全 文 ：第 wt卷 第 w期
u s s x年 z 月
林 业 科 学
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∏¯ qou s s x
/多树水分平衡法0的方法与应用
王彦辉 熊 伟 于澎涛
k中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 tsss|tl
摘 要 } 针对黄土高原土石山区植被群落蒸散量测定及其分量确定的问题 o基于林地水分平衡原理 o提出了/多
树水分平衡法0的概念 !具体布设和计算方法 o并应用本方法较为准确地测定了 u种不同密度的华北落叶松林分的
蒸散量及其分量 o通过与热脉冲测定方法的对比和验证 o表明 u种方法计算结果相差不大 o说明它可以作为测水分
平衡的一种方法加以应用 o最后对该方法在理论和实践中存在的若干问题进行了探讨 ∀
关键词 } 森林蒸散 ~土壤水分平衡 ~多树水分平衡法
中图分类号 }≥ztx1w 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsw p st{w p sx
收稿日期 }ussw p sv p tu ∀
基金项目 }国家重点基础研究发展规划项目kussu≤…tttxstl !国家自然科学基金重点项目kvsuvsu|sl !国家林业局引进国际先进技术kussv
p w p wvl !国家/十五0科技攻关计划项目kusst…„xts…su p syl !科技部社会公益研究专项kussw⁄Œ…vtsul和国家林业局森林生态环境重点实验
室共同资助 ∀
Ωατερ Βαλανχε Μεασυρεµεντ οφ Μυλτιπλε2Τρεεσ} Μετηοδ ανδ Αππλιχατιον
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kΤηε Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Φορεστ Εχολογψo Ενϖιρονµεντ ανδ Προτεχτιον o ΧΑΦ Βειϕινγtsss|tl
Αβστραχτ} …¤¶¨§²±·«¨ ³µ¬±¦¬³¯¨²©º¤·¨µ¥¤¯¤±¦¨ ¬±©²µ¨¶·¨ ¦²¶¼¶·¨°o¤±¨ º °¨ ·«²§±¤°¨ §/ º¤·¨µ¥¤¯¤±¦¨ °¨ ¤¶∏µ¨°¨ ±·²©
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³¤³¨µq ׫¨ ·µ¤±¶³¬µ¤·¬²± ²©·º² ¶·¤±§¶²© Λαριξ πρινχιπι2ρυππρεχητιι º¬·« §¬©©¨µ¨±·§¨±¶¬·¼ º¤¶ ¶¨·¬°¤·¨§¥¼ ·«¨ °¨ ·«²§q ׫¨
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Κεψ ωορδσ} ƒ²µ¨¶·¨ √¤³²·µ¤±¶³¬µ¤·¬²±~≥²¬¯ º¤·¨µ¥¤¯¤±¦¨ ~ • ¤·¨µ¥¤¯¤±¦¨ °¨ ¤¶∏µ¨°¨ ±·²© °∏¯·¬³¯ 2¨·µ¨ ¶¨
作为森林生态系统中水分输出的重要方式 o森林蒸散耗水历来是水文学和生态学研究中的一个热点和
难点问题 ∀尽管目前测定森林蒸散的方法很多k • ∏¯¯ ¶¦«¯ ª¨¨µετ αλqot||{ ~≤¤¯§¨µot||u ~徐德应 ot|{| ~张劲松
等 ousst ~王安志等 ousstl o但由于测定目的和学科出发点的不同 o迄今为止还没有一种理论上完美 !实际操
