全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林业科学研究　2008, 21 (6) : 797～802
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008) 0620797206
华北平原农田毛白杨防护林蒸腾变化规律
及其与气象因子的关系
任庆福 1 , 孟　平 13 , 张劲松 1 , 高　峻 1 , 李春友 2
(1. 中国林业科学研究院林业研究所 ,国家林业局林木培育重点实验室 ,北京　100091; 2. 河北农业大学 ,河北 保定　071000)
摘要 :于 2007年主要生长季 (4—9月 ) ,采用热扩散 ( TD P)技术测算了华北平原农田 24年生毛白杨防护林带的蒸
腾速率 ,分析了毛白杨蒸腾变化规律及其与气象因子的关系。结果表明 : ( 1)在晴天日和阴天日 ,毛白杨蒸腾速率
的日内变化都为单峰曲线趋势 ,而在多云日受太阳辐射剧烈变化的影响 ,为多峰曲线趋势。在 4、5、6、7、8、9月份晴
天日的单株日平均蒸腾速率分别为 5. 44、7. 84、8. 05、7. 87、7. 26、7. 17 L·h - 1 ,在多云日分别为 4. 10、5. 87、6. 84、
6. 68、6. 49、5. 88 L·h - 1 ,在阴天日分别为 4. 33、3. 56、4. 14、5. 90、3. 39、2. 66 L·h - 1。 (2)毛白杨林带蒸腾量的日际
变化或季节变化明显 ,从 4月份开始逐渐升高 , 5月份由于受林网内农作物灌溉量加大的影响 ,蒸腾量与 6、7月份基
本持平 , 8、9月份逐渐降低。在 2007年主要生长季 (4—9月 ) ,林带蒸腾总量为 488. 016 mm, 4—9月各月蒸腾量所
占生长季总蒸腾量的比例分别为 11. 17%、18. 71%、19. 30%、19. 29%、16. 66%、14. 88%。 (3)主要生长期内 ,毛白
杨蒸腾速率与同步观测得到的太阳辐射、空气温度、空气湿度和风速具有很好的复相关性 ,回归分析得到的相关模
型可通过显著性检验 (α= 0. 01) ;且计算偏相关系数表明 ,各月影响蒸腾速率的最主要气象因子均为太阳辐射。
关键词 :毛白杨防护林带 ;热扩散式技术 ;蒸腾速率
中图分类号 : S727. 24　S792. 117　　　　文献标识码 : A
收稿日期 : 2008203221
基金项目 : 科技部社会公益性项目 (2004D IB4J167)、国家“十一五”科技支撑课题 (2006BAD03A05)部分研究内容
作者简介 :3 通讯作者 : 博士 ,研究员 , E2mail: Mengp ing@ caf. ac. cn
Tran sp ira tion Var ia tion of the Poplar Shelterbelts and Its Rela tion to the
M eteorolog ica l Factors in the Cropland of North Ch ina Pla in
REN Q ing2fu1 , M ENG Ping13 , ZHANG J in2song1 , GAO Jun1 , L I Chun2you2
(1. Research Institute of Forestry, CAF, Key Laboratory of Tree B reeding and Cultivation, State Forestry Adm inistration, Bejing　100091, China;
2. Agricultural University of Hebei, Baoding　071000, Hebei, China)
Abstract: The transp iration of 242year2old Popu lus tom en tosa. shelterbelts was investigated by Thermal D issipation
sap flow velocity Probe ( TDP) in the crop land of north China p lain from Ap ril to Sep tember in 2007. The variation
of transp iration and its relationship to meteorological factorswere studied. The main results are as follows : (1) The
diurnal variations of transp iration demonstrated a single2peak curve in fine and cloudy day in the main growing
season, but in the overcast day, it demonstrated a several2peak at the main growing season. And from Ap ril to
Sep tember, the average velocity of transp iration per tree were 5. 44, 7. 84, 8. 05, 7. 87, 7. 26 and 7. 17 L· h - 1 in
the fine days, 4. 10, 5. 87, 6. 84, 6. 68, 6. 49 and 5. 88 L·h - 1 in overcast days, 4. 33, 3. 56, 4. 14, 5. 90, 3. 39 and
2. 66 L·h - 1 in the cloudy days。 (2) The daily variations of the sheltbelt transp iration ( Tr) was characterized with
that it rose gradually in Ap ril, and reaches a peak during aboutMay, June and July, fell down was readily in Aug
and Sep. In the growing season ( 4—9 ) , the total Tr ( ToTr) was 488. 02 mm, and the ratios of the monthly
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
sheltbelt transp iration to the ToTr was 11. 17% , 18. 71% , 19. 30% , 19. 29% , 16. 66% and 14. 88%. ( 3) In all
months during the growth season of 2007, the transp iration showed significantly compound correlated with the solar
radiation (R a) , air temperature, air relative hum idity and wind speed (α = 0. 01) , and Ra was the most important
meteorological factor effecting on transp iration through comparing the partial coefficient.
