張萌 盧杰 任毅華
摘要:森林蒸散是森林生態系統水循環中的一個重要過程,對森林水資源的合理利用,全球水循環以及區域氣候變化都會產生重要影響。目前,有關森林蒸散方面的研究有很多,通過對國內外相關文獻的查閱,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缺點進行了歸納和總結,可以幫助進一步了解森林水文的規律和森林生態系統的結構與水文功能。
關鍵詞:森林蒸散;影響因素;測定方法
中圖分類號:S718.5文獻標識碼:A文章編號: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,森林的這種蒸發蒸騰作用被稱為蒸散發。主要包括植物蒸騰、土壤表面蒸發和林冠截留降水的蒸發等三個過程[1]。
森林蒸散發不僅僅是森林耗水能力的重要指標,也是土壤—植物—大氣連續體的重要環節,森林蒸散在調節和促進森林地區小氣候變化和夏季降雨中起著重要作用[23]。 森林蒸散會受到植物自身的生理特征、生長狀態、土壤、地形和氣象等環境因子的影響,所以蒸散在空間上和在時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到80%以上[6]。
1土壤蒸發過程
土壤蒸發是森林蒸散的一個重要過程,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]。這一過程中有三個不同的階段[8]:一是蒸發初始階段,該階段土壤比較濕潤,水分充足,但此時外部氣象條件是影響蒸發率的主要因素。非飽和導水率會隨著土壤水分的減少迅速降低,蒸發過程不斷持續,當土壤表層的水分減少到一定程度就會停止蒸發,這一階段的主要特征是蒸發率最大但持續時間短暫。二是蒸發速率遞減階段,由于在蒸發初始階段消耗了大量水分,土壤含水量變少,蒸發速率也相應減小。土壤是控制蒸發力的主要因子,蒸發速率會繼續下降,持續時間會更長。三是蒸發滯緩階段,經過前面兩個階段的蒸發,土壤含水量基本為零,土壤表面處于一個風干的狀態,但是深層處的土壤水分能夠通過汽化作用擴散到大氣中,該過程持續時間長且穩定,蒸發率也小。
2植被蒸騰
2.1單木蒸騰
植物會在蒸騰作用的影響下流失掉大量水分,只會保留少量水分供自身發育所用。植物吸收了多少水分可以通過測量其蒸騰量來計算,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,樹木的水分環境和氣象因子都不同,單木蒸騰的特征也會不一樣。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。這是因為太陽輻射與水汽壓虧缺是影響蒸騰量變化的主要因素,降雨不會促進蒸騰作用反而還會抑制蒸騰作用[11]。
2.2林分蒸騰
林分或者群落尺度是現在特別關注的一個研究問題,因為通過研究林分和群落可以為森林的管理和經營提供方法和理論依據。但在實踐中,由于種種原因實際操作很困難。為了滿足理想情況,許多研究者經常在確定有限樣本樹的基礎上,通過規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,發現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的影響占蒸散總量有所不同。這是因為人工林和天然林的林分結構不同,造成其蒸散量也具有差異性。側柏Platycladus orientalis和油松兩種林分群體耗水特征:晴天的時候兩種林分的蒸騰強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,調節區域內的小氣候變化,但是由于林下環境具有特殊性,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變化規律上表現出相似性[16]。同時,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水,可適用于植被恢復地區或者某些難以植樹造林的地區,而扁擔桿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。主要涉及兩個方面:一是溫度的變化,太陽輻射的增加導致森林葉片和氣溫的升高,蒸騰量也會增加;二是太陽輻射會影響氣孔的開閉,造成植物氣體內外之間的交換產生影響。太陽輻射的影響有上限,超過一定上限時林木蒸騰作用就會下降[1718]。夏季太陽輻射是最強的,其次是春季,最弱在秋季,太陽輻射在不同的時間段內地蒸散量的貢獻率不同[19]。
3.2氣孔和非氣孔調節