作简单快捷的方法 o这就增加了对森林水分平衡研究的难度 ∀
针对黄土高原独特的土壤特征 o基于土壤水分平衡原理 o孙长忠等kt||yl提出了/单株平衡法0 o其目的
在于测定单株林木的蒸腾量和林地土壤蒸发量 ∀然而 o现在需要解决的问题是定量研究不同森林结构与其
蒸散量及分量之间的关系 o从理论上讲 o这要求在充足的仪器设备支持下对多块平行样地进行同步观测研
究 o然而现实中很难满足这样的研究需求 ∀
借助于/单株平衡法0的研究思路 o根据对宁夏六盘山地区主要人工群落蒸散耗水的研究经验 o提出了
/多树水分平衡法0的概念和方法 o其特点在于可以测定包含多株样树的样地的蒸散量及其分量 o为区分和量
化森林群落结构对蒸散总量及其组分的影响提供了可能 ∀因此 o该方法可用于直接研究不同树种组成及空
间配置群落的蒸散耗水规律 o定量确定森林群落结构与其蒸散及分量间的关系 ∀
t 概念的提出 !试验布置与计算方法
111 概念的提出
为了能够测定出不同结构k如密度l的森林群落的蒸散量及其分量组成 o基于土壤水分平衡原理 o对 /单
图 t /多树水分平衡法0原理及布置示意图
ƒ¬ªqt ⁄¬¤ªµ¤° ²©·«¨ ³µ¬±¦¬³¯¨¤±§§¨¶¬ª± ²©
º¤·¨µ¥¤¯¤±¦¨ °¨ ¤¶∏µ¨°¨ ±·²© °∏¯·¬³¯ 2¨·µ¨ ¶¨
株平衡法0进行扩展 o把多株林木k包括林下
灌草和地被物l及其所占的林地作为一个系
统和完整的研究单元 o以测定林木群落的蒸
散量和蒸腾量为核心内容 o同时也测定林下
植被的蒸腾量 !土壤蒸发量等其他多项水量
平衡分量 o称之为/多树水分平衡法0k图 tl ∀
1 .2 样地布设和计算原理
在试验林分内设置样地 o进行每木调
查 o然后以平均木大小为准选择k几株l样
木 o按照林分的密度和树木生长的营养空间
来确定研究单元的面积大小及其包含林木
的株数 ∀在确定系统边界的基础上 o沿四周
边界外侧挖 t条深至母岩层k约 t ∗ t1x °左
右l的壕沟 o用加厚塑料膜紧贴研究单元四
周的土体 o通过塑料膜的包裹使其与周围相
互隔离 o阻断土壤水分的交换k因为是半干
旱地区 o忽略壤中流的存在l ∀最后 o尽可能
地按照土层的顺序回填挖出的土壤 o并沿研
究单元的四周边界埋设隔离板或筑土埂 o以
防地表径流的水平交换 ∀在研究单元的内
部下方 o沿边界设置一条宽 ts ¦°的/ ∂0型集水槽 o槽底用塑料薄膜覆盖 o用石块压实固定 o以便收集单元内
产生的地表径流 o最后用出水管将其导入在单元外放置的径流收集器 ∀
根据林地土壤水分平衡原理 o可以写出/多树水分平衡法0系统的水量平衡方程 }
Ε· n Ε« n Ε¶ € Π² p Ι¦ p Ι¯ p Ρ n ∃ Ω ktl
式中 }Ε·!Ε« !Ε¶分别为某一时段内林木的蒸腾量k°°l !林下灌草的蒸腾量k°°l和土壤蒸发量k°°l ~Π²为
该时段内林外的降雨量k°°l ~Ι¦和 Ι¯分别为林分冠层截持蒸发量k°°l和林地枯落物的截留量k°°l ~∃ Ω
为该时段观测场内土壤水分的变化量k°°l oΡ为系统产生的地表径流量k°°l ∀由于地处半干旱地区 o降雨
稀少 o这里忽略了土壤水分向下输出的深层渗漏 ∀
上述方程中 oΠ² !Ρ和 ∃Ω为实际观测值 oΕ« !Ε¶ !Ι¦和 Ι¯各项由下面提供的方法计算而得 o最后求出剩
余项 Ε·o因此方程可以写为 }
Ε· € Π² p Ι¦ p Ι¯ p Ρ p Ε« p Ε¶ n ∃Ω kul
1 .3 水量平衡方程中各分量的观测与求算
