第五章 森林蒸发散

第五章森林蒸发散森林水文学山东农业大学林学院董智[e-mail]第五章森林蒸散5.1森林蒸散5.2森林蒸散的测定方法5.1森林蒸散森林蒸散（Evapotraspiration）是森林热量平衡和水量平衡研究中的一项重要因子，是从森林植被向大气输送的水分通量，它包括森林植物群落中的全部物理蒸发和生理蒸腾。蒸发包括土壤蒸发、叶片和植物体上截留的水分蒸发。蒸腾包括通过叶片气孔和皮孔散发出的水分。森林蒸散（E）由林地蒸发（E1）、林冠截留防水蒸发（E2）和森林植物蒸腾（E3）三部分组成。森林蒸散对缓洪、水源涵养具有重要作用。5.1森林蒸散一．林木的蒸腾（一）概念与类型1、蒸腾作用：林木的蒸腾作用是土壤水分通过植物体并主要经由叶片中的气孔以水蒸汽状态散失到大气中的过程。2、蒸腾的类型：蒸腾分三种：皮孔蒸腾、角质蒸腾和气孔蒸腾，气孔蒸腾是植物蒸腾作用的最主要方式。5.1森林蒸散气孔蒸腾（stomataltranspiration）受内因与外因的共同影响。（二）气孔蒸腾的影响因素树龄植物生态型气孔气孔频度气孔大小气孔开度气孔构造1、内因5.1森林蒸散（二）气孔蒸腾的影响因素土壤含水量风微风有利于蒸腾，强风蒸腾降低根对水分的吸收2外因光照光促进气孔的开启，蒸腾增加温度一般随温度的升高而增大CO2浓度CO2浓度低促使气孔张开,蒸腾增强空气相对湿度RH增大,蒸腾减弱5.1森林蒸散二．林地地面蒸发（一）概念与组成林地地面蒸发：森林内的地表温度高于近地面的气温，地表的水分将会转变成水蒸汽散放于空中的现象。林地地面蒸发量包括林地土壤蒸发量（E′1）、枯枝落叶层蒸发量E′2和枯落物层的蒸发量（E′3）即：3211EEEE5.1森林蒸散二．林地地面蒸发（二）影响因素林地地面蒸发受到蒸气压、蒸发面的温度、以及供给蒸发面的水量的影响，前两者又受到日照、气温、湿度、风速等环境因子的左右。林地蒸发量明显地小于裸地，其减少的程度随林冠的郁闭状态而异，而林冠的形态又随树种、林分结构、立木密度等森林条件而异。5.1森林蒸散表不同林分生长季节中的林地蒸发量（1982，mm）树种华山松华山松油松华北落叶松锐齿栎草坡裸地坡向S5°WS80°EWWN85°ESS郁闭度0.70.80.80.70.71.06月30.1020.4120.3519.5118.1172.2954.597月34.6930.5426.3229.5022.8184.5053.948月23.7519.6815.2512.7712.2277.9148.369月15.2812.4314.1112.309.6554.2828.9510月1－10日9.478.687.877.663.9527.6316.45合计113.2991.7483.9081.7466.74316.61202.29蒸发量/降水量%16.8413.6412.4712.159.9247.0730.085.1森林蒸散三．森林蒸散(evapotranspiration)（一）森林蒸散作用指森林蒸散是森林生态系统向大气的总水汽通量，它包括森林植物的蒸腾和林下地面蒸发量。（二）、影响因子森林的蒸散取决于许多因子，如树种、郁闭度、林龄、土壤中可利用水分、辐射、风速等。5.1森林蒸散表不同林分类型的蒸散量（1982，6.1－10.10）树种华山松油松华北落叶松锐齿栎草坡郁闭度0.80.80.70.7疏密度0.580.730.560.671.0蒸散量507.30465.46444.56349.37340.15林地蒸发量92.3083.9081.7466.74316.65林分蒸腾量269.55203.83225.25162.6023.50截留蒸发量145.45177.73137.67120.035.1森林蒸散在潮湿地区实际蒸散和蒸散潜力很接近，但是在较干旱的地区，二者的关系却很难建立起来。