Key words: pop lar shelterbelts; Thermal D issipation Probe ( TDP) ; transp iration
　　蒸腾是植物水分消耗的主要方式 ,在土壤 2植
物 2大气连续体 ( SPAC)水热传输过程中占有极为重
要的地位 ,一直是农学、林学、气象、水文、土壤、地理
等相关学科及领域共同关注的重要课题。随着水资
源紧缺问题的日益严重 ,有关蒸腾问题的研究已受
国际社会的愈加重视 [ 1 ]。揭示林木蒸腾耗水特征及
水分供求关系 ,对水资源紧缺地区林业生产实践等
具有重要的理论指导意义。华北平原是我国重要的
粮食产区 ,但由于其地处干旱半干旱季风气候带 ,水
资源紧缺日益严重 ,已成为制约当地农业、林业可持
续发展的主要生态因素。农田防护林一直是该地区
农业综合治理与开发、平原绿化工程的重要内容 ,为
农业生产提供了重要的生态保障。杨树 ( Popu lus
L inn. )是该区防护林的主栽树种 ,由于杨树根深叶
茂 ,对比农作物 ,其个体尺度上耗水相对要高 ,故可
能存在农业、林业用水矛盾等潜在问题 ,大面积发展
杨树是否会进一步恶化水分生态环境是非常值得关
注的问题。了解杨树蒸腾耗水特征 ,不仅可为华北
平原农区优化设计与经营管理杨树防护林提供必要
的水分生态理论依据 ,也是进一步研究杨树 —作物
复合系统种间水分关系的工作基础。
当前 ,长时期、连续测定植株尺度上林木蒸腾相
对最为可靠的技术是热扩散液流法 [ 1 - 2 ] ,在树木蒸
腾研究中已被广泛应用 [ 3 - 8 ]。目前已有人采用该方
法对 P. euphra tica O liv. 、山杨 ( P. david iana Dode)、
中林 46杨 ( P. deltoides Bartr. cv.‘zhonglin246’)、
107欧美杨 ( P. ×euram ericana cv. “74 /76”)、大叶
钻天杨 ( P. ba lsam ifera Pall. )、美洲黑杨 ( P. del2
toides Bartr. )等杨树的液流或蒸腾耗水进行初步研
究 [ 9 - 18 ] ,但这些研究基于研究目的及目标等原因 ,
未深入分析蒸腾变化特征及其影响机制 ;而且由于
各地气候条件存在差异 ,故某一试验地区研究结论
不一定能完全适用于另一地区的生产实践。毛白杨
( P. tom entosa Carr. )是杨树系列的一大主要树种 ,在
我国分布面积广 ,是广大北方地区的主要造林树种 ,
但目前未见基于热扩散液流法研究该品种蒸腾问题
的报道文献。为此 ,本文将采用热扩散式树木液流
测定技术 ,对华北平原农田 24年生毛白杨防护林蒸
腾变化规律及其与气象因子的关系进行研究 ,为当
地杨树防护林树种选择与结构优化、经营与管理、毛
白杨防护林体系水分效益的深入评价提供理论
依据。
1　试验地概况
试验区地处黑龙港流域的河北省饶阳县官厅乡
(115°40′E, 40°38′N) ,属暖温带大陆性气候 ,年平均
气温 12. 2 ℃,年均日照时数 2 764 h,年均降水量
549. 8 mm,且年内降水量分配不均匀 ,多集中于 6—
8月份 ,地下水位 30～50 m,地势平坦 ,地貌类型为
滹沱河决口淤积平原 ,土壤类型为砂壤质潮土。种
植制度一年两熟。
该试验区面积 849 hm2 ,于 1983年始建 ,目前已形
成农田林网为主体 ,辅以各类林 (果 )农间作、单一片林
等多种形式结构组成的农林复合系统试验示范区。
2　研究材料及内容
