六盘山半干旱区华北落叶松人工林林下日蒸散特征及其影响因子

林 业 科 学

SCIENTIA SILVAE

Vol. 55,No. 920 19 年 9 月 SINICAE Sep.,2 0 1 9

doi：10. 11707/j.1001-74<<. 20190902六盘山半干旱区华北落叶松人工林林下日蒸散

特征及其影响因子!韩新生1!#王彦辉1李振华1!B王艳兵1于澎涛1熊 伟1% 1•中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业和草原局森林生态环境重点实验室 北京100091；2•宁夏农林科学院荒漠化治理研究所 宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室 银川750002； 3•新乡学院生命科学技术学院 新乡453000)摘 要：【目的】在半干旱的六盘山北侧叠叠沟小流域研究华北落叶松人工林的林下日蒸散变化特征，分析其

对环境变化的响应规律，以期为准确计算和预测森林蒸散、实现森林精细化管理和缓解林水矛盾提供科学依据$

【方法】选择华北落叶松人工林典型样地，在2013年8-10月，监测林内外气象条件,并选取能代表多种气象因子

综合作用的潜在蒸散作为影响林下蒸散的气象指标；在样地内代表性地点布设11个微型蒸渗仪，其中5个保持自

然状态,> 个进行防雨处理，以加大土壤湿度变化范围和利于分析土壤湿度对林下蒸散的影响；逐日监测林下蒸散

量和蒸渗仪内土壤湿度；分析林下蒸散对土壤湿度和气象因子的响应规律，在此基础上建立考虑二者综合影响的

林下日蒸散模型$【结果】研究期间的林下日蒸散波动幅度较大，但随气温、太阳辐射、降雨量逐渐降低而逐渐减

小；林下蒸散明显受到诸多气象因子影响，但主要气象因子存在月份和天气类型差异，从8月份的饱和水汽压差变

为9月份的太阳辐射和10月份的日最高气温，多云天为潜在蒸散和太阳辐射，晴天为温度，阴雨天为潜在蒸散；除

潜在蒸散这个体现多个气象因子综合影响的气象指标外,土壤湿度也是影响林下蒸散的重要因素,且其影响在防

雨和自然处理下表现一致；林下日蒸散随潜在蒸散和土壤湿度增加均呈先快速升高、后缓慢升高、在达某个阈值

%日潜在蒸散，土壤体积含水量35]或相对含水量0. 56)后趋于平稳的变化趋势；建立了耦合日潜在蒸

散％ PET,mm-d_1)和土壤体积含水量％ VSM ,])影响的林下日蒸散％ ETu,mm-d'1)模型，并基于实测数据拟合了模 型参数：ETej(-0. 045PET2+1.392PET)[ 1-EXP(-1.292VSM)]，精度较高 % K2 = 0.80)$【结论】六盘山半干旱区 华北落叶松人工林林下日蒸散量随潜在蒸散和土壤湿度增加而升高，后增速渐缓并在超过阈值后趋于平稳,综合

考虑这二者影响的林下蒸散模型能准确计算和预测林地蒸散$关键词： 华北落叶松人工林；林下蒸散；耦合模型；土壤湿度；潜在蒸散；半干旱区文献标识码：A

中图分类号：S718.55 + 3 文章编号：1001-7488( 2019) 09-0011-11Daily Forest Floor Evapotranspiration of Larix principis-rupprechtii Plantation

and Its Influencirg Factors ir the Semi-Ari# Arra of Liupan MountairtHan Xinsheng1, 2 Wang Yanhui1 Li Zhenhua1,3

Wang Yanbing1 Yu Pengtao1 Xiong Wei1% 1. Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Key Laboratory of Forestry Ecology and Environment ofNational Forestry and Grassland Administration Beijing 100091 ； 2. Institute sf Desertificatioo Cootrol, Ningxio Acodemy of AgOcuOure and ForestrySciences

Key Laboratory of Desertification Control and Sft and Watee Conservation of Ningxio Yinchuan 750002 ； 3. Xinxiang University, School ofLife Science and Technology Xinxiang 453000)Abstract: 【Objective ] The variation of daily forest floor evapotranspiration % DFFET) of a larch % Lario principit-rupprechtiit plantation and its response ta environmentaO factore were studied in the small watershed of Diediegou ai the

northern pari of Liupan Mountains, in the semi-arid northwestern China, foe an accurate calculation and prediction of the

forest evapotranspiration % ET) , and foe the fine forest management la solve the forest-wateo ccntradiction.【Method ]

A eepeesentative sample plot of larch plantation was selected, and the meteerologiccC ccnditions both inside and outside the收稿日期：2018-04-03 ；修回日期：2019-08-12$基金项目：宁夏回族自治区全产业链创新示范项目％QCYL-2018-12)；国家重点研发计划％2017YFC0504600； 2016YFC0501702)；国家自

然科学基金重大项目％41390461)、面上项目%41671025)；国家林业和草原局宁夏六盘山森林生态定位站和宁夏回族自治区生态修复与多功能 林业综合研究中心资助$*王彦辉为通讯作者。12林业科学55卷forest plot were monitored in August-October of 2013. The potential evapotranspiration % PET) was selected as a

meteorological factor to reflect the integrated effects on DFFET by the various meteerolooiccO parameters. Within the plot,

11 micro-lysimeters were set up at representative sites, of which 6 were rain-proof treeted er enlarae the soit moisture

variation range for a bettea analysis of the soit moisture effect, while other 5 ones were treeted under natural ccnditions.

