興安落葉松林生長季蒸散量特征

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

蒸散（ET）包括植物蒸騰（T）和土壤蒸發(fā)（E），是森林生態(tài)系統(tǒng)水熱平衡中重要的環(huán)節(jié)之一[1]。森林水文研究主要包括水分的輸入和輸出，對(duì)天然林來說，降水是水分輸入最主要的途徑，森林水分輸出是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，主要包括生態(tài)系統(tǒng)水分物理蒸發(fā)、植被蒸騰、地表徑流以及土壤水分滲漏。其中水分物理蒸發(fā)和植被蒸騰統(tǒng)稱為森林蒸散，許多研究表明蒸散是森林生態(tài)系統(tǒng)水分輸出最主要的途徑，因此在全球氣候變化的背景下，對(duì)森林蒸散特征研究更為重要[2-8]。測定森林生態(tài)系統(tǒng)的水分散失一直是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。其計(jì)算方法大多都是通過理論模型，通過代入模型參數(shù)來計(jì)算得到森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量，這種方法較為簡單且費(fèi)用較低，但不同地區(qū)的模型參數(shù)不同，因此該方法適用性較差，在使用過程中需不斷調(diào)節(jié)模型參數(shù)來優(yōu)化理論模型[9-15]。實(shí)際測定森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散的方法有很多，主要有樹干液流法、蒸滲儀法、波文比法、渦動(dòng)相關(guān)法、遙感以及同位素等技術(shù)手段。不同方法都有不同的假設(shè)條件，其測量尺度從單株植物葉片到個(gè)體再到冠層再到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，各種方法都有其各自的優(yōu)勢和局限性。其中渦動(dòng)相關(guān)法是測定森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散較好的方法，測定蒸散量時(shí)不會(huì)損壞植物且測量精度高，假設(shè)條件相對(duì)較少[16]。近年來，被普遍應(yīng)用于研究森林生態(tài)系統(tǒng)植物蒸騰和蒸散量。祁秀嬌等[17]將渦動(dòng)相關(guān)法和樹干液流法相結(jié)合測定了小葉錦雞兒群落的蒸散量特征，其結(jié)果表明小葉錦雞群落的蒸騰和蒸散量變化基本一致，且雨后蒸散量會(huì)顯著升高。薛楊等[18]利用渦動(dòng)相關(guān)法對(duì)常綠闊葉林蒸散量進(jìn)行研究，其結(jié)果表明不同生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量差別較大，常綠闊葉林的蒸散量最大。張曉艷等[19]利用渦動(dòng)相關(guān)法對(duì)民勤綠洲荒漠過渡帶人工林的蒸散進(jìn)行測定，其最終得出土壤水分是影響梭梭人工林的主導(dǎo)因子。經(jīng)過前人的研究表明，渦動(dòng)相關(guān)法測定森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散量已經(jīng)比較成熟，最終的結(jié)果普遍得到認(rèn)可。

興安落葉松林是歐亞大陸北方針葉林的一部分，屬于東西伯利亞南部落葉針葉林沿山地向南延續(xù)部分，是大興安嶺地區(qū)的優(yōu)勢樹種[20]。認(rèn)識(shí)大興安嶺地區(qū)興安落葉松林生態(tài)系統(tǒng)的水汽通量特征，對(duì)了解該區(qū)域水分循環(huán)以及能量平衡具有重要意義。本研究以興安落葉松林為研究對(duì)象，選取2018年6—8月生長季的通量數(shù)據(jù)，利用渦動(dòng)相關(guān)法測定興安落葉松林蒸散量，對(duì)比分析興安落葉松林生長季蒸散量在不同時(shí)間尺度的變化規(guī)律及其影響因子，探究二者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，旨在闡明興安落葉松林蒸散耗水規(guī)律，為提高興安落葉松林生產(chǎn)力、合理經(jīng)營提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究依托內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站。研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺北部根河林業(yè)局潮查林場境內(nèi)。地理坐標(biāo)為50°54′21″N，121°30′34″E，海拔約為848 m，屬寒溫帶濕潤氣候區(qū)，冬季寒冷漫長，夏季短促濕熱，晝夜溫差較大。植被5月份進(jìn)入生長季，9月末進(jìn)入生長末期。年平均氣溫為-6.67℃，生長季平均氣溫為14.74℃[21]。年均降水量500 mm。該區(qū)森林覆蓋率較高，主要建群樹種為興安落葉松。

