全 文 ：文章编号:1007- 4929(2008)02-0032-04
贵 州喀 斯特 峡 谷花 椒 林地
生 态 需 水 规 律 研 究
彭　熙1 , 2 ,钱晓刚2 ,杨　滨3 ,唐　妥4
(1.贵州科学院喀斯特资源环境与发展研究中心 ,贵阳 550001 ;2.贵州大学农学院 ,贵阳 550025;
3.贵州省贵阳市花菽区农业局 , 贵阳 550025;4.贵定农业局 , 贵定 551300)
　　摘　要:以实地定点观测为基础 ,对贵州省典型喀斯特峡谷区花椒林地的生态需水进行了定量研究 , 分析了叶面
蒸腾 T 与土面蒸发E 作用的相互关系及蒸腾作用的分摊系数α, 阐述了生态需水的一般规律。结果表明:全年蒸腾
量均大于蒸发量 ,其分摊系数α总体维持在 0.45～ 0.75之间 ,二者呈现明显的互为消长关系。蒸腾蒸发日变化与年
变化曲线均表现为单峰曲线 , 一天中中午最大 ,一年中夏季最大。叶面系数和温度的影响作用较大 , 土壤含水量和相
对湿度次之。花椒林地全年平均蒸散量为 1.58 mm ,夏半年日平均 2.07 mm , 冬半年 1.09 mm ,年总耗水量为 575.19
mm ,占年降雨总量的 60.23%。
　　关键词:花江峡谷;林地;生态需水;叶面蒸腾;土壤蒸发
　　中图分类号:S161.4　　文献标识码:A
Study on Ecological Water Demand of Zanthoxylum Forest Land
in Guizhou Karst Valley Area
PENGXi1 , 2 , QIAN Xiao-gang2 , YANG Bin3 , TANG Tuo4
(1.Research Center for Karst Resources environment &Development of Guizhou , Guizhou Academy of Science, Guiyang , 550001;
2.Arg riculture College o f Guizhou University , Guiyang , 550025;3.Agriculture Bureau of H uax i Guiy ang , Guiyang 550025;
4.Agriculture Bureau of Guiding , Guiding 551300)
Abstract:Based on field test , the ar ticle studied the eco lo gical w ater demand of Zanthoxy lum fo rest land quantifica tionally in typical
ka rst valley a rea , analyzed the relationship between leaf transpira tion and soil evapo ration , expounded the general rule of eco lo gy w a-
te r demand.The re sults indica ted tha t the transpiration is faster than evapor ation in a who le year , w hich shared a coefficient alpha o f
0.45～ 0.75;furthermo re , they display ed a obvious relation o f increase and decrease mutually.The diurnal variation and the annual
variation curves of transpiration and evaporation represents a single kurtosis which manifests higher at noon in a day as well as summer in a
year.The influence factors firstly are LA I and temperature , the nex t are soil moisture content and the relative humidity.The daily average e-
vapo transpiration of a w hole year in Zanthoxy lum forest land is 1.58mm with a diurnal level of 2.07mm in summer half y ear and 1.09mm in
winter half year.The all-year w ater demand was 575.19mm which take 60.23 percent of annual rainfall.