The DFFET and daily soit moisture in the lysimeter were monitored. Based on the analysit of the responses of DFFET er

soit moisture and meteeroloficcl Oactors, a DFFET model was established to reflect the comprehensive eects of

environmental factors. - Result]

During the study period, the DFFET showed a larae Ouctuation range, and characterizedby a gradual decrease with declining air temperature, solar radiation and rainfall. The DFFET was obviously influenced by

manymeeeoeoyogttayeateoes, bueehematn meeeoeoyogttayeateoesdteeed among mon ehs and wea ehe e eypes, eeom ehe

saturation vapor pressure deficit in August to the solao radiation in Septembeo and thedaily maximum temperature in Octobeo ； and from the PET and selar radiation in cloudy days to the temperature in sunny days and the PET in rainy days.

Besides the weother parameteo of PET which cm reflect the intecrated impact of many meteeroloficel factors, soit moisture is alse an important factos influencing DFFET undcs both rain-proof and naturd ccnditions. With rising PET and soit moisture, the DFFET increased rapidly at first and then slowly, but leveled oi after a ccrtain threshold % PET of

4. 5 mm• d 1 , velumetric soit moisture of 35% or relative soit moisture of 0. 56) was reached. The modd of DFFET % ETG , mm • d 1 ) ccupling the effects of PET % mm • d 1 ) and velumetric soit moisture % VSM , % ) was established and well fitted

using field mecsured data, as : ETe 二 % -0. 045PET2 + 1. 392PET) % 1—EXP( -1. 292VSM)) , % K2 = 0. 80).【Conclusion ]

The DFFET of the larch plantation in the semi-arid arec of Liupan Mountains increcsed with rising PET and soit moisture,

but with a gradually declining rate and finally stabilized after reaching their thresholds. Using a DFFET model ecnsidering

the effects of both PET and soit moisture cm improve the dlculation and prediction accuracy..Key words:

Lari% principis-rupprechtii

plantation ； forest floor crapotranspiration ； coupled model ； soit moisture；potential crapotranspiration ； semi-arid recion干旱缺水地区的森林蒸散会消耗绝大部分降 和环境因子的关系(Oren ct al., 2001 ； Yunusa ct al.,

水，在水量平衡中占主导地位，是引发林水矛盾的重 要因素$因此,需基于水分的植被承载力来恢复和 管理森林(王彦辉等，2006；刘建立等，2009 )$森 林蒸散与森林的水文及其他众多服务功能紧密相

2010 ； Wang ct al., 2011 ； Ungar ct al., 2013 ),但很少 研究林下蒸散特征及其与林分结构和环境因子的复 合关系$太阳辐射、林冠遮荫、土壤湿度、产流汇流、

水分下渗与再分配等的差异,均会导致林地蒸散的

关，同时受林分结构等植被特征(Burba ct al., 2005 ；

空间异质性，如太阳直射地点的太阳辐射强会导致 林地蒸散较大(Morccroft ct al., 1998 ),林冠结构和

Giambellucaet al., 2009；沈竞等，2016；王亚蕊等，

2016 ； Jaramillo ct al.，2018 )、气候特征(刘峻杉等，

叶面积指数会影响林冠下的太阳辐射特征 (Kuuluvainenet al., 19)和增强林地蒸散的空间差

2008； Tanaka $ al., 2008；黄辉等，2011 ；路倩倩

等，2015； Yan ct al, 2017 ； Chen ct al, 2018 )、地形 (Huang ct al., 2017 )及 土 壤湿度(Fisher ct al.,

异(Breshears et al., 1998 ) $干旱地区的森林较稀 疏，其林下蒸散占总蒸散比例较高(曹恭祥，2013 ； 李振华，2013 ；王彦辉等，2006 ； Mitchell ct al.,2008 ； Panda ct al., 2016 ； Liu ct al., 2018 )等的影 响$要实现林水综合管理,减少生态耗水和提高水

2009) ，因此亟需深入开展林下蒸散研究$微型蒸渗仪称质量法可直接测定林下蒸散,

分利用效率,需要准确区分蒸散组分并深入理解其 变化与林分结构和环境因素的关系,从而通过

但因在安装时切断了林木根系,导致其土壤湿度 与正常林地不同,因而林下蒸散测定值与林地实

森林的结构来蒸散耗水$森林蒸散组分包括林冠截留、林木蒸腾和林下

际值存在差异,需探讨修正方法$其他方法如便 携式蒸发圆顶法和土壤室法(Macfarlane ct al.,

蒸散(Raz-Yaseefet al., 2012)，其中林下蒸散又包含 林下草灌的截持与蒸腾以及土壤和枯落物的蒸发$

2012 ； Mitchell ct al., 2009 ； Raz-Yaseef ct al.,2010) 均利用蒸汽密度和土壤水汽通量的变化来 计算林下蒸散,其与微型蒸渗仪相比的优点是可

