太行山低山区不同植被群落蒸发蒸腾

太行山低山区不同植被群落蒸发蒸腾 中国生态农业学报　2008年1月　第16卷　第1期ChineseJournalofEco-Agriculture,Jan.2008,16(1):30-34 太行山低山区不同植被群落蒸发蒸腾研究 杨　帆 1,3 ＊ 　张万军 2 (1.中国科学院东北地理与农业生态研究所　长春　130012;2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心　石家庄　050021;3.中国科学院研究生院　北京　100049) 摘　要　采用大型非称重式蒸渗仪对太行山低山区典型植被群落黄背草、荆条及其复合群落蒸发蒸腾进行了 研究。结果表明,在整个生长季3种植被群落蒸散、植物蒸腾均呈以8月为峰值的单峰曲线,且黄背草5～6月蒸散量、蒸腾量最大,其他月份复合群落最大。整个生长季中土壤蒸发表现为5～6月份高,9～10月份低。黄背草、荆条和复合群落3种植被的生长季总蒸腾量分别是591.8mm、611.9mm、647.0mm,总蒸发量分别是138.6mm、130.8mm、134.9mm,蒸散量分别是730.4mm、742.0mm、790.5mm。3种植被群落之间比较结果表明,复合群落的总蒸散量和蒸腾量略大于黄背草和荆条群落,而黄背草和荆条群落差别不明显。关键词　蒸散　蒸腾　蒸发　黄背草群落　荆条群落　黄背草/荆条复合群落　太行山中图分类号:S161.4　　文献标识码:A　　文章编号:1671-3990(2008)01-0030-05 Transpirationandsoilevaporationofdifferentvegetationcommunities inTaihangMountainhill-scape 1,32 YANGFan,ZHANGWan-Jun (1.NortheastInstituteofGeographyandAgriculturalEcology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130012,China; 2.CenterforAgriculturalResourcesResearch,InstituteofGeneticsandDevelopmentalBiology,ChineseAcademyofSciences, Shijiazhuang050021,China;3.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China) Abstract　TheamountofEvapotranspiration(ET)wasmeasuredforthreetypicalvegetationcommunities,Themedajaponicacom-munity,Vitexnegundovar.heterophyllacommunityandthecompoundcommunityofT.japonicaandV.negundoinTaihangMoun-tainhill-scapes,usingno-weighingdrainagelysimeter.ETwasdividedintoplantTranspiration(T)andsoilEvaporation(E)byplasticcovermethod.Plotsoftheresultfollowauni-modalcurveforbothETandTintheentiregrowingseasonofthethreevegeta-tioncommunities,withmaximumETandToccurringinAugust.ETandTforT.japonicaarethehighestinMayandJune,butthoseforthecompoundcommunityarethehighestinothermonths.SoilevaporationishigherfromMaytoJuneandrelativelylowerfromSeptembertoOctober.TotalTsare591.8mm,611.9mmand647.0mm;totalEsare138.6mm,130.8mmand134.9mm;totalETsare730.4mm,742.0mmand790.5mmforT.japonicacommunity,V.negundocommunity,andthecompoundcommu-nity,respectively.TotalETandTforcompoundcommunityarehigherthanthoseforothercommunities.Keywords　Evapotranspiration,Transpiration,Evaporation,Themedajaponicacommunity,Vitexnegundovar.heterophyllacom-munity,CompoundcommunityofT.japonicaandV.negundo,TaihangMountain(ReceivedJuly30,2006;acceptedOct.18,2006) 　　植物蒸腾与土壤蒸发是蒸散的两个组成部分,在水量平衡与能量平衡中的作用不同。