Key words:Huajiang valley;fo rest land;eco lo gy wa te r demand;leaf transpiration;so il evapora tion
　　近年来 ,作物需水问题越来越受到人们的关注 , 特别是在
一些干旱地区 ,植物需水规律已经成了研究的热点问题。西南
喀斯特山区由于其特殊的水文地质条件 , 生态需水问题在局部
地区还十分突出[ 1] 。花江峡谷区就是最为典型的例子 , 由于该
地区工程性缺水严重 , 以及温度高 、降水少 、蒸发大等原因 , 导
致植被生长更趋缺水[ 2] , 农作物难以栽种 , 成片萎蔫甚至旱死
现象多有发生 ,野生植被生长困难 , 石漠化现象严重 , 已经是贵
州省石漠化极为严重的区域[ 3] 。水问题已经成了制约当地农
收稿日期:2007-09-10
基金项目:国家“ 973”计划项目(2006CB403204);国家“十五”科技攻关项目(2004BA606A-09);贵州省自然科基金项目(黔科合[ 2007] 2158号)。
作者简介:彭　熙(1978-),男 ,助理研究员 ,硕士 ,主要从事喀斯特区域 SPAC系统水分传输、水土保持及生态建设方面的研究。
通讯作者:钱晓刚 ,男 ,教授。
32 节水灌溉 ·2008 年第 2 期
业与经济发展的一个关键因素 ,尽管国内外许多学者对蒸发蒸
腾的计算进行了有益的探讨 ,提出了一系列经验与半经验的计
算模式[ 4 ～ 7] ,也不能准确反应实际需水量 , 因而从生态需水的
角度进行长期的观测成了必要的手段 , 其结果具有较好的适用
性 ,对农田灌水决策制定与实施以及农民增收都具有十分重要
的意义。
1　试验区自然条件
试验区所在的花江大峡谷位于贵州西南部 , 地处贞丰县和
关岭县交界处 ,东经 150°36′30～ 150°46′30″、北纬 25°39′13″～
25°41′00″;区内地势陡峭 ,北东翼倾角为 30°～ 50°,而南西翼为
20°～ 30°;高差悬殊 , 最高海拔 1 473 m , 最低海拔 515 m;热量
资源丰富 ,年均温度 18.4℃, 年日照时数超过 2 500 h;降雨多
而不均 ,属中亚热带干热河谷气候 , 土层浅薄 , 植被单一 , 林灌
草覆盖率低。
2　材料与方法
试验从 2004 年 8 月开始 , 2005 年 7 月结束 ,地点选在板贵
乡乡政府旁边韩家地中进行。花椒树行距为 3.5 m , 株距为 3
m。按年龄分别选择 3 年树 、4 年树以及 5 年以上树为研究对
象 ,设两次重复测定棵间蒸发 、植株蒸腾 、叶面系数 、温度及土
壤含水率等相关参数。实验按唯一差异原则设计 , 旁边辅助以
气象观测站 ,用于测定相关气象资料。
棵间蒸发量用测渗学法(蒸渗仪法)测定 ,该方法是基于液
态水消耗因素确定地表-大气界面水汽通量[ 8] , 根据此原理用
自制小型蒸发器测定 ,高 10 cm , 直径 8 cm , 8∶00 时田间取原
状土 ,塑料袋封底 , 用准确到 0.1 g的天平称重 ,然后置于田间 ,
分别于 18∶00 时与次日 8∶00 时称量土重 , 其质量损失即为
当天白天和夜间的土壤棵间蒸发量。土壤每天更换一次 ,保证
蒸发器中土壤含水量与作物行间的土壤含水量一致。
ΔW =(W2 -W1 -P)/ S (1)
式中:ΔW 为蒸发器内 1 天质量增量;W2 和 W1 分别为第 2 天
和第 1 天实测土壤重量;P 为该时段降雨量;S 为蒸发器底
面积。
植株蒸腾量采用快速称重法测定[ 9] , 原理就是植物蒸腾失
水 ,重量减轻 , 蒸腾前后用天平称重 , 两次重量之差 , 即为蒸腾
