森林蒸散的研究進(jìn)展

張萌 盧杰 任毅華

摘要：森林蒸散是森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)中的一個(gè)重要過程，對(duì)森林水資源的合理利用，全球水循環(huán)以及區(qū)域氣候變化都會(huì)產(chǎn)生重要影響。目前，有關(guān)森林蒸散方面的研究有很多，通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，主要從森林蒸散的過程、影響因素、測定方法以及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，可以幫助進(jìn)一步了解森林水文的規(guī)律和森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與水文功能。

關(guān)鍵詞：森林蒸散;影響因素;測定方法

中圖分類號(hào)：S718.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-3020（2021）06-0041-06Study on Forest Evapotranspiration Zhang Meng（1，2，3）Lu Jie（1，2，3）Ren Yihua（1，2，3）

（1.Institute of Tibet Plateau Ecology， Tibet Agricultural & Animal Husbandry UniversityNyingchi860000;

2. Key Laboratory of Forest Ecology in Tibet Plateau（Tibet Agriculture &

Animal Husbandry University），Ministry of EducationNyingchi860000;

3. Linzhi National Forest Ecosystem Observation & Research Station of TibetNyingchi860000）

Abstract：Forest evapotranspiration is an important process in the water cycle of forest ecosystem， which has important effects on rational utilization of forest water resources， global water cycle and regional climate change. At present There are more about forest evapotranspiration research， this article through to consult the related literature at home and abroad， mainly from the process of forest evapotranspiration， influence factor， measurement method and the advantages and disadvantages of each method and so on several aspects has carried on the induction and summary， can help to further understand the law of forest hydrology and forest ecosystem structure and hydrology.

Key words：forest evapotranspiration;influencing factors;determination method

林地土壤中的水分被植被的蒸騰和地面的蒸發(fā)作用不斷地消耗掉，被消耗掉的水分又可以通過降水得到恢復(fù)，森林的這種蒸發(fā)蒸騰作用被稱為蒸散發(fā)。主要包括植物蒸騰、土壤表面蒸發(fā)和林冠截留降水的蒸發(fā)等三個(gè)過程[1]。

森林蒸散發(fā)不僅僅是森林耗水能力的重要指標(biāo)，也是土壤—植物—大氣連續(xù)體的重要環(huán)節(jié)，森林蒸散在調(diào)節(jié)和促進(jìn)森林地區(qū)小氣候變化和夏季降雨中起著重要作用[23]。 森林蒸散會(huì)受到植物自身的生理特征、生長狀態(tài)、土壤、地形和氣象等環(huán)境因子的影響，所以蒸散在空間上和在時(shí)間上存在一定的差異性[45]。目前用于測定蒸散的方法約10種，但一般精確度很難達(dá)到80%以上[6]。

1土壤蒸發(fā)過程

土壤蒸發(fā)是森林蒸散的一個(gè)重要過程，既是水分平衡和地表能量的組成部分，也是地氣能量交換的主要過程之一[7]。這一過程中有三個(gè)不同的階段[8]：一是蒸發(fā)初始階段，該階段土壤比較濕潤，水分充足，但此時(shí)外部氣象條件是影響蒸發(fā)率的主要因素。非飽和導(dǎo)水率會(huì)隨著土壤水分的減少迅速降低，蒸發(fā)過程不斷持續(xù)，當(dāng)土壤表層的水分減少到一定程度就會(huì)停止蒸發(fā)，這一階段的主要特征是蒸發(fā)率最大但持續(xù)時(shí)間短暫。二是蒸發(fā)速率遞減階段，由于在蒸發(fā)初始階段消耗了大量水分，土壤含水量變少，蒸發(fā)速率也相應(yīng)減小。土壤是控制蒸發(fā)力的主要因子，蒸發(fā)速率會(huì)繼續(xù)下降，持續(xù)時(shí)間會(huì)更長。三是蒸發(fā)滯緩階段，經(jīng)過前面兩個(gè)階段的蒸發(fā)，土壤含水量基本為零，土壤表面處于一個(gè)風(fēng)干的狀態(tài)，但是深層處的土壤水分能夠通過汽化作用擴(kuò)散到大氣中，該過程持續(xù)時(shí)間長且穩(wěn)定，蒸發(fā)率也小。

