安吉毛竹林生态系统水分收支的研究

舒海燕，江 洪,*，陈晓峰，孙文文，马锦丽，吴孟霖

(1.西南大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715；2.浙江农林大学 林业与生物技术学院，浙江 临安 311300)



安吉毛竹林生态系统水分收支的研究

舒海燕1，江 洪1,2*，陈晓峰2，孙文文2，马锦丽2，吴孟霖2

(1.西南大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715；2.浙江农林大学 林业与生物技术学院，浙江 临安 311300)

利用涡度相关技术观测安吉毛竹林生态系统2013年的水汽通量，同时结合降雨量对该生态系统的水分收支数据进行比较和分析，明确其水收支情况及其影响因子，以揭示毛竹林的水分利用能力，进而为其科学栽培和水分管理提供参考.结果显示：毛竹林生态系统全年表现为水汽源，7月份最高(108.85 kg·m-2)，12月份最低(19.67 kg·m-2)，但在2月份和6月份存在着小的波谷.全年降水量和蒸散量呈较弱的正相关关系(r= 0.145，p>0.05)，蒸散主要集中于5—8月份，7月份最大，达到108.85 mm，而降水较为分散，6月份有最大值，为394.5 mm，且全年除了1、7和11月份的蒸散量略高于降水量外，其余各月均较低；不同季节的降雨量从高到低依次为：夏季>秋季>春季>冬季，而蒸散量(水汽通量)则表现为：夏季>春季>秋季>冬季.此外，全年水汽通量受温度的影响较为显著(p<0.05)，7月份则受温度和饱和水汽压差的双重影响.总之，2013年全年降雨总量达到1 508.5 mm，蒸散量为749.07 mm，蒸散量占到降水总量的49.7%，全年水分利用效率仅2.1 g·kg-1，表明该毛竹林的地表径流较大，水分利用能力偏弱，若进行人工经营和管理，除了考虑环境因子变化外，还须注意合理用水，以避免水资源的浪费.

涡度相关技术；毛竹林生态系统；水分收支；影响因子

水分主要以降水的形式进入陆地生态系统，失水则主要以蒸散作用(地表蒸发和植被蒸腾)和径流的方式为主.森林水汽通量主要指林下地表蒸发、植被蒸腾和树冠截留水分蒸发的总和，但从较长时间的尺度来说，树冠截留水分蒸发量很小，对森林水汽通量的贡献较小，可以忽略.因此，可以认为，在长时间尺度上，森林水汽通量数值等于森林的蒸散总量，故可以利用水汽通量与降水量来研究森林生态系统的水分收支.水汽通量又称水汽输送量，是指单位时间内通过单位面积的水汽量，它不仅是生态系统水循环过程的一个重要特征参数，也是森林植被水分状况的重要指标，还是能量收支的重要影响因子及水收支平衡中重要的组成部分，同时对区域和全球气候有着重要的影响[1-6]，因而一直是气象学、水文学以及生态学等研究的热点.近年来，人类活动加剧了全球气候变暖，从而加速了水循环，在全球尺度上也相应地增加了蒸发量与降雨量；同时，人类活动还影响了大气中水蒸气的容纳量，尤其是土地利用方式的变化已经改变了陆地的水收支，间接地影响到自然生态系统的功能，进而影响全球气候[7].

毛竹(Phyllostachysedulis)是禾本科竹亚科刚竹属竹种，原产我国亚热带地区，是我国分布最多，面积最大，利用领域最广，最为重要的经济竹种.长江以南，分布着世界上85%的毛竹，研究区浙江省安吉县山川乡更素有“毛竹之乡”的美誉.与其他森林类型相比，毛竹林不仅具有较高的固碳能力[8]，而且能够分泌植物碱、类黄素抑制它种植物生长，进而形成毛竹纯林；同时，它还具有生长快、产量高、用途广和经济价值高、持续更新等特点.此外，作为重要的经济林型，其生长需要消耗大量养分[9]，其水分利用状况也是人们十分关注的问题，因此明确毛竹林生态系统的水分收支显得尤为重要.

