不同尺度下蒸散测定与估算研究进展

殷 勇 万艳芳 于澎涛 王彦辉

(1.固原市原州区自然资源局叠叠沟林场 固原 756000； 2.中国林业科学研究院森林生态环境与自然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； 3.宁夏六盘山森林生态系统定位观测研究站 固原 756000)

蒸散是土壤—植物—大气连续体(SPAC)水热运移的一个重要环节，是全球水量平衡的重要组成部分[1]，也是联系植物气孔行为、碳交换和水分利用的关键生态过程[2]。蒸散主要包括林冠截留、植物蒸腾和土壤蒸发三部分，大气降水的90 %以上以蒸散的方式又返还到大气中[3-5]。因此，全面了解蒸散变化规律和准确估算蒸散量，可为进一步开展区域植被水文与生态相互作用和水文循环研究提供理论依据。

目前，围绕蒸散开展的研究以草地、农田等下垫面较为均质的区域为主，而对于非均质下垫面的生态系统蒸散，目前主要参照均质下垫面研究的相关理论和方法的延伸来开展研究[6-8]。但是，不同下垫面植被覆盖度和土壤特性的差异会导致蒸散实测和估算相对困难[9]。传统的蒸散发实测和估算大多集中于叶片、个体、林分尺度，这仅能代表几百米至几公里的蒸散量，难以用来表征区域和全球等更大尺度的地表蒸散发。近年来，有研究者结合卫星遥感数据和区域蒸散发模型，估算了区域尺度和全球地表蒸散发量，且能够区分土壤蒸发及植被蒸腾，为大尺度上开展蒸散发研究提供了新途径。本研究从叶片、个体、林分到区域尺度系统总结了现有蒸散测定和估算方法以及国内外的研究现状，并预测植被蒸散在未来研究中的发展趋势。

1 叶片尺度

蒸腾在叶片尺度测定的主要方法有稳态气孔计法和离体称重法。其中，稳态气孔计法是基于植物生理气体交换的原理测定蒸腾速率[10-11]，该方法比较简单，容易操作。Li-1600气孔计是最为常用的测量仪器，对于单株蒸腾量测量比较准确，但与实际值有一定误差，尺度扩展也较为复杂。离体称重法对整株植物进行称重，该方法比较简便，投资较少，可操作性较强，在一定范围内具有较好的精确性。但测定植物生理状况时与自然状态有差别，导致结果误差较大，并且每次取样对试验地存在一定破坏性，数据连续性较差。

目前，针对不同植株的蒸腾速率和水分利用效率开展了研究，如柠条Caraganakorshinskii，油蒿Artemisiaordosica[12]，梨树[13-14]，细茎针茅Stipatenacissima[15]和玉米Zeamays[16]等，发现叶片蒸腾速率在树种间差异较大，这主要是树种本身的生理差异和所处的环境不同引起的。另外，不同测定方法得到同一树种的叶片蒸腾速率差异较大，如稳定气孔计测定的叶片蒸腾速率大于整株称重法、标准枝浸水法和热平衡法[17-19]，这是由于不同测定方法的原理和准确度有差异。但这些方法与气孔计法测定的蒸腾速率呈较好的线性关系，可作为利用稳态气孔计研究蒸腾耗水和校准的参考。

2 个体尺度

目前，测定林木蒸腾耗水的方法有多种，包括蒸渗仪法、整树容器法、风调室法和热技术等[20-25](表1)。热技术法是近年来应用最为广泛的，包括茎部热量平衡法、树干热平衡法、热脉冲法、热扩散方法等，其原理是根据能量平衡来测定液流密度，结合边材面积得到单株蒸腾量，并通过尺度转换来估计林分蒸腾量[25]。在热技术方法中，热平衡法适用于胸径较小树木，热脉冲法测定的仅为脉冲发生时的液流，但热扩散法可连续放热且测定结果较准确，仪器成本较低，具备长时间连续监测、时间分辨率高，以及数据采集自动化等优点[25]。因此，热扩散方法在测定个体尺度蒸腾方面得到了广泛的应用。

