全 文 ：林业科学研究　2008, 21 (4) : 475～480
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008) 0420475206
华北石质山区杜仲人工林蒸腾特征及水分供求关系
王鹤松 1 , 张劲松 13 , 孟　平 1 , 高　峻 1 , 任庆福 1 , 贾长荣 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. 济源市国有大沟河林场 ,河南 济源　454650)
摘要 :采用由热扩散树干液流技术测算得到的、周期为 2个主要生长季节 (4—9月 )杜仲人工林蒸腾数据 ,结合同步
观测得到降雨量以及冠层微气象数据 ,分析了华北石质山区 10年生杜仲人工林耗水规律及水分供求关系 ,旨在为
该地区杜仲的发展提供必要的水分生态理论依据。结果表明 : (1)杜仲人工林蒸腾量 ( TR )呈现出明显的日内变化
和日际变化特征 ,在晴天条件下 ,杜仲人工林蒸腾呈现单峰变化趋势 ,在多云及阴天条件下 ,呈现多峰变化趋势 ;阴
天日蒸腾值明显低于晴天及多云日 ;杜仲蒸腾的日际变化表现为 : 4—5月逐渐升高 , 6月份左右达到高峰值 , 7月份
逐渐降低 , 2005年及 2006年 4—9月蒸腾总量分别为 268. 5、212. 0 mm, 4—9月各月蒸腾总量所占总蒸腾量的比例
在 2005年分别为 12. 3%、20. 4%、20. 2%、18. 2%、15. 9%和 13. 0% ,在 2006年分别为 10. 6%、21. 7%、23. 3%、
17. 4%、14. 6%和 12. 4% ; (2) TR与冠层太阳总辐射 (R a)、空气温度、湿度及风速等微气象要素有很好的复相关性
(α= 0. 01) ,各月影响 TR的最主要微气象因子都是 Ra; (3) 4—9月降雨总量 ( P)与 TR的比值 ( P / TR )都大于 1. 0 ,
且除 4月份外 ,各月 P / TR也大于或接近于 1. 0,说明降水可以满足杜仲人工林蒸腾耗水的需要。
关键词 :杜仲人工林 ;蒸腾 ;水分供求关系
中图分类号 : Q948. 11　　　　　文献标识码 : A
收稿日期 : 2007205223
基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (30471371)、科技部公益性项目 (2003D IB4J142)及国家“十一五”攻关课题 (2006BAD03A11)部
分研究内容
作者简介 : 王鹤松 (1981—) ,男 ,硕士生 ,主要研究方向 :农林气象.3 通讯作者 :张劲松 (1968—) ,男 ,博士、研究员 ,主要研究方向 :农林气象、复合农林业.
Tran sp ira tion Var ia tion and Rela tion sh ip between Supply and D emand of
W a ter for Eucomm ia u lm oides Plan ta tion s in the Rocky
M oun ta inous Area of North Ch ina
WANG He2song1 , ZHANG J in2song1 , M ENG Ping1 , GAO Jun1 , REN Q ing2fu1 , J IA Chang2rong2
(1. Research Institute of Forestry, CAF; Key Laboratory of Tree B reeding and Cutivation, State Forestry Adm inistration, Beijing　100091, China;
2. Dagouhe National Forest Farm of J iyuan, J iyuan　454650, Hepinan, China)
Abstract: The transp iration variation and relationship between supp ly and demand of water for the Eucomm ia
u lm oides p lantations in the rocky mountainous area of North China were analyzed based on the experimental data of
tree sap flow, canopy, m icrometeorological factors and rainfall. The trees were 10 years old. The experiment was