2植被蒸騰

2.1單木蒸騰

植物會(huì)在蒸騰作用的影響下流失掉大量水分，只會(huì)保留少量水分供自身發(fā)育所用。植物吸收了多少水分可以通過測量其蒸騰量來計(jì)算，而測量蒸騰量可以通過測量樹干的水分通量[9]。在不同的天氣條件下，樹木的水分環(huán)境和氣象因子都不同，單木蒸騰的特征也會(huì)不一樣。例如，在不同天氣條件下小果潤楠Machilus microcarpa蒸騰的日變化[10]，其日變化過程是典型的單峰型曲線，變化規(guī)律是晝高夜低，且在晴天、陰天和雨天三種天氣條件下蒸騰通量差異極其顯著。這是因?yàn)樘栞椛渑c水汽壓虧缺是影響蒸騰量變化的主要因素，降雨不會(huì)促進(jìn)蒸騰作用反而還會(huì)抑制蒸騰作用[11]。

2.2林分蒸騰

林分或者群落尺度是現(xiàn)在特別關(guān)注的一個(gè)研究問題，因?yàn)橥ㄟ^研究林分和群落可以為森林的管理和經(jīng)營提供方法和理論依據(jù)。但在實(shí)踐中，由于種種原因?qū)嶋H操作很困難。為了滿足理想情況，許多研究者經(jīng)常在確定有限樣本樹的基礎(chǔ)上，通過規(guī)模換算來估算森林蒸騰水的消耗量[12]。在貴州六盤山3種針葉林的蒸散情況研究中，發(fā)現(xiàn)華北落葉松林樹葉的蒸散量最大，其次是華山松林，而以油松林最小[13]。在生長季林冠截留量受葉面積指數(shù)的影響占蒸散總量有所不同。這是因?yàn)槿斯ち趾吞烊涣值牧址纸Y(jié)構(gòu)不同，造成其蒸散量也具有差異性。側(cè)柏Platycladus orientalis和油松兩種林分群體耗水特征：晴天的時(shí)候兩種林分的蒸騰強(qiáng)度的日變化都是單峰曲線，而在雨天和陰天條件下兩種林分的蒸騰速率存在明顯的差異[14]。

2.3灌木蒸騰

林下的灌木也會(huì)消耗土壤水分。灌木可以充分利用土壤上層資源和林下空間能源，調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)的小氣候變化，但是由于林下環(huán)境具有特殊性，其在生物特性與上層的喬木樹種明顯不一致[15]。許多灌木的蒸騰作用與光合作用速率的日變化曲線具有相似的趨勢，水分利用效率和蒸騰耗水量在季節(jié)變化規(guī)律上表現(xiàn)出相似性[16]。同時(shí)，灌木在水分利用的策略上又具有差異性，如荊條Vitex negundo var.Heterophylla和酸棗Ziziphus jujuba var.spinosa等的水分利用策略是耗水少、利用率高和深水源抗旱節(jié)水，可適用于植被恢復(fù)地區(qū)或者某些難以植樹造林的地區(qū)，而扁擔(dān)桿Grewia biloba則是水分利用效率低下、耗水量和淺水源的水分利用策略，適用于荒山恢復(fù)階段的中后期。

3蒸散的主要影響因素

3.1太陽輻射

太陽輻射作為蒸散的主要能源，在蒸散中起著重要的作用。主要涉及兩個(gè)方面：一是溫度的變化，太陽輻射的增加導(dǎo)致森林葉片和氣溫的升高，蒸騰量也會(huì)增加;二是太陽輻射會(huì)影響氣孔的開閉，造成植物氣體內(nèi)外之間的交換產(chǎn)生影響。太陽輻射的影響有上限，超過一定上限時(shí)林木蒸騰作用就會(huì)下降[1718]。夏季太陽輻射是最強(qiáng)的，其次是春季，最弱在秋季，太陽輻射在不同的時(shí)間段內(nèi)地蒸散量的貢獻(xiàn)率不同[19]。

3.2氣孔和非氣孔調(diào)節(jié)

植物主要是通過氣孔來控制葉片與大氣之間水和碳的交換，植物葉片的氣孔對(duì)水的散失和碳的獲取關(guān)系到植物的生存和生長，因此，研究氣孔調(diào)控機(jī)制和開發(fā)氣孔電導(dǎo)率模型，對(duì)于準(zhǔn)確模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳和水循環(huán)過程至關(guān)重要[20]。氣孔控制林木的蒸騰作用，80%～90%的植物水通過氣孔流失。植物的蒸騰作用會(huì)受到氣孔的影響，氣孔關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致蒸騰作用大幅度下降，因?yàn)闅饪自陉P(guān)閉的時(shí)候，氣孔的阻力就會(huì)增大，導(dǎo)致蒸騰速率降低[21]。