目前，涡度相关技术已成为国际通量观测网(FLUXNET)的标准方法[10-12]，被广泛用于生态系统水汽或者蒸散的研究[1-3，13-18].安吉毛竹林生态系统作为中国陆地生态通量观测网络(China FLUX)的重要组成部分，笔者以此为研究对象，利用涡度相关观测技术探讨毛竹林2013年间水汽通量的动态变化，并结合降雨量明确毛竹林的水分收支动态，同时分析其影响因子，以揭示毛竹林的水分利用能力及其规律，从而为当地毛竹林的科学栽培和水分管理提供一定的理论支持，同时，也为研究毛竹的水分生理提供一份借鉴材料.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区设在浙江省湖州市安吉县山川乡(30°28′34.5″N，119°40′25.7″E)，属于典型的亚热带季风气候，全年气候季风显著，四季分明，且有梅雨季节，空气湿度较大.研究地区竹林面积为2 155 hm2，占森林总面积(4 251 hm2)的50.7%，而毛竹林面积1 693 hm2，占竹林总面积的78.6%，占森林总面积的39.8%.毛竹林通量观测塔位于海拔380 m处，为典型的黄壤，下垫面坡度2.5～14°，坡向为北偏东8°，周围1 000 m之内全是毛竹.试验区内的毛竹林为粗放型人工纯林，林分密度为4 500 株·hm-2，毛竹胸径12～18 cm，高度13～20 m，枝下高10～17 m，冠幅3.0 m × 2.5 m，盖度90%，郁闭度0.9.毛竹节间短，壁厚，生长迅速.研究区毛竹有大小年之分，2013年为其生理大年，出笋期为3—5月份，6月份完成爆发式生长，7—9月份为主要生长季，林下几乎没有灌木和草本.

1.2 观测仪器

毛竹林中微气象观测塔高约40 m，开路涡度相关系统的探头(OPEC)安装在距地面高38 m处，主要由三维超声风速仪(CAST3,Campbell Inc.,USA)和开路CO2/H2O分析仪(Li-7500,LiCor Inc.,USA)组成，其原始采样频率为10 Hz，数据采集器(CR1000,Campbell Inc.,USA)存储所有数据，可在线计算并存储30 min的CO2通量(carbon flux,简称FC)、摩擦风速(Ustar,简称Us)、潜热通量(latent heat flux,简称LE)和显热通量(sensible heat flux,简称H)等结果.常规气象观测系统主要包括7层风速(010C,metone,USA)、7层大气温度和湿度(HMP45C,Vaisala,Helsinki,Finland)，安装高度分别为1，7，11,17,23,30,38 m.光合有效辐射和净辐射传感器安装高度38 m，用于采集光合有效辐射、上行/下行的长波/短波辐射、净辐射数据.常规气象观测系统通过数据采集器(CR1000,Campbell Inc.,USA)每30 min自动记录平均风速、气压、温度、湿度和净辐射等常规气象信息.详细方法参见刘玉莉[19]和蔺恩杰[20]有关报道.

此外，试验样地内还设有雨量筒，用于记录降水量信息.

研究时间为2013年1月1日—12月30日.

1.3 研究方法

1.3.1 计算公式

水汽通量(E) 通过实时测定的垂直风速与其浓度的协方差来求得.采用的公式为

其中：ρ代表干空气密度，q代表比湿脉动，ω代表垂直风速；横线表示一段时间内的平均值；撇号表示脉动.并规定若气体由大气圈进入生态系统，通量符号为负，若气体由生态系统进入大气圈，则通量符号为正.

