全 文 ：书第 49 卷 第 7 期
2 0 1 3 年 7 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 7
Jul．，2 0 1 3
doi:10．11707 / j．1001-7488．20130701
收稿日期: 2013 － 04 － 08; 修回日期: 2013 － 05 － 30。
基金项目: 山西省科技攻关项目(20120311014 － 2) ; “十二五”农村领域国家科技攻关项目(2011BAD38B06 － 05) ; 中国科学院战略性先
导科技专项(XDA05060601)。
山西太行山不同林龄油松林的水量平衡
常建国1，2 王庆云3 武秀娟2 崔 璐2 刘世荣4
(1．中国林业科学研究院华北林业研究所 太原 030012; 2．山西省林业科学研究院 太原 030012;
3．山西省林业调查规划院 太原 030012; 4．中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091)
摘 要: 采用空间代替时间的方法，对太行山油松中龄林(22 年生)和成熟林(58 年生)水量平衡组分的季节性
变化进行同步观测，探讨林龄对生态系统蒸散及水量平衡的影响。结果表明: 油松中龄林、成熟林生长季总蒸散
(包括蒸腾、蒸发和截留)量分别为 406. 87 和 418. 49 mm，水分总支出量分别为 431. 07 和 459. 57 mm，均无明显差
异，但蒸散和支出组分不同，成熟林乔木层蒸腾量、乔木层截留量、枯落物截留量、地表径流量各自占降雨量(445. 4
mm)的比率比中龄林分别下降了 6. 01%，2. 21%，0. 81%和 0. 26%，而灌草群落蒸散量、土壤出流量和灌草层截留
量各自占降雨量的比率比中龄林分别增加了 8. 80%，3. 87%和 2. 94%。林龄变化主要改变了蒸散和水分支出各组
分的贡献率，而不是其总量; 成熟林生长季土壤含水量略有下降，而中龄林小幅增加。
关键词: 油松; 成熟林; 中龄林; 蒸散; 水量平衡
中图分类号: S715. 5 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2013)07 － 0001 － 09
Water Balance of Different Age Pinus tabulaeformis Forests
in Taihang Mountain，Shanxi
Chang Jianguo1，2 Wang Qingyun3 Wu Xiujuan2 Cui Lu2 Liu Shirong4
(1 ． Research Institute of Forestry in North China，CAF Taiyuan 030012; 2 ． Shanxi Academy of Forestry Taiyuan 030012;
3 ． Shanxi Academy of Forestry Inventory and Planning Taiyuan 030012;
4 ． Research Institute of Forestry Ecology，Environment and Protection，CAF Beijing 100091)
Abstract: The seasonal changes in water balance components were simultaneously measured in middle-aged(22 a) and
mature(58 a) Pinus tabulaeformis forests in Taihang Mountain by using“space replacing time”method． The results
indicated that the total evapotranspiration(406． 87 － 418． 49 mm) and total water output (431． 07 － 459． 57 mm) did not
differ substantially between two forests． However，evapotranspiration and water output components varied with forest ages，
Compared with these in the middle-aged forest，the proportion of arbor canopy transpiration，arbor canopy interception，
litter interception and surface runoff to precipitation in the mature forest decreased by 6． 01%，2． 21%，0． 81% ，and
0. 26% ，respectively，while the proportion of evapotranspiration and interception of the shrub and grass layers and the soil
water outflow increased by 8． 80%，3． 87% ，and 2． 94% ，respectively． Variation in stand age might be the main factor