在降水后的很短时间内，实际蒸散值会很高而蒸散潜力由于空气饱和差变小，会变得很小。McNaughton和Jarvis(1983)收集了大量森林和农作物蒸散的资料，结果表明，在比较干旱的条件下，森林消耗的水分比农作物要小，而在潮湿条件下，由于森林有很大的粗糙度，能量交换过程比矮小作物快得多，所以消耗的水分要多得多。第五章森林蒸散5.1森林蒸散5.2森林蒸散的测定方法5.2森林蒸散的测定方法一、蒸腾的测定方法（一）、树液流测定法1、热脉冲法(heatpulsemethod）2tOAOBVh－＝式中，Vh－热脉冲速度（cm/s）；OB、OA—分别为从加热点到达A、B点的距离(厘米)，通常OB＞OA(例如，OA＝0.5cm，OB＝1.0cm)；t—结O点加热后，到A、B点的温度相等时所经过的时间(S)；5.2森林蒸散的测定方法一、蒸腾的测定方法（一）、树液流测定法2、放射性同位素法用放射性同位素作为树液流动标记，测定从根部注入后到达树干上部某一点所需的时间。用某种色素作为示踪元素进行同样的试验。3、色素法5.2森林蒸散的测定方法一、蒸腾的测定方法（二）、叶重量快速测定法切取树木的叶片或带叶小枝，在气孔或渗透压的状态还无明显变化时，立即快速地用商精度的量计，测定其减少的重量，当做单位蒸腾量；另一方面，树定单株树木、甚至全林分的总叶量。（三）蒸发计近似测定法标准的蒸腾面可看成是具有许多微孔的表面，把蒸发计放在对象林木的附近，测定其蒸发值，用来代替蒸腾量。5.2森林蒸散的测定方法一、蒸腾的测定方法（四）大树蒸腾法（五）气孔计法5.2森林蒸散的测定方法二、蒸散的测定（一）微气象法能量平衡－波文比法，空气动力学法、Penman-Monteith方程，涡动相关法，各种模拟研究法水量平衡法、零能量平面法、Lysimeter法（二）水文学方法（三）生理学方法热脉冲法、示踪同位素法、空调室法、气孔计法（一）、能量平衡波文比法（EBBR法）森林作用层的能量平衡方程可表示为：R＝LE＋H＋G＋F＋A式中：R－辐射差额或辐射收支；L－汽化潜热；E－铅直方向水汽通量；LE－蒸散耗热；H－乱流热通量；G－土壤热通量；F－森林植物体的贮热变化；A－光合作用耗热。通常A小于R的3%，故在森林能量平衡计算中往往忽略不计。5.2森林蒸散的测定方法方程中的辐射差额项（R），土壤热通量项（G）和森林贮热变化项（F）可以通过实测得到。（一）、能量平衡波文比法（EBBR法）5.2森林蒸散的测定方法eeLPCLEHBp＝式中，Cp－空气的定压比热（Cp=0.24）；P－气压；ε－水汽与空气的克分子量的比值，ε＝0.622；L－水的汽化潜热；Δθ－林上观测的两个高度上的位温差，当高度差不大时可用气温差代替位温差；Δe－两个高度上的湿度差值；γ－干湿表常数。eT/1FGRB1FGRLE＋－－＝＋－－＝T/e/1FGR1/B1FGRH＋－－＝＋－－＝（5－3）（二）、流域水量平衡法进入流域的降水，一部分向下潜流失，另一部分被贮留在流域中，贮留部分可能被蒸发和蒸腾而散失到空中，因此，流域一年中的蒸散量可用下式表示：ET＝P－R±ΔMET—年实际蒸发散量(mm)；P—年降雨量(mm)，R－年径流量(mm)；ΔM—流域的年贮水变动量(mm)5.2森林蒸散的测定方法（三）、莱氏蒸渗仪（Lysimeter）法5.2森林蒸散的测定方法切取和周围的土壤相分离的土柱体，让它的表面接受降水，或进行人工给水，这种装置称为莱氏测渗计，可以测定水量平衡关系式中的部分或全部水分因子。