以往对蒸 [1,2] 散和植物蒸腾研究主要集中在农作物,而对自然植被研究较少,尤其对退化植被研究更[5,6]少。这限制了应用植被手段进行山区生态环境建设的顺利进行 [7][3,4] 态环境恶化,旱涝灾害频繁。山区植被主要为森林破坏退化后的旱生次生灌草丛。因此对太行山 区典型植被群落蒸散进行了研究,并采用塑料膜覆盖方法区分植株蒸腾与土壤蒸发,以了解自然植被覆盖下山区的水文特征,为太行山区森林经营、植被恢复、环境保护提供依据。 。太行山区水资源短缺,生 ＊国家高技术研究(863)发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 重大专项(2002AA2Z405)和中日合作“太行山地下水环境研究”项目资助 杨帆(1972～),女,助研,在读博士,主要从事生态水文学方面的研究。E-mail:yangfan@neigea.ac.cn07　:200618 第1期杨　帆等:太行山低山区不同植被群落蒸发蒸腾研究 31 1　试验地概况和研究方法 1.1　试验地概况 试验在中国科学院太行山山地生态试验站进 行,该站属太行山东坡中段低山丘陵区,海拔247～1040m,地理坐标为114°15′55″E,37°52′45″N,属半干旱半湿润大陆性季风气候区。年均降水量570～620mm,降水分布不均,雨季(7～9月)降水占全年降水量的67.8%,春季降水仅占7.69%。年均蒸发量1934.6mm。土壤主要为花岗片麻岩(部分地带为石灰岩和页岩)的土壤母质上发育起来的山地褐土。试区的植被类型主要是低山丘陵地带阔叶林破坏后发育的次生旱生灌草丛。1.2　大型非称重式蒸渗仪结构 非称重式蒸渗仪(又名渗漏型蒸渗仪)主体是四棱形立方体的栽培池。池的底部由钢筋混凝土组成,池4周及上部由砖混凝土构成,混凝土内掺有防渗粉以防渗液。池底部有渗流管,排出渗入到池底的水量。池最底层是10cm厚过滤层,由大砾石、小石子和沙子组成。过滤层以上装填土壤。为了防止大雨或暴雨水流溢出,土壤装填在池口以下6cm处。为了保持其自然状态,在回填土壤时每10cm一层回填拍实。在每个蒸渗仪(内径尺寸长2.5m,宽1.5m,高1.2m)土体中30cm、60cm、100cm处安装双针式时域反射仪(TDR)测定土壤含水量。1.3　试验设计 非称重式蒸渗仪共6个,分为2组。试验植被为太行山低山区具有代表性的多年生草本植物黄背草(ThemedajaponicaTanaka)、马鞭草科小灌木荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)。每组蒸渗仪中分别设黄背草、荆条和两种植物的复合群落3个处理。并在其中一组植被土壤表层覆盖厚塑料膜,上覆干沙土,用来测定植被蒸腾量。按照蒸渗仪面积,于2003年10月下旬选择典型黄背草群落,将其切块移栽入蒸渗仪中;选择典型荆条群落,截干,将其移入蒸渗仪中;复合群落中黄背草和荆条移栽面积各占50%。试验于2004年11月结束。1.4　数据采集降雨量由不受地表植被干扰的雨量计(美国DavisInstrumentsCorp公司,精度0.25mm)测得。 土壤含水量采用美国Campbell公司生产的CS616型双针式时域反射仪(TDR)监测,传感器探针水平放置。传感器与CR10X数据采集器相连。每5min取样1次,每20min取1次平均值并计数。所得土壤含水量为体积含水量。 地下渗流量用翻斗式流量计测量,用HOBO计 ,[8] Q=nV(1) D=Q/S(2) 式中,Q为渗流量(mL),n为计数器记录的翻斗翻动的次数,V为翻斗翻动1次的水量(mL),翻斗对称;D为渗流深度(mm),S为蒸渗仪土体面积。 叶面积指数采用系数法测定。首先测量各叶片的叶长和最大叶宽,然后对二者进行相乘并累加求和,最后再乘折算系数。折算系数采用剪纸称重法测定,即用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 方格纸将每片叶子画在方格纸上并剪下纸模,称重。同时在方格纸上剪下叶长和最大叶宽的面积,称重。折算系数为二者的比值。 [4,8] 蒸腾采用覆盖方法测定,然而覆盖往往造成植被生长差异,通常用叶面积指数调整覆盖后的 [8] 蒸腾量以减小误差。