由于组分复杂、影响因素多、空间变异大,所以林下 蒸散的测量和预测都比较困难$在以往森林水文研

究中，多侧重林冠截持和蒸腾变化及其与林分结构 以连续观测瞬时值,数据收集便捷,缺点是会受到

第\"期韩新生等：六盘山半干旱区华北落叶松人工林林下日蒸散特征及其影响因子13林冠特征与气象因子等的干扰，且造价昂贵。因 此，微型蒸渗仪仍是最常用的林下蒸散直接测定 方法（Kelliher et al., 1997 ； Schaap et al., 1997 ；熊

maximowczii）、芙蒿 % Artemisia giraldii ）和 白 颖薑 草 % Caree rigescees ）等；林下枯落物层厚2 cm,储量 17.62t・hm「2。土壤为灰褐土 ,质地为砂壤,厚度〉

伟等,2005 ；常博等,2014）。2m宁夏六盘山地处我国西北地区的半湿润区到半

2.2 林下日蒸散的测定在样地附近选择能代表样地内林冠平均遮蔽程

干旱区的过渡带，生态环境脆弱且极为敏感,林水矛 盾尖锐。为加深理解干旱缺水地区林下蒸散特征及 其对主要环境因子变化的响应机制,本研究在六盘

度的地点,安装了 11个微型蒸渗仪%图1）,内部从 上向下依次为典型草本植物、结构未扰动的原状枯 落物和土柱。在土柱和微型蒸渗仪的带眼底盖之间

山区选择当地主要造林树种华北落叶松（La# principis-rupprechtii）人工林样地,利用微型蒸渗仪进 铺设有滤纸,以防止土粒随渗漏水流失。为在短时 行了自然条件下和防雨增强干旱处理条件下的林下

日蒸散监测,试图定量分析环境变化对林下蒸散的 影响,以期为准确计算和预测森林蒸散、实现森林精 细化管理、缓解林水矛盾提供科学依据。1研究区概况研究地点位于六盘山北部的叠叠沟小流域

% 106。4'55〃一 106°9'15〃E,35。54'12〃一35°58'33〃N）, 隶属宁夏回族自治区南部固原市原州区。海拔

1 975-2 615 m,最大高差0 m；东、西坡是主要坡 向；典型的半干旱性季风气候,年均气温6_7 a ,全年无霜期130天,年均降水量449 mm。土壤 类型主要为灰褐土 ,平均石砾体积含量为5.96%。

土地利用类型以自然草地为主,主要有铁杆蒿 % Artemisa vestita ）、本 氏 针茅 % Stipa bungcana ）、白 羊

草 ％ Bothriochloa ischaemum ）、细 叶苔草 ％ Cares rigescent）、野草 莓 % Fragaria ananassc ）、风 毛菊 % Saussureaamara ）和 乌头 % Acooitum carmichaeli）等。 现存林分以人工林为主,主要是阴坡、半阴坡的华北

落叶松林,以及地处下坡位和沟道的少量北京杨 % Populs — beijingeesis）人工林$在郁闭的华北落叶

松林下,灌木种类少、覆盖度很低,且分布不匀。小 流域内成片分布的灌丛主要有虎榛子% O—yopS daviPiana ）、绣线菊 ％ Spiraea salicgolic ）、黄刺玫 % Rosa xanthina）和沙棘％ Hgpophae ramnoides）等。2研究方法2.1样地选择在小流域下游的27年生华北落叶松人工林中,

建立了 1块30 mx30 m的固定样地,海拔2 050 m, 坡向为北偏西30。，下坡位,坡度约11。。2013年林 分密度为1 600株• hm\"2,平均胸径10. 56 cm ,平均

树高10. 1 m,林冠郁闭度0. ；林分层次结构单 一,林下灌木层不明显。林下草本层覆盖度75%, 主要有铁杆蒿、羽叶凤毛菊％ Saussurea

间内研究较大的土壤干旱梯度的影响,将6个蒸

渗仪做防雨处理,即在一开始时加水至土壤饱和, 之后再无任何降雨输入,在土壤湿度持续衰减中

测定林下蒸散的响应,具体是在蒸渗仪上方1.5 m 处设置防雨布架％ 3 mx3 m）,保持自由通风,每次 降雨前盖上防雨布,不降雨时打开防雨布使其处

于自然条件。另5个蒸渗仪为自然条件处理。每 天早上8点称一次蒸渗仪质量并测量渗漏水体 积,测定时间为2013年8月1日至11月1日。林

下日蒸散％ ET— mm«d_1）由下式计算：ETu=（ N1-N2） /p/S+P_L。 % 1）式中：N1和N2为蒸渗仪当天和后一天的质量

% kg）； p为水的密度% 1.000 kg-L'1 ）； S为蒸渗仪断

面积％3. 14x0. 1x0. 1 = 0. 0 314 m2） ； P 和 L 分别为 观测时段内输入蒸渗仪的林内穿透雨量% mm）和输出蒸渗仪的渗漏水量% mm）挡雨板 Rain board内筒Inner cylinder外筒cmOuter cylinder带眼底盖Fundus cover接水盆 Water basin图1蒸渗仪示意Fig.1 Sketch of lysimeter2.3气象环境条件监测在林外开阔处,设置1台WeetherHawk-232自 动气象站％ LI-COR, USA）,连续测定太阳辐射强度 % w-m-2 ）、空气温度% a ）、空气相对湿度% %）、风速 % m«s_1 ）和大气降水量% mm）等；按文献给出的方

