全 文 ：三 ， ≯
第 16卷 第 3期
1 9 9 6年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOG ICA SINICA
8 )
Vo】 16．No．3
Jun．， 1 996
黄土地区防护林生态系统水量平衡研究
塑 5 7 2，7 z
d 韩业大学’北上。 o0㈨ 广7，
，
／ t v -J
擅要 根据黄土地 区防护林生态 系统水分循环的特征 ，提出了防护林生态系统水量平衡方程 通过对
1988～1992年刺槐、油松、沙棘、虎撩子林地 、草地和棵地 6种生态系统水量平衡的分析，结果表明降雨是
防护林生态系统主要的水分输八量，刺槐和油橙林报际层以下土壤水舟的上升补给 ．也是重要 的水分输
^项 ，特别是春季的 4～6月份 ，更是防护林生态系统极为重要的水分来源 ，刺槐林和油松林平均根际区
下层土壤水分上升补给量占降雨量的 6 32 ～11．55 蒸发散和林冠截留是防护林生态系统主要水分
输出项，在比较干旱季节或月份 ，蒸降比出现太于 1．0情况．大气降雨不能满足林木生理蒸腾和土壤 蒸发
的要求，地表径流量一般 比较小，主要发生在 7、乱9三十月．地表径流量 倥占同期 降 雨 量 的 L 51 ～
3．87 。根际区土壤存在着一个比较稳定的古水量范日，其值为 8 1 ～9．8％，相应于根际区内有效土
壤水分贮量为 120～200 mm，据此确定出在研究地区正常年份．目前防护林经营状况条件下，土壤水分只
可供刺槐林正常生长 10～16 a，油枉}林正常生长 5～8 a。经水量平衡强度系数计算 ，得到刺槐林和油橙林
水量平衡强度系数平均为 蚰．20 ～s0．19 ，属于分樊的差级 ，秒棘和虎棒子林 40，43 ～40 74 ．属
分类 的中级 ，表明在现有经营管理条件下乔木韩地水分供应不足，灌木林地zK分供应基本可满足要求，通
过水量保证系数计算，刺槐林和油松林水量平衡保证系数为一1．52 3 47 ，灌木林地则均为正值，
沙棘林和虎棒子林 为 1．24 ～1 71 ．表明在现有经营管理条件下乔木林水分无法保证供应 ，但水分条
件对灌木生长是有保证的。
关键词； 水量平衡，防护林生态系l蜿 奔林虫蓬
A rUDY 0N W ATER BALANCE 0F PR0TECTIVE
F0REST EC0SYSTEM IN L0ESS AREA
Yu Xinxiao
l 赫 g Forestry Uxd~ slty
Chen Lihua
B而 ，ch ·100083)
Abstract According to the features of water cycle in protective forest ecosystem in loess area，
the equation of water balance for the protective forestry ecosystem was put fnrward The ta
hies of water balance were presented for 6 ecosystems in the perioct from 1988 to 1992 From
the experimental results of water hahnce，the input and output of the protective forest ecosys—
tern were analyzed．It is pointed OUt that rainfal and exchange of water between root zone and
deep soil were main water input，evapotranspiration and canopy interception were main water
outputs，while soil surface runoff was a very little water output．The study proves that there
was a relative stable soil water content in profile of the soll。which can provide water for trees
· 国家 自然科学基金资助项 目
收穑 日期 ：1994 05 26，
