不同尺度下蒸散測定與估算研究進(jìn)展

殷 勇 萬艷芳 于澎濤 王彥輝

(1.固原市原州區(qū)自然資源局疊疊溝林場 固原 756000； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室 北京 100091； 3.寧夏六盤山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站 固原 756000)

蒸散是土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)水熱運移的一個重要環(huán)節(jié)，是全球水量平衡的重要組成部分[1]，也是聯(lián)系植物氣孔行為、碳交換和水分利用的關(guān)鍵生態(tài)過程[2]。蒸散主要包括林冠截留、植物蒸騰和土壤蒸發(fā)三部分，大氣降水的90 %以上以蒸散的方式又返還到大氣中[3-5]。因此，全面了解蒸散變化規(guī)律和準(zhǔn)確估算蒸散量，可為進(jìn)一步開展區(qū)域植被水文與生態(tài)相互作用和水文循環(huán)研究提供理論依據(jù)。

目前，圍繞蒸散開展的研究以草地、農(nóng)田等下墊面較為均質(zhì)的區(qū)域為主，而對于非均質(zhì)下墊面的生態(tài)系統(tǒng)蒸散，目前主要參照均質(zhì)下墊面研究的相關(guān)理論和方法的延伸來開展研究[6-8]。但是，不同下墊面植被覆蓋度和土壤特性的差異會導(dǎo)致蒸散實測和估算相對困難[9]。傳統(tǒng)的蒸散發(fā)實測和估算大多集中于葉片、個體、林分尺度，這僅能代表幾百米至幾公里的蒸散量，難以用來表征區(qū)域和全球等更大尺度的地表蒸散發(fā)。近年來，有研究者結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和區(qū)域蒸散發(fā)模型，估算了區(qū)域尺度和全球地表蒸散發(fā)量，且能夠區(qū)分土壤蒸發(fā)及植被蒸騰，為大尺度上開展蒸散發(fā)研究提供了新途徑。本研究從葉片、個體、林分到區(qū)域尺度系統(tǒng)總結(jié)了現(xiàn)有蒸散測定和估算方法以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并預(yù)測植被蒸散在未來研究中的發(fā)展趨勢。

1 葉片尺度

蒸騰在葉片尺度測定的主要方法有穩(wěn)態(tài)氣孔計法和離體稱重法。其中，穩(wěn)態(tài)氣孔計法是基于植物生理氣體交換的原理測定蒸騰速率[10-11]，該方法比較簡單，容易操作。Li-1600氣孔計是最為常用的測量儀器，對于單株蒸騰量測量比較準(zhǔn)確，但與實際值有一定誤差，尺度擴展也較為復(fù)雜。離體稱重法對整株植物進(jìn)行稱重，該方法比較簡便，投資較少，可操作性較強，在一定范圍內(nèi)具有較好的精確性。但測定植物生理狀況時與自然狀態(tài)有差別，導(dǎo)致結(jié)果誤差較大，并且每次取樣對試驗地存在一定破壞性，數(shù)據(jù)連續(xù)性較差。

目前，針對不同植株的蒸騰速率和水分利用效率開展了研究，如檸條Caraganakorshinskii，油蒿Artemisiaordosica[12]，梨樹[13-14]，細(xì)莖針茅Stipatenacissima[15]和玉米Zeamays[16]等，發(fā)現(xiàn)葉片蒸騰速率在樹種間差異較大，這主要是樹種本身的生理差異和所處的環(huán)境不同引起的。另外，不同測定方法得到同一樹種的葉片蒸騰速率差異較大，如穩(wěn)定氣孔計測定的葉片蒸騰速率大于整株稱重法、標(biāo)準(zhǔn)枝浸水法和熱平衡法[17-19]，這是由于不同測定方法的原理和準(zhǔn)確度有差異。但這些方法與氣孔計法測定的蒸騰速率呈較好的線性關(guān)系，可作為利用穩(wěn)態(tài)氣孔計研究蒸騰耗水和校準(zhǔn)的參考。

2 個體尺度

目前，測定林木蒸騰耗水的方法有多種，包括蒸滲儀法、整樹容器法、風(fēng)調(diào)室法和熱技術(shù)等[20-25](表1)。熱技術(shù)法是近年來應(yīng)用最為廣泛的，包括莖部熱量平衡法、樹干熱平衡法、熱脈沖法、熱擴散方法等，其原理是根據(jù)能量平衡來測定液流密度，結(jié)合邊材面積得到單株蒸騰量，并通過尺度轉(zhuǎn)換來估計林分蒸騰量[25]。在熱技術(shù)方法中，熱平衡法適用于胸徑較小樹木，熱脈沖法測定的僅為脈沖發(fā)生時的液流，但熱擴散法可連續(xù)放熱且測定結(jié)果較準(zhǔn)確，儀器成本較低，具備長時間連續(xù)監(jiān)測、時間分辨率高，以及數(shù)據(jù)采集自動化等優(yōu)點[25]。因此，熱擴散方法在測定個體尺度蒸騰方面得到了廣泛的應(yīng)用。