1.3.2 数据处理

该试验得到的数据为通量观测的30 min平均值，再进行尺度的扩展.数据处理采用目前普遍采用的比较成熟的方法，主要包括2次坐标旋转来矫正地形以及观测仪器的非正常水平，并使垂直方向的风速平均值为0，水平方向的风速和主导风向一致，且剔除由于恶劣天气(有降水)、湍流不充分等导致的不合理数据，对于打雷、仪器故障等原因导致的缺失数据采取如下方法插补：其中≤2 h的缺失数据用平均值来插补，即用平均日变化法(Mean Diurnal Variation)，即“MDV”插补缺失的数据[21]，对于缺失的数据采用相邻几天相同时刻的平均值来进行插补，此方法首先要确定平均时段的长度，另有研究表明白天取14 d、夜间取7 d的平均时间长度所得结果的偏差是最小的[22]；>2 h的缺失数据用其与净辐射的方程插补.按照以上方法剔除后的有效数据为68.5%.

采用统计分析软件IBM SPSS Statistics 21.0对数据显著性和相关性分析，选用Origin 8.6软件作图.

2 结果与分析

2.1 毛竹林生态系统主要环境因子变化

安吉县山川乡研究区属于亚热带季风气候，全年雨水充沛、光照充足、四季分明.比较分析毛竹林生态系统2013年1—12月的空气温度(air temperature,简称Ta)和饱和水汽压差(vapor pressure deficit,简称VPD)的动态变化特征，结果如图1所示.

图1 安吉毛竹林生态系统各月温度和饱和水汽压差变化Fig.1 Monthly Ta and VPD of Phyllostachys edulis forest ecosystem in Anji

图1显示，2013年安吉毛竹林生态系统温度变化规律性较好，呈现先增加后下降的趋势，7月份有最高平均温度，达到29.3 ℃，其次是8月份，为28.2 ℃，1月份平均气温最低，仅2.6 ℃，全年的平均气温为15.5 ℃.然而，全年VPD变化规律性较差，年平均VPD为0.7 kPa，7月份有最大值，即1.8 kPa，其次是8月份，为1.4 kPa，最小值出现在2月份，仅0.2 kPa.但是，6月份VPD明显下降，仅0.5 kPa，甚至低于平均值，而温度没有大的波动，主要是因为6月份有“梅雨”，降雨量较多，空气湿度较大，因此VPD有所降低.表明降雨主要集中在6月份，而高温主要为7、8月份，说明该毛竹林生态系统在2013年存在一定的雨热不同步.

2.2 毛竹林生态系统水汽通量变化

对安吉毛竹林生态系统的水汽通量进行统计分析，得到2013年各月水汽通量的量，其变化如图2所示.

图2 安吉毛竹林水汽通量的月变化特征Fig.2 Monthly variation of water vapor flux of Phyllostachys edulis forest ecosystem in Anji

由图2可知，全年各月水汽通量均为正值，表明2013年毛竹林水汽均是由生态系统进入大气中，毛竹林表现为水汽源.全年水汽通量总值为749.07 kg·m-2，月通量值大致呈现倒“V”型曲线变化，即1—7月份，水汽通量值逐渐升高，且在7月份出现水汽通量最大值，为108.85 kg·m-2，之后，随着时间的进一步延长，水汽通量值逐渐降低，12月份最低，仅19.67 kg·m-2.主要是因为1—7月份，日照时间增加，光照强度增大，环境温度逐渐升高，毛竹的生理活动逐渐加强，使得毛竹的蒸腾作用旺盛，同时，温度升高加快了地表的蒸发，从而使得该生态系统的水汽通量逐渐增加；之后，随着时间的推移，日照时间缩短，光照强度减弱，植物的生理活动也逐渐变弱，削弱了毛竹的蒸腾作用，加上环境温度降低，减少了地表蒸发，所以水汽通量值又逐渐降低.但是，观察整个曲线变化，并不对称，反而在2月份和6月份伴随有小的波谷出现，即2月份和6月份的水汽通量值低于邻近的1、3、5、7月份，综合图1可知，该时间段毛竹林生态系统的水汽通量主要受VPD的影响.

另外，图3比较分析了2013年各季节的水汽通量变化.