conducted in Ap ril2Sep tember of 2005 and 2006. The aim of this study is to p rovide the essential evidence about
water ecology for develop ing E. u lm oide p lantations in the area. The main results are as follows: ( 1) The diurnal
variations of E. u lm oide p lantations transp iration ( TR ) were demonstrated as a single2peak curve in clear day. In
cloudy day, it was demonstrated as a multi2peak curve. In overcast and rain day, it was demonstrated as a multi2
peak curve and much less than that in clear or cloudy day. The daily variations of transp iration ( TR ) was
characterized with that TR rosed gradually in Ap ril, and reached a peak in June, fell down readily in July. In 2005
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
and 2006, the total TR s ( ToTR ) were 268. 5mm, 212. 0 mm in the main season (Ap ril2Sep tember) , respectively. In
Ap r, May, Jun, Jul, Aug and Sep, the ratio of the monthly TR to ToTR were 12. 3% , 20. 4% , 20. 2% , 18. 2% ,
15. 9% and 13. 0% in 2005, 10. 6% , 21. 7% , 23. 3% , 17. 4% , 14. 6% and 12. 4% in 2006. (2) In all months
during the main growth season of 2005 and 2006 , TR showed significantly compound correlated with the solar
radiation (R a) , air temperature, hum idity, and wind speed over the canopy (α = 0. 01) , and R a was the most
important m icro2meteorological factor effecting on TR through comparing the partial coefficient; (3) In term s of the
whole growth season, the ratio of rainfall to transp iration ( P / TR ) was higher than 1. 0 excep t in Ap ril. So, there
was no water supp ly and demand conflict, or water shortage and water stress as for the main growth season in the
experiment area.
Key words: Eucomm ia u lm oide p lantations; transp iration; relationship between supp ly and demand of water
　　植被蒸腾既是热量平衡和水量平衡的重要组成
部分 ,受土壤、大气及植物本身因素的综合影响 ,是
一个复杂的物理过程和生理过程 ,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。蒸腾问题的研究一直是农学、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。杜仲 ( Eu2