t qv qt 林外k Π²l和林内降雨量k Π¬l的观测 在试验林分外的空旷地布设 ≥⁄y型雨量器 o测定林外降雨
量 ~在试验林内典型地段k树冠下部和树冠间隙处l布设承雨面积为 { ∗ ty °u 的塑料薄膜kv ∗ x块l作为受雨
器 o并在其下安装带盖的水桶收集林内穿透雨 ∀
t qv qu 林分内地表径流量k Ρl的观测 按照图 t设置集水槽和径流收集器 o测定地表径流量 ∀
t qv qv 林分树干茎流量的测定 树干茎流采用自制的树干茎流接受器 o按照林分内树木径级大小k按 u ¦°
整化l分别测定 o最后由下式计算林分的树干茎流量 }
Σ© € t sssΑ Ε
ν
ι € t
Σ©ι Μι kvl
式中 }Σ©为林分树干茎流量k°°l ~Α为林分面积k°ul ~Σ©ι为第 ι径级样株树干茎流量k°vl ~Μι 为第 ι径级树
木株数 ~ν为林分总径阶数 ∀本研究测定了 w株样木k分别代表 v个分布频数最高的径阶l的树干茎流 ∀
t qv qw 林分冠层截持耗水量kΙ¦l的测定 在以上分量观测的基础上 o按下式计算林冠截持耗水量 }
x{t 第 w期 王彦辉等 }/多树水分平衡法0的方法与应用
Ι¦ € Π² p Π¬ p Σ© kwl
式中 }Ι≤ 为林分冠层截持耗水量k°°l o其他符号意义同上 ∀
t qv qx 林下植被蒸腾耗水量及土壤蒸发量测定 为测定林下土壤蒸发量及草本植物的蒸腾量 o在林地内安
置 u组微型蒸渗仪k内径 us ¦°o高 vs ¦°的圆柱体l ∀其中 t组做土壤表面封蜡处理 o只容许植物蒸腾耗水 ~
另 t组为对照 o同时测定植物蒸腾和土壤蒸发 ∀然后根据差值求算出林下土壤蒸发量和草本植物蒸腾量 ∀
微型蒸渗仪的具体称重操作及计算方法为 }待所栽植物恢复正常生长后 o选择没有降水输入的不同典型
天气 o用 ⁄≠usŽ型电子天平k最大称量为 us ®ªo精度为 t ªl每隔 uw «称量一次 o用 u次观测值之差作为当天
植物蒸散或蒸腾的绝对量 o并根据宋炳煜kt||xl提出的公式换算成水层深度单位k°°l ∀
ΕΤ € Ε
ν
ι € t
∃ ΩιΠνσ ≅ ts kxl
式中 }ΕΤ为林下植物的蒸散量k°°l ~∃ Ωι 为第 ι盆林下植物蒸渗仪相邻 u次称量值之差kªl ~σ为蒸渗仪的
开口面积k¦°ul ~ν为布设蒸渗仪的总个数 ∀蒸渗仪内的土柱可依据其内草本植物的生长情况好坏及时进行
更换 o一般 z ∗ tx §更换一次 ∀
t qv qy 林地内土壤含水量变化k∃ Ωl测定 可根据研究的条件和仪器设备来决定林地内土壤含水量观测点
的空间布置和测定频率 ∀本研究中 o在每个/多树水分平衡法0系统内各设置 w个观测点 o每个测点的土壤深
度为 t °k深度基本达到母岩层l o在每月的月初和月中测定土壤剖面各层ks ∗ ts !ts ∗ us !us ∗ ws !ws ∗ ys !ys
∗ {s和 {s ∗ tss ¦°l的含水量 o采用烘干法 ov个重复样 o然后根据下式换算为水深单位 ∀
土壤体积含水量kª#ptl € 土壤质量含水量kª#®ªptl ≅土壤密度kª#°pvlΠ水的密度kª#°pvl kyl
土壤贮水量 Ωk°°l € s1st ≅土壤体积含水量kª#ptl ≅土层深度k¦°l kzl
土壤贮水量变化 ∃ Ωk°°l € Ωu p Ωt k{l
t qv qz 枯落物截持耗水量kΙ¯l的测定 在林地内不同部位布设自制 vs ¦° ≅ vs ¦°木质方框 o内设与林地等
量的枯落物 o并注意保持原有的结构 ∀通过降水前后的质量差来测定枯落物截持量 ∀本试验采用刘向东等