法，计算空气饱和水汽压差% VPD, kPa）%王艳兵等,2013）和日潜在蒸散量 ％ PET, mm ・ d-1） % Allen et al,1998）。同时,在固定样地内林冠下,设置1台L--1400

14林业科学55卷小型自动气象站(LI-COR, USA),连续测定上述气

VSM jT1x9 $ % 3)象指标及20和40 cm深处土壤温度% °C )$在样地内随机布置12个标准雨量筒%直径20 cm),测定林内穿透雨量% = , mm),并计算其平均值 作为样地穿透雨量。正常处理情况下的土壤体积含水量是自然处理

中5个微型蒸渗仪内的体积含水量的平均值,防雨 条件下的土壤体积含水量是遮雨处理下6个微型蒸

散仪的平均值。2.4蒸渗仪内土壤含水量计算在安装蒸渗仪前逐一编号并称质量％ I#, Vg)。

2.5数据处理利用Excel软件作图,采用SPSS19. 0和

在试验结束后的11月3号,将每个蒸渗仪称质量后 lstOptl5软件进行数据分析和模型拟合。倒出土柱，然后将不同土层的湿土混匀,并取6个土 样,放入铝盒中带回实验室105 C烘干,求取含水量 以计算各蒸渗仪中的干土质量％ I, Vg)。然后,利

3结果与分析3.1自然降水和土壤含水量变化图2显示,< —10月份总降雨量为297 mm,但

用研究期间每日各蒸渗仪质量% I, Vg)计算每日各 蒸渗仪的土壤质量含水量% 81,%):集中于几次较大降雨,尤其 < 月20日至9月25日

%2)8 二％ I%-I-IB)/ IBol。。。 %216 mm)降雨量占总雨量的72.73%； <和9月份

利用环刀法分别测定0〜10、10〜20和20〜30 cm 土层的土壤密度% 9, g・cm「3 ),取其均值作为0〜

分别为145和119 mm, 10月份很少。受脉冲式降 水影响,自然条件下蒸渗仪内土壤含水量呈现很大

30 cm 土层的土壤密度,藉此计算研究期间各蒸渗 仪的土壤体积含水量% VSM, %):70 -60 -波动,但整体趋势是微弱减小；受林下蒸散耗水影

响,防雨蒸渗仪内土壤含水量连续降低。1 100-907P.UIUI)/u09£d*

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*®塗

日期Date三降雨量 Precipitation正常土壤体积含水量VSM in normal conditions

防雨土壤体积含水量 VSM in rain-proof conditions图2研究期间每日降雨量与蒸渗仪内土壤体积含水量的变化Fig.2 Variation of daily precipitation and volumetric soil moisture for thenormal and eain-peool lysimeters dueing study period3.2林下蒸散量日变化图3表明，林下蒸散量日间波动幅度较大，但<—

低，日均值分别为0.67和0.37 mm-d'1，晴天日均

值分别为0. 99和0. 46 mm«d_1。除 < 月初因浇水造成防雨蒸渗仪内土壤水分饱

10月整体呈逐渐减小趋势。自然条件处理下蒸渗仪的 日蒸散量在气温高、辐射强的 < 月份最大，日均值和晴

和使其日蒸散量大于正常蒸散外，以后均表现为自 然条件处理下蒸散值和波动范围大于防雨处理，主 要因防雨使其土壤湿度低，了林下蒸散。天日均值分别为2. 16和2. 57 mm・d\"；在9和10月份

明显降低，日均值分别为1.21和0. 95 mm-d'1，晴天 日均值分别为1.74和1.17 mm・dT。防雨处理下

3.3林下日蒸散量与环境因子的相关分析相关分析表明%表1 )，自然条件和防雨处理的

蒸渗仪的日蒸散量在 < 月份的日均值和晴天日均值 分别为1.75和2. 16 mm・dT，在9和10月份明显降

林下日蒸散量与气象条件和土壤湿度等因子相关性第\"期韩新生等：六盘山半干旱区华北落叶松人工林林下日蒸散特征及其影响因子15的显著程度在各月基本相同，但相关系数有差异,其 差、日最高气温、日潜在蒸散量和极显著负相关的空