affecting relative contribution of evapotranspiration and water output components without changing their total amount． In
growing season，the soil water content in the mature forest decreased slightly，whereas it increased by small amplitude in
middle-aged forest．
Key words: Pinus tabulaeformis; mature forest; middle-aged forest; evapotranspiration; water balance
全球森林年蒸散量(503 ± 338 mm)为降雨量
(750 mm)的 67. 07% (Baldocchi et al．，2011)。森林
变化对蒸散(包括蒸腾、蒸发和截留)的影响目前尚
存分歧。一些研究采用空间代替时间的方法，在相
近气候条件下同步观测，发现林龄变化(Gholz et al．，
2002; Irvine et al．，2004)和演替( Iida et al．，2006;
Stoy et al．，2006)对生态系统年 /生长季蒸散量影响
很小。但也有研究发现，在相近环境下，7 年生花旗
松(Pseudotsuga menziesii)林年蒸散量为 19 年生的
52. 2% ( Jassal et al．，2009)。可见，森林变化对蒸散
林 业 科 学 49 卷
量的影响相当复杂，尚需在不同气候区、多种林型中
继续深入研究，加强蒸散组分变化分析是揭示森林
变化对蒸散量影响机制的关键 ( Naranjo et al．，
2011)。
阐明林龄变化对生态系统出流量(包括地表径
流和土壤出流)的影响是揭示森林流域径流变异机
制的重点(Oishi et al．，2010)，也是准确预测流域产
流量长期变化趋势及绝对变化量的关键 (Marc et
al．，2007)。
油松(Pinus tabulaeformis)是我国华北地区的主
要造林树种，国内学者对其中幼林蒸散和水量平衡
进行过大量报道 (余新晓等，1996; 魏天兴等，
1998; 高人，2002)，但因研究区域及研究期间的环
境条件不同，结论间难以比对，不能有效分离林龄变
化对水量平衡及其组分的影响。此外，现有研究多
集中在黄土高原和中幼林阶段，其他区域及更大林
龄尺度的研究还很缺乏。太行山是京津及华北平原
的生态屏障，生态地位十分重要，油松林占该区域人
工林总面积的 50% 以上。本研究同步观测太行山
油松中龄林及成熟林的水量平衡组分，揭示二者水
量平衡组分的季节性变异规律、控制因子及林龄变
化对系统水量平衡的影响，为油松人工林水循环的
动态模拟提供科学依据。
1 研究区概况
研究区位于山西省平顺县(113°15—113°38 E，
35°57—36°27 N)，为太行山石灰岩中山区，属暖温
带季风气候，多年(1971—2008)平均气温 9. 3 ℃，平
均风速 2. 1 m·s － 1，平均降水量 530 mm。主要土壤类
型为石灰岩质山地褐土，地下水埋深 300 m 以上。
所研究的油松中龄林(22 年生)和成熟林(58 年
生)地处太行山森林生态站，位于阴坡，海拔1 300 m，
2 块林地相距 800 m，林分密度分别为1 650和 450 株·
hm － 2，郁闭度分别为 0. 85 和 0. 65。前者主要林下灌
木为 胡 枝 子 ( Lespedeza bicolor ) 和 黄 刺 玫 ( Rosa
xanthina)，后者主要为虎榛子(Ostryopsis davidiana)
与黄刺玫; 林下草本均为矮苔草(Carex humilis)与披
针苔草(Carex lanceolata)，土厚 30 ～ 40 cm。
2 研究方法
2. 1 样地设置及调查
2010 年 8 月，在 2 林分内分别设 2 块 40 m ×
40 m样地，调查乔木层生长状况; 在各样地内分别
设 10 个 2 m × 2 m 样方调查灌草生长状况，并随机
选择 50 个样点，测定灌草盖度、枯落物盖度及厚度;
在各样地内分别设 30 个 0. 25 m × 0. 25 m 样方，收
集其中 20 个样方的凋落物，测算其现存量，其余 10
个样方的凋落物收集后泡水 36 h，测定其饱和持水
量。所有样方均为随机设置。
2. 2 环境因子测定
2010 年 5—10 月，用 HOBO 自动气象站(Onset
Computer Corporation，Bourne，MA，USA)测定林外
降雨量、气温、空气相对湿度、风速和光合有效辐射，
用 CR10X 数据采集器10 min采集 1 次数据。水汽
压亏缺用 Campbell 等(1998)提供的公式计算。
在每个样地典型地段，用 EM 50 自动测定仪
(Decagon Devices Inc，Pullman，WA，USA ) 每隔
10 cm测定所有土层温度和土壤含水量。用 CR10X
数据采集器10 min采集 1 次数据，取各土层均值用
于数据分析。田间持水量用小区灌水法测定。
