
components under different forest types.
a)草本+土壤层蒸散量 Evapotranspiration of herb and soil layer; b)灌
木层蒸腾量 Transpiration of shrub layer; c)乔木层蒸腾量 Transpira鄄
tion of tree layer; d)冠层截留量 Canopy interception.
图 6摇 不同林分蒸散的模拟值和实测值比较
Fig. 6摇 Comparison of evapotranspiration of different forest types
between simulation and observation values.
玉:模拟值 Simulation value; 域:测量值 Observation value.
43郾 0% ;华山松天然林月均蒸散量 68郾 8 mm,其中,
冠层蒸散 29. 1 mm(冠层截留 15. 9 mm,乔木蒸腾
13. 2 mm),灌木蒸腾 19. 6 mm,草本+土壤层蒸散量
21. 4 mm,分别占 41. 6% 、27. 9%和 30. 5% .各分量
对总蒸散量的贡献大小均为冠层蒸散>草本+土壤
层蒸散>灌木蒸腾.
2郾 5摇 Penman鄄Monteith方程对林分蒸散的模拟
应用 Penman鄄Monteith 方程模拟的林分月蒸散
量与其实测值具有较好的吻合度(图 6). 整个生长
季,华北落叶松人工林和华山松天然林的模拟值较
实测值低 82. 1 和 49. 3 mm,相对误差分别为 15. 8%
和 11. 7% .
2郾 6摇 蒸散与降水的关系
由图 7 可以看出,2 种林分蒸散与降水之间可
以通过线性方程进行较好地拟合(P<0. 05),且其蒸
散量均随降水量的增加而增加. 而且华北落叶松人
工林中 2 个变量的斜率(0. 33)明显大于华山松林
(0. 22),说明华北落叶松人工林比华山天然林消耗
更多的水分.
图 7摇 不同林分蒸散量与降水量的相关关系
Fig. 7 摇 Correlation of precipitation and evapotranspiration of
different forest types.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 基于实测和模拟林分蒸散量的估计
有研究表明,应用树干液流技术估算森林蒸散,
对地形起伏变化较大、下垫面情况复杂的山地森林
具有不可替代的优势,且可区分出蒸散的各个组
分[27-29] .但是,该方法存在着由于取样大小导致尺
度上推结果的准确性问题. 与此相比, Penman鄄
Monteith方程理论比较完整,考虑因素较为全面.由
于该方程对地形和下垫面的要求较高,多用于草地
和农作物蒸散的研究,很难用于山地森林蒸散的研
究之中.近年来,程根伟等[25]采用 LAI 对该方程中
的空气动力学阻力参数进行了修正,并应用于贡嘎
山亚高山林区冷杉林(Abies fabri)的森林蒸散研究
中,修正后的 Penman鄄Monteith方程可以较为准确地
估计山地森林蒸散. 本研究应用 2 种方法研究了华
北落叶松人工林和华山松天然林的蒸散,结果表明,
4902 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
应用树干液流技术和 Penman鄄Monteith 方程对 2 种
林分蒸散值之间的相对误差为 15. 8%和 11. 7% ,这
与贺康宁等[30]的可接受精度范围十分接近,说明树
干液流测定技术可以用于估算山地林分蒸散及其
分量.