表1 個體尺度蒸騰研究方法比較

表1 個體尺度蒸騰研究方法比較 續(xù)表

目前，學(xué)界利用熱擴散方法對不同樹種開展了液流密度和蒸騰研究，如小葉楊Populussimonii[26]，毛白楊Populustomentosa[27]、遼東櫟Quercuswutaishansea[28]，蘋果[29]，青海云杉Piceacrassifolia[30]和棗樹[31]等樹木，發(fā)現(xiàn)液流密度和蒸騰均有明顯的晝夜變化規(guī)律，且季節(jié)變化明顯，但不同樹種平均液流密度和日蒸騰量差異較大。另外，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)樹干液流和蒸騰在東、西、南、北4個方位[26-28]以及不同深度[30-31]測得的蒸騰速率存在顯著差異，并具有較強的相關(guān)性，這可能是由于樹冠空間結(jié)構(gòu)和不同深度處的邊材寬度有差異。但有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)東、西向液流密度較為接近，南、北向差異較大[29]，可能是不同方位樹木形態(tài)和樹木立地條件的差異造成的，如冠層重疊、競爭等。因此，將單點監(jiān)測的樹干液流推廣到整樹可能會產(chǎn)生較大的誤差。

樹木形態(tài)特征[32-34]對單株樹干液流和蒸騰有影響，如大徑級的華北落葉松液流顯著高于小徑級的樣樹[32]，優(yōu)勢度大的青海云杉液流和蒸騰量明顯高于優(yōu)勢度小的[33]。這可能由于林木所處的微環(huán)境不同[34]，大樹處于林冠優(yōu)勢地位，接受的林外光照強，同時，根系較多，樹木能吸收更多的土壤水分和營養(yǎng)元素。另外，雖然氣象因子和土壤水分對單株蒸騰量存在一定的影響[30,33,35]，但太陽輻射強度、飽和水汽壓差和土壤水分是主要的影響因子。萬艷芳等[33]發(fā)現(xiàn)青海云杉液流密度主要受土壤水分的影響。趙春彥等[35]研究發(fā)現(xiàn)整個生長季胡楊Populuseuphratica樹干液流主要受光合有效輻射、土壤水分、氣溫和相對濕度的影響。

3 林分尺度

林分尺度的蒸散研究可以有效指導(dǎo)森林經(jīng)營和管理。林分蒸散的實測法包括：大型蒸滲儀法、風(fēng)調(diào)室法、水量平衡法、渦動相關(guān)法、能量平衡法和單株到林分尺度擴展等[36-37](表2)。估測法包括波文比法、空氣動力學(xué)法、彭曼綜合法(Penman-Monteith法)、土壤—植物—大氣連續(xù)系統(tǒng)方法(SPAC法)和經(jīng)驗公式法等[36](表3)。

表2 林分尺度蒸散實測法的比較

表2 林分尺度蒸散實測法的比較 續(xù)表

表3 林分尺度蒸散估測法的比較

近年來，利用實測法進(jìn)行蒸散的研究主要集中于植物蒸騰與土壤蒸發(fā)。林分蒸騰的假設(shè)是基于相同徑階樹木的液流密度是一致的，通過個別樣樹蒸騰量的測定推算到整體林分蒸騰[38]。而對于天然林，樹木之間的差異較大，如胸徑、樹木優(yōu)勢度和冠層重疊度等的不同[32-33]，接受的光照、水和營養(yǎng)物質(zhì)等不同，造成單株推到林分尺度的蒸騰存在較大的偏差。熊偉等[33]通過計算華北落葉松林分蒸騰量，指出基于邊材面積方法得出的結(jié)果比林木空間差異方法得到的計算值高13.13 %，說明不考慮林木空間特征可能會導(dǎo)致林分日蒸騰量估計值偏大。土壤蒸發(fā)的測定主要是用微型蒸滲儀，如Zhang等[39]分析了荒漠生態(tài)恢復(fù)區(qū)植被對土壤蒸散發(fā)的影響，李王成等[40]對比了不同直徑大小的微型蒸滲儀的蒸發(fā)量，F(xiàn)lumignan等[41]比較了微型蒸滲儀和大型蒸滲儀4個不同時期蒸發(fā)測量結(jié)果，其差異較小。通過大量實驗得出微型蒸滲儀能較好地測定土壤蒸發(fā)量，但在測定中需考慮微型蒸滲儀的直徑大小。