2. 3 树干茎流
在每块样地周围另设 1 个 15 m × 15 m 样方，于
2010 年 5—10 月测定其中所有树木的树干茎流。
单位面积林地树干茎流(F s，mm)用下式计算:
F s = n × F s( a) /225。
式中: F s( a)为平均单株树干流(L); n 为株数。
2. 4 穿透水及截留量
2. 4. 1 乔木层穿透水测定及截留量和截留参数估
算 2010 年 5—10 月，在每块样地内，将口径 25 cm
的 30 个漏斗随机固定在 1 m 高处接收穿透水
(F tr)，依漏斗面积换算为水深(mm)。乔木层截留
量( I tr，mm)用下式计算:
I tr = P － F s － F tr。
式中: P 为降雨量(mm)。
用“平均法”估算乔木层饱和持水量、平均蒸发
速率和平均雨强比值及自由透流系数 3 个截留参数
(Pypker et al．，2005)。
2. 4. 2 灌草层穿透水及截留量 2010 年 5—10
月，在灌草高度以下随机布设与乔木层规格、数量相
同的漏斗 (口部距地表 20 cm)接收穿透水( F sg，
mm)，用下式计算灌草层截留量( I sg，mm);
I sg = F tr － F sg。
2. 4. 3 枯落物截留量 2010 年 5—10 月，在每块
样地内随机布设 15 组(每个测点 1 组，每组 2 个)规
格为 30 cm(长) × 30 cm(宽) × 20 cm(高)、底部有
排水孔的塑料容器。容器用纱网分割成上、下 2 层。
每个测点的一个容器上层放置原状枯落物，下层接
收雨水，另一个为对照。用下式计算枯落物截留量
( IL，mm):
IL = F c － FL。
2
第 7 期 常建国等: 山西太行山不同林龄油松林的水量平衡
式中: FL和 F c分别为枯落物容器和对照容器接收
的雨水(mm)。
2. 5 灌草群落蒸散量和土壤出流量
2010 年 5—10 月，采用杨帆等(2008)的方法，
在每块样地具平均特征的地段建 1 个 1. 0 m(长) ×
1. 0 m(宽) × 0. 6 m(深)蒸渗池，池上边沿高出土表
10 cm，池底铺设 10 cm 厚卵石，将灌草群落切块移
入池内。通过池底排水孔及地表排水槽分别收集土
壤出流(包括壤中流和渗漏)和地表径流; 用 EM 50
测定池内土壤含水量，据此估算其蓄变量; 用林分
净降雨估算池内土表接受的雨水; 用水量平衡法推
算不同时段(5 ～ 7 天)的灌草群落蒸散量(包括灌
草蒸腾和土壤蒸发)，若遇降雨则延长时段(Naranjo
et al．，2011)，取其日均值用于数据分析。
2. 6 林分地表径流
2010 年 5—10 月，用 20 m × 20 m 的径流场测
定林分地表径流。
2. 7 林分截留量及出流量
林分截留流量( I s )为乔木层、灌草层和枯落物
层截留量之和，林分出流量为地表径流和土壤出流
之和。
2. 8 乔木层蒸腾
在每块样地周围选取 30 株林木，用生长锥在
1. 3 m 高处钻取木芯测算边材宽度和面积，建立边
材面积(A s，cm
2)与胸径(DBH，cm)关系式(成熟林
为 A s = 0. 527 × DBH
1. 935 8，R2 = 0. 994 6; 中林龄为
A s = 0. 693 5 × DBH
1. 995 1，R2 = 0. 998 9)推算样地边
材总面积，用于蒸腾测算。
成熟林、中龄林分别按 4 和 2 cm 划分径阶，在每
个径阶选择 2 株标准木，依 A s与 DBH 关系估算其边
材宽度。在此基础上，于 2010 年 5—10 月选用长度
为 30 和 50 mm 的 Grainer 热 扩 散 液 流 探 针
(Dynamax，USA)插入树干北侧 1. 3 m 高处测定液流
速率(Grainer，1987)，用 CR10X 数据采集器10 min记
录 1 次均值。试验结束后，实测标准木边材宽度，若
小于探针长度，用 Clearwater 等(1999)的方法校正。
林分蒸腾量用 Grainer(1987)的方法推算。
3 结果与分析
3. 1 林分特征
中龄林密度和郁闭度分别是成熟林的 3. 67 和
1. 31 倍，但其平均胸径、平均树高、平均冠幅及平均
活枝下高均显著低于后者(P ＜ 0. 05); 除灌木基径
和草本高度无显著差异外，成熟林的灌木高度、灌草
层盖度和地上生物量均显著高于中龄林 ( P ＜
0. 05); 2 林分枯落物盖度、厚度、现存量和饱和持
水量均无显著差异(P ＞ 0. 05)(表 1)。
3. 2 环境因子季节性变化
生长季 52 场降雨平均雨强为 3. 95 mm·h － 1，总
量 445. 4 mm。中、小降雨量占降雨总量的 85. 2%。
83. 74%的降雨量分布在 6 月末至 9 月上旬。相对
湿度、气温、光合有效辐射、风速和水汽压亏缺均值
分别为 75. 18%，16. 81 ℃，31. 07 mol·m － 2 d － 1，0. 64
m·s － 1 和 0. 50 kPa，变异系数分别为 23. 76%，
30. 45%，40. 70%，75. 83%和 82. 75% (图 1)。
2010 年生长季降雨量和气温分别为多年生长
季均值的 91. 8%和 96. 6%，其季节性变化代表了该
区域典型的气候特点，即 5—6 月干旱少雨，7—9 月
高温高湿，10 月明显降温。
