全 文 ：第 35 卷第 1 期
2015年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.1
Jan.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家科技支撑计划(2012BAD22B04);林业公益性行业科研专项(201204101、201404303);辽宁省科技计划项目(2011207001);辽宁省
农业领域青年科技创新人才培养计划(2014015)资助
收稿日期:2014鄄04鄄09; 摇 摇 修订日期:2014鄄11鄄27
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wzhyou2002@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201404090680
颜廷武,尤文忠,张慧东,魏文俊,王睿照,赵刚.辽东山区天然次生林能量平衡和蒸散.生态学报,2015,35(1):0172鄄0179.
Yan T W, You W Z, Zhang H D, Wei W J, Wang R Z, Zhao G.Energy balance and evapotranspiration in a natural secondary forest in Eastern Liaoning
Province, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(1):0172鄄0179.
辽东山区天然次生林能量平衡和蒸散
颜廷武,尤文忠*,张慧东,魏文俊,王睿照,赵摇 刚
辽宁省林业科学研究院,沈阳摇 110032
摘要:基于辽宁冰砬山森林生态系统定位研究站 2012年森林内、外微气象观测数据,采用波文比鄄能量平衡法(BERB)研究了辽
东山区天然次生林能量平衡组分及蒸散特征。 结果表明,天然次生林全年获得净辐射能量(Rn)为 1.63伊109 J / m2,其中生长季
Rn占全年的 71%。 Rn月均值呈单峰状季节变化;5月份 Rn最大,达 101.73 W / m2;12月份最小,仅为-2.38 W / m2。 Rn在晴朗
天气的日变化呈单峰型,峰值出现在 12:00前后,Rn在日出后 0.5 h至日落前 1.5 h为正值,其它时间为负值。 潜热通量(LE)、
感热通量(H)在晴朗天气呈单峰型日变化规律。 LE呈单峰型季节变化,7月份最大。 H 呈双峰型季节变化,峰值在 4 月份,次
峰值在 9月份。 波文比(茁)近似呈“U冶字型季节变化,非生长季 茁均值为 1.50,即 H占有效能量的 60%,生长季 茁均值为 0.43,
即 LE占有效能量的 70%。 生长季土壤热通量(G)为能量支出项,约占有效能量的 2.5%,晴朗天气呈单峰型日变化。 非生长季
G为能量收入项,约占有效能量的 6.8%,1月份几乎没有日变化。 辽东山区天然次生林全年蒸散(E)总量为 541.8 mm,占全年
降水总量的 70.3%,蒸散耗水是该森林生态系统最主要的水分支出项。
关键词:天然次生林;波文比;能量平衡;蒸散
Energy balance and evapotranspiration in a natural secondary forest in Eastern
Liaoning Province, China
YAN Tingwu, YOU Wenzhong*, ZHANG Huidong, WEI Wenjun, WANG Ruizhao, ZHAO Gang
Liaoning Academy of Forestry, Shenyang 110032, China
Abstract: Evapotranspiration is one of the major components of forest water budgets, and therefore, must be estimated
accurately. Accordingly, it is essential to thoroughly understand the relationships among evapotranspiration and the
components of energy balance fluxes to enable development of forest hydrology and forest meteorology, which are the
foundation of management and utilization of water resources. This study was conducted in a natural secondary forest in a
mountainous area of Eastern Liaoning Province, China. Components of energy balance fluxes and characteristics of
evapotranspiration were investigated at the Bingla Mountain Forest Ecological Station (42毅35忆 N, 125毅03忆 E) during 2012,
by using the Bowen ratio鄄energy balance method (BERB). The monthly variation in net radiation (Rn) exhibited a single
peak, with the maximum value (101.73 W / m2) occurring in May and the minimum value ( -2.38 W / m2) in December.
