森林蒸散的研究进展

张萌 卢杰 任毅华

摘要：森林蒸散是森林生态系统水循环中的一个重要过程，对森林水资源的合理利用，全球水循环以及区域气候变化都会产生重要影响。目前，有关森林蒸散方面的研究有很多，通过对国内外相关文献的查阅，主要从森林蒸散的过程、影响因素、测定方法以及每种方法的优缺点进行了归纳和总结，可以帮助进一步了解森林水文的规律和森林生态系统的结构与水文功能。

关键词：森林蒸散;影响因素;测定方法

中图分类号：S718.5文献标识码：A文章编号：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发作用不断地消耗掉，被消耗掉的水分又可以通过降水得到恢复，森林的这种蒸发蒸腾作用被称为蒸散发。主要包括植物蒸腾、土壤表面蒸发和林冠截留降水的蒸发等三个过程[1]。

森林蒸散发不仅仅是森林耗水能力的重要指标，也是土壤—植物—大气连续体的重要环节，森林蒸散在调节和促进森林地区小气候变化和夏季降雨中起着重要作用[23]。 森林蒸散会受到植物自身的生理特征、生长状态、土壤、地形和气象等环境因子的影响，所以蒸散在空间上和在时间上存在一定的差异性[45]。目前用于测定蒸散的方法约10种，但一般精确度很难达到80%以上[6]。

1土壤蒸发过程

土壤蒸发是森林蒸散的一个重要过程，既是水分平衡和地表能量的组成部分，也是地气能量交换的主要过程之一[7]。这一过程中有三个不同的阶段[8]：一是蒸发初始阶段，该阶段土壤比较湿润，水分充足，但此时外部气象条件是影响蒸发率的主要因素。非饱和导水率会随着土壤水分的减少迅速降低，蒸发过程不断持续，当土壤表层的水分减少到一定程度就会停止蒸发，这一阶段的主要特征是蒸发率最大但持续时间短暂。二是蒸发速率递减阶段，由于在蒸发初始阶段消耗了大量水分，土壤含水量变少，蒸发速率也相应减小。土壤是控制蒸发力的主要因子，蒸发速率会继续下降，持续时间会更长。三是蒸发滞缓阶段，经过前面两个阶段的蒸发，土壤含水量基本为零，土壤表面处于一个风干的状态，但是深层处的土壤水分能够通过汽化作用扩散到大气中，该过程持续时间长且稳定，蒸发率也小。

2植被蒸腾

2.1单木蒸腾

植物会在蒸腾作用的影响下流失掉大量水分，只会保留少量水分供自身发育所用。植物吸收了多少水分可以通过测量其蒸腾量来计算，而测量蒸腾量可以通过测量树干的水分通量[9]。在不同的天气条件下，树木的水分环境和气象因子都不同，单木蒸腾的特征也会不一样。例如，在不同天气条件下小果润楠Machilus microcarpa蒸腾的日变化[10]，其日变化过程是典型的单峰型曲线，变化规律是昼高夜低，且在晴天、阴天和雨天三种天气条件下蒸腾通量差异极其显著。这是因为太阳辐射与水汽压亏缺是影响蒸腾量变化的主要因素，降雨不会促进蒸腾作用反而还会抑制蒸腾作用[11]。

2.2林分蒸腾

林分或者群落尺度是现在特别关注的一个研究问题，因为通过研究林分和群落可以为森林的管理和经营提供方法和理论依据。但在实践中，由于种种原因实际操作很困难。为了满足理想情况，许多研究者经常在确定有限样本树的基础上，通过规模换算来估算森林蒸腾水的消耗量[12]。在贵州六盘山3种针叶林的蒸散情况研究中，发现华北落叶松林树叶的蒸散量最大，其次是华山松林，而以油松林最小[13]。在生长季林冠截留量受叶面积指数的影响占蒸散总量有所不同。这是因为人工林和天然林的林分结构不同，造成其蒸散量也具有差异性。侧柏Platycladus orientalis和油松两种林分群体耗水特征：晴天的时候两种林分的蒸腾强度的日变化都是单峰曲线，而在雨天和阴天条件下两种林分的蒸腾速率存在明显的差异[14]。