调整公式如下: T=TAI/LAI(3)mLm式中,T为无膜植被蒸腾量(mm),Tm为覆膜植被蒸 腾量(mm),LAI为无膜叶面积指数,LAIm为覆膜叶面积指数。计算土壤蒸发的公式如下: E=ET-T(4) 式中,T为无膜植被蒸腾量(mm),ET为无膜植被蒸散量(mm),E为无膜土壤蒸发量(mm)。 2　结果与分析 2.1　不同植被群落叶面积指数变化过程 由图1可知,不同处理3种植被叶面积指数在覆膜及未覆膜情况下变化趋势基本相同,均呈单峰曲线。但峰值出现的时间略有不同,黄背草群落叶面积指数8月份最高,荆条和复合群落最大值出现 图1　不同处理3种植被群落未覆盖(a)及 覆盖塑料膜(b)下叶面积指数变化 Fig.1　LAIofthreevegetationtypesunderdifferenttr,lcd,mulchi 32 中国生态农业学报2008第16卷 在9月份。可能是由于黄背草生育期短,7月、8月植株已拔节抽穗,9月生长期基本结束,底叶逐渐枯萎,叶面积指数减小。荆条生育期长,9月底基本长成。复合植被是两种植被的混合,特性受两种植被的交互影响。2.2　试验区降水量及温湿度变化过程由图2可知,试验区全年降雨存在明显的季节变化,6～9月为主要降雨时期,占全年降雨的85.7%,其中7～8月占全年的60%。两次超过100mm的降雨分别在7月11～12日(降雨152mm)和8月9～14日(降雨171.3mm)。2004年全年降雨量为706.4mm,大于多年平均降雨量,为丰水年,整个生长季(5～10月)降雨量为644.8mm 。 10月各个时段波动不大,呈稳定增加和稳定减少趋势;而7月、8月份,3种植被各个时段蒸散量波动较 大。分析原因,这是由于5～6月、9～10月每次降雨量都相对较小,未产生渗流。降雨储存在土壤水库中,用于土壤蒸发和植株蒸腾。因此蒸散表现为稳定增加或稳定减少。而7月、8月降雨频繁,两次超过100mm的降雨使土壤饱和,地下产生渗流。由于受降雨和地下渗流滞后作用的影响,7月、8月份植被蒸散曲线波动较大。 图4　3种植被群落蒸散变化规律 Fig.4　Evapotranspirationofthreevegetationcommunities 图2　2004降雨年内分配Fig.2　Precipitationdistributionin2004 由表1可知,整个生长季黄背草群落、荆条群落和黄背草/荆条复合群落的蒸散量分别为730.4mm、742.0mm和790.5mm。且3种植被的蒸散量均是7月、8月、9月最大,3个月蒸散量占整个生长季蒸散量分别为66.3%、73.5%和73.8%。这主要是由于7月、8月降雨量大,土壤含水量高,在高温高湿和水分充足的环境下,植被生长迅速,耗水量大。9月虽然降雨量减少,但由于此阶段植被成熟,消耗的水分较以前多,蒸散量也较大。 3种植被蒸散量比较发现:黄背草群落5月、6月蒸散量大于其他两种植被;而7～10月份,复合植被群落蒸散量大。可能是5～6月黄背草群落叶面积指数(平均叶面积指数为2.1)比荆条高1.1,较复合群落高0.3;且覆盖度较大(平均覆盖度为44%),而荆条、复合群落的覆盖度分别为30%和34%。6月下旬之后,由于荆条的迅速生长,其生长速度明显大于黄背草,且土壤蒸发量大,荆条群 由图3可知,试验期间空气温度曲线为平缓单峰曲线,6～9月温度较高。7～8月份湿度较高,波动较小;5～6月份湿度变化波动较大,干湿交替明显;9月湿度呈减小趋势,10月湿度变化不大。空气湿度随降雨变化而发生变化 。 图3　2004年空气温度与湿度变化 Fig.3　Variationsofairtemperatureandhumidityin2004 2.3　整个生长季不同植被群落的蒸散规律 图4为3种植被群落整个生长季(5～10月,7d为1个步长)蒸散量变化。由图4可知,在整个生 9落蒸散量超过黄背草。复合植被在7月之后蒸散 量最大,一方面是由于荆条的迅速生长,另一方面是由于复合植被根系既有浅层草的根系分布,又有荆条的深层分布,能充分吸收不同层次的土壤水分,从而有效的利用土壤水分来加速自身的。 第1期杨　帆等:太行山低山区不同植被群落蒸发蒸腾研究 表1　3种植被群落不同月份的蒸散量 Tab.1　Monthlyevapotranspiration(ET)ofthreevegetationcommunities 33 群落类型 Vegetationtype黄背草T.japonica荆条V.negundo 项目 Item蒸散量ET(mm) -1 日均蒸散量DailyET(mm·d) 月份Month 563.22.141.11.344.91.5 6120.44.091.23.090.73.0 7122.94.1125.84.2145.84.9 8219.97.3228.17.6244.48.1 9141.34.7191.86.41936.4 1062.72.1642.171.72.4 总量/平均 Total/average -1 (mm)/(mm·d) 730.44.1742.04.1790.54.4 蒸散量ET(mm) -1 日均蒸散量DailyET(mm·d) 蒸散量ET(mm)复合群落 Compoundcommunity日均蒸散量D-1 ailyET(mm·d) 2.4　整个生长季不同植被蒸腾规律 各种植被的蒸腾规律和蒸散规律基本相同(图5)。