在试验区中部选择一代表性较好的林网 ,网格
面积为 500 m ×250 m,林带树种为 24年生毛白杨 , 1
路 2 行 ( 4 m ×8 m ) ,平均树高 20 m,平均胸径
45 cm,林带疏透度 0. 5～0. 7。林网内作物为冬小
麦 ,其品种为“良星 99”,有灌溉条件。选取林带南
北两侧平均样木 6株。
2. 1　小气候观测
2007年 4月 1日 —9月 30日 ,在距离防护林东
部大约 600 m处一块开阔地块 ,采用气候自动监测
系统观测太阳总辐射 ( R a)、风速 (V )、降雨量 ( P )、
空气温度 ( Ta )及相对湿度 ( RH )。R a、V、P、Ta和
RH观测所采用的传感器 (探头 )分别为 L I200X、
05103、TE525M、HMP45C。数据采集器为 AR5220
mV ,每 2 s采集 1次 ,每 10 m in输出 1组平均值。
2. 2　杨树树干液流与蒸腾观测
在所选 6棵树的南、北 2个方向处 ,安装 TDP树
干液流测定系统 ,采用热扩散液流法测定杨树蒸腾
耗水量。液流测算公式 [ 19 ]如下 :
Fs = 0. 001 9 × dTm - dT
dT
1. 231
×3. 6 ×SA
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第 6期 任庆福等 :华北平原农田毛白杨防护林蒸腾变化规律及其与气象因子的关系
　　式中 : Fs为树干液流速率 (L·h - 1 ) ,可近似为
蒸腾速率 ( Tr) [ 1 - 2, 4 ] ,按 4 m ×8 m的密度将单株蒸
腾量 (L ) 转换为群体或单位土地面积的耗水量
(mm ) ; SA为胸径处边材面积 ( cm2 )。 dT为某时刻
温差值 (℃) , dTm 为一日内最大温差值 (℃)。取 6
棵树的液流平均值为蒸腾最终测定值。数据采集器
为 SQ2020,观测时间与小气候同步。
数据处理与分析采用 Excel和 SPSS13. 0 统
计软件。
2. 3　叶面积指数
4月中旬开始 ,采用 LA I22000植被冠层分析仪
(L I2COR, Inc. , L incoln, NE)测定杨树防护林叶面积
指数 (Leaf A rea Index, LA I) ,每隔 10 d左右测定
1次。
3　结果与分析
3. 1　毛白杨蒸腾速率时间变化特征
3. 1. 1　毛白杨蒸腾速率的日变化规律 　按晴天、多
云和阴天 3种天气 ,逐月将相同天气条件下各日对
应时刻的蒸腾速率进行平均 ,得到各月蒸腾速率的
日变化曲线 (图 1～3)。
整个测定阶段 ,毛白杨蒸腾速率均表现出明显
的日变化规律 (图 1 ～3 )。日内表现为在清晨
(6: 30—8: 30)时 ,启动并开始缓缓增大 ,随着太阳
辐射的逐渐增加 ,气温逐渐升高 ,蒸腾速率逐渐增
强 ,并于 13: 00—15: 30到达峰值 , 16: 30—17: 30以
后太阳辐射减弱 ,温度降低 ,蒸腾速率迅速下降 ,
19: 30后蒸腾速率下降变慢 ,直至来日日出之前到
最低值。
晴天天气条件下 ,各月份毛白杨蒸腾速率均表
现为单峰曲线 (图 1)。各月不同的是启动时间有明
显差异 : 5月份明显早于其他月份 ,而 8、9月份要比
5月份晚 1. 5～2 h, 4、6、7月份介于二者之间。从曲
线上看 , 4月份蒸腾速率上升缓慢 ,且峰值出现在
14: 00,数值比其他月份都要低 ,仅为 7. 65 L·h - 1 ;
其他月份蒸腾速率从早上 6: 30左右开始上升 ,上升