中有4个环境因子在各月均与林下日蒸散量极显著 相关% =<0.01),包括极显著正相关的饱和水汽压4.0「

(TP.UIUI)/uo9etdse.QodeA035

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气相对湿度。-I 1009O8O

(-Puml)/uo9£dkyd7O6O5O4O

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期日

降雨量 Precipitation—**—正常蒸散量 Normal evapotranspiration―1—防雨蒸散量 Rain-proof evapotranspiration图3华北落叶松林的林下日蒸散及降雨量的逐日变化Fig.3 Variation of daily forest floor evapotranspiration andprecipitation in Larix principis-rupprechtii plantation表1林下日蒸散与环境条件相关系数的月份变化①Tab. 1 Correlation coefficient between forest floor evapotranspiration and environmental conditions in different months项目Item正常蒸散量NormaO evapotranspiration8 月 August 9 月 Septembve 10 月 October防雨蒸散量Rain-proof evapotranspiration8 月 Augusi 9 月 Septembea 10 月 October太阳辐射强度 Solaa radiation intensity/% W • m_2 )土壤体积含水量 Volumetric soO moisture% % )0. 711 **=0.291-0. 840 **0.773 -0.001****0.282-0.283-0.8 **0.503 **0.820 0.818 ****0.3280.863-0.90.034-0.704 空气相对湿度 AO relativa humidit/% % )-0.777 0. 155******-0. 871 **风速 Wind speed/% m• s_1 )饱和水汽压差 Saturation vapor pressure deficit /VPa0.425 *****0. 592 **0. 865 **日潜在蒸散 Daily potentiaO evapotranspiration/ % mm・d=)20 cm 土温 20 cm soO temperature/°C0.779 0. 165**0.546 **0.791 0.873 0. 8 ***0.938 **0.850 **0.448 0.171-0.2470.006**0.822 **0.746 0.6080.8620.866-0.256-0.3540.837 -0.163-0.260.8000.78140 cm 土温 40 cm soO temperature/°C-0.1940. 822 **平均气温 Mean temperature/°C日最高气温 Daily maximum temperature/C日最低气温 Daily minimum temperature/°C0.531 0.2460.587 -0.1740. 722 ******0.906 **0.6 0.718 ****0.861 **0.574 0.110.3070.635 -0.1**0.8810.8850.1470.724① * : =<0. 05 ； ** : =<0. 01.下 同 $ The same below.在8月份,林下日蒸散量与太阳辐射、日均气

能与9月份降雨日数％ 12天)多且分散等有关％图

温、日最高气温、饱和水汽压差、日潜在蒸散量和土 壤体积含水量%仅防雨蒸渗仪)极显著正相关% <

=2 )$在10月份,与太阳辐射的相关性降低到不显

著,但与气温、土温、土壤体积含水量%防雨蒸渗仪) 和风速的相关性明显增强到极显著% =<0.01 )$将所有观测日分为晴天、多云和阴雨天3类天 气,分别计算林下日蒸散与气象条件和土壤湿度的

0.01),与空气相对湿度极显著负相关% =<0.01), 与风速显著正相关% =<0. 05),与土温、土壤体积含 水量%仅自然蒸渗仪)和日最低气温相关性不显著$

在9月份,影响林下蒸散的气象因子和8月份大致 相关性%表2 )$结果表明，除土壤湿度外,正常条件

相同,仅与日均气温、潜在蒸散、土壤体积含水量 %防雨蒸渗仪)和风速的相关性变弱到不显著,这可

处理和防雨处理蒸渗仪的表现基本相同$在晴天和 多云天气,与太阳辐射、饱和水汽压差、潜在蒸散、土

16林业科学55卷壤体积含水量%仅防雨处理）、土温和气温极显著正

%仅防雨处理）的相关性变弱到显著正相关％ <

= 相关% P<0.01）,与空气相对湿度、风速和土壤体积 含水量%仅正常条件）相关性不显著；在阴雨天气, 除空气相对湿度%仅正常条件）的相关性增强到显

0.05）。林下蒸散与各因子相关系数的大小排序, 在不同天气类型与蒸渗仪类型间均存在一定差异,

在依相关系数大小判断时，晴天影响林下蒸散的主 导因子为土壤温度和大气温度,多云天为潜在蒸散

著%P<0. 05）外,其余各影响因子的相关系数均不同 程度降低,与土温%仅正常条件）、平均气温%仅正常

和太阳辐射,阴雨天为潜在蒸散。条件）、日最低气温%仅正常条件）和饱和水汽压差

表2不同天气类型下林下日蒸散量与环境条件的相关系数Tab.2 Correlation coefficient between forest floor evapotranspiration and environmental conditions in different weather项目Item正常蒸散量Normal evapotranspiration晴天Sunn/防雨蒸散量Rain-prooO vvapotranspiration晴天Sunn/多云Cloud/0. 802 **-0.045阴雨Rain/多云Cyoud/0. 851 **0. 903 **-0.051阴雨Rain/太阳辐射强度 Solar radiation intensity/% W • m_2 )0. 724 **-0. 032-0. 1160.2760. 705 **-0.0250. 5 **0. 920 **0.1270. 1970.757土壤体积含水量 Volumetric soO moisture% % )空气相对湿度 AO relativa humidit/% % )0.691-0.3120.0050.470-0.0940. 173-0. 521 !0.2490. 626 **0. 817 **0. 520 !0. 494 !0. 572 !0. 592 **0. 558 !风速 Wind speed/% m• s_1 )0.190.779 **0. 876 **饱和水汽压差 Saturation vapor pressure deficit /VPa日 潜在蒸散 Dail/ potential evapotranspiration/% mm • d_1 )0. 680 **0. 788 **0. 825 **0. 810 **0. 844 **0. 822 **0. 778 **0.768 **0. 837 **0. 521 **0. 799 **0. 916 **0. 905 **0. 878 **0. 848 **0. 826 **0.70.6540.220 cm 土温 20 cm soV temperature/°C40 cm 土温 40 cm soil temperature/°C0.6 **0. 668 **0.753 **0.722 **0. 809 **0. 857 **0. 704 **平均气温 Average temperature/°C日最高气温 Daily maximum temperature/°C日最低气温 Daily minimum temperature/°C0.732 **0. 797 **0. 614 **0.6650.6620.663林下蒸散受土壤湿度影响%表1、2）,虽然因研 究期间自然条件处理土壤湿度变幅较小导致正常蒸 散和土壤湿度在不同月份和天气下均相关不显著,