成熟林、中龄林土壤温湿度季节性变化模式相
表 1 油松中龄林与成熟林特征
Tab． 1 Characteristics of middle-aged forest and mature forest of Pinus tabulaeformis
层次
Layer
变量
Variable
中龄林
Middle-aged forest
成熟林
Mature forest
乔木层
Arbor
平均胸径 Mean DBH /cm 8. 55 ± 0. 27 21. 20 ± 0. 90
平均树高 Mean tree height / cm 5. 52 ± 0. 15 8. 90 ± 0. 30
平均冠幅 Mean crown width /m 2. 88 ± 0. 22 5. 00 ± 0. 30
平均活枝下高 Mean height under the first living branch /m 1. 93 ± 0. 36 4. 10 ± 0. 90
灌草层
Shrub and
herb
灌草层盖度 Shrub and herb coverage 0. 65 0. 95
灌木层高度 Shrub height /m 0. 98 1. 65
灌木基径 Stem diameter near ground / cm 1. 30 1. 11
草本层高度 Herb height /m 0. 31 0. 35
地上生物量 Aboveground biomass /( kg·hm － 1 ) 1 910 4 520
枯落物层
Litter
凋落物盖度 Litter coverage 0. 90 0. 90
凋落物厚度 litter depth / cm 3. 5 3. 3
凋落物现存量 Litter stock /( kg·hm － 1 ) 18 200 17 800
凋落物饱和持水量 Litter saturated water content /mm 4. 18 4. 09
3
林 业 科 学 49 卷
图 1 气候因子的季节性变化
Fig． 1 Seasonal change of climate factors
近(图 2 )，含水量均值分别为 0. 20 和 0. 14 m3·
m － 3，前者显著高于后者 ( P ＜ 0. 05 )，但后者的变
异系数 ( 31. 54% )为前者 ( 18. 57% ) 的 1. 70 倍;
土壤温度均值分别为 13. 96 和 13. 65 ℃，无显著
差异( P ＞ 0. 05 )，变异系数相近，分别为 23. 23%
和 23. 91%。
图 2 土壤温湿度的季节性变化
Fig． 2 Seasonal change of soil water content and soil temperature
3. 3 树干茎流
降雨量≥4. 4 mm 时，2 林分产生树干茎流; 成熟
林、中龄林茎流总量分别为 5. 03 和 9. 00 mm，茎流率
分别为 1. 13%和 2. 02%，后者是前者的 1. 79 倍。树
干茎流量及茎流率均和降雨量呈显著线性函数关系，
后者可解释 2 林分茎流量变异的91. 77% ～ 93. 34%、
茎流率变异的 83. 28% ～ 84. 77%。
3. 4 截留量和截留率
成熟林乔木层、枯落物层总截留量分别比中林
龄下降 11. 82% 和 6. 79%，而其灌草层总截留量是
4
第 7 期 常建国等: 山西太行山不同林龄油松林的水量平衡
中龄林的 1. 49 倍(表 2)。在组分变化作用下，2 林
分总截留量仅差 0. 42 mm。各截留层及林分水平截
留量均和降雨量呈显著对数函数关系，后者可解释
2 林分前者变异的 72. 52% ～ 85. 34% (表 3)。
随降雨增加，2 林分乔木层截留率( I tr /P)、林分
水平截留率( IS /P)均呈幂函数下降(表 3，图 3)，而
枯落物截留率( IL /P)以 4. 0 mm 降雨量为界，先线
性增加，后幂函数下降(表 3，图 3); 2 林分灌草层
截留率( I sg /P)变化模式不尽相同(表 3，图 3)，成熟
林和乔木层相近，中龄林和枯落物层相近。
2 林分中，乔木层总截留率均最大，其次为枯落
物层，灌草层均最小; 成熟林灌草和枯落物截留率
总和为 20. 19%，超过了乔木层，而中龄林中二者基
本持平; 2 林分总截留率仅差 0. 09% (表 2)。
表 2 生长季总截留量和总截留率
Tab． 2 Total interception and total interception proportion to precipitation in growing season
截留层
Interception layer
总截留量 Total interception amount /mm 总截留率 Total interception proportion (% )
成熟林 Mature forest 中龄林 Middle-aged forest 成熟林 Mature forest 中龄林 Middle-aged forest
乔木 Arbor 73. 65 83. 52 16. 54 18. 75
灌草 Shrub and herb 39. 92 26. 83 8. 96 6. 02
枯落物 Litter 50. 00 53. 64 11. 23 12. 04