速度很快 ,于 13: 00—15: 30到达峰值 ,随着太阳辐
射的减弱 ,蒸腾速率逐渐下降。19: 30后蒸腾速率下
降变慢 ,直至来日日出之前到最低值。4、5、6、7、8、9
月份毛白杨单株最大蒸腾速率分别为 7. 65、9. 80、
11. 00、10. 97、10. 71、11. 22 L·h - 1 , 6: 00—18: 00单
株日平均蒸腾速率分别为 5. 44、7. 84、8. 05、7. 87、
7. 26、7. 17 L·h - 1。
图 1　2007年 4—9月晴天毛白杨单株蒸腾速率的日变化
多云天气条件下 ,各月蒸腾速率变化趋势没有
晴天条件下那么平滑 ,表现为多峰曲线趋势 (图 2)
5、6月尤为明显。这主要是由于多云日云量较多 ,
太阳辐射变化剧烈。4、5、6、7、8、9月份多云日单株
最大蒸腾速率分别为 6. 20、9. 01、9. 56、10. 36、
10. 15、10. 05 L·h - 1 ; 6: 00—18: 00日平均单株蒸腾
速率分别为 4. 10、5. 87、6. 84、6. 68、6. 49、5. 88 L·
h - 1 ,与晴天日相比 ,单株最大蒸腾速率和日平均蒸
腾速率均相对要低。
图 2　2007年 4—9月多云天气毛白杨单株蒸腾速率的日变化
图 3　2007年 4—9月阴天天气毛白杨单株蒸腾速率的日变化
阴天天气条件下 ,除 4月份外 ,其余各月份毛白
杨蒸腾速率变化表现为单峰曲线 (图 3)。受天气影
响 ,各月份日蒸腾启动时间不尽相同 ,其中 , 5、6月
份 ,蒸腾速率上升时间比其他各月早 , 6: 00左右开
始启动 ,在 11: 30—12: 00到达峰值 ,峰值持续时间
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较长 ,一直到 16: 30—17: 00左右 ,然后蒸腾速率缓
慢下降 ,单株最大蒸腾速率分别为 4. 70、5. 97 L ·
h - 1 ;而 8、9月份液流启动时间在 8: 30左右 ,比 5月
份要晚 2. 5 h,但是上升速度较快 , 8月份也于 12: 30
到达峰值 , 9月份相对滞后 ,单株最大蒸腾速率分别
为 6. 10、5. 23 L·h - 1 ,明显比晴天条件下的低。在
阴天天气条件下 , 6: 00 - 18: 00的单株日平均蒸腾
速率在 4、5、6、7、8、9月份分别为 4. 33、3. 56、4. 14、
5. 90、3. 39、2. 66 L·h - 1。
3. 1. 2　毛白杨林带蒸腾速率的日际变化 　将各日
蒸腾速率按 10 m in 1次进行积分 ,得到了每日蒸腾
量 ,并统计得出林带蒸腾日际变化曲线 (图 4)、各月
林带蒸腾量及所占全年的比例 (表 1)。从图 4、表 1
可以看出 ,林带日蒸腾量呈现出明显的日际变化或
月变化特征。2007年林带在主要生长季 ( 4—9月 )
蒸腾总量为 488. 02 mm,各月蒸腾量所占生长季总
量的比例为 : 11. 17%、18. 71%、19. 30%、19. 29%、
16. 66%、14. 88%。从 4月份起 ,随着气温的升高以
及叶片的生长、叶面积指数的增加、太阳辐射的增
强 ,蒸腾量逐渐增加 ,在 6、7月左右达到最高值 , 8
月份以后蒸腾量逐渐降低。在 5月份蒸腾量已经与
6、7月份基本持平 ,无显著差异 ,这是由于 5月份防
护林内小麦处于生长旺期 ,灌溉量大 ,土壤水分充
足 ,因此杨树蒸腾量随着增大。8月份开始 ,太阳辐