3.3空氣溫度

蒸騰作用與葉片的溫度以及葉片周圍的空氣溫度息息相關(guān)，隨著溫度升高，細(xì)胞間隙內(nèi)的蒸汽壓差的增大比大氣中水汽壓的增大要多，葉片內(nèi)部和外部之間的壓力差增加，降低了氣孔阻力，從而加速了水蒸氣的擴(kuò)散。但是如果溫度過高，會(huì)導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度減小，增加氣孔阻力，降低蒸騰作用[22]?？諝鉁囟入m然是影響蒸散量的主要調(diào)控因子[23]，但是在不同時(shí)間尺度下影響蒸散量的主要調(diào)控因子會(huì)有所變化。

3.4土壤含水量和土壤溫度

土壤含水量會(huì)影響林木的吸水率，而林木的蒸騰作用在不同的含水量條件下會(huì)表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。如果土壤水分含量太低，林木的氣孔開口將減少，氣孔阻力將顯著增加。如果土壤含水量降低，則根系的吸水率會(huì)降低，葉片的水勢也會(huì)相應(yīng)降低，導(dǎo)致蒸騰速率發(fā)生降低[24]。正常情況下，隨著土壤溫度的降低，水通過根和土壤的滲透性會(huì)降低，但它的粘度會(huì)增加，并且通過根系和土壤的速度會(huì)間接降低。如果土壤溫度過高，則會(huì)加速酶的失活和根系衰老，從而降低根系吸水率[25]。土壤含水量的多少會(huì)影響蒸發(fā)量的大小，當(dāng)含水量大于18%時(shí)會(huì)促進(jìn)土壤的蒸發(fā)，而當(dāng)含水量小于18%時(shí)會(huì)抑制土壤蒸發(fā)[26]。表面林木蒸騰強(qiáng)度和土壤溫度的關(guān)系呈正相關(guān)，而與自身的因素比如胸徑、冠幅和株高呈負(fù)相關(guān)。

4蒸散的測定方法

4.1蒸滲儀法

蒸滲儀法是將蒸發(fā)器置于自然土壤中，調(diào)節(jié)土壤水分，有效地模擬了實(shí)際蒸騰過程，并通過蒸騰裝置稱重得到蒸騰量。該方法是研究農(nóng)田蒸散發(fā)最有效且最經(jīng)濟(jì)的方法，在森林蒸散發(fā)研究中，也有研究者用大型儀器來測量森林蒸散。在對(duì)青藏高原中部高海拔地區(qū)的蒸散量進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)這些局部測量結(jié)果與青藏高原寒冷干旱地區(qū)的大規(guī)模估計(jì)結(jié)果一致，將這些速率與測量的氣象變量進(jìn)行比較，證實(shí)了太陽輻射是這種環(huán)境中蒸散的主要驅(qū)動(dòng)因素。采用蒸滲儀進(jìn)行比較研究，將進(jìn)一步加深對(duì)點(diǎn)尺度測量方法的適用性以及蒸散在青藏高原的驅(qū)動(dòng)過程中的認(rèn)識(shí)[27]。此方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，容易操作，成本低，適合測量小型植被和林下土壤的蒸散情況，但是它設(shè)計(jì)復(fù)雜、維護(hù)成本花費(fèi)大，而且蒸散量也會(huì)被所選定的植株影響，因此在森林蒸散研究方面的使用產(chǎn)生了很大的限制。

4.2快速稱重法

快速稱重法是對(duì)從植株上剪下的一部分進(jìn)行稱重，然后對(duì)間隔一定時(shí)間的多次重復(fù)稱重結(jié)果進(jìn)行比較，再根據(jù)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出植物蒸騰速率[28]。此方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，花費(fèi)少，操作簡便，容易計(jì)算，故目前國內(nèi)仍有很多學(xué)者在沿用這種方法。研究表明：蒸騰量最大的是紅松Pinus koraiensis，最小的是毛榛子Corylus mandshurica，而且每樹種的蒸騰強(qiáng)度日變化曲線都呈單峰型，蒸騰強(qiáng)度與氣溫有密切的關(guān)系[29]。此方法的缺點(diǎn)是精確度不高，測定的結(jié)果與實(shí)際值之間存在一定的偏差，而且面對(duì)一些樹干粗壯的樹木時(shí)，有效的蒸騰面積難以估算，且在測量過程中需要在采樣和稱重時(shí)盡量減少葉片的水分流失和蒸騰作用。