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3期 亲新晓等 ：黄土地区防护林生态系统水量平衡研究
in f~)nle years．By the analysis of coefficient of water balance intensity and coefficient of water
balance guarantee，it was pointed OUt that soil water was sufficient for scrubs，but insufficient
for trees．
Key words： water balance，protective forest ecosystem ，loess area
水分循环与水量平衡是生态系统最重要的功能和特征之一。作为我国生态林业工程之
首的“-dL”防护林体系建设工程，特别是在干旱半干旱黄土地区的防护林体系是一个巨大
的防护性森林生态系统 ，对其水量平衡的研究，对于正确认识和确切评价防护林体系的环
境生态作用 ，对黄土高原防护林体系建设工程和林业发展都具有重要的理论和实践意义。
1 试验地点与研究方法
1．1 试验地点
试验地在山西省吉县北京林业大学科研试验场内。试验地区地理坐标为东经 110。45
～ 111 o07 ，北纬 36。00~36。05‘，海拔高程为 947～1 332 m，属于黄土残原淘壑区。研究区
内平均降水量为 579 mil，年平均蒸发量为 1724 mm，年平均气温 10．OV，平均相对湿度
62 ，无霜期 1 72 d，属暖温带半干旱大陆性气候。研究区内土壤为褐土一土质均一，质地
疏松 ，水土流失十分严重 ，土壤侵蚀模数达到 7000~10000 t／km a。
1．2 试验样地概况
本项研究的各项试验观测均在所选择的 6个样地(水量平衡场)中进行的，各样地基本
情况 见表 1。
表 1 试验样地(水量平衡场)基本情况
T ble 1 The shuaton of experimemal plors(wa~r ha1日n plors)
1．3 研究方法
采用设置水量平衡场 ．定位观测的方法进行研究。研究时间为 1 988年初～1992年底 。
1．3．1 降雨量 采用长期 自记雨量计和 日记式雨量计 ，记录降雨量和降雨过程。
1．3+2 林冠截留量 采用 20X 500 cm槽型承雨器与自记量水计相连接 ，记录林下降雨量
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生 态 学 报 16卷
和降雨过程，使用余项法确定林冠截留量
1．3．3 地表径流量 采用垂直投影面积为 5m×20m的坡面径流试验场．并配置自记量
水计记录地表径流量和地表径流过程。
1．3．4 土壤水分动态 采用土钻称重法和中子水分仪法并行观测土壤含水量 ，观测深度为
2 m，测层厚度为 20 cm．每 5～7 d测定一次。布设张力计监测土壤水势的动态变化情况。
1．3．5 蒸发散量 根据实测资料采用土壤水分通量方法确定一卜_ 。
1．3．6 土壤水分交换量 根据实测资料采用非饱和土壤水分运动的 Darcy定理确定 ]。
2 防护林生态系统水分循环过程与水量平衡方程
降雨、植被冠层截留、入渗 、土壤水分再分布，植物根系吸水、水在植物体 内传输、通过
气孔扩散到叶片周围空气层，最后参与大气湍流交换等一系列的防护林生态系统的水量转
化过程在连续不断的进行着 ，形成了防护林生态系统水分循环过程。水分循环过程从
长期的自然过程来看 ，它们又是处于连续不断的相对动态平衡状态。研究水量收支 、贮存
与转化的基本方法是水量平衡法。
根据质量守恒定律 ．在某一时期 内水量收支差值等于其内部贮 水量的变化 ，因此，
对防护林生态系统可写出如下水量平衡方程
(P + Pc+ Pl+ Sd)一 (E + T + Fd + Ic+ + Rs十 Rss)一 AW s十 AW P (1)
式 中：P是大气垂直降雨量： 是森林植被冠层水平降水量；P1是枯枝落叶层水平 降水
量 ；Sd是地下深层补给量；E是森林植被叶片蒸腾量 ；T是土壤蒸发量 ；Fd是深层渗透
量 ； 是森林植被冠层截留量 ； 是枯枝落叶层截 留量；Rs是地表径流量；Rss是壤 中流
量；△ 是根际区土壤贮水变化量；AW 是森林植被物体内贮水变化量。
(1)式是某一时期 内的平均情况，防护林生态系统水量平衡方程还可用下述动态方