2.3灌木蒸腾

林下的灌木也会消耗土壤水分。灌木可以充分利用土壤上层资源和林下空间能源，调节区域内的小气候变化，但是由于林下环境具有特殊性，其在生物特性与上层的乔木树种明显不一致[15]。许多灌木的蒸腾作用与光合作用速率的日变化曲线具有相似的趋势，水分利用效率和蒸腾耗水量在季节变化规律上表现出相似性[16]。同时，灌木在水分利用的策略上又具有差异性，如荆条Vitex negundo var.Heterophylla和酸枣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节水，可适用于植被恢复地区或者某些难以植树造林的地区，而扁担杆Grewia biloba则是水分利用效率低下、耗水量和浅水源的水分利用策略，适用于荒山恢复阶段的中后期。

3蒸散的主要影响因素

3.1太阳辐射

太阳辐射作为蒸散的主要能源，在蒸散中起着重要的作用。主要涉及兩个方面：一是温度的变化，太阳辐射的增加导致森林叶片和气温的升高，蒸腾量也会增加;二是太阳辐射会影响气孔的开闭，造成植物气体内外之间的交换产生影响。太阳辐射的影响有上限，超过一定上限时林木蒸腾作用就会下降[1718]。夏季太阳辐射是最强的，其次是春季，最弱在秋季，太阳辐射在不同的时间段内地蒸散量的贡献率不同[19]。

3.2气孔和非气孔调节

植物主要是通过气孔来控制叶片与大气之间水和碳的交换，植物叶片的气孔对水的散失和碳的获取关系到植物的生存和生长，因此，研究气孔调控机制和开发气孔电导率模型，对于准确模拟陆地生态系统的碳和水循环过程至关重要[20]。气孔控制林木的蒸腾作用，80%～90%的植物水通过气孔流失。植物的蒸腾作用会受到气孔的影响，气孔关闭会导致蒸腾作用大幅度下降，因为气孔在关闭的时候，气孔的阻力就会增大，导致蒸腾速率降低[21]。

3.3空气温度

蒸腾作用与叶片的温度以及叶片周围的空气温度息息相关，随着温度升高，细胞间隙内的蒸汽压差的增大比大气中水汽压的增大要多，叶片内部和外部之间的压力差增加，降低了气孔阻力，从而加速了水蒸气的扩散。但是如果温度过高，会导致气孔导度减小，增加气孔阻力，降低蒸腾作用[22]。空气温度虽然是影响蒸散量的主要调控因子[23]，但是在不同时间尺度下影响蒸散量的主要调控因子会有所变化。

3.4土壤含水量和土壤温度

土壤含水量会影响林木的吸水率，而林木的蒸腾作用在不同的含水量条件下会表现出不同的适应性。如果土壤水分含量太低，林木的气孔开口将减少，气孔阻力将显著增加。如果土壤含水量降低，则根系的吸水率会降低，叶片的水势也会相应降低，导致蒸腾速率发生降低[24]。正常情况下，随着土壤温度的降低，水通过根和土壤的渗透性会降低，但它的粘度会增加，并且通过根系和土壤的速度会间接降低。如果土壤温度过高，则会加速酶的失活和根系衰老，从而降低根系吸水率[25]。土壤含水量的多少会影响蒸发量的大小，当含水量大于18%时会促进土壤的蒸发，而当含水量小于18%时会抑制土壤蒸发[26]。表面林木蒸腾强度和土壤温度的关系呈正相关，而与自身的因素比如胸径、冠幅和株高呈负相关。