Additionally, during fine weather, the diurnal peak variation of Rn occurred at noon, indicating a distinctive positive trend
from 0.5 h after sunrise to 1.5 h before sunset and a negative trend for the remaining time. Latent heat flux ( LE) and
sensible heat flux (H) exhibited the same diurnal single peak pattern. However, seasonal variations of LE and H showed
different trends, with LE exhibiting a single peak in July and H showing double peaks, the highest in April and the second
highest in September. The seasonal characteristics of the Bowen鄄ratio ( 茁) values generated an approximate U鄄shaped
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pattern. The average value of 茁 was 0.43 in the growing season (May to Sep), indicating that latent heat flux accounted for
70% of the effective energy. In contrast, the average value of 茁 was 1.5, indicating that sensible heat flux accounted for
60% of the effective energy during the non鄄growing season. Soil heat flux ( G) showed different diurnal variations in
different periods. During the growing season, the diurnal variation of G showed an obvious single peak, and G accounted for
2.5% of the effective energy of energy expenditure. However, during the non鄄growing season, G showed no apparent diurnal
variation and accounted for 6.8% of the effective energy as energy deposition. The annual total evapotranspiration was 541.8
mm in natural secondary forest in mountainous areas, accounting for a large proportion ( 70. 3%) of the total annual
precipitation (771 mm). The total evapotranspiration in the growing season was 398.3 mm, accounting for 61.8% of the
annual precipitation (644.4 mm) in the same period. Taken together, these findings indicate that forest evapotranspiration
was the most important expenditure for natural secondary forest in the Eastern Liaoning Mountainous Region. The
evapotranspiration value assessed using the BERB method in this study was equivalent to those reported by similar studies,
demonstrating that this method is reliable and accurate in natural secondary forest. The results of this study implied that