4.3氣孔計(jì)法

氣孔計(jì)法可以測定少量樹葉的蒸騰量。由于林冠不同部分葉子的蒸騰量差異很大，很難計(jì)算出整株植物的蒸騰，更難確定林分的蒸騰[30]。此方法的優(yōu)點(diǎn)是儀器小巧便于攜帶，使用方便，測定時(shí)可以不離體，不損傷樣品，且測量值穩(wěn)定。但同一個(gè)葉片的兩面比較或者不同樹種的不同處理比較時(shí)，該方法的誤差值較大，且測定結(jié)果通常比實(shí)際結(jié)果高一些。如耿兵[31]等人發(fā)現(xiàn)通氣孔計(jì)法和離體枝條稱重法測定出來的蒸騰速率不一致，用氣孔計(jì)法測量出來的值偏大。因此，在應(yīng)用此法時(shí)有幾點(diǎn)需要注意，一是它雖然可以很好的反映植物葉片的蒸騰規(guī)律，但是與真實(shí)值還存在一定差距，測定結(jié)果不能直接用于比較耗水量或者蒸騰強(qiáng)度;二是想要運(yùn)用測定的結(jié)果比較耗水量或者蒸騰強(qiáng)度規(guī)律時(shí)必須要進(jìn)行合理校正[32]。

4.4渦動(dòng)相關(guān)法

用一種特別設(shè)計(jì)的“渦動(dòng)通量儀”，可測定垂直風(fēng)速和濕度的瞬間脈動(dòng)值，并計(jì)算出水汽通量[33]。目前這一技術(shù)還未能成功地應(yīng)用于森林。此法的優(yōu)點(diǎn)是精確度比較高，數(shù)據(jù)量較大，也不會(huì)對(duì)下墊面產(chǎn)生破壞，未來發(fā)展前景廣闊，但渦度相關(guān)法對(duì)儀器要求精確度高，投資成本大，技術(shù)操作復(fù)雜，儀器的維護(hù)也比較困難，且關(guān)于蒸散的影響機(jī)制和物理過程還不能做出很好地詮釋，因此渦動(dòng)相關(guān)法在森林蒸散中的應(yīng)用范圍受到嚴(yán)格限制。另外，渦動(dòng)相關(guān)模式下設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性不高，無法長期連續(xù)觀察，僅主要用于季節(jié)觀測[34]。有研究者認(rèn)為此方法是測定農(nóng)田蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法，但是采用渦動(dòng)相關(guān)法和蒸滲儀法對(duì)農(nóng)田蒸散量進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn)，用蒸滲儀法測得的平均蒸散量要高一些[35]。

4.5風(fēng)調(diào)室法

風(fēng)調(diào)室法是將植物體的一部分或者一顆完整的植株放在植物生長室內(nèi)，通過對(duì)間隔一段時(shí)間的室內(nèi)空氣濕度的變化測定就可以得出蒸騰速率[36]，該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)樹木的生長環(huán)境和生理結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生破壞，但是測量大面積的森林時(shí)該方法不太適用。這是因?yàn)槭覂?nèi)的各種環(huán)境因子與樹木生長的自然環(huán)境有很大的差別，測量出來的結(jié)果與實(shí)際值有所差異，不能反映實(shí)際情況，因此該方法的應(yīng)用受到嚴(yán)格限制。

4.6水分平衡法

通過利用水分平衡方程對(duì)某一區(qū)域或者某一時(shí)段的水分平衡各分量進(jìn)行測定，以此得出蒸散量[37]。在大的流域內(nèi)，要準(zhǔn)確測定有代表性的雨量是較困難的。此方法的誤差主要來源于流域地層下部漏水。當(dāng)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象時(shí)，計(jì)算出來的蒸散量會(huì)顯著偏大，但其誤差量幾乎是無法估計(jì)的。此方法的優(yōu)點(diǎn)是不受下墊面性質(zhì)和地形的影響，在下墊面不均勻或者各種天氣條件下都可以使用，測定范圍可以從幾平米擴(kuò)大到幾百平方公里，適用范圍廣闊。缺點(diǎn)是只能用于較長時(shí)間段的測量，不能很好地反映蒸散的日變化規(guī)律，測量的精確度不是很高[38]。如相比上坡和中坡，黃土高原丘陵溝壑區(qū)下坡可能是處于的位置較低，得到的太陽輻射較少，所以蒸散量較小，在半干旱區(qū)坡面雖然降水增加了蒸散量，但是并沒有改變蒸散的水平空間格局，蒸散量較低的區(qū)域時(shí)間穩(wěn)定性反而高一些[39]。