comm ia u lm oides O liv. )是第三纪孑遗珍贵树种及贵
重药材 ,属国家二级保护植物 ,生态适应性强 ,种植
范围和面积广 [ 2 ] ,是林业生态建设中主要造林树种
之一 ,具有重要的经济和生态价值。我国华北山区
将该树种作为生态经济型树种 ,纳入退耕还林建设
模式 ,且部分村庄将其纳入农业产业结构调整的重
要内容 ;但华北山区地处干旱半干旱季风气候带 ,干
旱特别是春旱现象比较严重 ,且土层贫瘠、土壤保水
能力差 ,水资源紧缺是制约该地区林业生产和植被
建设最根本的生态要素问题。研究华北石质山区杜
仲人工林蒸腾特征及水分供求关系 ,具有重要的理
论及实践意义。
有关杜仲生物学特性的研究多见于药理分析 ,
有关其蒸腾问题的研究 ,尽管谈峰等 [ 3 ]、张劲松
等 [ 4 ]分析了杜仲叶片蒸腾及气孔变化规律 ,曹云
等 [ 5 ]基于 1年内 7 - 9月份非连续性日观测数据 ,从
植株 (个体 )尺度分析了南方红壤区杜仲树干蒸腾
变化规律以及与形态特征、微气象因子的关系 ,但有
关林分尺度上杜仲蒸腾耗水问题研究仍缺少系统
性 ,有待进一步深入。本研究将采用 2个连续主要
生长季节的实测蒸腾数据及其冠层微气象数据 ,分
析华北石质山区 10 a杜仲人工林蒸腾耗水特征及
水分供求关系的研究 ,以补充和丰富杜仲等药用树
种水分生理生态研究内容 ,为当地发展杜仲人工林
提供必要的理论依据 ,并望进一步丰富药用树种水
分生理生态研究内容。
1　试验设计
1. 1　试验区概况
试验区地处太行山南段南麓 ,黄河流域北缘 ,属
暖温带大陆性季风气候。全年日照时数 2 367. 7 h,
年日照率 54% ,稳定通过 0 ℃的多年平均积温
5 282 ℃,大于等于 10 ℃的多年平均积温达
4 847 ℃。历年平均降水量 641. 7 mm,但由于受季
风气候的影响 ,年内季节性分布不均匀。6—9月份
多年平均降水量为 438. 0 mm,占全年的 68. 3%。试
验区土壤以石灰岩风化母质淋溶性褐土、棕壤土为
主 ,土层厚度 50～80 cm, pH值 6. 8～8. 5,石砾含量
为 100～180 g·kg- 1 ,有机质含量在 10 g·kg- 1左
右 ,速效 N 21. 4～80. 0 mg·kg- 1 ,速效 P 5. 4～16
mg·kg- 1 ,速效 K 60～103 mg·kg- 1。
1. 2　试验材料及方法
本研究的具体对象是水平梯田杜仲人工林 ,梯
田南北宽 20 m、东西长 120 m ,株行距 2 m ×3 m,平
均株高 6. 5 m ,南北冠幅 1. 5 m,郁闭度 0. 47,土层厚
度 95 cm。1996年栽植 ,带行向为东西行。经每木
检尺 ,在试验地中部选择 6棵相近样株。
1. 2. 1　冠层小气候观测 　2005年和 2006年 4月 1
日 —9月 30日 ,在 6株样株中心处冠层活动面上
1. 5 m高度处 ,用小气候自动监测系统连续观测空气
温度 ( Ta)、相对湿度 ( RH )、风速 (V )、太阳总辐射
(R a)、降雨量 ( P )。R a、V、Ta及 RH、P所采用的传
感器 (探 头 ) 分 别 为 L I200X、05103、HMP45C、
TE525M。数据采集器为 CR10X,每 2 m in采集 1次 ,
每 10 m in输出 1组平均值。
1. 2. 2　树干液流与蒸腾观测 　在 6棵树的东、南、
674
第 4期 王鹤松等 :华北石质山区杜仲人工林蒸腾特征及水分供求关系
西、北 4个方向处 ,采用热扩散树干液流技术测定树
干液流 ,液流测算公式 [ 6 - 8 ]如下 :
Fs = 0. 011 9 K1. 231 ×SA ×3. 6 (1)
K = dTM - dT
dT
(2)
式 (1)、(2)中 : Fs为树干液流速率 (L·h - 1 ) ,可近
似为蒸腾速率 [ 9 - 10 ] ; SA为边材面积 ( 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
流平均值为单株林木蒸腾最终测定值 ,经尺度转换 ,可
得到林分尺度上的蒸腾值。传感器规格 : 30 mm探针 ,
下部探针距离地面 120 cm 左右。数据采集器为
CR10X,观测时间与小气候同步。
2　结果与分析
2. 1　杜仲蒸腾日内变化规律
在晴天日 (2005年 5月 11日、2006年 7月 20日