1.2 研究方法

1.2.1 興安落葉松林蒸散量的測定

在研究區(qū)內(nèi)設(shè)立25 m×25 m 樣地，樹種組成為興安落葉松純林，共94 株，平均胸徑為19.6 cm，平均樹高為16.6 m。研究區(qū)內(nèi)設(shè)有觀測塔，塔高為65 m，在60 m 處安裝了三維超聲風(fēng)速儀（ModelCSAT-3，Campbell，USA）、開路式紅外氣體分析儀（ModelLI-7500，Li-Cor，USA）、數(shù)據(jù)采集器（CR1000，Campbell，USA）等[22]。數(shù)據(jù)采集頻率為10 Hz，測量步長為0.5 h。利用Eddy Pro 對(duì)通量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，主要包括野點(diǎn)剔除、WPL 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、頻率修正、超聲溫度修正等。利用Eddy Pro 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，剔除降水前后一小時(shí)的數(shù)據(jù)，剔除后有效數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的83%。為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)和有效性，缺失的數(shù)據(jù)采用平均日變化法進(jìn)行插補(bǔ)。

渦動(dòng)相關(guān)能量平衡閉合分析是判斷通量數(shù)據(jù)可靠性的主要方法之一。本研究利用能量平衡比率（EBR）評(píng)價(jià)分析系統(tǒng)的能量閉合度[23]，其計(jì)算方法如下：

式中：LE 為潛熱通量（W·m-2）；H為顯熱通量（W·m-2）；Rn為凈輻射（W·m-2）；G為土壤熱通量（W·m-2）。

以上因子均由渦度相關(guān)系統(tǒng)直接測定，對(duì)興安落葉松林渦度相關(guān)通量的有效數(shù)據(jù)計(jì)算的生長季EBR 值為0.68，這與劉璇等[24]的研究結(jié)果較為接近，該站點(diǎn)的能量閉合水平在FLUXNET（0.64～0.95）的范圍內(nèi)。

1.2.2 氣象因子的測定

利用通量塔配備的氣象觀測儀器進(jìn)行氣象因子的測定（表1），在通量塔氣象系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該研究選取的主要?dú)庀笠蜃影ǎ?0 m 林冠層以上的凈輻射量（Rn）、光合有效輻射（PAR）、降水量（P）；16 m 林冠層的空氣溫度（T）、相對(duì)濕度（HR）；35 m 的風(fēng)速（SW）。利用以上氣象因子計(jì)算水汽壓虧缺（VPD）[25]，計(jì)算方法如下：

表1 小氣候傳感器基本信息Table 1 Basic information of microclimate sensors

式（2）中：T為空氣溫度（℃）；HR為相對(duì)濕度（%）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Forstat 3.0 和Excel 2010 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Pearson 法、主成分分析（PCA）以及多元回歸擬合的方法對(duì)蒸散與各氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，利用Origin 9.0、Canoco 5.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 興安落葉松林氣象因子的變化

圖1 氣象因子的變化Fig.1 Changes in meteorological factors

由圖1可見，2018年6—8月，興安落葉松林生態(tài)系統(tǒng)氣象因子空氣溫度（T）、光合有效輻射（PAR）、凈輻射量（Rn）、水汽壓虧缺（VPD）日均值隨時(shí)間變化趨勢相似，其均值分別為16.50 ℃、467.54 μmol·m-2s-1、20.28 W·m-2、0.39 kPa。在整個(gè)觀測期內(nèi)風(fēng)速（SW）以及相對(duì)濕度（HR）波動(dòng)較大，其中風(fēng)速（SW）最大值為4.63 m·s-1，最小值為1.14 m·s-1，日均值為2.41 m·s-1；相對(duì)濕度（HR）最大值為99.80%，最小值為33.14%，日均值為79.80%。6—8月總降水量為280 mm，其中6、7、8月占降水總量分別為30.00%、51.00%、19.60%。

2.2 興安落葉松林蒸散（ET）日變化

2.2.1 非降雨日ET日變化

選取2018年6—8月每月上、中、下旬共6～12個(gè)非降雨日ET 的實(shí)測數(shù)據(jù)，取其平均值，用來代表各月份非降雨日ET日動(dòng)態(tài)變化趨勢，其變化趨勢如圖2所示。從圖2可知，在整個(gè)觀測期內(nèi)，興安落葉松林6—8月ET日內(nèi)變化呈單峰型分布，ET 最高峰值出現(xiàn)在7月，達(dá)0.28 mm·h-1；最低峰值出現(xiàn)在8月，為0.17 mm·h-1。三個(gè)月份ET 最早啟動(dòng)時(shí)間相似，都在6:00 左右。6—8月白天ET均值占全天ET 均值分別為0.97、0.76、0.73。7、8月份夜間ET 值波動(dòng)較大，蒸散現(xiàn)象最明顯。