4.7PenmanMonteith方程

這個(gè)方法是把通量方程與能量方程兩者綜合起來，該方法的缺點(diǎn)是忽略了大氣穩(wěn)定度的影響，如果測量對(duì)象處于水濕狀態(tài)或者林冠郁閉不佳的情況下，測量結(jié)果會(huì)有很大的誤差[40]。而且它也不是一個(gè)完全獨(dú)立的方法，某些參數(shù)值的標(biāo)定需要借助其他的方法。用PM模型與水量平衡方程進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方法測量出來的蒸散結(jié)果差異在季節(jié)變化上不顯著[41]。但對(duì)干旱區(qū)胡楊Populus euphratica的蒸散量，利用PM模型與渦度相關(guān)法測量值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)用PM模型對(duì)胡楊林蒸散量的估值往往過高[42]。

4.8遙感數(shù)據(jù)法

從20世紀(jì)70年代開始，遙感技術(shù)發(fā)展的比較迅速，于是有研究者開始嘗試使用遙感技術(shù)來測量森林蒸散。用遙感法來估算蒸散發(fā)也是遙感科學(xué)研究的一個(gè)重要方向，在氣象、農(nóng)業(yè)和生態(tài)領(lǐng)域等方面準(zhǔn)確估算蒸散具有重要的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)受到下墊面不均一性和水分運(yùn)動(dòng)的時(shí)間周期的影響，但其容易受到天氣變化的影響，并且由于對(duì)衛(wèi)星的定期觀察和飛機(jī)的穩(wěn)定性，這個(gè)方法不能連續(xù)地使用[43]。

4.9能量平衡—波文比法

波文比法是指是利用能量平衡方程并引入某些假定來計(jì)算下墊面熱量平衡的一種方法。有研究者認(rèn)為該方法具有很強(qiáng)的適用性，其測量精度會(huì)受到β值的確定和凈輻射量的觀測精度的影響。當(dāng)β=-1時(shí)方程沒有意義，該法會(huì)受到應(yīng)用的限制，而當(dāng)蒸散量的估算值會(huì)在β值在-1附近的時(shí)則表現(xiàn)并不穩(wěn)定，結(jié)果誤差比較大，不能得到廣泛的使用[44]。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)破壞下墊面，通過太陽輻射與蒸散的關(guān)系，對(duì)不同地帶的蒸散特點(diǎn)都可以進(jìn)行說明，也可以對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行分析。缺點(diǎn)是對(duì)儀器設(shè)備要求高，出現(xiàn)平流或者森林面積太小的時(shí)候測量誤差會(huì)非常大，需要連續(xù)觀測。

5展望

森林蒸散研究要比農(nóng)田蒸散研究起步晚，而且目前森林蒸散中的一些理論和方法都是來源于農(nóng)田的研究，所以農(nóng)田蒸散具有很大參考作用。但是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究要比森林生態(tài)系統(tǒng)的研究簡單的多，森林生態(tài)系統(tǒng)的植被類型豐富，植被發(fā)育水平差異很大，根系也很深。這些條件在應(yīng)用實(shí)際測量方法和確定估計(jì)方法的參數(shù)方面有很大的困難。目前關(guān)于蒸散的研究方法很多，而且都趨于成熟，每種方法都有其適用的范圍和條件，要想提高測量的準(zhǔn)確度，就需要對(duì)多種研究方法進(jìn)行綜合比較。另外，蒸散研究中的尺度轉(zhuǎn)換還存在一定的誤差，減小或者消除尺度轉(zhuǎn)換誤差也是未來研究的一個(gè)重點(diǎn)。蒸散規(guī)律研究未來的發(fā)展趨勢是多種方法和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖褂孟嘟Y(jié)合，未來有必要深入研究蒸散的物理過程和生理機(jī)制，以探索和尋找研究森林蒸散的新思路和新方法。

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（責(zé)任編輯：鄭京津）