kt|{|l对六盘山林区华北落叶松kΛαριξ πρινχιπι2ρυππρεχητιιl林分内枯枝落叶截持降水的研究 o按照林内降雨量
的 us1| h计算截持耗水量 ∀
u 实例应用
ussu年 x ) ts月 o在宁夏自治区固原市原州区的赵千户林场 o以 tw年生的华北落叶松人工林作为研究
对象 o应用/多树水分平衡法0研究了间伐后形成的 u种不同密度结构的林分蒸散量及其分量 ou个华北落叶
松林分及其样木的生长情况见表 t o其他自然条件的描述见文献k熊伟等 oussvl ∀
表 1 2002 年 2 种不同密度华北落叶松林分基本生长状况
Ταβ . 1 Τηε στανδ γροωτη ιν τωο διφφερεντ δενσιτψ οφ Λ . πρινχιπι2ρυππρεχητιι ιν 2002
样地号
°¯ ²·‘²q
密度
⁄¨ ±¶¬·¼
Πk·µ¨ #¨«°pul
年龄
„ª¨Π¤
平均高
„√¨ µ¤ª¨
«¨¬ª«·Π°
胸 径
⁄…‹Π¦°
边材面积
≥¤³º²²§¤µ¨¤
Πk¦°u#·µ¨ p¨ tl
叶面积
¨¤©¤µ¨¤
Πk°u#·µ¨ p¨ tl
枯落物
¬·¨µ
Πk·#«°pul
´ u xss tw y1u ? t1x z1uwx ? t1uv v{1ss ? v1yw t{1|{ ? u1xy v1z|
µ t yyz tw y1t ? t1{ z1{vv ? t1vz wu1yv ? x1su us1|{ ? v1ww w1tv
在样地 ´和样地 µ内各建立 t个/多树水分平衡法0观测点 o大小分别为 w ° ≅ w °和 u ° ≅ y ° o前者系
统内有 w株样木 o代表密度为 u xss株#«°pu的林分 o后者有 u株样木 o代表密度为 t yyz株#«°pu的林分 ∀利
用前面所介绍的方法计算了 ussu年 x ) ts月林分的总蒸散量及分量k表 ul ∀
表 u表明 o样地 ´代表林分的总蒸散量为 ww|1t °° o比样地 µ高 {1su h o说明华北落叶松林分密度从
u xss株#«°pu下降到 t yyz株#«°pu后 o林分总蒸散量随之有所下降 o但并不与林木株数的减少成比例 ∀从林
分总蒸散量的各分量来看 ou个林分也有所改变 }首先林分密度降低后 o林分内林下植被的蒸散量由样地 ´
的 tvy1| °°提高到样地 µ的 txv1w °°而成为林地水分散失的最大分量 ~其次 o林木蒸腾量由样地 ´的
y{t 林 业 科 学 wt卷
表 2 2002 年度生长季 2 种密度华北落叶松林分总蒸散量及分量
Ταβ . 2 Στανδ εϖαποτρανσπιρατιον ανδ ιτσ χοµ πονεντσ οφ Λ . πρινχιπι−ρυππρεχητιι
ιν τωο διφφερεντ στανδ δενσιτψ δυρινγ γροωινγ σεασον ιν 2002
样地号
°¯ ²·
‘²q
林外降雨量
•¤¬±©¤¯ Π¯°°
林内穿透雨量
׫µ²∏ª«2©¤¯¯
Π°°
树冠截留量
≤¤±²³¼¬±·¨µp
¦¨³·¬²±Π°°
林木蒸腾量
≥·¤±§·µ¤±¶³¬2
µ¤·¬²±Π°°
枯落物截留量
¬·¨µ¬±·¨µ2
¦¨³·¬²±Π°°
林下植被蒸散量
∞√¤³²·µ¤±¶³¬µ¤·¬²± ²©∏±§¨µ¶·²µ¼ √¨ ª¨·¤·¬²±
土壤蒸发
∞√¤³²µ¤·¬²±Π°°
植物蒸腾
×µ¤±¶³¬µ¤·¬²±Π°°
小计
ײ·¤¯Π°°
总蒸散量
≥·¤±§
√¨¤³²p
·µ¤±¶³¬µ¤·¬²±
´ wt{1z uwx1s y{1v t|u1z xt1u xy1v {s1x tvy1| ww|1t