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,植物葉片的氣孔對水的散失和碳的獲取關系到植物的生存和生長,因此,研究氣孔調控機制和開發氣孔電導率模型,對于準確模擬陸地生態系統的碳和水循環過程至關重要[20]。氣孔控制林木的蒸騰作用,80%~90%的植物水通過氣孔流失。植物的蒸騰作用會受到氣孔的影響,氣孔關閉會導致蒸騰作用大幅度下降,因為氣孔在關閉的時候,氣孔的阻力就會增大,導致蒸騰速率降低[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,隨著溫度升高,細胞間隙內的蒸汽壓差的增大比大氣中水汽壓的增大要多,葉片內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散。但是如果溫度過高,會導致氣孔導度減小,增加氣孔阻力,降低蒸騰作用[22]。空氣溫度雖然是影響蒸散量的主要調控因子[23],但是在不同時間尺度下影響蒸散量的主要調控因子會有所變化。
3.4土壤含水量和土壤溫度
土壤含水量會影響林木的吸水率,而林木的蒸騰作用在不同的含水量條件下會表現出不同的適應性。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,則根系的吸水率會降低,葉片的水勢也會相應降低,導致蒸騰速率發生降低[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降低,但它的粘度會增加,并且通過根系和土壤的速度會間接降低。如果土壤溫度過高,則會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影響蒸發量的大小,當含水量大于18%時會促進土壤的蒸發,而當含水量小于18%時會抑制土壤蒸發[26]。表面林木蒸騰強度和土壤溫度的關系呈正相關,而與自身的因素比如胸徑、冠幅和株高呈負相關。
4蒸散的測定方法
4.1蒸滲儀法
蒸滲儀法是將蒸發器置于自然土壤中,調節土壤水分,有效地模擬了實際蒸騰過程,并通過蒸騰裝置稱重得到蒸騰量。該方法是研究農田蒸散發最有效且最經濟的方法,在森林蒸散發研究中,也有研究者用大型儀器來測量森林蒸散。在對青藏高原中部高海拔地區的蒸散量進行測量發現這些局部測量結果與青藏高原寒冷干旱地區的大規模估計結果一致,將這些速率與測量的氣象變量進行比較,證實了太陽輻射是這種環境中蒸散的主要驅動因素。采用蒸滲儀進行比較研究,將進一步加深對點尺度測量方法的適用性以及蒸散在青藏高原的驅動過程中的認識[27]。此方法的優點是簡單易行,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,但是它設計復雜、維護成本花費大,而且蒸散量也會被所選定的植株影響,因此在森林蒸散研究方面的使用產生了很大的限制。
4.2快速稱重法
快速稱重法是對從植株上剪下的一部分進行稱重,然后對間隔一定時間的多次重復稱重結果進行比較,再根據得出的數據進行分析得出植物蒸騰速率[28]。此方法的優點是成本低,花費少,操作簡便,容易計算,故目前國內仍有很多學者在沿用這種方法。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度日變化曲線都呈單峰型,蒸騰強度與氣溫有密切的關系[29]。此方法的缺點是精確度不高,測定的結果與實際值之間存在一定的偏差,而且面對一些樹干粗壯的樹木時,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盡量減少葉片的水分流失和蒸騰作用。
4.3氣孔計法
氣孔計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,很難計算出整株植物的蒸騰,更難確定林分的蒸騰[30]。此方法的優點是儀器小巧便于攜帶,使用方便,測定時可以不離體,不損傷樣品,且測量值穩定。但同一個葉片的兩面比較或者不同樹種的不同處理比較時,該方法的誤差值較大,且測定結果通常比實際結果高一些。如耿兵[31]等人發現通氣孔計法和離體枝條稱重法測定出來的蒸騰速率不一致,用氣孔計法測量出來的值偏大。因此,在應用此法時有幾點需要注意,一是它雖然可以很好的反映植物葉片的蒸騰規律,但是與真實值還存在一定差距,測定結果不能直接用于比較耗水量或者蒸騰強度;二是想要運用測定的結果比較耗水量或者蒸騰強度規律時必須要進行合理校正[32]。
4.4渦動相關法