蒸散直接决定着草本的蒸腾和土壤与枯落物的蒸发

大小。由图4可看出,随日潜在蒸散量逐渐增大，林下

但防雨处理蒸散量除在9月份因为阴雨天多导致与 日蒸散量逐渐升高。为排除其他因素干扰,采用外 包线方法分析潜在蒸散的单因子影响,表现为林下 日蒸散量在潜在蒸散<2.3 mm的范围内随其升高

土壤湿度相关不显著外,在其他各月和各类天气下 均极显著正相关。林下蒸散与土壤体积含水量的相

关系数在晴天、多云和阴雨天逐渐降低,这与潜在蒸 散和土壤体积含水量变幅均依次降低有关。而快速升高,在2.3~4.5 mm的范围内升高速度逐

渐变缓,在>4.5 mm后的增幅大幅减小并趋于平

3.4蒸散潜力对林下蒸散的影响潜在蒸散是反映诸多气象因子蒸散影响的综合

稳。这种变化过程可用二项式较好地体现,正常条 件处理蒸散量％ ETui, mm - d_1 ）和防雨处理蒸散量

指标。由表1和2分析得出,在不同天气类型和月 份,林下蒸散与潜在蒸散均呈极显著正相关% P<

% ETu#, mm・d\"）与日潜在蒸散量％ PET, mm・d\"）的

关系见公式% 4）和％ 5 ）：0. 05）,且整体表现出最高的相关系数,这是因潜在3.53.0正常条件处理Normal condition treatmentooo 盂m轆

K-#

JOOaAued2.52.01.51.00.5

O潜在蒸散 Potential evapotranspiration/(mm - d-1)图4林下日蒸散量与日潜在蒸散的关系Fig.4 Variation of daily flooo vvapotranspiration with daily potential vvapotranspiration第\"期韩新生等：六盘山半干旱区华北落叶松人工林林下日蒸散特征及其影响因子17ET21 j-0. 070 7PET2+ 0. 957 5PET K 二 0. 975 9 ；% 4)蒸散的全程变化,表现为林下日蒸散变化主要受天 气影响,导致与土壤湿度相关性很弱,但也可部分看

ET22 j-0. 061 9PET2+ 0. 805 5PET K2 二 0. 976 8 $% 5)到林下蒸散随土壤湿度升高从渐缓升高转入渐趋稳 定的变化阶段,且其林下日蒸散量随体积含水量升 高渐趋稳定的土壤湿度阈值与防雨处理相近$趋于

3.5 土壤体积含水量对林下蒸散的影响林下日蒸散量随土壤体积含水量的变化见图

饱和的指数模型能很好地拟合土壤体积含水量对林

5$对土壤湿度变幅大的防雨处理蒸渗仪,林下日蒸 散量随土壤体积含水量的增加显著升高％ K2二

下日蒸散的影响,正常蒸散量和防雨蒸散量与土壤 体积含水量％ VSM,%）的拟合关系式分别见公式 % 6）和％ 7 ）：0.68）$能在一定程度排除其他因子影响的外包线 表明,防雨处理林下日蒸散量在土壤体积含水量＜

ETe1 3. 805-697 919. 532 EXP%-0. 399VSM1）二20%的范围内随其升高而快速升高,之后在20% _

K2 二 0.9410 ； % 6）% 7）35%的范围内渐缓升高,在达到阈值35%后则渐趋

稳定,且拟合关系的相关性非常高% K2二0.93 ）$正 常条件处理下,因土壤湿度变幅较小,不能反映林下

ETx 3. 1-6. 326 EXP%-0. 041VSM2）二K2 二 0.933 9 $

養m

F#

3.6潜在蒸散和土壤湿度对林下蒸散的综合影响(TP・UHLD/u09eJdsuehAU&PppelugsB为反映潜在蒸散和土壤湿度对林下蒸散的综合 影响,需建立一个综合考虑两个因子影响的模型$ 因此耦合前面分析确定的林下日蒸散量% E+ , mm・

d_1）响应日潜在蒸散％ PET, mm・d'1）和土壤体积含 水量% VSM, %）的关系式,形成综合模型，并利用生

长季8 —10月份观测的两类蒸渗仪数据重新率定了

模型参数,得到如下关系：如图6所示,公式% 8）计算的林下日蒸散量与

实测值相关性很好% K2二0. 80 ）$在研究期间,正常 条件处理蒸渗仪的林下日蒸散量计算值总和 % 127.53 mm）比实测值 ％ 132. 87 mm）仅低 4. 02% , 防雨处理蒸渗仪的计算值总和％ 93.43 mm）比实测