如果在土柱体的地表栽植树木，即可测出水分收支量之差，即蒸发散量，从而推算出山腹地带单位面积的蒸发散量。（四）、水量收支平衡法5.2森林蒸散的测定方法直接秤量型、间接秤量型（液压型、漂浮型、收支型）。（五）、土壤水分变化法对于某地段的非饱和土层，其水量平衡式为：ET＝p—Δs－rs一Δq十Δrm式中，Δs—非饱和土层中贮水量随时间的变化；rs—地表径流量；Δq—非饱和土层和它的下层之间在形成饱和土层过程中的水分交换量；Δrm—中间流入量和中间流出量之差(mm)。（六）、空气动力学方法5.2森林蒸散的测定方法利用风速垂直梯度求得湿度乱流交换系数与动量乱流交换系数的关系来求得水汽的垂直通量。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,计算出水汽通量。（七）、涡动相关法（八）、气孔计(Porometer)（九）、空调室方法5.2森林蒸散的测定方法将整个植株放于空调室中，测定室内水汽增加量就可以测得林木和地面的总蒸散。（十）彭曼(Penman)公式根据经验，植被地域的蒸散量可以用相同气象条件下的水田蒸发量乘以系数求得，彭曼用热量平衡和空气动力学方法解析得出这个系数的理论值，并建立此公式，用日照时间、风速、气温和湿度资料，推算月平均日蒸散量（能）。（十）彭曼(Penman)公式式中，EPT－月均日蒸散量(能)（mm/d）；Pa—大气压(毫巴)；γ－0.0065Pa(毫巴／℃)；Δ—在平均湿球温度t(℃)时的饱和水蒸气压曲线的梯度（毫巴／℃)；R0－有效辐射热量(mm/d，1mm/d=59cal/cm2·d)；α--水面反射系数,0.05；Ra—在假设无大气的条件下的最大可能辐射量(可用mm/d表示)；n/N—实际日照时间与可能日照时间之比，即日照率；σt4--在日照平均温度t(绝对温度K)条件下的黑体散射；5.2森林蒸散的测定方法0aPTReE＝)e-)(e1.07v0.175(1e)Nn0.90)(0.10e0.092-(0.56t)Nn0.55(0.18)R-(1Rds2ad4a0－（十）彭曼(Penman)公式5.2森林蒸散的测定方法0aPTReE＝)e-)(e1.07v0.175(1e)Nn0.90)(0.10e0.092-(0.56t)Nn0.55(0.18)R-(1Rds2ad4a0－σ—斯带芬—波尔兹曼系数(用mm/d表示)；ea—在理想的水面蒸发量条件下的参数，即风速和饱和差的函数(mm/d)；V2—地上2米内的平均风速(m/s)；es—对应于日平均气温的饱和水蒸气压(毫米汞柱)；ed—在日平均气温条件下的实际(百叶箱内)水蒸气压(毫米汞柱)。（十一）、蒸散的其他推算方法1、桑斯威特式5.2森林蒸散的测定方法EPT=0.533D0(10Tj/J)aa=6.75×10-7J3－7.71×10-5J2+1.79×10-2J+0.49J=(Tj/5)1.514(j=1,2…12)式中，EPT－月平均蒸散量（mm/d）；D0－日照时数，按12h/d计算；T—月平均气温(℃)j——月(1～12)，J——年的指数。（十一）、蒸散的其他推算方法2、哈蒙（Hamon)式5.2森林蒸散的测定方法从桑斯威特式变化而来，可推算月平均日蒸发散量：EPT＝0.140D02qt式中，EPT—月平均日蒸发散量(能)(mm/d)；qt—对应于日平均气温的饱和绝对湿度(g/m3。复习题第五章森林蒸发散一、概念蒸腾作用、林地地面蒸发、森林蒸散作用二、基本理论1、蒸腾的类型2、影响气孔蒸腾的因素3、森林蒸散测定和计算方法4、蒸腾的测定方法