evapotranspiration was not only influenced by precipitation but also by energy flux, roughness of the underlying surface, soil
thermal properties, soil moisture, presence of plants and litter, and canopy density. Owing to its complexity and variability,
the response mechanisms for energy balance and evapotranspiration in this region should be further investigated.
Key Words: natural secondary forest; Bowen鄄ratio method; energy balance; evapotranspiration
森林对能量的再分配过程是形成森林小气候的物理基础,对区域乃至全球气候具有重要影响[1鄄2],同时
再分配结果决定了植被光合生产力的分布[3]。 伴随全球气候变化受到广泛关注,森林的能量平衡特征也成
为森林水文学研究的热点问题。 蒸散是森林能量平衡与水量平衡的一个重要分量,是影响区域气候和全球水
循环的重要因素[4鄄5]。 因此,估算森林蒸散量对认识地区乃至全球水分循环规律、正确理解陆地生态系统结
构与功能的关系有着重要意义[6鄄7]。
目前能量平衡与蒸散主要研究方法有:蒸渗仪法、涡动相关法、水量平衡法、波文比鄄能量平衡法(Bowen
Ratio鄄Energy Balance,BREB)、彭曼联合法(Penman鄄Monteith 法)等[8]。 其中,BREB 法因其方法简单、精度较
高等特点,成为森林蒸散研究中最实用的方法之一[9鄄14]。 自 1926 年 Bowen 引入波文比概念以来,BREB 法测
定蒸散被广泛地应用于水文、气象等领域。 国外学者利用 BREB 法对森林能量平衡及蒸散做了大量的研
究[15鄄19],国内学者从 20世纪 80年代开始对阔叶红松林[9]、油松林[20]、常绿阔叶林[21]、北方针叶林[22]、樟子
松人工林[23]、落叶松人工林[7]等不同林型的能量平衡特征进行了较为系统的研究。 大量的试验结果表明,
BREB法测定的能量平衡及蒸散与同类实验仪器的测定结果相吻合,符合精度要求[9,14]。 然而目前对森林热
量平衡和全年水汽通量的报道还相对较少[24],特别是对我国辽东山区天然次生林的水汽交换特征认识仍很
欠缺。 本文以辽东山区天然次生林为研究对象,利用辽宁冰砬山森林生态系统定位研究站 2012 年野外气象
观测数据,分析其能量平衡及蒸散变化特征,旨在为土壤鄄植被鄄大气连续体中能量、物质交换的研究奠定基
础,也可为深入认识我国辽东山区天然次生林的水文和气象功能提供基础数据。
1摇 研究地概况与研究方法
1.1摇 研究地概况
研究地位于辽宁冰砬山森林生态系统定位研究站(124毅45忆—125毅15忆 E,42毅20忆—42毅40忆 N)。 冰砬山为吉
林哈达岭向西南延续地带,平均海拔 500—600 m,最高峰 870 m。 气候属温带大陆性气候。 根据西丰气象观
测站(距研究地 35 km)多年观测数据统计,该地区年均气温 5.2 益,年均降水量 684.8 mm,年均蒸发量 1379.8
mm,无霜期 133 d,最高温 35.2 益,最低温-41.1 益,具有典型的山区气候特征。 土壤以暗棕色森林土为主,其
次为棕色森林土,土壤质地多为粉砂壤质、壤质,土层深厚,有机质含量高,土壤 pH值为 6—7。 本研究在冰砬
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山生态站天然次生林标准地(125毅03忆 E,42毅35忆 N)内进行。 标准地内主要乔木有色木槭(Acer mono Maxim.)、
春榆(Ulmus propinqua Koidz.)、蒙古栎(Quercus mongolica Fisch.)、花曲柳(Fraxinus rhynchophylla Hance.)、紫
椴(Ti1ia amurensis Rupr.)、怀槐(Maackia amurensis Rupr.)。 林分平均高为 18 m、平均胸径为 15.2 cm,密度
1140株 / hm2,郁闭度 0.9,灌木盖度 0.5,草本盖度 0.9。
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 野外观测与数据采集
研究采用 2012年林内微气象梯度观测系统数据和林外标准气象场观测数据。 林内微气象梯度观测系统
安装于 30 m 高观测塔上,距地面 20、25 m 高度处安装空气温湿度传感器 (HMP45C,Vaisala,Helsinki,