失水的重量。数据观测是每日 8∶00 时开始 , 2 h 测定 1 次 , 20
∶00 时结束 ,测定瞬时速率。公式为:
EV = W/(t· S)
式中:E V 为蒸腾速率;W 为两次称重质量差异;t 为两次称重
间隔时间;S 为称重花椒叶片的面积。
在蒸腾速率和田间蒸发测定的基础上 , 计算出时段蒸散
量 ,方法与龚道枝 、康绍忠研究结果计算[10] ,其公式表述为:
ET = N[ ∑n
i=1
(p i· sap f lu x i)+∑n
i = 1
(p i · E si)]
式中:N 为单位平方米的植株数量;P i 为等级 i 出现的次数;
sap f luxi 为等级 i 果树平均流通量;E si为等级 i 的花椒冠层下
的平均土面蒸发量。
叶面积用重量法测定 , 温度测定包括大气温度和地表温
度 ,土壤含水量采用烘干法测定。
3　结果与分析
在实测不同时间蒸腾与蒸发速率的基础上 , 按蒸腾速率和
蒸发速率分段 ,然后计算出日蒸腾量与蒸发量 , 发现其中有一
定的规律性 ,总结如下。
3.1　植株蒸腾过程及规律
3.1.1　花椒蒸腾日变化规律
根据 1 d 内的观测数据记录以及植株的生长规律 , 按月份
选取每隔一月数据作出蒸腾的日变化规律图 , 其变化曲线如
图 1。
图 1　蒸腾速率日时刻变化
由此曲线可以看出:在花椒的生长周期内 , 不同季节蒸腾
速率有较大差异 , 夏季不同时段的蒸腾速率均超过冬季的 4
倍 ,且一天内的蒸腾速率都有明显的日变化 , 以 8∶00 时 、13∶
00 时和 18∶00 时为例 , 冬季时 , 蒸腾速率从早上的 4.0 mg ·
m-2 · s-1到中午的 13.0 mg·m -2 · s -1再到下午的 5.8 mg ·
m-2 · s-1 , 绝对值较小 ,而夏季时绝对值较大 , 从早上的 17 mg
·m -2 · s -1到中午43 mg ·m -2 · s-1再到下午的25 mg ·m -2
· s-1 , 都显示为先增强后减弱的过程 ,最大值一般均出现在中
午 12∶00 ～ 14∶00 时左右 , 下午 16∶00 时后迅速减弱 , 全过
程呈明显的单峰曲线。 这是因为:随着太阳高度角的增加 , 辐
射增强 ,土壤温度升高 , 增加了水的自由能 , 水分子扩散速度加
快 ,植物蒸腾速率也随之加快。同时 , 光照使叶面温度升高 , 提
高叶肉细胞间隙和气孔下腔的蒸汽压 , 气孔开放 , 减少蒸腾的
阻抗 ,因而蒸腾作用加强。因此 , 在温度与光照的综合作用下 ,
花椒树蒸腾作用在 12∶00 ～ 14∶00 时达到最高值。从 16∶00
时开始 ,叶内外水汽压差逐渐减小 , 蒸腾速度逐渐减慢 , 到晚上
时 ,温度接近或已经达到了露点 , 水蒸气的凝结量和蒸腾量持
平或蒸腾量小于水蒸气凝结的速度 ,蒸腾速率极低。
3.1.2　林地蒸腾的年变化规律
林地蒸腾的年变化规律则更加明显 , 最低值出现在每年的
12 月和 1 月 ,月总蒸腾量在 10 mm 左右 ,这主要是因为花椒属
落叶植物 ,冬季时有 70%左右的叶片衰老脱落 , 蒸腾速率大大
降低。同时 ,冬季也是峡谷区全年最干旱的时候 , 严重的区域
干旱使土壤含水量大幅下降 , 土壤水势降低 , 作物根系吸水困
33贵州喀斯特峡谷花椒林地生态需水规律研究　　彭　熙　钱晓刚　杨　滨　等
难 ,从而大大降低蒸腾速率。最大值出现在 5 ～ 7 月 , 此时 , 作
物正处于生长旺盛的果实膨大期 , 叶片多 , 光照强 , 温度高 , 月
蒸腾量为 50 mm 左右。
其影响因素主要有叶面系数 、温度 、土壤含水量及相对湿