射开始减弱 ,月平均辐射强度下降到 333. 5 W ·
m
- 2
,且 7月底开始该地区进入雨季 ,阴雨日较多 ,因
而林带蒸腾量下降。图 4中 , 8、9月份林带日蒸腾
量虽然在某些天超过 3. 5 mm·d - 1 ,但从整个月份
来看 ,还是有所降低 ,在整个生长季中 , 9月份蒸腾
量所占比例较 7月份下降了 4. 5个百分点。图 4中
还显示 , 2007年 4月 5、12日 , 5月 22、23日等日蒸
腾值很低 ,不及 1. 0 mm·d - 1 ,主要由于这些时日为
阴雨天 ,例如 5月 22日的日平均辐射强度仅为 3. 16
W·m - 2。
图 4　2007年主要生长季毛白杨林带蒸腾量日际变化曲线
表 1　各月林带蒸腾量、降雨量及其占全主要生长季的比例
项目 4月 5月 6月 7月 8月 9月 主要生长季总量
林带蒸腾量 /mm 54. 50 91. 29 94. 18 94. 12 81. 32 72. 61 488. 02
各月蒸腾量占全主要生长季总量的比例 /% 11. 17 18. 71 19. 30 19. 29 16. 66 14. 88 100. 00
叶面积指数 1. 70 2. 46 2. 74 2. 70 2. 68 2. 56
降水量 /mm 1. 25 63. 75 86. 60 67. 90 93. 00 54. 25 366. 75
月平均辐射强度 / (W·m - 2 ) 191. 22 362. 22 373. 97 333. 50 314. 10 251. 97 326. 08
3. 2　毛白杨蒸腾速率与气象因子之间的关系
毛白杨蒸腾速率与同步观测得到的空气温
度、空气相对湿度、太阳辐射等气象因子密切相
关 ,对 2007年 7月 5—10日典型的连续 5 d的日
变化 (图 5—8 )分析表明 :太阳辐射与蒸腾速率均
呈现单峰曲线 ,二者呈现基本一致的变化规律
(图 5 ) ,二者相关系数可达 0. 812 1。说明太阳
辐射是影响蒸腾速率较为直接的主导因子 ,而温
度和湿度均呈现较宽的波浪曲线 (图 6、7 ) ,并直
接受太阳辐射的影响。如 :在 7月 5、6、10日天
气晴朗 ,太阳辐射强度、空气温度较高 ,相对湿度
低 ,蒸腾速率峰值较大 ; 7月 8日为阴雨天气 ,太
阳辐射强度变小 ,空气温度降低且日变化幅度相
对较小 ,林带相对湿度上升 ,毛白杨蒸腾速率减
少 ,峰值较小 ,且出现波峰的时间相对滞后。
进一步将所有观测的气象因子与毛白杨单株蒸
腾速率进行回归 ,得到毛白杨蒸腾速率与气象因子
的多元线性回归模型 :
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第 6期 任庆福等 :华北平原农田毛白杨防护林蒸腾变化规律及其与气象因子的关系
图 5　2007年 7月 5—10日毛白杨单株蒸腾速率与太阳辐射关系曲线
图 6　2007年 7月 5—10日毛白杨单株蒸腾速率与气温关系曲线
图 7　2007年 7月 5—10日毛白杨单株蒸腾速率与大气相对湿度关系曲线
图 8　2007年 7月 5—10日毛白杨单株蒸腾速率与风速 (V )关系曲线
T r = 0. 240Ta - 0. 035RH + 0. 007R a + 0. 026V -
0. 734 ( n = 25 103)
R2 = 0. 822
　　式中 : Tr为毛白杨单株蒸腾速率 (L·h - 1 ) ; Ta
为空气温度 (℃) ; RH为空气相对湿度 ( % ) ; R a为