值（85. mm）高9.09%；两类蒸渗仪的计算值总 和％ 220. 96 mm）比实测值％ 218. 51 mm ）仅高

1.12%。由上可知,可用该模型来精确估算在天气

和土壤湿度共同影响下的林下日蒸散量。JOOaAueG土壤体积含水量 Volumetric soil water content (%)图5林下日蒸散量随土壤体积含水量的变化Fig.5 Variation of daiOv forest flooe evapotranspiration with vvlumetrir soil moisture 一

ETe 二 %-0. 045PET# + l. 392PET）[1-EXP%-1. 292VSM）] K2 二 0. 80$

% 8）图 > 模型计算的林下日蒸散量与实测值的比较Fig.6 Comparison between the model estimated and measuredvalues oO daily flooe evapotranspiration4讨论4.1林下蒸散变化及主要影响因子为充分反映干旱地区土壤水分胁迫对林下蒸散

的影响，布设蒸渗仪防雨处理,人为加大土壤湿度变 化范围,提供了细致刻画林下蒸散响应土壤湿度连

18林业科学55卷续大幅下降和土壤干旱胁迫的机会$因土壤供水充足而更多取决于气象条件,但干旱地 区因蒸散潜力很大和土壤供水不足而更多取决于土 壤湿度$这和本研究两种蒸渗仪处理的林下蒸散影

研究期间，华北落叶松林下日蒸散量的时间变 化整体呈逐渐变小趋势，但受天气影响而有些波动$

其中自然条件下日蒸散量的波幅大于防雨处理,主 响因素差异的研究结果是一致的$林下蒸散是由枯

导影响因子是气象条件%太阳辐射、温度、相对湿 度、风速和饱和水汽压差等），研究期间% 2013年

落物与土壤层的蒸发和林下灌草层的截持蒸发与蒸 腾等组成的，区分林下蒸散的组分并建立其与林地 结构及局域微气象环境的数量关系,是深入理解林 下蒸散形成机理和开展林地综合管理的基础,由于

8—10月份）降雨量% 297 mm）大于2009—2017年 同期均值％ 265 mm）, 土壤湿度一直较高％平均

43. 03% ,变化范围32. 75%~47. 65%，占田间持水量 48. 20%的67.95% ~ 98. 86%）,从而不是主要 条件，本研究未能开展,有待未来加强$除气象 因子、土壤水分外，林下蒸散还受林冠遮荫导致的局

因子$对于防雨处理,林下蒸散虽同时受土壤湿度 与气象条件影响,但土壤湿度是主要因素，这是

因为存在土壤干旱胁迫％体积含水量均值为

26.99%）和土壤体积含水量变幅大％ 15.65% ~ 50.90%）；气象因子的影响与正常蒸渗仪也不同, 表现为土壤湿度降低使土壤供水能力减弱后了 气象条件%空气相对湿度、风速和饱和水汽压差）对

日蒸散量的影响,但使太阳辐射和温度影响的贡献 相对增大$本研究以林下日蒸散为基础,没有考虑 日内变化规律及影响因子,且仅涉及一个生长季的

中后期，缺乏对生长季前期及非生长季林下蒸散变 化规律的了解，未来需开展日内及全年的连续研究$有关林下蒸散及影响因子的研究还很少,在本

研究的叠叠沟小流域,以往也仅是关注了林下蒸散 的时间变化，表明林下蒸散量集中于6-9月份，其

中8月份最大%李振华等，2013 ）$相比之下，对森 林、灌丛、草地蒸散的研究较多，如影响栓皮 栋 ％ Quercus cariabilis ）-侧柏 ％ Platydadus orientalis ）-

刺槐％ RoOinia pseudoacacia ）人工林蒸散的主要气象 因子是温度和大气饱和差%黄辉等，2011）,影响杨

树％ Populus sp.）人工林蒸散和成熟马占相思％ Acacia

mangium）林蒸腾的主要气象因子是净辐射%刘晨峰

等，2009）和光合有效辐射%赵平等，2011）,.柳 % Tamarie chinensis ）灌丛蒸散的季节变化与土壤湿 度密切相关％司建华等，2006 ）,石榴％ Punica

granatium ）林蒸散与净辐射有显著线性关系％张志

军等，2003 ）,银杏% Ginkgo biloOa ）蒸腾与土壤有效 含水量、光合辐射和水汽压亏缺有关%李新宇等,2014），祁连山北坡草地蒸散的主要影响因子是空 气温度和相对湿度%赵双喜等，2008）或降水量和气

温%常博等，2014 ）$由于各研究的植被、地点和时 间不同，且气象与土壤水分条件差异大，难以得到一 致结论，但存在一个趋势,即主要影响因子从湿润地

区的影响蒸散潜力的气象因素逐渐转为干旱地区影

响供水能力的土壤湿度,说明湿润地区的植被蒸散 域微气候、降雨输入、林下植被生长等差异的影响, 因而林冠层郁闭度和叶面积指数也是重要影响因素 %孙浩等，2014）,但本研究没有深入分析，而是以多