Finland),25 m高度安装净辐射传感器(CNR1,Kipp & Zonen,Netherlands),土壤 5 cm深度安装土壤热通量板
(HFP鄄01,HukseFlux,Netherlands),采样频率为 2 Hz,通过数据采集器(CR1000,Campbell,USA)采集并存储每
分钟数据。 林外标准气象场利用 ENVIS 自动气象站测量降水 (52202,R. M. Young,USA)、气压 ( CS105,
Vaisala, Helsinki, Finland)、总辐射(CMP3,Kipp & Zonen, Netherlands)、净辐射(NR鄄LITE,Kipp & Zonen,
Netherlands)和空气温湿度(HMP45C,Vaisala,Helsinki,Finland)。
1.2.2摇 数据处理方法
研究方法采用波文比鄄能量平衡法(BREB)。 森林能量平衡方程可表示为[25鄄26]:
Rn - G - S = LE + H (1)
式中, Rn为净辐射;G为土壤热通量;S为冠层储热变化;Rn-G-S表示森林有效能量;H为感热通量;LE 为潜
热通量;L为水的汽化潜热系数,L=(2500.78-2.360T)J / g;E为森林蒸散。
波文比(茁)定义为某一界面上 H 与 LE 的比值,为垂直方向上温度梯度和湿度梯度的函数。 用公式表
示为[27]:
茁 = H
LE
=
籽CpKh
驻T
驻z
籽LKw
驻q
驻z
= 酌
Kh
驻T
驻z
Kw
驻e
驻z
(2)
式中,籽为空气密度;Cp为空气定压比热;Kh和 Kw分别为热量湍流交换系数和水汽湍流交换系数;驻T、驻e、驻q和
驻z分别为两个高度的温度差、水汽压差、比湿差和高度差;酌 为干湿表常数。 根据相似性原理,在假定 Kw和
Kh相等的条件下,即 Kh =Kw,可得:
茁 = H
LE
= 酌 驻T
驻e
(3)
针对海拔较高的高山和高原地区,H和 LE的计算需要作气压和密度的高度订正才可使用[1,7]。 S 是温度
变化的函数[25],由于半小时内温度变化不大,S 很小,一些研究将 S 忽略[1,7,26鄄27]。 因此本研究中使用的
BREB法公式为:
H =
p
p0
茁(Rn - G)
1 + 茁 p
p0
(4)
LE = Rn
- G
1 + 茁 p
p0
(5)
式中,p和 p0分别为观测地气压和海平面气压。
2摇 结果与分析
2.1摇 能量平衡各分量的日变化特征
摇 摇 森林能量平衡各分量具有明显的日变化规律(图 1)。 1月份(14—17 日)和 8 月份(14—17 日)内连续 4
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个晴朗日的 Rn、H、LE呈现单峰型日变化,而 G在 8月份呈现单峰型,1月份的日变化动态则呈现水平直线型
(图 1)。
1月份和 8月份 Rn变化规律相同,峰值均出现在 12:00 前后;1 月份日出后 0.5 h(7:30)至日落前 1.5 h
(15:30),Rn为正值,历时 10 h,森林平均获得 Rn为 77 W / m2,其余时间 Rn为负值,平均值为 -25 W / m2;8月
份日出后 0.5 h(5:30)至日落前1.5 h(17:30),Rn 为正值,平均值为 275 W / m2,其它时间 Rn 为负值,平均值
为-44 W / m2(图 1)。
1月份和 8 月份 G 日变化规律有所不同。 1 月份 G 几乎没有变化,呈水平直线型,全天向上传输能量强
度为 2.1 W / m2。 而 8月份 G呈单峰型日变化趋势,6:30至 22:30为正值,平均强度为 3.9 W / m2,峰值出现在
16:00左右,滞后于 Rn峰值出现时间约 4 h;22:30至次日 6:30为负值,平均强度为-2.8 W / m2(图 1)。
H在 1月份和 8月份呈现相同的变化规律,白天为正值,夜间为负值,表明白天森林向林冠上大气层输送
热量,夜间林冠上大气层向森林输送热量,且其绝对值白天大于夜间。 1 月份峰值为 66 W / m2,8 月份峰值为
129 W / m2(图 1)。 LE是森林生态系统中重要的热量支出分量,8 月份其日最大值为 408 W / m2,平均值为 86
W / m2,1月份日最大值为 120 W / m2,平均值为 9.9 W / m2(图 1)。
图 1摇 能量平衡各分量的日变化
Fig.1摇 Diurnal variation of the energy balance components
2.2摇 能量平衡分量的季节变化特征
森林能量平衡各分量具有明显的季节变化规律(图 2)。 Rn 月平均值呈单峰型变化,峰值出现在 5 月份
(101.73 W / m2),6—8 月份 Rn 月平均值在 88—91 W / m2之间,变化极小,最小值出现在 12 月份( - 2. 38
W / m2)(图 2)。 生长季(5—9月份)Rn总量为 1.15伊109J / m2,约占全年 Rn总量(1郾 63伊109J / m2)的 71%。