由于現(xiàn)場實測的蒸散數(shù)據(jù)有限，特別是在偏遠(yuǎn)山區(qū)，因此，許多學(xué)者用估測法開展了蒸散的研究。一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同測定方法得到的蒸散量存在一定的差異，如波文比法得到長白山松林的蒸散量高于水量平衡法得到的[42]，水文模型模擬的季節(jié)蒸散值比渦度相關(guān)法測得的值略高[43]，這是由于不同測算方法的原理和所需的參數(shù)有差異，導(dǎo)致估算精度有區(qū)別。但一些學(xué)者得到高精度大型蒸滲儀和渦度相關(guān)法與波文比法測定的蒸散結(jié)果較為接近[44-45]。雖然這些方法的可靠性和準(zhǔn)確性受到多個因素的限制，但不同方法測算蒸散量的可行性及其精度能進(jìn)行相互驗證。另外，基于模型測算蒸散是一種比較常用的估測法。目前已經(jīng)開發(fā)了各種模型，如基于遙感的蒸散模型、生物物理蒸散模型和經(jīng)驗蒸散模型等。在這些模型中，簡單的經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀捎诮Y(jié)構(gòu)簡單，容易獲得關(guān)鍵參數(shù)，被廣泛用于不同森林類型的蒸散估計，其關(guān)鍵是量化主導(dǎo)因素對森林蒸散的影響。一些研究表明，氣象條件、土壤濕度和冠層結(jié)構(gòu)是影響森林蒸散的主要因素，三個因素耦合得到的蒸散模型精確度較高[46]。

4 區(qū)域尺度

景觀和區(qū)域尺度蒸散測定的主要方法有氣候?qū)W方法和遙感法。氣候?qū)W方法主要包括Penman-Monteith方程、Priestley-Taylor方法和布得科公式等。遙感法主要包括能量平衡余項法、統(tǒng)計經(jīng)驗法、和數(shù)值模型法[36-37]。近年來，由于衛(wèi)星遙感具有很好的時效性和區(qū)域性，克服了定點觀測難以擴展到大區(qū)域的局限性，因此，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)開展了大量區(qū)域蒸散量的估算，借助遙感手段實現(xiàn)了蒸散在不同尺度上的擴展。

獲取區(qū)域和全球尺度的蒸散量最有效的方法是基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)并結(jié)合物理模型，同時，研究者也已經(jīng)開發(fā)了大量估算區(qū)域蒸散量的模型[47]?；谑欠衲軈^(qū)分土壤蒸發(fā)以及植被蒸騰，這些模型可以分為單源模型和雙源模型，其中雙源模型能夠區(qū)分土壤蒸發(fā)及植被蒸騰，尤其在植被稀疏地區(qū)運算結(jié)果精度更高[47]。盡管遙感技術(shù)不能直接測定蒸散量，但能充分利用其時空連續(xù)性和大跨度的特點，可將地面實測值通過衛(wèi)星遙感擴展到區(qū)域上。同時，在遙感反演區(qū)域蒸散量時，能夠充分考慮蒸散量的主要驅(qū)動因子，通過能量平衡方程獲得區(qū)域的蒸發(fā)蒸騰量，如用MODIS遙感影像獲取生態(tài)指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)，對蒸散量進(jìn)行估算[48]?？傮w來看，遙感技術(shù)對區(qū)域蒸散量的估算起到了巨大的作用。

5 研究展望

目前，研究人員從葉片、單株、林分、區(qū)域4個尺度開展了大量的蒸散研究，其中，小尺度方面的測定技術(shù)和方法較多，并且小尺度的測定結(jié)果較為精準(zhǔn)。當(dāng)尺度擴大時，存在樹種、林齡、林分結(jié)構(gòu)、地形和環(huán)境因子等差異，造成蒸散在尺度擴展時誤差增大。大量研究發(fā)現(xiàn)葉面積、邊材面積和林地面積等是尺度轉(zhuǎn)換中關(guān)鍵因子。另外，尺度轉(zhuǎn)換的過程需要選取具有代表性的樣樹和適宜的株數(shù)，同時需要對環(huán)境因子(空氣溫度、降水、太陽輻射強度和飽和水汽壓差等氣候因子，土壤含水量和土壤水勢等水分因子及冠層大氣耦聯(lián)因子) 進(jìn)行定性和定量分析。如何在時間尺度和徑階尺度三維擴展的基礎(chǔ)上加入主導(dǎo)環(huán)境因子到蒸散模型中，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的尺度模型需要進(jìn)一步研究。

不同尺度蒸散測定與估算的研究方法有多種，且每種方法都有其適用范圍。各種方法測定時的環(huán)境條件和植被生理狀況與自然環(huán)境有差異，導(dǎo)致估算的蒸散量有一定的誤差。因此，未來發(fā)展趨勢是多種方法相結(jié)合，提高蒸散估算的準(zhǔn)確性，不斷朝著高新技術(shù)方向和自動化、連續(xù)性觀測方向發(fā)展。同時，在蒸散尺度轉(zhuǎn)換中也存在著較大的誤差，消除和縮小尺度轉(zhuǎn)換誤差是未來的研究熱點。此外，在區(qū)域尺度上，需要加強遙感技術(shù)對區(qū)域尺度蒸散量的估算的運用，并結(jié)合理論模型，精確估算區(qū)域蒸散量。