内蒙古林科院树木园油松人工林蒸散特征

王云霓，聂正英，杨 帆，贾喜平

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010； 2. 内蒙古大青山国家级自然保护区万家沟管理站，内蒙古 呼和浩特 010010； 3. 内蒙古自治区林业和草原种苗总站，内蒙古 呼和浩特 010052； 4. 内蒙古大青山国家级自然保护区上高台管理站，内蒙古 乌兰察布 012314)

林分蒸散是森林植被耗水和水量平衡的主要组成部分，在干旱缺水地区，准确量化森林蒸散及其组分有助于基于林水关系预测和保障森林植被的稳定。林分蒸散一般分为冠层蒸腾、冠层截留及包括土壤蒸发、草灌蒸腾、草灌和枯落物等地被物截留的林地蒸散三个基本组分[1-3]，受植被类型、群落结构及立地条件、气象因子、土壤水分等环境因子的影响，林分蒸散及其组分所占比例存在显著差异[4-7]，已有的研究中，冠层蒸腾、冠层截留、林地蒸散分别占林分总蒸散的 30%～90%、5%～40% 和 10%～60%[1-9]。目前，有关森林植被蒸散及其组分的研究多集中在山区，而针对城市森林植被的研究较少。而城市环境下，因城市热岛效应、下垫面透水性差等独特的立地条件[10-11]，更需要掌握森林植被的蒸散耗水特征，以便更好地统筹和利用水资源及更好地发挥城市森林的生态效益。本研究以内蒙古林科院树木园油松(Pinustabuliformis)人工林为研究对象，旨在城市环境下通过确定森林植被蒸散及其组分的特征，以期了解城市环境下人工林植被的耗水特征，为城市环境下基于林水关系的植被建设及精细化管理提供依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

内蒙古林科院树木园(40°49′N，111°41′E)位于内蒙古自治区呼和浩特市区，占地 21.67 hm2，海拔1 056 m。该地区属于典型的蒙古高原大陆性气候，四季分明，春秋干燥风大，夏季雨热同期，冬季漫长寒冷。近57 a气象数据(1960—2016年)显示，年平均气温 6.82 ℃，7月温度最高，多年平均为 22.58 ℃；多年平均降水量 402.6 mm，降水主要集中在7—8月；平均相对湿度 52.38%，平均风速 1.89 m·s-1，年平均蒸发量 1 802.32 mm。无霜期135 d左右，土壤类型为沙质栗钙土。树木园高覆盖度的森林植被对当地调节气候、改善大气环境起着重要的作用，且丰富的植物资源为当地的林业生产、园林绿化的树种选择提供物质支撑。

油松人工林分布在树木园的中南，林分密度为705株·hm-2，平均胸径为 22.30 cm，平均树高 11.60 m，平均冠幅 5.16 m，郁闭度为 0.83。油松林下灌木零星分布，有毛果绣线菊(Spiraeatrichocarpa)、美丽茶藨子(Ribespulchellum)、细叶小檗(Berberispoiretii)。草本层发育一般，盖度小于 15%，种类主要有:阴山薹草(Carexyinshanica)、麦瓶草(Sileneconoidea)、青杞(Solanumseptemlobum)、硬阿魏(Ferulabungeana)、黄花铁线莲(Clematisintricata)、无芒雀麦(Bromusinermis)、抱草(Melicavirgata)、短花针茅(Stipabreviflora)、臭草(Melicascabrosa)、飞廉(Carduusnutans)、狗尾草(Setariaviridis)、车前(Plantagoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、山苦荬(Ixerischinensis)等。

1.2 研究方法

1.2.1冠层截留

林外降水量采用Dynamet小型自动气象站(USA)测定；在林内放置3个自制式穿透雨接水桶(长200 cm，宽20 cm，高120 cm)，桶下的接水口通过PVC管流到自动雨量计(HOBO，USA)，数据记录频率为5 min；树干茎流采用PVC管蛇形缠绕法进行收集[3]，树干茎流计算见公式(1)。数据测定时间为2017年5月1日至9月30日。

(1)

式中：S为样地的树干茎流(mm)，Cn为监测树木的树干茎流(mL)，Mn为每一径级的树木株数，A为样地面积(m2)，n为径级数。

次降水后，利用降水量(P，mm)减去林内穿透雨(TF，mm)和树干茎流(S，mm)，得到冠层截留(I，mm)，见公式(2)。

I=P-TF-S

(2)

1.2.2冠层蒸腾

利用树干液流探针(TDP sensors)测定样树液流速率，基于液流密度和边材面积计算油松人工林的冠层蒸腾(T，mm)具体安装方法及计算方法见文献[11]，文中冠层蒸腾数据来源于陈胜楠等[11]。

1.2.3林地蒸散

在样地内机械安装5个自制微型蒸渗筒，每天在固定时间称重1次，根据公式(3)计算林地蒸散(ETf，mm)。

ETf=(W1-W2)/ρ/D+TF-L

(3)