程来表示：
l[(P+Pc-t-Pl+Sd) (E+T+肘 + + +Rs+Rss)]dr
jI
j， z ，
-- 』』警dzdz+』警dt ㈤
】 O f】
在水量平均方程中，各水分分量所起的作用是不同的，根据对各水分分量的讨论分
析 ，在忽略水量平均方程中其影响作用很小的分量后，可近似写出如下防护林生态系统
水量平衡方程 ：
— P — Ic— E T Rs± (3)
或 ：
一 P(f)一 It(t)一 EO) “)一 Rs(t)± SF(t) (4)
警 一 Jf E一 一只 ±SFTdtdz ( )
3 防护林生态系统水量平衡分析
根据实测资料和防护林生态系统水量平衡方程，得到不同防护生态系统水量平衡结果
见表 2～3和图 1。
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3期 采新晓等 ：黄土地区防护林生态系统水量平衡研究 241
注： 是根际水量平均观测值的计算修正值。
月 甜 M0nm
刺槐林地
月 份 M~tlm
油松林地
图 1 水量平衡各分量随时间的变化过程
Fig 1 proc~s of~RteT bal~ ce
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242 生 态 学 报 】6卷
从 上表 中结果可见．降雨是防护林生态系统最重要的水分输入量 ．防护林生态系统
水分循环和水量平衡方程中其它水分分量的变化均取决于降雨量的多寡。蒸发散和林砬截
留量是 防护林生态系统的水分输出项 ，其中蒸发散是主要水分输出项 ，在比较干旱的季节
或月份，蒸发散量可超过同期的降水量 ．如以蒸降比(蒸发散量与降雨量的比值)来衡量 ，
这些时段均大于 1，也就是说在干旱季节．大气降雨不能满足林木生理蒸腾和土壤蒸发的
要求 ，须消耗土壤水分来补偿“ 。根据 5 a的实验观测 ，发现在晋西黄土地 区地表径流
量较小，一般只在 7，8，9三个月发生产流，总的地表径流量占同期降 雨 量 的 1．51 ～
3．87 ，可见地表径流量是防护林生态系统比较不重要的水分输出项 。
下面着重分析根际区土壤层间水分交换量和深层水分交换量。从表 2、3中可 看出各
种乔木植被条件的根际区深层水分交换量多为负值，根据作者的定义可知这是一种深层水
分的上升补给。这是根际区土壤水分的一种重要补给来源，实质上也是防护林生态系统的
一 种重要水分输入项。多年平均刺槐林地根际区下层土壤水分上升补给量 占 降 雨 量 的
6．32 ，油松林地为 11．55
根际区土壤水分交换量表明了整个根际区内水分运动的 卷趋势。根际区交换量随时间
的变化情况如图 2。图中峰区是干燥时期 ，各 区是湿润时期 ，也即峰区是土壤水分上升补
给时期 ，谷区则是深层补给渗漏区。由图中可见 ，交换量在 1 a中可分成 3种情况，3、4、
10、11月，交换量变化较小，也就是说根际区水分交换量处在小而稳定的状态．5、6月份和
10月份 ，交换量为负值 ，即根际区水分上升运动占主导地位 ，7、8、9月份，交换量转化为
正值 ，即根际区水分运动出现了下渗运动。
从图中可见，各种防护林生态系统土壤初春即有探层水分上升补给根际区．随着林术
生长发育 ，需水量逐渐增加，根际区上层水分减少。深层水分上升补给，5、6月上升率达到
最大 ．日平均上升补给量可稳定在乔木和灌木林地 0．2～0．8 mm，草地和裸地则基本上无
上升补给，7～9月份由于大量降雨补给土壤 ，特别是其上层 ，深层上升补给量逐渐降低 ，
甚至转换为深层渗漏，使渗入土壤中的水分储存起来，也就是说深层水分交换方向发生了
变化。而在3、4月份和 10 11月份．由于森林植物生理活动徽弱，需水量很少，所以深层上
升水分补给量很小。可见乔木林在黄土区耗水量非常大，深层水分上升补给是乔木林生态
系统根际区水分的重要来源之一。
4 讨论
在 5 a的实验研究期间，由Pemman(FAO．1 979)⋯一方法计算得到的年蒸散势平均值
为 890 mm，由土壤动力水文学方法得到的实际蒸散量为刺槐林 366．0 mm，油松林 381．9
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3期 余新跷等：黄士地区防护林生态系统水量平衡研究
营
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耋