表1 个体尺度蒸腾研究方法比较

表1 个体尺度蒸腾研究方法比较 续表

目前，学界利用热扩散方法对不同树种开展了液流密度和蒸腾研究，如小叶杨Populussimonii[26]，毛白杨Populustomentosa[27]、辽东栎Quercuswutaishansea[28]，苹果[29]，青海云杉Piceacrassifolia[30]和枣树[31]等树木，发现液流密度和蒸腾均有明显的昼夜变化规律，且季节变化明显，但不同树种平均液流密度和日蒸腾量差异较大。另外，许多学者发现树干液流和蒸腾在东、西、南、北4个方位[26-28]以及不同深度[30-31]测得的蒸腾速率存在显著差异，并具有较强的相关性，这可能是由于树冠空间结构和不同深度处的边材宽度有差异。但有些学者发现东、西向液流密度较为接近，南、北向差异较大[29]，可能是不同方位树木形态和树木立地条件的差异造成的，如冠层重叠、竞争等。因此，将单点监测的树干液流推广到整树可能会产生较大的误差。

树木形态特征[32-34]对单株树干液流和蒸腾有影响，如大径级的华北落叶松液流显著高于小径级的样树[32]，优势度大的青海云杉液流和蒸腾量明显高于优势度小的[33]。这可能由于林木所处的微环境不同[34]，大树处于林冠优势地位，接受的林外光照强，同时，根系较多，树木能吸收更多的土壤水分和营养元素。另外，虽然气象因子和土壤水分对单株蒸腾量存在一定的影响[30,33,35]，但太阳辐射强度、饱和水汽压差和土壤水分是主要的影响因子。万艳芳等[33]发现青海云杉液流密度主要受土壤水分的影响。赵春彦等[35]研究发现整个生长季胡杨Populuseuphratica树干液流主要受光合有效辐射、土壤水分、气温和相对湿度的影响。

3 林分尺度

林分尺度的蒸散研究可以有效指导森林经营和管理。林分蒸散的实测法包括：大型蒸渗仪法、风调室法、水量平衡法、涡动相关法、能量平衡法和单株到林分尺度扩展等[36-37](表2)。估测法包括波文比法、空气动力学法、彭曼综合法(Penman-Monteith法)、土壤—植物—大气连续系统方法(SPAC法)和经验公式法等[36](表3)。

表2 林分尺度蒸散实测法的比较

表2 林分尺度蒸散实测法的比较 续表

表3 林分尺度蒸散估测法的比较

近年来，利用实测法进行蒸散的研究主要集中于植物蒸腾与土壤蒸发。林分蒸腾的假设是基于相同径阶树木的液流密度是一致的，通过个别样树蒸腾量的测定推算到整体林分蒸腾[38]。而对于天然林，树木之间的差异较大，如胸径、树木优势度和冠层重叠度等的不同[32-33]，接受的光照、水和营养物质等不同，造成单株推到林分尺度的蒸腾存在较大的偏差。熊伟等[33]通过计算华北落叶松林分蒸腾量，指出基于边材面积方法得出的结果比林木空间差异方法得到的计算值高13.13 %，说明不考虑林木空间特征可能会导致林分日蒸腾量估计值偏大。土壤蒸发的测定主要是用微型蒸渗仪，如Zhang等[39]分析了荒漠生态恢复区植被对土壤蒸散发的影响，李王成等[40]对比了不同直径大小的微型蒸渗仪的蒸发量，Flumignan等[41]比较了微型蒸渗仪和大型蒸渗仪4个不同时期蒸发测量结果，其差异较小。通过大量实验得出微型蒸渗仪能较好地测定土壤蒸发量，但在测定中需考虑微型蒸渗仪的直径大小。