和 2006年 7月 23日 ) ,杜仲人工林蒸腾速率 ( TR )的日
内变化呈单峰趋势 (图 1) ;在多云日 (2005年 5月 12
日、2005年 5月 14日和 2006年 7月 21日 ) , TR呈现多
峰波动变化趋势 ;在阴天日 (2005年 5月 13日、2006年
7月 22日 ) , TR很低 ,表现为小幅波动特征 ,其液流值
明显比晴天及多云天气下的低。相邻几天内 ,因叶面
积差异小 ,根系所在的深层土壤含水量变化不大 ,故不
同天气蒸腾速率的日内变化特征的差异主要是由冠层
微气象因子变化差异引起的。在晴天天气下 ,蒸腾速
率随着太阳辐射、空气温度的升高而增大 ,随着相对湿
度的升高而减小 ,因此表现出明显的昼夜节律变化特
征 ;在多云天气下 ,由于太阳辐射、空气温湿度等气象
因子的波动 ,蒸腾速率表现出多峰的变化特征 ;阴天由
于太阳辐射、空气温度很低 ,而相对湿度较高 ,蒸腾明
显受到抑制 ,因而远低于在晴或多云天气的值 ,在很低
幅度内波动。
图 1　2005年和 2006年杜仲人工林主要生长季节蒸腾速率日内变化规律
2. 2　杜仲蒸腾日际变化规律
按 1 667株·hm - 2的密度将单株蒸腾速率转换为
群体或单位土地面积蒸腾速率 ,并将 4—9月内各日的
蒸腾速率进行积分 ,得到了杜仲人工林 2005年和 2006
年主要生长季节的蒸腾量日际变化曲线 (图 2) ,并统计
得出各月蒸腾量及所占全年的比例 (表 1)。
表 1　年内各月蒸腾量 ( TR )及其所占主要生长时期蒸腾总量的比例 ( RA )
年份 蒸腾量 4月 5月 6月 7月 8月 9月 合计
2005 TR /mm 33. 0 54. 8 54. 1 48. 9 42. 7 35. 0 268. 5
RA / % 12. 3 20. 4 20. 2 18. 2 15. 9 13. 0 100. 0
2006 TR /mm 22. 5 46. 0 49. 5 36. 8 31. 0 26. 2 212. 0
RA / % 10. 6 21. 7 23. 3 17. 4 14. 6 12. 4 100. 0
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
　　从图 2及表 1可以看出 :杜仲日蒸腾量 ( TR )呈
现出明显的日际变化或月变化特征。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 , TR逐渐增加 ,在 6月左右达到最高值 , 7月以后
逐渐下降。2005年及 2006年杜仲人工林在主要生
长时期 ( 4—9 月 ) 的 TR 总值分别为 268. 5 、
212. 0 mm ,二者相差 56. 5 mm。可见 ,不同年份间蒸
腾量相差较大 ,但各月 TR 总量所占主要生长时期
(4—9月 ) TR总值的比例在不同年份间的相差量较
小 (表 1) ,均不及 3. 1个百分点。前者由于不同年
份在气候上存在差异性 ,特别是降水量及太阳辐射
总量或日照时数的差异 ,如 2005年 5、6、7月份太阳
辐射总量及降水量分别为 209. 12 W ·m - 2 , 22. 3
mm; 208. 36 W ·m - 2 , 21. 6 mm; 145. 63 W ·m - 2 ,
21. 2 mm;而 2006年同期该值分别为 192. 12 W ·
m
- 2
, 20. 2 mm; 206. 08 W·m - 2 , 20. 3 mm; 137. 18 W
·m - 2 , 17. 9 mm。后者说明因树木自身特性的存
在 ,即便外部条件发生变化 ,如气候年型的不同 ,但
植物蒸腾作用自身生理生态特征规律不会出现本质
变化。
图 2　2005年和 2006年杜仲人工林蒸腾量 ( TR )日际变化规律
2. 3　水分供求关系
蒸腾是植物耗水的主要方式 ,一般认为可将蒸
腾视为植物的总耗水。在华北石质山地大都没有地
下水灌溉条件 ,降水是林地水分的唯一供水来源。
从表 2 可知 :就整个主要生长季而言 , 2005 年和
2006年降雨 ( P )总量与杜仲人工林蒸腾量 ( TR )的
比值均﹥ 1. 0。除 4月份外 ,其余各月 P与 TR的比
值也均 ≥1. 0。由于本研究杜仲人工林的立地条件
是水平梯田 , 梯田宽度 20 m, 且土层厚度可达
95 cm,故就当地降雨强度而言 ,一般不存在地表迳
流及渗漏现象。另外 ,华北山区土壤含水量较低 ,当
地土壤日蒸发量在蒸散量中所占比例不会大于
10% ,且本研究人工林郁闭度已接近 0. 5,故土壤蒸