林分 Stand 163. 57 163. 99 36. 73 36. 82
表 3 截留量及截留率和降雨量关系
Tab． 3 Relationship between interception amount and proportion with precipitation(P ＜ 0. 05)
截留层 Interception layer 成熟林 Mature forest 中龄林 Middle-aged forest
乔木 Arbor
I tr = 0. 55lnP + 0. 79，R
2 = 0. 732 6;
I tr /P = 0. 49P
－ 0. 41，R2 = 0. 782 2
I tr = 0. 58lnP + 0. 94，R
2 = 0. 751 1;
I tr /P = 0. 62P
－ 0. 46，R2 = 0. 820 7
灌草 Shrub and herb
Isg = 0. 30lnP + 0. 43，R
2 = 0. 783 7;
Isg /P = 0. 28P
－ 0. 44，R2 = 0. 841 6
Isg = 0. 25lnP + 0. 23，R
2 = 0. 725 2;
Isg /P(P ＜ 2. 2) = 0. 024P + 0. 087，R
2 = 0. 820 7;
Isg /P(P≥2. 2) = 0. 29P
－ 0. 60，R2 = 0. 704 8
枯落物 Litter
IL = 0. 49lnP + 0. 40，R
2 = 0. 848 5;
IL /P(P ＜ 4. 0) = 0. 086P － 0. 01，R
2 = 0. 823 8;
IL /P(P≥4. 0) = 0. 96P
－ 0. 77，R2 = 0. 909 9
IL = 0. 52lnP + 0. 44，R
2 = 0. 853 4;
IL /P(P ＜ 4. 0) = 0. 061P + 0. 06，R
2 = 0. 708 5;
IL /P(P≥4. 00) = 1. 05P
－ 0. 78，R2 = 0. 917 0
林分 Stand
IS = 1. 34lnP + 1. 62，R
2 = 0. 807 1;
IS /P = 0. 89P
－ 0. 32，R2 = 0. 709 6
IS = 1. 35lnP + 1. 61，R
2 = 0. 810 2;
IS /P = 0. 89P
－ 0. 32，R2 = 0. 708 3
图 3 截留率随降雨量的变化
Fig． 3 Changes in interception proportion with increasing precipitation
3. 5 乔木层蒸腾量的季节性变化
2 林分乔木层日蒸腾量的季节性变化大致相同，
在干旱少雨的 5，6 月呈下降趋势，在雨热充沛的 7，8
月増至较高水平，随后逐渐下降(图 4)。成熟林、中
龄林最大日蒸腾量分别为 3. 05 和 3. 52 mm(2010 －
07 － 21); 日均值分别为 0. 97 和 1. 12 mm，前者显
著低于后者 ( P ＜ 0. 05 ); 总量分别为 178. 16 和
205. 33 mm，分别占降雨量的 40. 00%和 46. 10%。
光合有效辐射和土壤含水量共同解释了 2 林分
生长季蒸腾量变异的 56. 0% ～ 67. 4% ; 8 个环境变
量中，除土壤温度和风速对蒸腾量无影响外，其他变
量单独或相互组合，解释了 2 林分不同月份日蒸腾
量变异的 53. 9% ～ 89. 3% (表 4)。在 SWC 最低且
差异很小(0. 03 m3·m － 3)的 6 月 29 日，中龄林蒸腾
量(0. 10 mm) 不及成熟林( 0. 24 mm) 的一半 (图
4)，干旱对前者影响更大。
5
林 业 科 学 49 卷
图 4 乔木层蒸腾量的季节性变化
Fig． 4 Seasonal change of arbor canopy transpiration
3. 6 灌草群落蒸散的季节性变化
成熟林、中龄林灌草群落蒸散的季节性变化和
乔木层蒸腾大致相同(图 4，5)，平均分别为 0. 42 和
0. 20 mm·d － 1，前者显著高于后者(P ＜ 0. 05); 变异
系数分别为 43. 82%和 55. 85% ; 总量分别为 76. 75
和 37. 55 mm，分别占降雨量的 17. 23% 和 8. 43%。
8 个环境变量共同解释了成熟林灌草群落蒸散变异
的 78. 8%和中龄林的 59. 4%。
3. 7 森林生态系统总蒸散量
成熟林、中龄林日平均蒸散量分别为 2. 27 和
2. 21 mm; 系统总蒸散(包括截留、蒸腾和灌草群落
蒸散)量分别为 418. 49 和 406. 87 mm，分别占降雨
量的 93. 96% 和 91. 35%，二者仅差 11. 62 mm。成
熟林总蒸散量中，乔木层蒸腾量、林分截留量和灌草
群落蒸散量的贡献率分别为 42. 57%，39. 09% 和
18. 34%，中 龄 林 中 分 别 为 50. 47%，40. 31% 和
9. 23%。灌草群落蒸散量贡献率随林龄的变化最
大，其次为乔木层蒸腾量，林分截留量变化最小。
表 4 乔木层日蒸腾量和环境变量的关系①
Tab． 4 Relationship between daily transpiration of arbor canopy and environmental variables(P ＜ 0. 05)