度等。其中叶面系数和温度较为明显 , 可由图 2 和图 3 来
反应。
图 2　蒸腾与叶面系数的关系
图 3　蒸腾与温度的关系
由图 2～ 3 可以看出:蒸腾量与叶面系数 、温度均有较好的
线性关系 ,其相关系数分别达到 0.97 和 0.88。在一年中 ,叶面
积与温度的增减基本同步 , 在这两个因子的双重叠加作用下 ,
蒸腾作用就呈现如图 4 所表现的明显的先增强后减弱的变化
趋势。
图 4　花椒林地全年蒸腾发曲线
3.2　棵间蒸发
棵间蒸发是作物植株间的土壤(旱地)或水面(水田)的水
分损失 ,其损失水量没有经过植株体 , 对植株而言是无效水 , 但
就整个生态环境来说 , 它是构成生态需水的重要组成部分 , 区
分蒸腾需水和蒸发耗水对高效用水起着重要的作用。
棵间蒸发随气候因素及植株覆盖度变化而变化 , 其值 E 等
于蒸散总量E T 与叶面蒸腾 T 之差 ,于是有以下关系:
E/ ET =(ET -T)/ ET =1 -T/ ET
　　E/ E T 的变化规律恰好与 T/E T 相反[ 11] , 当 T/ E T 增加
时 , E/ E T减小 , 同时由于棵间蒸发与蒸腾作用一样随着温度
的升高而加快 ,因此当温度和叶面系数都增加时 , E/ E T 在减
小 ,因此可以推理 , E/ ET 随叶面积指数 LA I 增加而减小。 由
于温度和叶面系数全年呈相似的变化趋势 , 在 4 ～ 7 月 , 温度升
高 ,叶面系数也增加 , 但蒸发总量仍然加大 , 说明温度影响大于
叶面系数 ,叶面系数的增加削减了因温度升高所引起的强烈蒸
发 ,所以在一正一负两因素共同作用下 , 呈现较为平缓的变化
趋势 , 图 4 显示的实地测量也反应出这一点。同时还可以看
出:花椒林地土面蒸发速度日平均数保持在 0.4 ～ 0.7 mm 这
个水平 ,月蒸发量保持在 10 ～ 20 mm 的水平 , 变化幅度较小 ,
总体趋于平稳 ,其全年变化趋势与蒸腾作用相似 , 表现为先增
加后减少的过程 ,但变幅远不及蒸腾作用明显。 数量也远不及
蒸腾作用明显 ,全年总消耗量为 200.97 mm , 略高于蒸腾耗水
的 1/ 3。
3.3　花椒全年耗水规律
花椒全年耗水表现为明显的季节变化特征 , 结合蒸散量
E T与花椒的生长发育规律可以将花椒全年需水分为 3 个
阶段:
需水最少的阶段在每年的 11 月到次年 2 月 , 是耗水量最
低的时期 ,其中 1 月月蒸腾量仅 8.82 mm , 低于蒸发量 12.81
mm ,月总蒸散量仅有 21.63 mm , 是全年最低值。此时叶片已
经衰老 ,物质代谢缓慢 , 蒸腾作用弱 ,每天仅需少量水分维持自
身的生理活动 ,耗水量很低 , 一般都在半毫米以下 , 但峡谷区内
温度并没有因为是冬季而急剧下降 ,所以蒸发仍然较大。
需水最多的时期在每年的 5 ～ 7 月 , 是生殖生长与营养生
长最旺盛的时期 , 月总蒸散量达到 70 mm , 在此期间 , 温度较
高 ,叶面系数也达到最大 , 蒸腾作用远大于蒸发作用 , 占到整个
生态需水的 70%。
其他月一般保持在 40 ～ 60 mm 之间 ,在 3～ 4 月中旬 , 是花
椒营养生长的过程 ,随着新叶生长 , 叶面系数增加 , 在 4 月中旬
下旬时转入生殖生长 , 蒸腾作用加强 ,耗水总量逐渐增加。 到
9 、10 月时果实已经采收 ,叶片开始脱落 , 蒸腾量开始降低 , 耗水
量也大大减小。
2004 年 8 月 1 日到 2005 年 7 月 31日期间 , 平均日蒸散量
达到 1.58 mm , 最大时一天耗水可达 4.19 mm , 单株花椒树平