图3 安吉毛竹林水汽通量的季节变化特征Fig.3 Seasonal variation of water vapor flux of Phyllostachys edulis forest ecosystem in Anji

由图3可知，全年各季节水汽通量由大到小依次为：夏季(273.65 kg·m-2) >春季(201.12 kg·m-2) >秋季(163.09 kg·m-2) >冬季(111.21 kg·m-2)，且分别占到全年总水汽通量的36.5%，26.9%，21.8%，14.8%，符合该研究地区夏季高温多雨，冬季干旱少雨的气候特征，换言之，高温多雨增加生态系统的水汽通量，而干旱少雨使生态系统的水汽通量降低.表明夏季毛竹林的地表蒸发和植被蒸腾最强，水汽源作用最强，春秋两季居中，而冬季最低.

总之，2013年毛竹林生态系统水汽总量为749.07 kg·m-2，相对较高，高于雷竹林(669.8 kg·m-2)[2]、烟洲人工林(736.1 kg·m-2)[3]、柞树林(677.0 kg·m-2)及杂木林(741.0 kg·m-2)[23]，但低于杉木林(1049.0 kg·m-2)[24]、落叶松中龄林(751.0 kg·m-2)和红松中龄林(826.0 kg·m-2)[23].

2.3 毛竹林生态系统的蒸散量与降水量变化

蒸散作用是指地表蒸发作用与植物蒸腾作用的总和，它为地表到大气的能量转移贡献了75%，所以它是地球能量收支中一个非常重要的过程[4]，主要受到蒸发势、土壤湿度、植被结构与气候等因素的影响.如前言所述，蒸散量是生态系统内地表蒸发与植物蒸腾的总耗水量，与水汽通量的数值相等.通过雨量筒测得2013年各月降水量，再与各月蒸散量(水汽通量)进行对比，所得结果如图4所示.

图4 安吉毛竹林生态系统各月降水量与蒸散量对比Fig.4 Comparison of monthly precipitation and evapotranspiration of Phyllostachys edulis forest ecosystem in Anji

图4表明，2013年全年降雨总量达到1 508.5 mm，大于该年的蒸散量(749.07 mm).全年降水较为分散，变化规律性较差，6月份降雨量最大，为394.5 mm，占全年降雨量的26.2%；其次是10月份，达到294.2 mm；而且月降水量超过100 mm的还有2月份(110.6 mm)、5月份(100.5 mm)和8月份(139 mm)；11月份降雨量最低，仅24.7 mm，占全年降雨量的1.6%，月降雨量低于50 mm的还有1月份，为37.1 mm.就蒸散量而言，全年变化规律性较好，主要集中于5—8月份，均大于70 mm，7月份蒸散量有最大值，达到108.9 mm，占年总蒸散量的14.5%，其次是8月份，为92.4 mm；12月份蒸散量最低，仅19.7 mm，占全年总量的2.6%.而且，全年除了1、7、11月份的蒸散量略高于降水量外，其余各月均较低，差值最大出现在6月份，达到322.1 mm，即6月份的降雨量远远大于其蒸散量.分析原因，主要是受温度或VPD的影响，1月份温度最低，但VPD不是最低，从而使得蒸散增加.此外，7月份温度偏高，VPD也较大，会导致植被过分蒸腾，甚至还能消耗地下储水，从而维持植物的正常生长，因此7月份蒸散高于降雨；而6月份降雨量最大，持续时间较长，空气湿度大，导致VPD降低，从而降低了毛竹叶片的蒸腾以及地表的蒸发，使得6月份的蒸散量偏低.

比较分析全年不同季节的降雨量和蒸散量，结果列于表1.

表1 安吉毛竹林生态系统不同季节降水量与蒸散量对比

由表1可知，全年夏季降雨量最大，达到609.3 mm，占总降雨量的40.4%，春秋两季居中，共686.2 mm，占到45.5%，冬季最低，仅213.0 mm，占14.1%.然而，降雨量是秋季高于春季，蒸散量却是秋季较低，主要表现在10月份(图4)，其降雨量达到294.2 mm，远高于相邻月份，但蒸散为51.0 mm，却跟9月份和11月份相当，但此月的VPD并没有表现出明显的降低，温度也没有太大的变化，则推测主要是受到光照辐射等其他因素的影响，有待于进一步研究验证.