µ wt{1z vux1w wy1y twx1t y{ ys1y |u1z txv1w wtv1t
t|u1z °°下降到样地 µ的 twx1t °°而成为林地水分散失的第 u大分量 ~其三 o林分内枯落物的截留量由样
地 ´的 xt1u °°增加到样地 µ的 y{ °°而成为林地水分散失的第 v大分量 ~其四 o林冠层的截留量由样地 ´
的 y{1v °°下降到样地 µ的 wy1y °°而成为林地水分散失的最小分量 ∀可以看出 o通过同步测定 u种不同
密度的林分 o可以确定林分密度的改变所造成的林地总蒸散量及分量的组成变化 ∀
图 u 华北落叶松林木蒸腾量的
u种估计方法结果的比较
ƒ¬ªqu ≤²°³¤µ¬¶²± ²©¶·¤±§·µ¤±¶³¬µ¤·¬²± ²© Λq
πρινχιπι2ρυππρεχητιι ¶¨·¬°¤·¨§¥¼·º² ° ·¨«²§¶
v /多株平衡法0的精度验证
为了对/多树水分平衡法0估计华北落叶松生长季蒸腾量
结果的准确性进行验证 o在同一样地内 o同时采用热脉冲方法
k熊伟等 oussvl测定了生长季内华北落叶松林分的蒸腾量k图
ul ∀结果表明 o应用/多株平衡法0估计华北落叶松样地 ´和
样地 µ的生长季蒸腾量分别为 t|u1z °°和 twx1t °° o分别
低于热脉冲方法相应估计值的 x1y{ h和 tv1y{ h ∀一是因为
在本研究中采用刘向东等kt|{|l的研究结论 o可能计算结果
增大了林内枯落物的截留耗水量 ~二是损伤根系可能会导致
蒸腾减少 ~三是在观测中不可避免地会产生一定的观测误差 ∀
但总的来看 o/多树水分平衡法0 的估算值和热脉冲方法的计
算结果是相近的 ∀
w 讨论
从理论上讲 o/多树水分平衡法0将水量平衡原理 !径流场测定和微型蒸渗仪等有机地结合起来 o不仅能
够在相对较小的空间内测定林分内水量平衡的各个分量 o而且也可将林下的植被蒸腾和土壤蒸发从总量中
分离出来 o因此比较适合用于干旱和半干旱山区或坡面植物群落的蒸散量及其分量测定 ∀同时 o由于测定面
积较小 o在土壤含水量测定时减小了土壤水分分布的空间异质性影响 o降低了结果的不确定性 ∀
然而 o本方法也存在一些缺点 ∀其一 o如果系统面积太小不仅会造成径流测定的较大偏差 o而且由于在
系统修建过程中不可避免地会破坏树木根系 o从而也降低了系统内树木生长及生理状况的代表性 ~其二 o由
于条件限制 o本试验采用土钻烘干法测定土壤含水量 o取样时不可避免地损伤了部分植物根系 o同时为减少
取样干扰而使土壤水分的观测密度较低 o不能实现土壤水分的高密度连续测定 o建议在今后的测定中采用中
子仪或 ×⁄• 等非扰动或少扰动的土壤水分连续监测方法 ~其三 o由于本试验中华北落叶松林分的垂直结构
较为简单 o林冠层下的灌木极少 o因此没有考虑林下植被对降水的再次分配和截持作用 ~第四 o在本研究中 o
由于/多树水分平衡法0观测系统面积较小 o难以在其系统小区内同时布置各种水文过程测定 o所以本文采用
在研究样地中布设平行观测点加测的办法加以解决 o这虽然在表面上无法保证各个水分平衡分量的测定在
空间上完全保持一致 o但由于各个测点距离较近 o而且所选观测样木也与系统内样木生长状况较为接近 o因
此认为观测结论对于生长比较均一的人工林分还是可行的 ~最后 o本研究中没有包括壤中流和深层渗漏的测
定 o这使得该方法在降雨量较多的季节或地区应用时可能会产生较大的误差 o需要增加壤中流的测定和估
计 o尤其是增加深层渗漏的测定和估计 o以便将此方法发展完善成为一个具有普遍应用性的研究方法 ∀