式中：W1、W2为蒸渗筒前后的重量(kg)，ρ为水的密度，D为蒸渗筒的断面积(m2)，TF为林内穿透雨(mm)，L为渗漏水量(mm)。

2 结果分析

2.1 冠层截留特征

整个生长季油松人工林穿透雨占降水量的比重达到 71.26%，6月和8月的穿透雨最大，分别为 46.93 mm和 59.95 mm，分别占同期降水量的 76.67% 和 72.40%，5月和9月的穿透雨最小，分别为 14.67 mm和 12.85 mm，分别占同期降水量的 51.56% 和 68.35%，7月穿透雨为 36.83 mm，占同期降水量的 75.13%。观测期内，树干茎流均较小，整个生长季的树干茎流总和仅为 0.16 mm，不同月份树干茎流量为 0.02～0.05 mm，占同期降水量的 0.03%～0.27%。整个生长季，油松人工林冠层截留达到 68.90 mm，占生长季总降水量的 28.67%；冠层截留呈先增大后减小的月变化特征。其中，8月冠层截留最大，为 22.82 mm，占同期降水的 27.56%；6月和7月的冠层截留分别为 14.26 mm和 12.16 mm，分别占同期降水量的 23.30% 和 24.81%；5月和9月的冠层截留分别为 13.76 mm和 5.90 mm，但是占同期降水量的比例却是最大，分别达到 48.37% 和 31.38%。具体见表1。

表1 穿透雨、树干茎流及蒸散组分的数量及占同期降水量的比例Tab.1 Through fall, stem flow and evapotranspiration components and their proportionsto the total precipitation

2.2 冠层蒸腾的月变化

整个生长季油松人工林冠层蒸腾为 83.68 mm，占同期降水量的比重达到 34.83%，整个生长季冠层蒸腾总体呈下降趋势。其中，5月和7月的冠层蒸腾最大，分别为 20.96 mm和 19.89 mm，分别占同期降水量的 73.67% 和 40.58%；8月和6月的冠层蒸腾次之，分别为 18.09 mm和 17.25 mm，分别占同期降水量的 21.85% 和 28.18%；9月的冠层蒸腾最小，仅为 7.49 mm，占同期降水量的 39.84%。具体见表1和图1。

图1 冠层蒸腾、冠层截留和林地蒸散的月变化Fig.1 Monthly variations of canopy transpiration, canopy interception, forest floor evapotranspiration

2.3 林地蒸散的月变化

整个生长季油松人工林林地蒸散为 239.95 mm，占同期降水量的比重达到 99.86%。8月和7月的林地蒸散最大，分别为 62.95 mm和 53.28 mm，占同期降水量的 76.03% 和 108.69%；9月和6月的林地蒸散次之，分别为 46.62 mm和 45.78 mm，分别占同期降水量的 247.98% 和 74.79%；5月的林地蒸散最小，为 31.32 mm，占同期降水量的 110.09%。具体见表1。

2.4 林分蒸散及其组分的月变化

生长季林分蒸散为 392.53mm，远大于同期降水量，占同期降水量的 163.36%，说明目前同期降水量不能满足树木园油松人工林的需水量，需要额外水分的补充。林分蒸散在生长季内的月变化总体呈先增大后减小的变化趋势(图1)。

在生长季初的5月林分蒸散较低，仅为 66.04 mm，占生长季总蒸散的 16.82%，占同期降水量的 232.13%，此时的降水量远低于林分需求；林地蒸散占5月林分蒸散的比例最大，达到 47.42%，冠层蒸腾和冠层截留分别占5月林分蒸散的 31.74% 和 20.84%。在6月、7月，林分蒸散分别为 77.29 mm和 85.33 mm，分别占生长季总蒸散的 19.69% 和 21.74%，但是分别占同期降水量的 126.27% 和 174.07%，此时降水量也是远低于林分需水量；林地蒸散在6月、7月中占林分蒸散的比例仍然是最大的，分别为 59.23% 和 62.44%；6月、7月冠层截留占各月林分蒸散的比例最小，分别为 18.45% 和 14.25%。8月林分蒸散最大，达到 103.86 mm，占生长季总蒸散的 26.46%，占同期降水量的 125.43%；8月的冠层截留、冠层蒸腾和林地蒸散分别占该月林分蒸散的 21.97%、17.42% 和 60.61%。9月林分蒸散最小，仅为 60.01 mm，但是占同期降水量的 319.20%，林分需水量远远大于同期降水量；冠层截留、冠层蒸腾和林地蒸散分别占该月林分蒸散的 9.83%、12.48% 和 77.69%。Pearson相关分析表明，林分蒸散主要受降水量(R2=0.88，P<0.01)和气温(R2=0.79，P<0.05)的影响，对其他气象因子的影响较小，见表2。

表2 林分蒸散与气象因子的相关系数Tab.2 Correlation Coefficient between stand evapotranspiration and meteorological factors

3 结论

(1)整个生长季，油松人工林林分蒸散、冠层蒸腾、冠层截留、林地蒸散分别为 392.53 mm、83.68mm、68.90 mm和 239.95 mm，分别占同期降水量的 163.36%、34.83%、28.67% 和 99.86%；林分蒸散的月变化总体呈先增大后减小的变化趋势，最大值出现在8月，其次是7月、6月、5月和9月，分别占同期降水量的 125.43%、174.07%、126.27%、232.13%、319.20%，不同月份蒸散耗水量均大于同期降水量，自然降水已不能满足林分的蒸散消耗。

(2)整个生长季油松人工林冠层蒸腾为 83.68 mm，冠层蒸腾的季节变化总体呈下降趋势，5月、6月、7月、8月和9月的冠层蒸腾分别占同期林分总蒸散的 31.74%、22.32%、23.31%、17.42% 和 12.48%，占同期降水量的 73.67%、28.18%、40.58%、21.85% 和 39.84%。冠层截留的季节变化与降水量的变化趋势一致，呈先增大后减小的月变化特征，最大值出现在8月，5—9月冠层截留分别占同期降水的 48.37%、23.30%、24.81%、27.56% 和 31.38%。林地月蒸散呈单峰型的变化趋势，8月和7月的林地蒸散最大，分别占同期降水量的 76.03% 和 108.69%；5月的林地蒸散最小，占同期降水量的 110.09%。