发强度会更低。这说明除 4月份外 ,降水可以满足
杜仲人工林蒸腾耗水的需要 ,即不存在水分供求关
系矛盾问题。从表 2还可知 :尽管在 2005年主要生
长季节 ( 4—9月 ) ,杜仲的蒸腾总量及降水总量与
2006年同期值的差异均较大 ,差值分别为 56. 5、
149. 1 mm,但该时期降雨总量与蒸腾总量的比值在
2005年和 2006年之间差异却很小 ,仅为 0. 1。这说
明杜仲人工林主要生长季节的蒸腾总量与降水量总
量存在一定的正相关关系。
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第 4期 王鹤松等 :华北石质山区杜仲人工林蒸腾特征及水分供求关系
表 2　不同年份各月降水量 ( P )、蒸腾量 ( TR )及二者之比 ( P / TR )
月份
2005年
TR /mm P /mm P / TR
2006年
TR /mm P /mm P / TR
4 33. 0 12. 7 0. 4 22. 5 21. 1 0. 9
5 54. 8 64. 7 1. 2 46. 0 68. 7 1. 5
6 54. 1 52. 3 1. 0 49. 5 57. 0 1. 2
7 48. 9 241. 3 4. 9 36. 8 180. 9 4. 9
8 42. 7 110. 7 2. 6 31. 0 65. 4 2. 1
9 35. 0 132. 2 3. 8 26. 2 71. 7 2. 7
全时段 268. 5 613. 9 2. 3 212. 0 464. 8 2. 2
2. 4　蒸腾速率与冠层微气象因子的关系
冠层微气象因子对植物蒸腾具有重要的影响作
用。本研究引入风速 ( V , m·s- 1 )、大气温度
( Ta, ℃)、大气相对湿度 (RH , % )、冠层太阳总辐射
(R a , W·m - 2 ) ,分析了主要生长期内树木蒸腾与
冠层微气象因子的关系。结果表明 :各月 TR 与 V、
Ta、RH、R a有较好的复相关关系 (表 3) ,复相关系数
均大于 0. 826, F计算值均大于理论值 ,可通过 0. 01
水平上的显著性检验 (α = 0. 01 )。比较 TR 与 V、
Ta、RH、R a的偏相关系数表明 (表 3 ) :各月都是 TR
与 R a的偏相关系数最大。说明主要生长期内 ,影响
杜仲人工林 TR最主要微气象因子为 R a。
表 3　杜仲生长期蒸腾速率 ( IR )与冠层气象因子的回归方程
年份 月份 回归方程
复相
关系数
偏相关系数
Ta RH R a V
F
计算值
2005 4 TR = 0. 000 45 + 0. 000 35Ta - 0. 000 08RH + 0. 000 11R a + 0. 003 36V 0. 826 0. 224 - 0. 074 0. 649 0. 047 3 925. 5
5 TR = - 0. 002 02 + 0. 000 67Ta - 0. 000 11RH + 0. 000 2Ra + 0. 002 34V 0. 876 0. 190 - 0. 043 0. 795 0. 165 4 529. 5
6 TR = - 0. 022 93 + 0. 001 59Ta - 0. 000 03RH + 0. 000 28Ra - 0. 004 84V 0. 894 0. 144 - 0. 066 0. 832 - 0. 195 3 571. 2
7 TR = - 0. 095 89 + 0. 004 04Ta - 0. 000 22RH + 0. 000 31Ra - 0. 008 25V 0. 912 0. 230 - 0. 049 0. 849 - 0. 200 5 518. 5
8 TR = 0. 013 1 + 0. 000 82Ta - 0. 000 2RH + 0. 000 25Ra + 0. 000 9V 0. 893 0. 094 - 0. 073 0. 867 0. 021 4 408. 1
9 TR = 0. 039 22 + 0. 000 75Ta - 0. 000 08RH + 0. 000 23R a - 0. 001V 0. 833 0. 073 - 0. 053 0. 785 - 0. 029 2 441. 9
2006 4 TR = - 0. 004 22 + 0. 000 88Ta - 0. 000 06RH + 0. 000 1Ra + 0. 004V 0. 897 0. 261 - 0. 076 0. 842 0. 243 4 443. 7