由于现场实测的蒸散数据有限，特别是在偏远山区，因此，许多学者用估测法开展了蒸散的研究。一些学者发现不同测定方法得到的蒸散量存在一定的差异，如波文比法得到长白山松林的蒸散量高于水量平衡法得到的[42]，水文模型模拟的季节蒸散值比涡度相关法测得的值略高[43]，这是由于不同测算方法的原理和所需的参数有差异，导致估算精度有区别。但一些学者得到高精度大型蒸渗仪和涡度相关法与波文比法测定的蒸散结果较为接近[44-45]。虽然这些方法的可靠性和准确性受到多个因素的限制，但不同方法测算蒸散量的可行性及其精度能进行相互验证。另外，基于模型测算蒸散是一种比较常用的估测法。目前已经开发了各种模型，如基于遥感的蒸散模型、生物物理蒸散模型和经验蒸散模型等。在这些模型中，简单的经验模型由于结构简单，容易获得关键参数，被广泛用于不同森林类型的蒸散估计，其关键是量化主导因素对森林蒸散的影响。一些研究表明，气象条件、土壤湿度和冠层结构是影响森林蒸散的主要因素，三个因素耦合得到的蒸散模型精确度较高[46]。

4 区域尺度

景观和区域尺度蒸散测定的主要方法有气候学方法和遥感法。气候学方法主要包括Penman-Monteith方程、Priestley-Taylor方法和布得科公式等。遥感法主要包括能量平衡余项法、统计经验法、和数值模型法[36-37]。近年来，由于卫星遥感具有很好的时效性和区域性，克服了定点观测难以扩展到大区域的局限性，因此，利用卫星遥感技术开展了大量区域蒸散量的估算，借助遥感手段实现了蒸散在不同尺度上的扩展。

获取区域和全球尺度的蒸散量最有效的方法是基于卫星遥感数据并结合物理模型，同时，研究者也已经开发了大量估算区域蒸散量的模型[47]。基于是否能区分土壤蒸发以及植被蒸腾，这些模型可以分为单源模型和双源模型，其中双源模型能够区分土壤蒸发及植被蒸腾，尤其在植被稀疏地区运算结果精度更高[47]。尽管遥感技术不能直接测定蒸散量，但能充分利用其时空连续性和大跨度的特点，可将地面实测值通过卫星遥感扩展到区域上。同时，在遥感反演区域蒸散量时，能够充分考虑蒸散量的主要驱动因子，通过能量平衡方程获得区域的蒸发蒸腾量，如用MODIS遥感影像获取生态指数与气象数据，对蒸散量进行估算[48]。总体来看，遥感技术对区域蒸散量的估算起到了巨大的作用。

5 研究展望

目前，研究人员从叶片、单株、林分、区域4个尺度开展了大量的蒸散研究，其中，小尺度方面的测定技术和方法较多，并且小尺度的测定结果较为精准。当尺度扩大时，存在树种、林龄、林分结构、地形和环境因子等差异，造成蒸散在尺度扩展时误差增大。大量研究发现叶面积、边材面积和林地面积等是尺度转换中关键因子。另外，尺度转换的过程需要选取具有代表性的样树和适宜的株数，同时需要对环境因子(空气温度、降水、太阳辐射强度和饱和水汽压差等气候因子，土壤含水量和土壤水势等水分因子及冠层大气耦联因子) 进行定性和定量分析。如何在时间尺度和径阶尺度三维扩展的基础上加入主导环境因子到蒸散模型中，构建标准化的尺度模型需要进一步研究。

不同尺度蒸散测定与估算的研究方法有多种，且每种方法都有其适用范围。各种方法测定时的环境条件和植被生理状况与自然环境有差异，导致估算的蒸散量有一定的误差。因此，未来发展趋势是多种方法相结合，提高蒸散估算的准确性，不断朝着高新技术方向和自动化、连续性观测方向发展。同时，在蒸散尺度转换中也存在着较大的误差，消除和缩小尺度转换误差是未来的研究热点。此外，在区域尺度上，需要加强遥感技术对区域尺度蒸散量的估算的运用，并结合理论模型，精确估算区域蒸散量。