4蒸散的测定方法

4.1蒸渗仪法

蒸渗仪法是将蒸发器置于自然土壤中，调节土壤水分，有效地模拟了实际蒸腾过程，并通过蒸腾装置称重得到蒸腾量。该方法是研究农田蒸散发最有效且最经济的方法，在森林蒸散发研究中，也有研究者用大型仪器来测量森林蒸散。在对青藏高原中部高海拔地区的蒸散量进行测量发现这些局部测量结果与青藏高原寒冷干旱地区的大规模估计结果一致，将这些速率与测量的气象变量进行比较，证实了太阳辐射是这种环境中蒸散的主要驱动因素。采用蒸渗仪进行比较研究，将进一步加深对点尺度测量方法的适用性以及蒸散在青藏高原的驱动过程中的认识[27]。此方法的优点是简单易行，容易操作，成本低，适合测量小型植被和林下土壤的蒸散情况，但是它设计复杂、维护成本花费大，而且蒸散量也会被所选定的植株影响，因此在森林蒸散研究方面的使用产生了很大的限制。

4.2快速称重法

快速称重法是对从植株上剪下的一部分进行称重，然后对间隔一定时间的多次重复称重结果进行比较，再根据得出的数据进行分析得出植物蒸腾速率[28]。此方法的优点是成本低，花费少，操作简便，容易计算，故目前国内仍有很多学者在沿用这种方法。研究表明：蒸腾量最大的是红松Pinus koraiensis，最小的是毛榛子Corylus mandshurica，而且每树种的蒸腾强度日变化曲线都呈单峰型，蒸腾强度与气温有密切的关系[29]。此方法的缺点是精确度不高，测定的结果与实际值之间存在一定的偏差，而且面对一些树干粗壮的树木时，有效的蒸腾面积难以估算，且在测量过程中需要在采样和称重时尽量减少叶片的水分流失和蒸腾作用。

4.3气孔计法

气孔计法可以测定少量树叶的蒸腾量。由于林冠不同部分叶子的蒸腾量差异很大，很难计算出整株植物的蒸腾，更难确定林分的蒸腾[30]。此方法的优点是仪器小巧便于携带，使用方便，测定时可以不离体，不损伤样品，且测量值稳定。但同一个叶片的两面比较或者不同树种的不同处理比较时，该方法的误差值较大，且测定结果通常比实际结果高一些。如耿兵[31]等人发现通气孔计法和离体枝条称重法测定出来的蒸腾速率不一致，用气孔计法测量出来的值偏大。因此，在应用此法时有几点需要注意，一是它虽然可以很好的反映植物叶片的蒸腾规律，但是与真实值还存在一定差距，测定结果不能直接用于比较耗水量或者蒸腾强度;二是想要运用测定的结果比较耗水量或者蒸腾强度规律时必须要进行合理校正[32]。

4.4渦动相关法

用一种特别设计的“涡动通量仪”，可测定垂直风速和湿度的瞬间脉动值，并计算出水汽通量[33]。目前这一技术还未能成功地应用于森林。此法的优点是精确度比较高，数据量较大，也不会对下垫面产生破坏，未来发展前景广阔，但涡度相关法对仪器要求精确度高，投资成本大，技术操作复杂，仪器的维护也比较困难，且关于蒸散的影响机制和物理过程还不能做出很好地诠释，因此涡动相关法在森林蒸散中的应用范围受到严格限制。另外，涡动相关模式下设备的运行稳定性不高，无法长期连续观察，仅主要用于季节观测[34]。有研究者认为此方法是测定农田蒸散量的标准方法，但是采用涡动相关法和蒸渗仪法对农田蒸散量进行测定发现，用蒸渗仪法测得的平均蒸散量要高一些[35]。

4.5风调室法

风调室法是将植物体的一部分或者一颗完整的植株放在植物生长室内，通过对间隔一段时间的室内空气湿度的变化测定就可以得出蒸腾速率[36]，该方法的优点是对树木的生长环境和生理结构不会产生破坏，但是测量大面积的森林时该方法不太适用。这是因为室内的各种环境因子与树木生长的自然环境有很大的差别，测量出来的结果与实际值有所差异，不能反映实际情况，因此该方法的应用受到严格限制。