LE也呈现出单峰型的季节变化趋势,7 月份出现最大值(68郾 24 W / m2 ),12 月份出现最小值(0郾 82
W / m2),5—8月份稳定在 65—68 W / m2之间(图 2)。 H呈双峰型变化,峰值出现在 4 月份(39郾 59 W / m2),次
峰值出现在 9月份(28郾 50 W / m2)(图 2)。
G的季节变化幅度较小,全年在-3郾 58—5郾 60 W / m2范围内变化。 4—8 月份 G 为正值,土壤吸收热量峰
值出现在 4月份,达 6郾 2 W / m2。 其它月份 G为负值,土壤向上传送热量。 非生长季,随着 Rn 的减小,G 对有
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效能量的贡献逐渐增加,约占有效能量的 6郾 8%;生长季,G约占有效能量的 2郾 5%(图 2)。
茁具有明显的季节变化趋势,综合反映了 H与 LE的季节变化动态。 以日为步长的 茁 全年变化动态近似
呈“U冶型;非生长季 茁值(-0.1—6.6)变幅较大,平均值为 1.50,即非生长季 H占有效能量的 60%;生长季 茁值
(0.2—0.8)变幅相对较小,平均值为 0.43,即生长季 LE占有效能量的 70%,为主要的能量支出分量(图 3)。
图 2摇 能量平衡通量季节变化
Fig.2摇 Seasonal variation of energy balance components
图 3摇 波文比季节变化
Fig.3摇 Seasonal variation of Bowen ratio
2.3摇 蒸散特征
日蒸散总量(E)呈现单峰季节动态特征 (图 4),日总量及月总量最大值均出现在 7 月份,分别为
5.8 mm / d和 92.7 mm / m。 全年 E总量为 541.8 mm,占同期降水总量(771 mm)的 70.3%。 森林 E主要集中在
生长季(398.3 mm),占全年 E的 73.5%,是同期降雨总量(644.4 mm)的 61.8%。 由于受中小尺度天气变化影
响,E日总量的季节变化存在着锯齿状波动,生长季 E日总量在 0.1—5.8 mm / d之间,其变化范围大于非生长
季的变化范围(0—2.56 mm / d)。
图 4摇 2012年日蒸散量动态
Fig.4摇 Variation of evapotranspiration in 2012
3摇 讨论
辽东山区天然次生林能量平衡各分量均有明显的
日变化特征(图 1),1和 8月连续晴好天气的 Rn、LE 和
H均呈现出一致的日变化单峰曲线,这与其他学者的研
究结果[1,24,26,29]相一致。 G 日变化规律有所不同,虽然
在 8 月份也呈单峰变化,但在 1 月份连续 4d 保持在
-2.1 W / m2的水平,显示出热量由土壤传送到植被鄄大
气,土壤为热源。 李亮等[30]对不同土壤类型的土壤热
通量研究提出土壤热通量的日较差主要取决于土壤的
导热率、热容量和土壤温湿度,不同季节的土壤理化性
质、土壤热导率不同,直接影响到土壤吸热散热在延迟
时间上的差异。 当入射能量通过冠层进入土壤后,由于
土壤比热远大于空气,土壤温度的升降也滞后于空气温度的变化。 由于研究区天然次生林 1月份冰雪覆盖致
使土壤温度高于气温,从而导致 G为负值并持续不变,这与陈云飞等[31]的研究结果相一致。
受森林物候和气象条件的影响,辽东山区天然次生林的 Rn、G、LE 和 H 均存在着明显的季节变化特征,
最大值出现在生长季,最小值出现在非生长季。 森林生态系统获得 Rn 后,由于不同森林群落类型的下垫面
特征不同,造成蒸散和热传导能力的差异,从而导致 Rn 在系统内的分配各不相同。 此外,降水量的多少间接
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地影响下垫面接受的辐射量。 2012年全年研究区天然次生林 Rn总量为 1.63伊109J / m2,与林外 ENVIS自动气
象站测得的 Rn 总量1.61伊 109 J / m2相近,是吴家兵等[26]对东北阔叶红松林 Rn 测量值(2. 3 伊 109 J / m2)的
70郾 9%。 分析这 2种类型森林 Rn存在较大差异的原因主要有以下两个方面:一是与降水有关,研究区全年降
水量 771 mm,是长白山地区当年降水量的 1.38倍,一般认为降水量越大降水天气过程就越长,下垫面获得的
总辐射就越小,Rn随之降低;二是与植被类型有关,冬季长白山阔叶红松林中红松不落叶,净辐射收到的反射
辐射很大一部分来自红松绿色树叶对短波的反射,而研究区天然次生林为落叶乔木林、冬季落叶,净辐射收到
的反射辐射大部分来自地面的积雪对短波的反射,冬季研究区天然次生林比长白山阔叶红松林的反射率大。
生长季 G为能量的支出项,约占有效能量的 2.5%,非生长季 G 表现为能量平衡的收入项,约占有效能量