整体而言，由于降雨不集中，或者说是水热不同步，使得全年降水量和蒸散量呈较弱的正相关关系(r=0.145，p>0.05).全年蒸散量占到降水总量的49.7%；此外，经过计算，得到全年的水分利用效率为2.1 g·kg-1，低于2012年(2.8 g·kg-1)和2014年(3.5 g·kg-1)，表明2013年毛竹林的地表径流较大，水分利用能力偏弱.

3 讨 论

笔者就安吉毛竹林生态系统2013年的水分收支进行研究，得到2013年安吉毛竹林生态系统的降雨量为1 508.5 mm，其水汽通量为749.07 kg·m-2(蒸散量为749.07 mm).另外，环境因子制约着毛竹林生态系统的水汽通量，无论是6月梅雨带来的高湿度，还是7月的高温伴随着的干旱，都明显影响着该生态系统的水汽通量(蒸散量).表2显示的是水汽通量(E)与环境温度(Ta)以及饱和水汽压差(VPD)的偏相关系数.

表2 毛竹林生态系统水汽通量与环境温度和VPD的偏相关系数

注：E是水汽通量，Ta是环境温度，VPD是饱和水汽压差；*表示p<0.05.

由表2可知，温度对全年的水汽通量有着显著的影响(p<0.05).以7月最大值为分水岭，达到最大值前的1—7月份，温度和VPD均有着显著影响(p<0.05)，而8—12月份，水汽通量则主要是受到温度的影响(p<0.05)，即当温度对水汽通量的影响较为稳定时，1-7月份主要受到VPD的影响；而由于7月份高温，VPD也较大，它受双重因素的影响.

具体来说，2月份和6月份的降水量分别为110.6 mm和394.5 mm，均高于相邻的1、3、5、7月份，但是2月份和6月份的水汽通量分别为41.3 kg·m-2和72.4 kg·m-2，均低于相邻的1、3、5、7月份，出现小的波谷，再结合图1，2月份和6月份的温度没有特殊变化，但是VPD均降低，尤其6月份更加明显.主要是因为，降雨量较大，导致空气湿度较大，使得VPD降低，它又反过来限制着植物的蒸腾和地表的蒸发，因此导致该俩月的水汽通量值降低.6月份雨水明显过剩，VPD下降较多，水汽通量值降低也更加明显.即湿润环境中，影响水汽通量的主要环境因子是VPD.

7月份降雨量为75.8 mm，而其蒸散量为108.8 mm，比降雨量多出43.5%，分析原因，可能是7月份光照时间长，光照强度大，平均温度为29.3 ℃，为月均温度之最，其日最高温度甚至高达40 ℃，VPD也较大(1.8 kPa)，而降雨相对较少，即雨热不同步，高温伴随着干旱，导致植被过分蒸腾，甚至会耗尽土壤水分，于是只能是地下水来支持蒸散作用，从而维持植物的正常生长，而这些地下水原本是无法被表层生物利用的.因此，尽管7月份降雨量较低，但是其蒸散量(水汽通量)却较高.即高温干旱条件下，水汽通量受到温度和VPD的双重影响.

此外，11月份的降雨量最低，仅24.7 mm，其蒸散仍然可以达到43.3 mm，而10月份的降雨量较高，达到294.2 mm，其蒸散仅为51.0 mm，且该月的VPD并没有表现出明显的降低，因此推测除了受到温度的影响外，还受到光照辐射等其他因素的影响.如李菊等[3]在研究千烟洲人工林水汽通量中表明辐射和地温才是影响10月份(秋旱)水汽通量的最主要环境因素.

总之，影响水汽通量的环境因子较多，远不只温度和VPD，其他因素对水汽通量的影响将有待进一步研究和验证，故在种植毛竹时候，需要注意各影响因子的变化，并及时采取措施，以最大程度提高毛竹的产量.