3郾 2摇 人工林与天然林生长季的总蒸散量及其组成
有研究表明,与天然林相比,人工林一般具有较
高的水分消耗总量[31-32] . 本研究对同一小流域内
相邻华北落叶松人工林和华山松天然林蒸散的研究
表明,人工林生长季总蒸散量(518. 2 mm)远高于天
然林(420. 5 mm),这与 Licata 等[33]对北美黄松人
工林(Pinus ponderosa)和天然柏木(Austrocedrus chil鄄
ensis)林的水分利用特征研究结果基本一致. Licata
等[33]发现,湿润年和干旱年黄松人工林的耗水量分
别比柏木天然林高 64. 0%和 33. 0% .黄松较高的单
株蒸腾速率是引起人工林水分利用多于天然柏木林
的主要原因[33] . 在本研究中,尽管华北落叶松的液
流速率要低于华山松,但由于单位林地内的边材面
积较大,导致输出更多的水分和较高的冠层蒸腾速
率.王力等[34]对子午岭刺槐(Robinia pseucdoacacia)
人工林和山杨(Populus davidiana)、辽东栎天然林的
研究表明,郁闭度为 0. 7 的人工林的耗水量明显大
于郁闭度为 1. 0 的天然林. Hebert 和 Jack[35]对美国
东德克萨斯州火炬松(Pinus taeda)林分冠层分析发
现,LAI与蒸散之间的相关性很低(R2 =0. 06).本研
究则认为,人工林较大的郁闭度和 LAI 可能是引起
高蒸散量的重要原因.另外,王进鑫等[36]、郭忠升和
邵明安[15]在黄土高原丘陵区的研究结果显示,人工
林较高的耗水量会造成严重的水分亏缺、土壤干层
和植被衰退.本研究中,华北落叶松人工林并没有造
成林地严重的水分亏缺,可能因为研究地属于半湿
润区,冬季降雪可以补充生长季的土壤水分亏缺有
关.尽管如此,人工林快速生长及其较高的耗水量,
可能使该区人工林可持续经营和区域用水资源安全
存在隐患.
综上所述,同一小流域内华北落叶松人工林与
华山松天然林的蒸散及其分量组成特征差异较大.
除受树木生理特征的影响外,林分结构决定了林分
总蒸散量及分量的组成比例.在同一气候类型下,华
北落叶松人工林生长季的总蒸散量为 518. 2 mm,其
耗水量要远高于华山松天然林(420. 5 mm).人工林
乔木层较大的密度结构不仅增加了水分消耗量,而
且林下较低的覆盖也增加了土壤水分的蒸发. 随着
生长季内降雨量的增加,人工林将比天然林蒸散更
多的水分.目前,位于六盘山南侧半湿润区的华北落
叶松人工林尚未引发明显的土壤水分亏缺等问题,
但是人工林快速生长导致的耗水量增加可能成为影
响该区森林可持续经营和区域用水资源安全的潜在
隐患.
参考文献
[1]摇 Zhang X鄄J (张新建), Yuan F鄄H (袁凤辉), Chen N鄄
N (陈妮娜), et al. Energy balance and evapotranspira鄄
tion in broad鄄leaved Korean pine forest in Changbai
Mountains. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生
态学报), 2011, 22(3): 607-613 (in Chinese)
[2]摇 Bonan GB. Forests and climate change: Forcings, feed鄄
backs and the climate benefits of forests. Science, 2008,
320: 1444-1449
[3]摇 Oishi AC, Oren R, Stoy PC. Estimating components of
forest evapotranspiration: A footprint approach for scal鄄
ing sap flux measurements. Agricultural and Forest Me鄄
teorology, 2008, 148: 1719-1732
[4]摇 Zhao P (赵摇 平), Sun G鄄C (孙谷畴), Ni G鄄Y (倪广
艳), et al. Seasonal differences in the leaf hydraulic
conductance of mature Acacia mangium in response to its
leaf water use and photosynthesis. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2013, 24(1): 49-
56 (in Chinese)
[5]摇 Pfautsch S, Bleby TM, Rennenberg H. Sap flow
measurements reveal influence of temperature and stand
structure on water use of Eucalyptus regnans forests.
Forest Ecology and Management, 2010, 259: 1190 -
1199
[6]摇 Baldocchi DD, Law BE, Anthoni PM. On measuring
and modeling energy fluxes above the floor of a homoge鄄
neous and heterogeneous conifer forest. Agricultural and
Forest Meteorology, 2000, 102: 187-206
[7]摇 Liu Z鄄J (刘志军), Zhang W鄄J (张万军), Cao J鄄S
(曹健生), et al. Evapotranspiration in Pumica grana鄄
tum stand in Lower Taihang Mountain. Chinese Journal
of Applied Ecology (应用生态学报), 2003, 14(6):
879-881 (in Chinese)
[8]摇 Staudt K, Serafimovich A, Siebicke L, et al. Vertical
structure of evapotranspiration at a forest site: A case
study. Agricultural and Forest Meteorology, 2010, 151:
709-729
[9]摇 Giambelluca TW, Scholz FG, Bucci SJ, et al. Evapo鄄
transpiration and energy balance of Brazilian savannas
with contrasting tree density. Agricultural and Forest
Meteorology, 2009, 149: 1365-1376
[10]摇 Guo R鄄P (郭瑞萍), Mo X鄄G (莫兴国). Differences
of evaportranspiration on forest, grassland and farmland.
Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2007, 18(8): 1751-1757 (in Chinese)
[11]摇 Ewers BE, Gower ST, Bond LB. Effects of stand age
and tree species on canopy transpiration and average
stomatal conductance of boreal forests. Plant, Cell and
Environment, 2005, 28: 660-678
[12]摇 Iida S, Tanaka T, Sugita M. Change of evapotranspira鄄
tion components due to the succession from Japanese red
pine to evergreen oak. Journal of Hydrology, 2006,
326: 166-180
59028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曹恭祥等: 宁夏六盘山人工林和天然林生长季的蒸散特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
[13]摇 Friedman ST. Environmental aspects of the intensive
plantation / reserve debate. Journal of Sustainable Forest,
2006, 21: 59-73
[14]摇 Peng S鄄L (彭舜磊), Wang D鄄X (王得祥), Zhao H
(赵摇 辉), et al. Discussion the status quality of plan鄄
tation and near nature forestry management in China.
Journal of Northwest Forestry University (西北林学院学
报), 2008, 23(2): 184-188 (in Chinese)
[15]摇 Guo Z鄄S (郭忠升), Shao M鄄A (邵明安). Effect of ar鄄
tificial Caragana korshinskii forest on soil water in the
semiarid area of Loess hilly region. Scientia Silvae Sini鄄
cae (林业科学), 2010, 46(12): 1-7 (in Chinese)
[16]摇 Wang Y鄄H (王彦辉), Xiong W (熊 摇 伟), Yu P鄄T
(于澎涛), et al. Study on the evapotranspiration of for鄄
est and vegetation in dryland. Science of Soil and Water
Conservation (中国水土保持科学), 2006, 4(4): 19-
25 (in Chinese)
[17]摇 Li J鄄H (李俊辉), Li Y鄄Y (李秧秧), Zhao L鄄M (赵
丽敏), et al. Effects of site conditions and tree age on
Robinia pseudoacacia and Populus simonii leaf hydraulic
traits and drought resistance. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2012, 23(9): 2397-2403
(in Chinese)
[18]摇 Macfarlanea C, Bonda C, White DA, et al. Transpira鄄
tion and hydraulic traits of old and regrowth eucalypt for鄄
est in southwestern Australia. Forest Ecology and Man鄄
agement, 2010, 260: 96-105
[19]摇 Xiong W (熊 摇 伟), Wang Y鄄H (王彦辉), Xu D鄄Y
(徐德应). Regulations of water use for transpiration of
Larix principi鄄rupprechtii plantation and its response on
environmental factors in southern Ningxia hilly area. Sci鄄
entia Silvae Sinicae (林业科学), 2003, 39(2): 1-7
(in Chinese)
[20]摇 Wang S鄄G (王双贵), Zhao X鄄E (张晓娥), Zhang J鄄J
(张建军), et al. Research on Larix principi鄄rupprechtii
artificial woods 爷 reasonable density of partition in
Liupan Mountains area. Journal of Ningxia Agricultural
College (宁夏农学院学报), 2002, 23 (3): 12 - 14
(in Chinese)
[21]摇 Xiong W (熊 摇 伟), Wang Y鄄H (王彦辉), Yu P鄄T
(于澎涛), et al. Variation of sap flow among individu鄄
al trees and scaling up for estimation of transpiration of
Larix principis鄄rupprechtii stand. Scientia Silvae Sinicae
(林业科学), 2008, 44(1): 34-40 (in Chinese)
[22] 摇 Xu L鄄H (徐丽宏), Shi Z鄄J (时忠杰), Wang Y鄄H
(王彦辉), et al. Canopy interception characteristics of
main vegetation types in Liupan Mountains of China.
Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2010, 21(10): 2487-2493 (in Chinese)
[23]摇 Xiong W (熊 摇 伟), Wang Y鄄H (王彦辉), Yu P鄄T
(于澎涛), et al. Evapotranspiration of natural Quercus
liaotungensis and Tilia paucicostata secondary stands in
Liupan Mountains of Ningxia. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2005, 16(9): 1628-1632
(in Chinese)
[24]摇 Kostner B. Evaporation and transpiration from forests in
central Europe: Relevance of patch鄄level studies for
spatial scaling. Meteorology and Atmospheric Physics,
2001, 76: 69-82
[25]摇 Cheng G鄄W (程根伟), Yu X鄄X (余新晓), Zhao Y鄄T
(赵玉涛), et al. Evapotranspiration simulation of sub鄄
alpine forest area in Gongga Mountain. Journal of Bei鄄
jing Forestry University (北京林业大学学报), 2003,
25(1): 23-27 (in Chinese)
[26]摇 Sun L (孙摇 林), Xiong W (熊摇 伟), Wang Y鄄H (王
彦辉), et al. Use of storage water in Larix principis鄄
ruprechtii and its response to soil water content and po鄄
tential evapotranspiration: A modeling analysis. Chinese
Journal of Plant Ecology (植物生态学报), 2011, 35
(4): 411-421 (in Chinese)
[27]摇 Wullschleger SD, Meinzer FC, Vertessy RA. A review
of whole鄄plant water use studies in trees. Tree Physiolo鄄
gy, 1998, 18: 499-512
[28]摇 Liu J鄄T (刘京涛), Liu S鄄R (刘世荣). Advances and
perspectives in evapotranspiration studies. Scientia Sil鄄
vae Sinicae (林业科学), 2006, 42(6): 108-114 ( in
Chinese)
[29]摇 Rousseaux MC, Figuerola PI, Tedesco GC, et al. Sea鄄
sonal variations in sap flow and soil evaporation in an ol鄄
ive (Olea europaea L. ) grove under two irrigation re鄄
gimes in an arid region of Argentina. Agricultural Water
Management, 2009, 96: 1037-1044
[30]摇 He K鄄N (贺康宁), Tian Y (田 摇 阳), Zhang G鄄C
(张光灿). Modeling of the daily transpiration variation
in locust forest by Penman鄄Monteith equation. Acta Eco鄄
logica Sinica (生态学报), 2003, 32 (2): 251 - 258
(in Chinese)
[31]摇 Farley KA, Jobbagy EG, Jackson RB. Effects of affor鄄
estation on water yield: A global synthesis with implica鄄
tions for policy. Global Change Biology, 2005, 11:
1565-1576
[32]摇 Nosetto MD, Jobbagy EG, Paruelo JM. Land鄄use
change and water losses: The case of grassland afforesta鄄
tion across a soil textural gradient in central Argentina.
Global Change Biology, 2005, 11: 1101-1117
[33]摇 Licata JA, Gyenge JE, Fernandez ME, et al. Increased
water use by ponderosa pine plantations in northwestern
Patagonia, Argentina compared with native forest vegeta鄄
tion. Forest Ecology and Management, 2008, 255:
753-764
[34]摇 Wang L (王 摇 力), Shao M鄄A (邵明安), Wang Q鄄J
(王全九), et al. Comparison of soil desiccations in
natural and acacia forests in the Ziwuling Mountain of
the Loess Plateau. Acta Botanica Boreali鄄Occidentalia
Sinica (西北植物学报), 2005, 25(7): 1279 -1286
(in Chinese)
[35]摇 Hebert MT, Jack SB. Leaf area index and site water
balance of loblolly pine (Pinus taeda L. ) across a pre鄄
cipitation gradient in East Texas. Forest Ecology and
Management, 1998: 273-282
[36]摇 Wang J鄄X (王进鑫), Huang B鄄L (黄宝龙), Luo W鄄X
(罗伟祥). Compensation and rehabilitation characteris鄄
tics of soil water deficit at a planted forest site of the
drought鄄prone Loess Plateau. Acta Ecologica Sinica (生
态学报), 2004, 24(11): 2395-2401 (in Chinese)
作者简介摇 曹恭祥,1984 年生,男,博士研究生. 主要从事干
旱、半干旱地区森林生态水文学、树木生理生态学研究,发表
论文 4 篇. E鄄mail: caogongxiang1984@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
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