月份 Month 成熟林 Mature forest 中龄林 Middle-aged forest
5 y = 0. 026PAR － 0. 517RH + 0. 477，R a
2 = 0. 817 y = 0. 023PAR － 0. 494RH + 6. 704SWC － 0. 212，R a
2 = 0. 825
6 y = 11. 089SWC + 0. 026PAR － 2. 011，R a
2 = 0. 539 y = 45. 645SWC － 0. 075P － 3. 502，R a
2 = 0. 625
7 y = 0. 026PAR + 0. 097Ta － 1. 612，R a
2 = 0. 574 y = 0. 039PAR + 0. 127Ta － 2. 288，R a
2 = 0. 634
8 y = 0. 028PAR － 2. 313RH + 2. 385，R a
2 = 0. 890 y = 0. 038PAR － 3. 616RH + 3. 584，R a
2 = 0. 874
9 y = 0. 044PAR － 0. 154，R a
2 = 0. 886 y = 0. 051PAR + 0. 990VPD － 0. 266，R a
2 = 0. 893
10 y = 0. 013PAR + 0. 039Ta － 0. 142，R a
2 = 0. 867 y = 0. 017PAR + 0. 049Ta － 0. 197，R a
2 = 0. 875
5—10 y = 7. 232SWC + 0. 034PAR － 1. 526，R a
2 = 0. 674 y = 9. 338SWC + 0. 045PAR － 1. 596，R a
2 = 0. 560
①PAR，RH，SWC，Ta，P，VPD和 R a
2 分别表示光合有效辐射、相对湿度、土壤含水量、气温、降雨量、水汽压亏缺及调整 R2。PAR，RH，SWC，Ta，
P，VPD，and R a
2 represents photosynthetically active radiation，relative humidity，soil water content，air temperature，precipitation，vapor pressure
deficit，and adjusted R2 ．
图 5 灌草群落蒸散量的季节性变化
Fig． 5 Seasonal change of evapotranspiration of
shrub and herb community
3. 8 地表径流、土壤出流及林分出流量
从表 5 可知，成熟林、中龄林地表径流总量分别
为降雨量的 0. 94%和 1. 02%，前者总量的 63. 10%、
后者总量的 83. 77%均发生在含水量低于田间持水
量的条件下 ( 二者田间持水量分别为 0. 26 和
0. 23 m3·m － 3); 二者单次径流量均和 10 min 最大
雨强显著正相关(P ＜ 0. 03)，相关系数分别为 0. 978
和 0. 997。2 林分地表径流以超渗产流为主。
成熟林、中龄林土壤出流总量分别占降雨量的
8. 28%和 4. 41%，前者是后者的 1. 88 倍，主要发生
在含水量超过田间持水量的条件下(表 5)。2 林分
土壤单次出流量均与降雨量及雨前土壤储水量之和
正相关，而均与平均雨强及 10 min 最大雨强负
相关。
成熟林、中龄林的总出流量分别为 41. 08 和
24. 2 mm，分别占降雨量的 9. 22% 和 5. 43%，前者
为后者的 1. 70 倍。
6
第 7 期 常建国等: 山西太行山不同林龄油松林的水量平衡
表 5 地表径流和土壤出流
Tab． 5 Surface runoff and soil water outflow
日期
Date
降雨量
Precipitation /
mm
雨强
Rainfall
density /
(mm·min － 1 )
10 min 最大雨强
The maximum
10 min rain
density /
(mm·min － 1 )
雨前和雨后土壤含水量
Soil water content before and
after precipitation /(m3·m －3)
地表径流
Surface runoff /mm
土壤出流
Soil outflow /mm
成熟林
Mature
forest
中龄林
Middle-aged
forest
成熟
Mature
forest
中龄林
Middle-aged
forest
成熟林
Mature
forest
中龄林
Middle-aged
forest
2010 － 06 － 30 44. 2 0. 160 0. 86 0. 106 /0. 196 0. 075 /0. 163 0. 68 0. 88 0 0
2010 － 07 － 31 35. 4 0. 440 1. 30 0. 184 /0. 254 0. 113 /0. 181 1. 94 1. 95 0 0
2010 － 08 － 09 24. 4 0. 270 0. 88 0. 216 /0. 264 0. 139 /0. 186 1. 01 0. 99 2. 32 0