4 结束语

笔者研究了安吉毛竹林生态系统2013年的水分收支，并分析了其主要影响因子，结果表明：该毛竹林生态系统全年表现为水汽源，水汽通量在7月份有最大值，为108.85 kg·m-2，12月份最低，仅19.67 kg·m-2，但2月份和6月份存在着小的波谷；各季节水汽通量由大到小依次为：夏季(273.65 kg·m-2) >春季(201.12 kg·m-2) >秋季(163.09 kg·m-2) >冬季(111.21 kg·m-2).全年降水量和蒸散量呈较弱的正相关关系(r= 0.145，p>0.05)，蒸散主要集中于5—8月份，7月份最大，达到108.85 mm，12月份最低，仅19.67 mm；而降水较为分散，6月份有最大值，为394.5 mm，11月份最低，仅24.7 mm，不同季节的降雨量从高到低依次为：夏季(609.3 mm) >秋季(401.8 mm) >春季(284.4 mm) >冬季(213.0 mm).全年除了1、7、11月份的蒸散量略高于降水量外，其余各月均较低.就影响因子而言，温度对全年的水汽通量有着显著(p<0.05)的影响，7月份则受温度和VPD的双重影响.总之，2013年全年降雨总量达到1 508.5 mm，蒸散量为749.07 mm，占到降水总量的49.7%，全年水分利用效率为2.1 g·kg-1，表明毛竹林的地表径流较大，水分利用能力较弱.若进行人工经营和管理，除了考虑环境因子的变化外，还须注意合理用水，以避免水资源的浪费.

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(责任编辑 于 敏)

Study on the water budget of Phyllostachys edulis forest ecosystem in Anji,Zhejiang

SHU Haiyan1,JIANG Hong1,2*,CHEN Xiaofeng2,SUN Wenwen2,MA Jinli2,WU Menglin2

(1.Key Laboratory of Eco-environments of Three Gorges Reservoir Region,Ministry of Education,Southwest University,Chongqing 400715，China； 2.College of Forestry &Bio-technology,Zhejiang A &F University,Lin’an 311300，China)

To definitize the water budget and its factors ofPhyllostachysedulisforest ecosystem in Anji County,Zhejiang Province in 2013,and then reveal the water use ability,further provide theoretical guide for scientific cultivation and water management,the eddy covariance observation technology was used to obtain water vapor fluxes data,and the rain gauges were used to gain precipitation data for water budget in this ecosystem.The results showed that in 2013,Phyllostachysedulisforest ecosystem was water vapor source for the atmosphere,the maximum value was in July (108.85 kg·m-2),and the minimum was in December (19.67 kg·m-2).But there were small troughs in February and June.In addition,it showed a weak positive correlation between precipitation and evapotranspiration (r= 0.145,p>0.05).The evapotranspirations were focused mainly in May to August,and the maximum (108.85 mm) was in July.On the contrary,the precipitations were scattered,the maximum was 394.5 mm in June.Except for January,July and November,the precipitations were more.For different seasons,the precipitations were ordered as summer >autumn >spring >winter,but the variation of the evapotranspirations (water vapor fluxes) was summer >spring >autumn >winter.What’s more,water vapor flux in the whole year was affected by air temperature (Ta) significantly (p<0.05),and that in July was influenced by bothTa and VPD.In a word,the total precipitation is 1 508.5 mm,the evapotranspiration is 749.07 mm,the evapotranspiration accounts for 49.7% of the total precipitation,and the water use efficiency is 2.1 g·kg-1,which suggests that the runoff ofPhyllostachysedulisforest is larger,and the water use ability is relatively weaker.So more attention must be paid to follow reasonable irrigation to avoid wasting water beside environmental factors.

eddy covariance technology;Phyllostachysedulisforest ecosystem;water budget;influencing factors

10.3969/j.issn.1000-2162.2016.06.016

2015-09-14

国家自然科学基金资助项目(61190114，41171324)；上海市科学委员会项目资助(12231205101)；科技部国家科技基础条件平台项目资助(2005DKA32300)

舒海燕(1990-)，女，四川广元人，西南大学硕士研究生；*江 洪(通信作者)，西南大学教授，博士生导师，E-mail:jianghong_china@hotmail.com.

S795.9

A

1000-2162(2016)06-0094-09