4.6水分平衡法

通过利用水分平衡方程对某一区域或者某一时段的水分平衡各分量进行测定，以此得出蒸散量[37]。在大的流域内，要准确测定有代表性的雨量是较困难的。此方法的误差主要来源于流域地层下部漏水。当出现漏水现象时，计算出来的蒸散量会显著偏大，但其误差量几乎是无法估计的。此方法的优点是不受下垫面性质和地形的影响，在下垫面不均匀或者各种天气条件下都可以使用，测定范围可以从几平米扩大到几百平方公里，适用范围广阔。缺点是只能用于较长时间段的测量，不能很好地反映蒸散的日变化规律，测量的精确度不是很高[38]。如相比上坡和中坡，黄土高原丘陵沟壑区下坡可能是处于的位置较低，得到的太阳辐射较少，所以蒸散量较小，在半干旱区坡面虽然降水增加了蒸散量，但是并没有改变蒸散的水平空间格局，蒸散量较低的区域时间稳定性反而高一些[39]。

4.7PenmanMonteith方程

这个方法是把通量方程与能量方程两者综合起来，该方法的缺点是忽略了大气稳定度的影响，如果测量对象处于水湿状态或者林冠郁闭不佳的情况下，测量结果会有很大的误差[40]。而且它也不是一个完全独立的方法，某些参数值的标定需要借助其他的方法。用PM模型与水量平衡方程进行了比较，结果发现两种方法测量出来的蒸散结果差异在季节变化上不显著[41]。但对干旱区胡杨Populus euphratica的蒸散量，利用PM模型与涡度相关法测量值进行比较，发现用PM模型对胡杨林蒸散量的估值往往过高[42]。

4.8遥感数据法

从20世纪70年代开始，遥感技术发展的比较迅速，于是有研究者开始尝试使用遥感技术来测量森林蒸散。用遥感法来估算蒸散发也是遥感科学研究的一个重要方向，在气象、农业和生态领域等方面准确估算蒸散具有重要的应用价值和研究意义。该方法的优点是不会受到下垫面不均一性和水分运动的时间周期的影响，但其容易受到天气变化的影响，并且由于对卫星的定期观察和飞机的稳定性，这个方法不能连续地使用[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来计算下垫面热量平衡的一种方法。有研究者认为该方法具有很强的适用性，其测量精度会受到β值的确定和净辐射量的观测精度的影响。当β=-1时方程没有意义，该法会受到应用的限制，而当蒸散量的估算值会在β值在-1附近的时则表现并不稳定，结果误差比较大，不能得到广泛的使用[44]。这个方法的优点是不会破坏下垫面，通过太阳辐射与蒸散的关系，对不同地带的蒸散特点都可以进行说明，也可以对环境因素进行分析。缺点是对仪器设备要求高，出现平流或者森林面积太小的时候测量误差会非常大，需要连续观测。

5展望

森林蒸散研究要比农田蒸散研究起步晚，而且目前森林蒸散中的一些理论和方法都是来源于农田的研究，所以农田蒸散具有很大参考作用。但是农田生态系统的研究要比森林生态系统的研究简单的多，森林生态系统的植被类型丰富，植被发育水平差异很大，根系也很深。这些条件在应用实际测量方法和确定估计方法的参数方面有很大的困难。目前关于蒸散的研究方法很多，而且都趋于成熟，每种方法都有其适用的范围和条件，要想提高测量的准确度，就需要对多种研究方法进行综合比较。另外，蒸散研究中的尺度转换还存在一定的误差，减小或者消除尺度转换误差也是未来研究的一个重点。蒸散规律研究未来的发展趋势是多种方法和科学严谨的使用相结合，未来有必要深入研究蒸散的物理过程和生理机制，以探索和寻找研究森林蒸散的新思路和新方法。

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（责任编辑：郑京津）