太阳辐射强度 (w·m - 2 ) ; V为风速 (m·s- 1 )。
　　F ( 4, 25098) = 29 001. 54 > F ( 0. 01) = 3. 32,通过显著
性检验。Ta、RH、R a、V的偏相关系数分别为 0. 723、
- 0. 631、0. 815、0. 499。可见 ,影响毛白杨蒸腾速率
的最主要气象因子为 R a。各月内 Tr与 Ta、RH、R a、
V也具有很好的相关关系 ,回归方程见表 2。
表 2　生长季各月毛白杨树单株蒸腾速率与主要气象因子的回归方程
月份 回归模型 F值 回归系数 R2
4 Tr = 0. 179Ta - 0. 019RH + 0. 006 Ra - 0. 542V - 0. 038 33 876. 15 0. 815
5 Tr = 0. 215Ta - 0. 018RH + 0. 009 Ra + 0. 041V - 1. 423 10 148. 97 0. 901
6 Tr = 0. 324Ta - 0. 045RH + 0. 003 Ra + 1. 264V - 2. 680 6 204. 08 0. 852
7 Tr = 0. 277Ta - 0. 061RH + 0. 011 Ra - 0. 057V + 0. 004 15 726. 03 0. 934
8 Tr = 0. 232Ta - 0. 107RH + 0. 006 Ra + 0. 322V + 6. 116 12 727. 12 0. 920
9 Tr = 0. 259Ta - 0. 076RH + 0. 006 Ra + 0. 307V + 3. 792 10 823. 44 0. 909
4　结论与讨论
(1)毛白杨蒸腾速率具有明显的昼夜变化规律。
在晴天及阴天日 ,日变化呈单峰曲线趋势 ,但后者的
峰值明显低于前者。在多云天气日 ,日变化呈多峰曲
线趋势 ,主要原因在于太阳辐射等气象因子的相对不
稳定 ,使得各个时刻蒸腾速率变化幅度较明显。
(2)毛白杨林带日蒸腾量呈现出明显的日际变
化或月变化特征。从 4月份开始逐渐升高 , 5月份由
于林网内农作物灌溉量加大的影响 ,与 6、7月份基本
持平 ,并达到全年最高峰 , 8—9月份逐渐降低。2007
年主要生长季 (4—9月 )林带蒸腾总值为 488. 02 mm,
4—9月各月蒸腾量所占生长季总蒸腾量的比例分别
为 11117%、18171%、19130%、19129%、16166%、
14188%。蒸腾速率与同步观测得到的太阳辐射、空
气温度、空气湿度和风速具有很好的复相关性 ,回归
分析得到的多元线性模型可通过显著性检验 (α =
0101) ,各月影响蒸腾的最主要气象因子均为太阳
辐射。
(3)土壤水分是植物需水的直接来源 ,是干旱半
干旱地区植物生长的限制因子。本研究受测定技术
等方面的限制 ,在测定蒸腾速率及其林带冠层气象参
数的同时 ,没有同步自动观测土壤水分 ,为更深入了
解该地区毛白杨防护林带蒸腾速率变化特征等问题 ,
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需进一步研究根层土壤含水量的变化特征及其与蒸
腾量、降水量以及灌溉量之间的关系。
(4)植物蒸腾受气象、土壤和植物自身生长状况
的综合影响 ,为进一步揭示毛白杨防护林带蒸腾速率
的影响机制 ,需深入分析气象因子、土壤水分和叶面
积指数的动态变化对蒸腾速率的综合影响。
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