z{t 第 w期 王彦辉等 }/多树水分平衡法0的方法与应用
参 考 文 献
刘向东 o吴钦孝 o苏宁虎 qt|{|1 六盘山林区森林树冠截留 !枯枝落叶和土壤水文性质的研究 q林业科学 ouxkvl }uus p uuz
宋炳煜 qt||x1 草原区不同植物群落蒸发蒸腾的研究 q植物生态学报 ot|kwl }vt| p vu{
孙长忠 o黄宝龙 qt||y1 单株平衡法的建立 q林业科学 ovukwl }vz{ p v{t
王安志 o裴铁 qusst1 森林蒸散测算方法研究进展与展望 q应用生态学报 otukyl }|vv p |vz
魏天兴 o朱金兆 o张学培 qt|||1 林分蒸散耗水量测定方法述评 q北京林业大学学报 outkvl }{x p |t
熊 伟 o王彦辉 o徐德应 qussv1 宁南山区华北落叶松人工林蒸腾耗水规律及其对环境因子的响应 q林业科学 ov|kul }t p z
徐德应 qt|{|1 森林的蒸散 }方法和实践 q见 }中国林学会森林水文与流域管理专业委员会编 q全国森林水文学术讨论会文集 q北京 }测绘出版
社 otzz p t{u
张劲松 o孟 平 o尹昌君 qusst1 植物蒸散耗水量计算方法综述 q世界林业研究 otwkul }uv p u{
≤¤¯§¨µŒ • qt||u1 • ¤·¨µ∏¶¨ ²© ∏¨¦¤¯¼³·∏¶) ¤µ¨√¬¨º qŒ±}≤¤¯§¨µŒ • o‹¤¯¯ • o„§¯¤µ§° Š k §¨¶l qŠµ²º·«¤±§º¤·¨µ∏¶¨ ²©©²µ¨¶·³¯¤±·¤·¬²±¶q • ¶¨·≥∏¶¶¨¬o
∞±ª¯¤±§otyz p tz|
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ussy5南京林业大学学报k自然科学版l6
≤‘vu p ttytΠ≥ Œ≥≥‘tsss p ussy 国内外公开发行 邮发代号 }u{ p ty
5南京林业大学学报k自然科学版l6由南京林业大学主办 o创刊于 t|x{年 o是以林业为主的综合类学术
期刊 ∀本刊坚持的一贯宗旨是鼓励学术创新 o推动科技成果转化 o促进学术交流和发展 o培养 !扶持学术人
才 ∀
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护 !水土保持与荒漠化防治 !木材工业与技术科学 !林业机械与电子工程 !林产化学与工业 !园林植物与风景
园林 !林业经济与管理 !森林工程 !土木工程等以及有关边缘学科的研究成果 ∀另设置专栏集中报道重点项
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¬±©²l系统入编科技期刊群 ∀被国际国内著名检索刊物如5≤„6 !5ƒ„6 !5ƒ°„6 !5国际农业与生物科学研究中心
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术期刊一等奖 !江苏省优秀自然科学学报一等奖等多项荣誉 ousst年入选/中国期刊方阵0 oussu年入选/江
苏期刊方阵0 o并获优秀期刊称号 oussw年再次荣获全国高校优秀科技期刊一等奖 o江苏省第二届期刊方阵
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也可通过全国非邮发中心联合征订服务部办理订阅手续 }天津市大寺泉集北里别墅 tz号 o邮编 }vssv{x
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