个蒸渗仪的林下蒸散均值作为此类研究的起点,未

来需加强林下蒸散空间差异方面的研究$4.2潜在蒸散、土壤供水能力对林下蒸散的驱动

作用诸多气象因素均影响林下蒸散,且相互关系复 杂，不利于深入分析，而采用潜在蒸散这个综合指标

可简化分析$事实上,林下蒸散同森林等植被的蒸 散一样，是主要由蒸散拉力（潜在蒸散决定）、土壤 供水能力% 土壤湿度决定）和蒸散耗水能力%植被特 征决定）共同作用的结果%吴荣军等，2016；闫俊华

等,2001 ； Li et ai, 2017） $由于本研究在一个 林地内，且郁闭度较高和研究时间较短，所以暂时忽

略了林冠遮荫和林下植被生长的影响$在本研究的8—10月份，晴天、多云和阴雨天的

林下日蒸散量均值自然条件下分别为1.78、1.37和

0. 68 mm,防雨处理分别为1. 15、0. 93和0. 35 mm, 均与对应的日均潜在蒸散%3. 44、2. 43、1. 28 mm）排 序相同，表明潜在蒸散对林下蒸散的直接驱动$但

二者的关系是非线性的,表现为林下蒸散随潜在蒸 散增加先快速升高、后渐缓升高、再渐趋稳定的变化

特征，这与华北落叶松林日蒸腾量与潜在蒸散量的

关系相类似%李振华，2014）,只是响应日潜在蒸散 量变化的敏感程度降低了，相关阈值也就增大了，从

日潜在蒸散量影响林木蒸腾的4.0 mm增大为本研

究中影响林下蒸散的4. 5 mm,这主要因为林下蒸散 多由枯落物层和土壤层的物理蒸发组成,植物叶子

蒸腾在极端气象干旱条件下因气孔关闭而降低的生 物反馈机制的贡献很小$土壤供水能力也直接影响林下蒸散，在特定立

地上，因由土壤质地及孔隙度大小和组成决定的持 水能力不变，土壤供水能力可由土壤湿度很好地表

示$在本研究中，林下蒸散与土壤体积含水量的关

第9期韩新生等：六盘山半干旱区华北落叶松人工林林下日蒸散特征及其影响因子19系不同于一些研究结果%黄辉等,2011 ；李振华等， 相对含水量为0.35和0.56$二者的关系可表示为

2013；张志军等,2003 ）,二者存在非线性关系,即 林下日蒸散量随土壤体积含水量增加表现出分段响

趋于饱和的指数函数$5)基于观测数据,建立并率定了耦合土壤湿度 和潜在蒸散影响的林下日蒸散量模型：ETe =

% -0. 045PET2+1. 392PET) [ 1-EXP % -1. 292VSM)],拟

应，在体积含水量为＜20%、20% - 35%、＞35%时表 现为急剧升高、快速升高和渐趋稳定,并可用趋向饱

和的指数函数进行统一描述$为排除土壤持水性能差异影响，一些研究中采 用土壤相对含水量%实际含水量与萎9含水量的差

合效果很好%K = 0. 80),可用于精确估算林下日蒸 散量$参考文献曹恭祥，王绪芳，熊 伟，等.2013.宁夏六盘山人工林和天然林生

占田间含水量与萎9含水量的差的比值）作为评价

指标$在本研究中,对应土壤体积含水量阈值 %20%、35%）的相对含水量阈值为0. 35和0. 56,不 同于在本研究相同地点研究确定的林木蒸腾的

土壤相对含水量阈值0.4 % Li $ -I； 2017 ；王艳兵,2016），如前所述，这与林下蒸散的组分多为枯落物 和土壤表面的物理蒸发、缺少植物吸收土壤水的蒸

腾有关$进行微型蒸渗仪观测和研究的根本目的是为了 更精确地估计林下蒸散$由于微型蒸渗仪安装时切

断了林木根系，减少了林木的蒸腾耗水，会使蒸渗仪 内土壤湿度高于林地真实情况,从而使林下蒸散测 定值高于实际,造成林分蒸散估计偏高和林分水量

平衡失真$限于篇幅,本文未探讨从蒸渗仪数据估 计真实林下蒸散的实现途径，有待另外撰文$5结论基于2013年8—10月份在宁夏六盘山半干旱

区叠叠沟小流域开展的华北落叶松林下蒸渗仪测定 结果，研究了林下日蒸散的变化和影响因子，建立了 影响模型，得到如下结论：1） 从8月初到10月末，林下日蒸散量呈逐渐减 小但波动幅度较大的变化趋势$2） 天气条件对林下蒸散有重要影响$在各月

份，影响林下日蒸散量的主要气象因子为饱和水汽 压差、日最高气温、日潜在蒸散量和空气相对湿度$

按天气类型区分时，主导影响因子在晴天为温度，多 云天气为太阳辐射和潜在蒸散,阴雨天为日潜在蒸

散量$潜在蒸散作为综合气象指标，可简化表现多 种气象因子对林下蒸散的影响$3） 林下日蒸散量随潜在蒸散量增加表现为先 快速增加、后缓慢增加并渐趋稳定的变化趋势，林下

日蒸散在日潜在蒸散＞4.5 mm后趋于稳定$二者 关系可表示为二项式函数$4） 林下日蒸散量随土壤体积含水量增加呈非 线性变化,分为急剧增加、快速增加和渐趋稳定三个 阶段，对应的土壤体积含水量阈值为20%和35%,

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