2010 － 08 － 13 30. 8 0. 088 0. 22 0. 233 /0. 295 0. 162 /0. 223 0 0 13. 96 0
2010 － 08 － 20 16. 6 0. 059 0. 38 0. 247 /0. 278 0. 188 /0. 219 0 0 7. 80 0
2010 － 08 － 21 14. 2 0. 120 0. 56 0. 248 /0. 274 0. 220 /0. 246 0 0 6. 24 7. 16
2010 － 08 － 23—24 21. 0 0. 025 0. 08 0. 240 /0. 265 0. 213 /0. 242 0 0 2. 92 5. 72
2010 － 08 － 31 22. 4 0. 220 0. 82 0. 219 /0. 261 0. 190 /0. 231 0. 57 0. 74 1. 20 1. 24
2010 － 09 － 07 11. 4 0. 025 0. 06 0. 247 /0. 264 0. 225 /0. 242 0 0 2. 44 5. 52
3. 9 水量平衡特征
观测期，成熟林、中龄林水分总支出分别为降雨
量的 103. 18% ( 459. 57 mm ) 和 96. 78% ( 431. 07
mm)，仅差 28. 50 mm。成熟林土壤水分略有下降，
中龄林小幅增加(表 6，7)。乔木层蒸腾量、乔木层
截留量、凋落物截留量和地表径流量对成熟林总支
出的贡献率分别比中龄林下降了 8. 86%，3. 34%，
1. 56%和 0. 15%，而灌草群落蒸散量、灌草层截留
量和土壤出流量的贡献率分别比中龄林增加了
7. 99%，2. 46% 和 3. 46%，后者弥补了前者下降
对总支出的影响。将组分整合为蒸散量和林分出
流量，则蒸散量和林分出流量对中龄林总支出的
贡献率分别为 94. 39% 和 5. 61%，对成熟林分别
为 91. 06%和 8. 94% (表 6，7)。线性回归表明，月
降雨量可分别解释成熟林、中龄林月支出量变异
的 92. 40%和 83. 61% (P ＜ 0. 05)。
表 6 成熟林水量平衡特征
Tab． 6 Water balance characteristics of mature forest
月份
Month
水分输入 Water input /mm 水分支出 Water output /mm
降雨量
Precipitation
树干茎流
Stemflow
净降
雨量
Net
precipitation
林分截留量
Stand
interception
乔木层
蒸腾量
Arbor canopy
transpiration
灌草群落蒸散量
Evapotrans
piration of
shrub and
herb
community
地表径
流量
Surface
runoff
土壤出
流量
Soil
outflow
土壤蓄
水量变化
Changes
in soil water
storage /mm
5 37. 6 0. 30 16. 53 20. 77 33. 83 12. 57 0 0 － 29. 57
6 62. 0 0. 83 38. 67 22. 50 18. 69 10. 09 0. 68 0 10. 04
7 118. 6 1. 51 79. 89 37. 20 43. 85 19. 57 1. 94 0 16. 04
8 175. 4 2. 04 120. 90 52. 46 37. 10 17. 92 1. 58 34. 44 31. 90
9 40. 8 0. 28 16. 71 23. 82 28. 11 10. 44 0 2. 44 － 24. 00
10 11. 0 0. 07 4. 10 6. 83 16. 58 6. 16 0 0 － 18. 57
总量 Total 445. 4 5. 03 276. 80 163. 58 178. 16 76. 75 4. 20 36. 88 － 14. 16
表 7 中龄林水量平衡特征
Tab． 7 Water balance characteristics of middle-aged forest
月份
Month
水分输入 Water input /mm 水分支出 Water output /mm
降雨量
Precipitation
树干茎流
Stemflow
净降
雨量
Net
precipitation
林分截留量
Stand
interception
乔木层蒸腾量
Arbor canopy
transpiration
灌草群落蒸散量
Evapotrans
piration of
shrub and
herb
community
地表径流量
Surface
runoff
土壤出流量
Soil
outflow
土壤蓄
水量变化
Changes
in soil water
storage /mm
5 37. 6 0. 53 16. 30 20. 77 30. 90 5. 24 0 0 － 19. 31
6 62. 0 1. 51 37. 91 22. 58 12. 42 3. 03 0. 88 0 23. 09
7 118. 6 2. 75 78. 61 37. 24 57. 01 10. 40 1. 95 0 12. 00
8 175. 4 3. 57 119. 23 52. 60 48. 23 10. 11 1. 73 14. 12 48. 61