脚
*
月份 Month 月甜 M0n[h
刺槐林地 油松林地
图 2 根际区土壤水分交换量的变化
Fig．2 【wa exchage in root zone
．ira，沙棘林 306．6 mm，虎榛子林 309．3 m．1，草地 249．1．ira．裸地 203．4 ri|m。由此可得
相对蒸散率为刺槐林 0．41．油松林 0．43，沙棘林 0．34，虎榛子林 0．35，草地 0．28，荒地
0．23。由实测降雨资料可知，生长季(4～10月)平均降水量为 387．8 r~ll，由此似乎在正常
年份不存在水分缺乏问题，但在防护林生态系统中除蒸散外，还有林冠截留和地表径流等
水分输出项，所以实质上两种乔木林均存在着水分亏缺，其中刺槐林地水分平均年亏缺
1 2．3mm，油松林地亏缺 26．9mm。
通过对实测土壤含水量的分析 ，发现根际区土壤存在着一个 比较稳定的含水量范 围，
其值为 8．16 ～9．8 ，可以认为这一稳定的含水量是防护林生态系统水分收支平衡情况
下土壤所能长期保持的最大含水量，如果每年水分收支平衡，则土壤大体维持这一含水
量，若收不抵支 ，则土壤水分必将低于稳定含水量。在根际区内．从稳定含水量到凋萎含
水量(4．5 ～ ．1 )的有效土壤贮水量为 1 20～200 mm。
根据以上分析可知．在正常年份，稳定含水量条件下的土壤水分可供刺槐林正常生长
10～16 a(1 20／]2．3— 9．8)～16(200／12．3—1 6．31，油 松 林 5～ 8 8(120／26．9—4．5)～8
(200／20．9=7．5)，即乔木林生长的土壤在 5～16 a后根际区土壤水分将逐渐降低，严重影
响森林植被的生长。这一结果与研究地区林木多年的实际生长状况是一致的 。
为了探索防护林生态系统水分保证指标． ．c．切尔尼可夫提出用防护林生长期内的
耗 水量作为林木水分需求保证性指标，A．x．波 尔强科进一步提出水量平衡强度 系数公
式 。 ：
KⅡ一 A × 1。。 (6)
式中：K 一 水量平衡强度系数( )； —— 生长期内土壤水分的消耗量或林分蒸散量
(ram)； E。——年潜在蒸发量 (ram)。根据上式可将水量平衡强度系数分成 S级，即：
优 O一2O；良 21—35；中 36—4j；差 46—55；临界 56—65。
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生 态 学 报 l 6卷
表 4 水量平衡强度系数值表(0／,)
TaMe 4 lntensl竹 coefficient of water ha1日n钟
优、良级说明林木有 良好的水分供应条
件；中级表示水分基本满足要求；差级说明
水分不足；临界说 明水分条件林木无法生
存。
根据实验区的测定资料计算，结果见表
4，从表中可以看出刺槐林和油松林的水量
平衡强度 系 数 平 均 为 48．2o ～50．19 ，
均属分类的差级，说 明在现有经营管理条件
下这两种人工水分供应不足 ，其中油松林水
分供应更差些。沙棘和虎榛子林的水量平衡
强度系数平均为 40．43 一40．74 ，属于分
类中级，表明水分供应基本可以满足要求。
另外，利用水量平衡保证系数也可衡量林分的水分供应状况 ，其计算公式如下
K b： B × 1。。
式中： 6——水量平衡保证 系数 ( )； B—— 生长期 内土壤有效水分储备量 (mm)
— — 同前。
实验资料的计算结果列于表 5，结果 表明
乔木林水量平衡保证系数很低，甚至为负数，
其中油松最低 ；说明在晋西黄土地区现有森林
经营条件下 ，水分无法保证供应 ；而灌木林较
高，并均为正值，表明晋西黄土区的水分条件
对灌木林的生长是有保证的。
在黄土地区，各种森林植被都具有庞大的
根系和很强的吸水能力，它们甚至可以利用接
近凋萎含水量的土壤水分，这就决定了它们有
较强的适应性和抗旱能力，但 同时必须指出，
森林植被消耗深层水分势必造成深层水分亏
表 5 水量平衡保证系数值 ( )
TIbIe 5 Guarantee coeffldent of water bn1日n钟
(7)
缺，在经营管理下不合理的林地这种水分亏缺很难恢复，造成土壤干旱化和林木生产力越
来越低，这是黄土高原防护林体系建设和林业发展中亟待解决的一个重大问题。
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