用一種特別設計的“渦動通量儀”,可測定垂直風速和濕度的瞬間脈動值,并計算出水汽通量[33]。目前這一技術還未能成功地應用于森林。此法的優點是精確度比較高,數據量較大,也不會對下墊面產生破壞,未來發展前景廣闊,但渦度相關法對儀器要求精確度高,投資成本大,技術操作復雜,儀器的維護也比較困難,且關于蒸散的影響機制和物理過程還不能做出很好地詮釋,因此渦動相關法在森林蒸散中的應用范圍受到嚴格限制。另外,渦動相關模式下設備的運行穩定性不高,無法長期連續觀察,僅主要用于季節觀測[34]。有研究者認為此方法是測定農田蒸散量的標準方法,但是采用渦動相關法和蒸滲儀法對農田蒸散量進行測定發現,用蒸滲儀法測得的平均蒸散量要高一些[35]。
4.5風調室法
風調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,通過對間隔一段時間的室內空氣濕度的變化測定就可以得出蒸騰速率[36],該方法的優點是對樹木的生長環境和生理結構不會產生破壞,但是測量大面積的森林時該方法不太適用。這是因為室內的各種環境因子與樹木生長的自然環境有很大的差別,測量出來的結果與實際值有所差異,不能反映實際情況,因此該方法的應用受到嚴格限制。
4.6水分平衡法
通過利用水分平衡方程對某一區域或者某一時段的水分平衡各分量進行測定,以此得出蒸散量[37]。在大的流域內,要準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。當出現漏水現象時,計算出來的蒸散量會顯著偏大,但其誤差量幾乎是無法估計的。此方法的優點是不受下墊面性質和地形的影響,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大到幾百平方公里,適用范圍廣闊。缺點是只能用于較長時間段的測量,不能很好地反映蒸散的日變化規律,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,蒸散量較低的區域時間穩定性反而高一些[39]。
4.7PenmanMonteith方程
這個方法是把通量方程與能量方程兩者綜合起來,該方法的缺點是忽略了大氣穩定度的影響,如果測量對象處于水濕狀態或者林冠郁閉不佳的情況下,測量結果會有很大的誤差[40]。而且它也不是一個完全獨立的方法,某些參數值的標定需要借助其他的方法。用PM模型與水量平衡方程進行了比較,結果發現兩種方法測量出來的蒸散結果差異在季節變化上不顯著[41]。但對干旱區胡楊Populus euphratica的蒸散量,利用PM模型與渦度相關法測量值進行比較,發現用PM模型對胡楊林蒸散量的估值往往過高[42]。
4.8遙感數據法
從20世紀70年代開始,遙感技術發展的比較迅速,于是有研究者開始嘗試使用遙感技術來測量森林蒸散。用遙感法來估算蒸散發也是遙感科學研究的一個重要方向,在氣象、農業和生態領域等方面準確估算蒸散具有重要的應用價值和研究意義。該方法的優點是不會受到下墊面不均一性和水分運動的時間周期的影響,但其容易受到天氣變化的影響,并且由于對衛星的定期觀察和飛機的穩定性,這個方法不能連續地使用[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算下墊面熱量平衡的一種方法。有研究者認為該方法具有很強的適用性,其測量精度會受到β值的確定和凈輻射量的觀測精度的影響。當β=-1時方程沒有意義,該法會受到應用的限制,而當蒸散量的估算值會在β值在-1附近的時則表現并不穩定,結果誤差比較大,不能得到廣泛的使用[44]。這個方法的優點是不會破壞下墊面,通過太陽輻射與蒸散的關系,對不同地帶的蒸散特點都可以進行說明,也可以對環境因素進行分析。缺點是對儀器設備要求高,出現平流或者森林面積太小的時候測量誤差會非常大,需要連續觀測。
5展望
森林蒸散研究要比農田蒸散研究起步晚,而且目前森林蒸散中的一些理論和方法都是來源于農田的研究,所以農田蒸散具有很大參考作用。但是農田生態系統的研究要比森林生態系統的研究簡單的多,森林生態系統的植被類型豐富,植被發育水平差異很大,根系也很深。這些條件在應用實際測量方法和確定估計方法的參數方面有很大的困難。目前關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,要想提高測量的準確度,就需要對多種研究方法進行綜合比較。另外,蒸散研究中的尺度轉換還存在一定的誤差,減小或者消除尺度轉換誤差也是未來研究的一個重點。蒸散規律研究未來的發展趨勢是多種方法和科學嚴謹的使用相結合,未來有必要深入研究蒸散的物理過程和生理機制,以探索和尋找研究森林蒸散的新思路和新方法。
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(責任編輯:鄭京津)