9 40. 8 0. 52 16. 33 23. 95 36. 54 5. 58 0 5. 52 － 30. 79
10 11. 0 0. 12 4. 03 6. 85 20. 23 3. 19 0 0 － 19. 27
总量 Total 445. 4 9. 00 272. 41 163. 99 205. 33 37. 55 4. 56 19. 64 14. 33
7
林 业 科 学 49 卷
4 结论与讨论
树干茎流产生的最小林外降水量一般为 2. 0 ～
10. 0 mm，茎流 率 通 常 在 5. 0% 以 下 (鲍 文 等，
2004)，本研究 2 油松林对应参数在此范围内。油松
中龄林的茎流高于成熟林，主要是冠层结构和林分
密度差异所致。
我国森林乔木层截留率为 11. 40% ～ 34. 34%
(刘 世 荣 等， 1996 )，2 油 松 林 为 16. 54% ～
18. 75%，属中等水平。降雨特征相近，林分冠层截
留差异取决于冠层饱和持水量( S，mm)、自由透流
系数( p tr)、平均蒸发速率及平均雨强比值 ( E
－
/R
－
)
(Pypker et al．，2005; Muzylo et al．，2009)。成熟林
的 S，p tr和 E
－
/R
－
分别为 1. 63 mm、0. 40 和 0. 04，中龄
林分别为 1. 83 mm、0. 20 和 0. 04。后者显著较小的
p tr及略大的 S 是其乔木层截留较高的主要原因。
成熟林灌草截留量显著高于中龄林，主要因其
乔木层穿透水及灌草盖度较大。未考虑灌木茎流可
能高估其截留量，不过 West 等(2006)认为灌木基
径小于 2. 0 cm，茎流可忽略。
枯落物截留率通常为 2. 0% ( Helvey et al．，
1965) ～ 18% (Miller et al．，1990)。2 油松林的差异
不大，均 与 赵鸿雁 等 ( 2003 ) 5 年 的 观 测 均 值
(12. 4% )相近，这是穿透水和枯落物特征及林内小
气候共同作用的结果。枯落物截留机制和植被不尽
相同，形状完整的与叶片相似，分解严重的有吸水效
应，截留模拟应区别对待 ( Guevara-Escobar et al．，
2007)，本研究发现，降雨量对形状较为完整的枯落
物的截留变异有较高的解释能力。
油松成熟林乔木层蒸腾量显著低于中龄林。大
量研究均发现蒸腾量随林龄增加而明显下降，如 32
年生海岸松( Pinus pinaster) 林比 4 年生的下降了
29. 9% ～ 51. 4% (Delzon et al．，2005)，450 年生花旗
松林比 40 年生的下降了 76. 6% ( Moore et al．，
2004)。有的认为是林分水分传导力和边材面积变
化所致(Moore et al．，2004); 或认为是叶面积指数
和单位叶面积蒸腾速率下降所致 ( Delzon et al．，
2005); 或认为与林分细根生物量关系密切(Ewers
et al．，2005)。系统揭示上述参数随林龄的变化规
律及对蒸腾量影响的相对重要性仍是相关机制研究
的重点。环境变量解释了 2 林分蒸腾变异的
53. 9% ～ 89. 3%，其余变异的控制因子及其作用规
律尚需深入探索。
成熟林灌草群落蒸散量显著高于中龄林，普遍
认为这是乔木层结构及相应的林下环境和灌草群落
变化造成的 ( Delzon et al．，2005; Simonin et al．，
2007)。随林龄增大，乔木层叶面积减小，林下净辐
射及气温增加(Delzon et al．，2005)，再加上成熟林
显著较高的土壤含水量及灌草生物量，均为蒸散量
提供了有利条件。
本研究 22 和 58 年生油松林生长季蒸散量相当
接近。与其他研究结果 (魏天兴等，1998; Irvine
et al．，2004; Delzon et al．，2005)一样，本研究发现
林龄变化主要改变了组分贡献率及相对重要性而不
是蒸散总量，但这是否具普遍性尚需扩大立地和林
龄加以证实。
本研究 2 油松林地表径流均以超渗产流为主，
径流系数很小且十分接近。二者土壤总出流量占降
雨量比率远低于曹建生等 (2007)在相近立地类型
区的观测结果 (38. 55% )，主要是观测期降雨量及
土壤水分差异造成的。成熟林总出流高于中龄林，
这种变化趋势关系着森林流域河道生态系统健康和
地下水补给的长期变化特征(Oishi et al．，2010)。
整个生长季，中林龄的土壤含水量增加，而成熟
林减少，从支出组分可以看出，主要是因后者较大的
林下灌草群落蒸散量及土壤出流量所致，加强成熟
林灌草耗水干预(如割灌等)对维持其水量平衡十
分必要。生长季初期(5—6 月)，干旱对中林龄水分
支出影响更大，主要表现为对其蒸腾的明显抑制，这
是因为年龄较小树木的气孔导度对干旱胁迫更为敏
感(Delzon et al．，2005)，不过，干旱的抑制效应在湿
润期得到了弥补。
2 林分水量平衡中，最突出的变化不是收、支总
量，而是组分贡献率，这是系统综合特征变异所致的
( Barbier et al．，2009)。每个组分均有特定的生态
功能( Barbier et al．，2009)，上述变化可能对系统功
能影响更大。
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