圖2 不同月份非降雨日ET日變化Fig.2 ET daily change of non-rainfall days in different months

2.2.2 降雨日與非降雨日ET日變化

選取7月15日作為非降雨日、7月22日為降雨日，用來分析不同天氣ET日動(dòng)態(tài)變化。7月22日降水量為19.6 mm，降水集中于清晨，剔除降水前后一小時(shí)的ET 數(shù)據(jù)。由圖3可知，降雨日ET日變化幅度顯著高于非降雨日。在降水后ET 迅速升高，降雨日與非降雨日ET 峰值分別為0.469、0.289 mm·h-1。將空氣溫度（T）、水汽壓虧缺（VPD）、凈輻射量（Rn）分別與ET 相比較發(fā)現(xiàn)，只有凈輻射量（Rn）日變化趨勢與ET 的日變化趨勢最為同步，空氣溫度（T）與水汽壓虧缺（VPD）的峰值均稍稍滯后于ET 的峰值，存在一些延時(shí)現(xiàn)象。

圖3 不同天氣ET日內(nèi)變化Fig.3 ET changes with different days in different months

2.3 興安落葉松林蒸散量與氣象因子的關(guān)系

采用主成分分析法研究主要?dú)庀笠蜃优c日尺度下興安落葉松林蒸散量的關(guān)系（圖4），結(jié)果表明影響6月蒸散量的主要?dú)庀笠蜃訛轱L(fēng)速（SW）、凈輻射量（Rn）、水汽壓虧缺（VPD）等；空氣溫度（T）和光合有效輻射（PAR）對(duì)7月份蒸散量影響最為顯著；相對(duì)濕度（HR）與蒸散量呈顯著負(fù)相關(guān)，這在8月份蒸散量的結(jié)果中最能體現(xiàn)。從各因子的箭頭夾角看光合有效輻射（PAR）、空氣溫度（T）、水汽壓虧缺（VPD）、凈輻射量（Rn）對(duì)興安落葉松林蒸散量影響最大。

2.4 不同時(shí)間尺度下興安落葉松林蒸散量與氣象因子的相關(guān)性分析

分別對(duì)興安落葉松林6—8月蒸散量的日尺度和小時(shí)尺度進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析，結(jié)果見表2。由表2可知，日尺度和小時(shí)尺度的蒸散量與各氣象因子的相關(guān)程度差異不明顯，影響日尺度蒸散量的主要?dú)庀笠蜃訛閮糨椛淞浚≧n）＞光合有效輻射（PAR）＞空氣溫度（T）；影響小時(shí)尺度蒸散量的主要?dú)庀笠蜃訛楣夂嫌行л椛洌≒AR）＞凈輻射量（Rn）＞水汽壓虧缺（VPD）。

圖4 氣象因子對(duì)興安落葉松林蒸散量影響的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of effects of meteorological factors on evapotranspiration in Larix gmelinii forest

表2 蒸散量與氣象因子相關(guān)系數(shù)?Table 2 Correlation coefficients between evapotranspiration and meteorological factors

將興安落葉松林6—8月的蒸散量（ET）與主要?dú)庀笠蜃舆M(jìn)行不同時(shí)間尺度下的擬合，結(jié)果見表3。由表3可知，日尺度的擬合效果（R2=0.73）明顯好于小時(shí)尺度（R2=0.56），且在日尺度下蒸散量（ET）主要與光合有效輻射（PAR）、空氣溫度（T）、相對(duì)濕度（HR）、風(fēng)速（SW）、凈輻射量（Rn）以及水汽壓虧缺（VPD）具有較好的相關(guān)性；小時(shí)尺度下的蒸散量（ET）與水汽壓虧缺（VPD）、空氣溫度（T）、光合有效輻射（PAR）、相對(duì)濕度（HR）以及凈輻射量（Rn）具有一定的相關(guān)性。

表3 蒸散量與各氣象因子的多元線性回歸擬合Table 3 Multiple linear regression fitting of evapotranspiration and various meteorological factors