均每天耗水 16.0 L ,年耗水量为 5 840 L ,花椒林地年总耗水量
为575.19 mm , 占到年降雨总量的 60.23%。
3.4　叶面蒸腾的分摊系数 α分区
植株对雨水的消耗主要表现为植株蒸腾量 、棵间蒸发量 ,
在不同生育阶段 ,它们变化很大 , 作物蒸发蒸腾量中叶面蒸腾
与棵间蒸发的分摊是农田水分循环研究中主要工作之一[ 12] ,
其中蒸腾拉力是作物根系吸水的源动力 , 为植株体内水分运输
提供保证 ,因此蒸腾量分摊系数 α(蒸腾数量占整个生态耗水
量的百分比)的建立以及其等级划分有助于减少无效损失 , 高
34 贵州喀斯特峡谷花椒林地生态需水规律研究　　彭　熙　钱晓刚　杨　滨　等
效用水。
α<0.55 的时期:11～ 2 月 , 此阶段花椒叶片仅剩下原来的
20%～ 30%,且多为老叶 ,蒸腾速率较低 , 但当地温度也能保持
在 10 ～ 15℃,此时土面几乎全部暴露 , 蒸发量并没急剧下降 , 故
蒸腾比重降到全年最低值 , α仅为 0.5左右。
0.55<α<0.65 的时期:9～ 10 月 , 此时果实已经采收 , 叶
片开始脱落 ,减少数量小 , 叶面系数仍然较大 ,同时由于峡谷内
的特殊气候 ,此时气温仍然保持在一个较高的水平 , 大气温度
为 25 ～ 30℃,蒸腾作用仍占优势。
0.65<α<0.75 的时期:3 ～ 8 月 , 此阶段是花椒花芽分
化 、开花结果积累干物质的时期 , 叶面积迅速增加 , 蒸腾需水既
用来合成自身干物质 ,也同时向大气扩散 , 数量较大。 同时 , 叶
面积的增加也必然导致到达地面的太阳辐射减少 , 土壤获取热
量少 ,从而可供土面水分蒸发的能量减少 , 土面蒸发受到抑制 ,
而蒸腾最为旺盛 , 因而此时蒸腾量的分摊系数最大 , α为 0.7
左右。
不难看出:α值的分期与作物全年需水规律分期较为相
似 ,需水最多和最少的时期也是α值最大最小的时期 , 不同的
是 3、4、8 三个月需水总量不多 , 但α值却处于最大阶段 , 说明
这三月也是蒸腾耗水的主要时期。花椒全年蒸腾量大于蒸发
量 ,总体表现为夏季多 , 冬季少 , 即有效水多于无效水 , 这为高
效节水利用提供前提条件。需要指出的是α值在冬季最小 , 说
明土面蒸发量占的比重大 ,因而 , 如何减少冬季土面无效蒸发 ,
使水分通过蒸腾作用散失 ,从而减少花椒的冬季旱死的数量才
是α值的真正意义所在 , 也是峡谷区花椒林地需水与其他地方
最根本的区别。
4　结　语
(1)花椒林地全年需水夏季远大于冬季 , 叶面蒸腾大于土
面蒸发 ,全年平均日蒸散量达到 1.58 mm , 其中蒸腾 1.03 mm ,
蒸发 0.55 mm , 总蒸散量为 575.19 mm , 占到年降雨量的
60.23%,容易出现季节性干旱。
(2)蒸腾与蒸年变化和日变化均表现为单峰曲线 , 一天中
中午最大 ,一年中夏季最大 , 叶面系数和温度温度对蒸腾蒸发
影响最大 ,且有较好的相关性。
(3)蒸腾分摊系数α介于 0.45 ～ 0.75 之间 , 其大小分期与
蒸散分期相似 ,说明需水量很大程度上由蒸腾作用决定。 同
时 ,由α系数也可以得出:有 25%～ 55%的水分损失为无效用
水 ,冬季比例最大 , 也是研究区干旱最严重的时期 , 作物时常因
干旱而死 ,因此 , 节水技术有较大的开发潜力 ,也有非常重要的
现实意义。
参考文献:
[ 1] 　苏维词.中国西南喀斯特山区生态需水概述[ J] .贵州科学 2006 ,
24(1):14-19.
[ 2] 　王　膑 ,钱晓刚 ,彭　熙.花江峡谷不同植被类型下土壤水分时空
分布特征[ J] .水土保持学报 , 2006 , 34(4):15-18.