的 6.8%。 长白山阔叶红松林[26]生长季 G占有效能量(4%)高于本研究,而非生长季 G占有效能量(5%)低于
本研究。 这主要与生长季辽东山区天然次生林具有较高的郁闭度(0.9)致使到达地表的辐射能较少和非生长
季该森林的净辐射值较低有关,具体原因还需对土壤热属性、土壤水分、地被物的差异作进一步分析研究。
LE和 H主要受辐射、气温、大气饱和水汽压差、土壤湿度等因素的影响[26]。 本研究中生长季主要的能量
支出项为 LE,占有效能量的 70%;非生长季主要的能量支出项为 H,占有效能量的 60%,这与北方大多数的研
究结果相一致[7,9,26]。 在植物生长旺盛的 5—8月份,LE均显著的高于 H,至 9月份植被尚未落叶,然而 LE 已
呈显著降低趋势,这与植被在生长后期生理活动减弱有关。
波文比能够表征大气鄄地表能量交换特征,多用于能量平衡计算,波文比的大小决定能量在生态系统中的
分配[31]。 本研究以日为时间尺度的 茁 全年近似呈“U冶字型变化,呈现显著的季节变化趋势。 非生长季大于
生长季,这与吴家兵等[26]、张新建等[24]对长白山阔叶红松林的研究结果相同。 非生长季 茁 均值为 1.50,即 H
占有效能量的 60%。 生长季 茁均值为 0.43,小于落叶松林(0.77)、草地(0.57) [7],大于水稻(0.06)、灌区小麦
(0.19) [27]。 因为水稻、灌区小麦水分条件充足,蒸散耗能较多,所以 茁 值较小。 这也表明生态系统能量的再
分配受气候、土壤水分与植被特征多因素的共同作用。
本研究中天然次生林年蒸散量为 541.8 mm,占同期降水总量的 70.3%。 对比东北地区不同研究地点不
同林型的蒸散量和降水量(表 1),发现研究区森林的蒸散量占降水量的 70%—76%,低于长白山阔叶红松林
(83%—87%),表明蒸散耗水是东北地区温带森林生态系统最主要的水分支出项。 蒸散量和降水量的比值与
降水量之间具有显著的负相关关系(P<0.05),蒸散量受到降水量的制约。 此外,蒸散与下垫面的粗糙程度、
土壤的温湿度、蒸汽压差[24]以及地被物[32]、林分郁闭度[33]等因子都具有比较密切的关系,其多因子间互作
机制还需开展进一步的研究。
表 1摇 东北地区不同地点不同林型蒸散量的比较
Table 1摇 Comparison of forests evapotranspiration in northeast China
地点
Places
坐标
Location
林型
Forest
types
年份
Year
蒸散 / mm
Evapotranspiration
降水 / mm
Precipitation
蒸散 /降水 / %
Evapotranspiration /
Precipitation
方法
Methods
文献
References
长白山
Changbai mountain
42毅24忆N,
128毅06忆E 阔叶红松林 2008 484.7 558.9 86.7 涡度相关法 [24]
42毅24忆N,
128毅06忆E 阔叶红松林 2003 450.8 538.4 83.7 涡度相关法 [28]
冰砬山
Bingla mountain
42毅20忆N,
124毅45忆 落叶松林 2007—2008 531.4 707.9 75.1 BREB法 [7]
42毅35忆N,
125毅03忆 E 天然次生林 2012 541.8 771.0 70.3 BREB法 本研究
4摇 结论
(1)Rn年总量为 1.63伊109 J / m2,其中生长季 Rn占 71%。 Rn月均值呈单峰状季节变化,5 月份 Rn 最大,
771摇 1期 摇 摇 摇 颜廷武摇 等:辽东山区天然次生林能量平衡和蒸散 摇
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达 101.73 W / m2,12月份最小,仅为-2.38 W / m2。 晴朗天气,Rn呈单峰型日变化,峰值出现在12:00前后,日出
后 0.5 h至日落前 1.5 h Rn通量为正值,其它时间为负值。
(2)LE、H 在晴朗天气下呈单峰型日变化规律。 LE 呈单峰型季节变化,7 月份最大。 H 呈双峰型季节变
化,峰值出现在 4月份,次峰值出现在 9月份。 以日为时间尺度的 茁全年近似呈“U冶字型变化,非生长季 茁 均
值为 1.50,即 H占有效能量的 60%,生长季 茁均值为 0.43,即 LE占有效能量的 70%。
(3)生长季 G为能量支出项,约占有效能量的 2郾 5%,晴朗天气条件下呈单峰型日变化。 非生长季 G为能
量平衡方程的收入项,约占有效能量的 6.8%,1月份几乎没有日变化。
(4)辽东山区天然次生林全年 E 总量为 541.8 mm,占全年降水总量的 70.3%。 生长季 E 总量为 398.3
mm,占全年 E总量的 73.5%,占同期降雨总量的 61.8%。
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