3 討 論

3.1 興安落葉松林生長季蒸散量日變化特征

通過對(duì)興安落葉松林生長季蒸散量日變化特征分析發(fā)現(xiàn)，在非降雨日興安落葉松林蒸散量日變化呈鐘型對(duì)稱分布，蒸散量在每天的12:00 左右達(dá)到峰值，這主要是由于此時(shí)為一天中溫度最高的時(shí)候，太陽光照強(qiáng)，林內(nèi)耗水能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致該時(shí)刻蒸散量最大，而在12:00 之前和12:00之后林內(nèi)溫度降低，太陽光照弱，林內(nèi)耗水能力均小于正午時(shí)刻。因而，在非降雨日整個(gè)蒸散量的變化是先升高達(dá)到峰值后再降低的過程。降雨日與非降雨日興安落葉松林蒸散量日變化差異較大，蒸散量日變化大小表現(xiàn)為降雨日＞非降雨日，這可能是由于降雨后土壤以及植被中水分含量增加，土壤蒸發(fā)以及植被蒸騰也隨之增大，促進(jìn)了興安落葉松林的蒸散量。該結(jié)果與環(huán)境因子對(duì)民勤綠洲荒漠過渡帶梭梭人工林蒸散的影響、降雨和非降雨日興安落葉松天然林蒸騰及蒸散發(fā)特征[26-27]的研究結(jié)果一致。不區(qū)分降雨日興安落葉松林的蒸散量為1.31 mm/d，這略高于北方和溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸騰耗水的研究，這可能是由于研究區(qū)地理位置、環(huán)境因子的不同所導(dǎo)致，表明興安落葉松林的耗水能力更強(qiáng)。6—8月興安落葉松林蒸散量啟動(dòng)時(shí)間由6:00 左右逐漸有些推遲，分析其原因可能是由于日照時(shí)數(shù)以及太陽輻射的季節(jié)規(guī)律性變化所導(dǎo)致的。在生長季夜間，7—8月的蒸散量波動(dòng)最為明顯，這可能是由于這兩個(gè)月的降水量以及土壤水分含量相對(duì)較高，此外這兩個(gè)月較高的夜間溫度對(duì)夜間的土壤水分蒸發(fā)以及植被蒸騰有一定的促進(jìn)作用。通過對(duì)比降雨日、非降雨日蒸散量與各氣象因子的變化發(fā)現(xiàn)凈輻射量與蒸散量的變化趨勢最為同步，而空氣溫度、水汽壓虧缺日變化稍稍滯后于蒸散量的峰值。這說明興安落葉松林生長季蒸散量對(duì)凈輻射量的敏感度最高。

3.2 氣象因子對(duì)興安落葉松林生長季蒸散量的影響

通過主成分分析，得到生長季不同月份氣象因子對(duì)興安落葉松林蒸散量的影響。在6月份影響興安落葉松林最主要的氣象因子為凈輻射量，這可能是由于興安落葉松林剛剛進(jìn)入生長季，太陽輻射是其最主要的能量來源，通過太陽輻射的變化來控制空氣溫度的變化，進(jìn)而影響興安落葉松林蒸散量。到了7—8月影響蒸散量的氣象因子更為綜合，凈輻射量不能夠起決定性作用。日尺度和小時(shí)尺度影響興安落葉松林生長季蒸散量的氣象因子為凈輻射量和光合有效輻射，這可能是由于興安落葉松林復(fù)雜的林分結(jié)構(gòu)導(dǎo)致空氣溫度的變化滯后于太陽輻射。

興安落葉松林生長季降水主要通過蒸散形式回歸于大氣，并且在降水后蒸散變化較大且較為迅速。后續(xù)將開展對(duì)植被蒸騰、土壤蒸發(fā)與蒸散的研究，為合理經(jīng)營興安落葉松林、提高其生產(chǎn)力提供理論基礎(chǔ)。但是該研究中只分析了氣象因子對(duì)興安落葉松林蒸散量的影響，并沒有加入環(huán)境因子如土壤溫度、土壤濕度等因子對(duì)蒸散量的影響，在下一步研究中應(yīng)加入更加全面的環(huán)境因子，分析其對(duì)興安落葉松林蒸散量的影響。同時(shí)雖然渦動(dòng)相關(guān)法已經(jīng)較為成熟，但其數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，在近幾年穩(wěn)定同位素方法已經(jīng)逐步發(fā)展起來，其測定方法、數(shù)據(jù)處理都較為簡單。此外渦動(dòng)相關(guān)法測定的蒸散量結(jié)果和穩(wěn)定同位素測定的蒸散量結(jié)果有何差別也有進(jìn)一步分析的價(jià)值。

4 結(jié) 論

在生長季非降雨日興安落葉松林蒸散量的日變化呈現(xiàn)單峰格局，降雨后興安落葉松林蒸散量顯著升高。在各氣象因子中，凈輻射量與蒸散量的變化最為同步。影響蒸散量的氣象因子主要為凈輻射量、空氣溫度和光合有效輻射，相對(duì)濕度與蒸散量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過對(duì)各氣象因子與蒸散量不同時(shí)間尺度下多元線性回歸擬合的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，日尺度的擬合結(jié)果（R2=0.73）好于小時(shí)尺度的擬合結(jié)果（R2=0.56）