[ 3] 　李阳兵 ,王世杰 ,熊康宁 ,等.浅议西南岩溶山地的水文生态效应
研究[ J] .中国岩溶 , 2003 , 22(1):24-27.
[ 4] 　Ritchie J T.Model for Predict ing Evaporation From a Row C rop
W ith Incomp lete Cover [ J〗.Water Resou rce Res , 1972 , 8(5):1
204-1 213.
[ 5] 　Sharma M L.Est imating Evapot ran spiration[ J] , Advances in Ir-
rigat ion , 1983.
[ 6] 　吴　凯 ,刘昌明 ,陈建耀.利用大型蒸渗仪模拟土壤-植物-大气
连续体水分蒸散[ J] .应用生态学报 , 1999 , 10(1):255-263.
[ 7] 　Federer CA.A Soil-Plant-Atmosphere M odel for T ran spiration
and availabi li ty of S oi l w ater[ J] .Water Rescuer Res , 1979 , 15
(3):555-562.
[ 8] 　段华平 ,卞新民 ,谢小立 ,等.农田水循环:地表-大气界面水分传
输研究进展[ J] .中国农业气象 2003.2 , 24(1):36-40.
[ 9] 　吴国辉 ,刘福娟.植物的蒸腾作用分析[ J] .农机化分析 , 2004 , 5:
287-290.
[ 10] 　龚道枝 ,康绍忠, 张建华 ,等.苹果树蒸发蒸腾量的测定和计算
[ J] .沈阳农业大学学报 , 2004 , 35(5～ 6):429-431.
[ 11] 　康绍忠 ,张富仓 ,刘晓明.作物叶面蒸腾与棵间蒸发分摊系散的
计算方法[ J] .水科学进展 , 1985 , 6(4);285-889.
[ 12] 　Nadine Brin ssion , Bernard S eguin , Pat rick ertu zzi.Agro m eteor-
ological s oi l w ater balance for crop simulat ion Models[ J] .Ag ri.
and For.Meter , 1992 ,(59):267-278.
(上接第 31 页)　例进行分配 , 主干渠灌溉期水位相应下降 , 渠
道和田间灌溉的入渗系数不变 ,入渗量按照比例减小。灌域中
的耗水状况不变 , 其余的设定假设为与 1997 年相同 , 以 1997
末年水位作为初始水位 , 按照上述条件模拟以后 12 年的地下
水位变化情况 ,对解放闸灌域地下水位的变化趋势进行粗略的
预测。
对比模拟结束时研究区地下水位与初始水位 , 地下水位呈
现下降趋势 ,如图 6 所示 , 6 年后下降的幅度为 0.5 m 左右 , 且
主要发生在中部和东北部地区 ,南部下降较小 , 而 12 年后的水
位降升的空间分布与 6年后相似 ,相对下降幅度更大 , 约为1 m
左右。因此 ,可以初步认为当河套灌区引黄水量由 50×108 m3
减小到 40×108 m3 后 , 假定其他外界条件不发生变化的情况
下 ,解放闸灌域地下水位将呈现下降趋势 , 降幅达到 1 m 左右。
参考文献:
[ 1] 　杨家友 ,孙秀堂 ,东振川 ,等.内蒙古河套灌区水资源及盐碱防治
系统管理模型研究[ R] .1994.
[ 2] 　王旭升.大型灌区陆地循环模式与盐分输运研究 以内蒙故河
套灌区为例武汉大学博士后研究工作出站报告[ R] .2004 , 21
[ 3] 　Michael G , M cDonald , Arlen W , Harbaugh.美国地质调查局水
资源调查技术丛书之六 MODF LOW:模块化三维有限差分
地下水流动模型.1996.
[ 4] 　任志远 ,姜美霞.总干渠侧渗情况的初步探讨[ J] .内蒙古水利 ,
2002 , 3:96-97.
[ 5] 　杨　丽 ,蔡树英 ,杨金忠 ,等.大型灌区集中开采条件下地下水数
值模拟[ J] .中国农村水利水电.2006 , 4:33-38.
35贵州喀斯特峡谷花椒林地生态需水规律研究　　彭　熙　钱晓刚　杨　滨　等