5 TR = 0. 007 46 + 0. 001 19Ta - 0. 000 19RH + 0. 000 19R a + 0. 002 86V 0. 844 0. 120 - 0. 089 0. 781 0. 067 2 749. 3
6 TR = - 0. 001 75 + 0. 002 33Ta - 0. 000 83RH + 0. 000 22Ta + 0. 001V 0. 956 0. 131 - 0. 047 0. 939 0. 038 11 462. 8
7 TR = - 0. 085 76 + 0. 000 9Ta - 0. 000 06RH + 0. 000 25R a - 0. 001 9V 0. 915 0. 279 - 0. 086 0. 859 - 0. 075 5 751. 5
8 TR = 0. 007 7 + 0. 003 28Ta - 0. 000 3RH + 0. 000 22Ra + 0. 006 78V 0. 839 0. 014 - 0. 023 0. 834 0. 198 2 641. 6
9 TR = - 0. 016 69 + 0. 001 98Ta - 0. 000 05RH + 0. 000 14Ra - 0. 001 4V 0. 839 0. 247 - 0. 036 0. 760 - 0. 049 2 555. 9
3　结论与讨论
杜仲人工林蒸腾量 ( TR )呈现出明显的日内变
化特征和日际变化特征。在晴天条件下 , TR呈现单
峰变化趋势 ;多云条件下 , TR 在白天呈现多峰波动
变化趋势 ;在阴天、雨天条件下 , TR 很低 ,表现为小
幅波动特征 ,其值明显比晴天或多云天气下的低。
杜仲 TR的日际变化表现为 : 4—5月逐渐升高、6月
份左右达到高峰值、7月份逐渐降低。尽管主要生
长季节 (4—9月 )总蒸腾量在不同年份间相差较大 ,
但各月 TR总量所占主要生长时期总蒸腾量的比例
在不同年份间的差值很小 ,前者由于不同年份在气
候上存在差异性 ,后者说明因树木自身特性的存在 ,
即便外部条件发生变化 ,如气候年型的不同 ,但植物
蒸腾作用等自身生理生态特征规律不会出现本质
变化。
蒸腾是植物耗水的主要方式 ,降水是本研究林
地水分的唯一供水来源。由于立地条件及林分结
构、降雨强度、土壤水分状况等因素的限制 ,杜仲人
工林一般不会发生雨后渗漏及地表迳流 ,且土壤蒸
发强度低。分析降雨量和蒸腾量的比例关系表明 :
除 4月份外 ,降水可以满足杜仲人工林蒸腾耗水的
需要。就整个主要生长季而言 ,杜仲人工林不存在
水分供求关系矛盾问题。
TR与冠层 R a、Ta、RH及 V 等微气象要素有很
好的复相关性 (α= 0. 01) ,且各月影响 TR的最主要
微气象因子都是 R a。
本研究从植株及林分尺度 ,系统地研究了杜仲
蒸腾特征及水分供求关系等水分生理生态问题 ,不
仅可为试验所在地发展提供重要的理论依据 ,并丰
974
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
富和补充了药用树木的生理生态内容。
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《植物遗传资源学报》征订启事
《植物遗传资源学报 》是中国农业科学院作物科学研究所和中国农学会主办的学术期刊 ,为中国科技核
心期刊、全国优秀农业期刊。该刊为中国科技论文统计源期刊、中国科学引文数据库来源期刊 (核心期刊 )、
中国核心期刊 (遴选 )数据库收录期刊、中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊 ,又被《中国生物学文摘 》
和中国生物学文献数据库、中文科技期刊数据库收录。据中国期刊引证研究报告统计 , 2007年度《植物遗传
资源学报 》影响因子达 0. 914。
报道内容为大田、园艺作物 ,观赏、药用植物 ,林用植物、草类植物及其一切经济植物的有关植物遗传资
源基础理论研究、应用研究方面的研究成果、创新性学术论文和高水平综述或评论。诸如 ,种质资源的考察、
收集、保存、评价、利用、创新 ,信息学、管理学等 ;起源、演化、分类等系统学 ;基因发掘、鉴定、克隆、基因文库
建立、遗传多样性研究。
季刊 ,大 16开本 , 128页。定价 20元 ,全年 80元。各地邮局发行 ,邮发代号 : 82 - 643。国内刊号 CN112
4996 /S,国际统一刊号 ISSN167221810。
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