5～6月、9～10月蒸腾曲线呈缓慢增加和缓慢减小趋势,7～8月份曲线波动较大。由表2可知,黄背草群落、荆条群落和黄背草/荆条复合群落在整个生长季的蒸腾量分别为591.8mm、611.9mm和647.0mm。3种植被5～6月份蒸腾量小,7月以后逐渐增大,8月达到最大值后,又逐渐减小。且3种植被在7月、8月、9月蒸腾量最大,黄背草蒸腾量占整个生长季的73.2%,荆条为79.3%,复合群落为79.4%。这与植被的生长规律一致,5月、6月植株矮小,蒸腾量小;7月、8月、9月植株迅速生长,消耗大量土壤水;10月植株发育成熟并开始衰老,需要水分相应减少。3种植被群落之间比较,黄背草5～6月份蒸腾量大于其他两种 群落,7～9月复合群落蒸腾量均大于黄背草,而与荆条差别不大 。 图5　不同植被蒸腾变化规律Fig.5　Transpirationofdifferentvegetations 表2　3种植被群落不同月份蒸腾量 Tab.2　Transpiration(T)ofthreevegetationcommunitiesindifferentmonths 群落类型 Vegetationtype黄背草T.japonica荆条V.negundo复合群落Compoundcommunity 项目 Item蒸腾量T(mm) -1 日蒸腾量DailyT(mm·d) 月份Month 531.41.015.20.517.40.6 671.62.454.41.849.51.7 7104.23.5110.63.7128.44.3 8195.86.5201.07.0209.57.1 9133.74.5173.65.8175.75.9 1055.11.857.11.966.52.2 总量/平均 Total/average -1(mm)/(mm·d) 591.83.3611.93.5647.03.6 蒸腾量T(mm) -1 日蒸腾量DailyT(mm·d) 蒸腾量T(mm) -1日蒸腾量DailyT(mm·d) 2.5　整个生长季不同植被的蒸发规律 不同植被的土壤蒸发规律与植被蒸腾明显不 同,3种植被5月、6月蒸发量大,7月、8月、9月明显减小,而10月蒸发量更少,黄背草群落、荆条群落和黄背草/荆条复合群落在整个生长季土壤蒸发量分别为138.6mm、130.8mm和134.9mm(图6,表3)。为了保证植物成活,在4月下旬对植物进行灌溉,且4月25～30日之间连续降雨42mm,最,水量为大量的蒸发创造了条件。气象因子对土壤蒸发具有重要作用,5～6月份空气温度随着时间 推移逐渐升高,有利于土壤蒸发。而且5月、6月植株小,覆盖度也小,大面积的地面裸露,受太阳直射,也是蒸发量大的一个原因。7月、8月连续降雨,空气湿度增大,土壤蒸发相应减小,而且随着植株的生长,叶面积指数增加,覆盖度增大,也影响了土壤蒸发。9月、10月植株长成,覆盖度达到, 34 中国生态农业学报2008第16卷 外,9月、10月降雨较少,植物蒸腾消耗大量土壤水分从而使土壤含水量减少,蒸发量也相应减少。因 此整个生长季中,3种植被在5月、6月蒸发量最大,而在10月最小。 表3　3种植被群落不同月份蒸发量 Tab.3　Evaporation(E)ofthreeplantcommunitiesindifferentmonths 群落类型 Vegetationtype黄背草T.japonica荆条V.negundo复合群落Compoundcommunity 项目 Item蒸发量E(mm) -1 日均蒸发量DailyE(mm·d) 月份Month 531.81.125.90.927.50.9 648.81.641.41.441.21.4 718.70.615.20.517.40.6 824.10.823.20.826.10.9 97.60.2518.20.617.30.6 107.60.256.90.25.40.2 总量/平均 Total/average -1(mm)/(mm·d) 138.60.8130.80.7134.90. 8 蒸发量E(mm) -1 日蒸发量DailyE(mm·d) 蒸发量E(mm) -1日蒸发量DailyE(mm·d) 稳定增加和稳定减少,而7月、8月各个时段蒸散、蒸腾波动较大。3种植被生长季蒸腾和蒸散均是以 8月为峰值的单峰曲线,且黄背草5～6月蒸散量、蒸腾量最大,其他月份复合群落最大。整个生长季,土壤蒸发表现为5月、6月高,9月、10月低。在整个生长季内,黄背草、荆条和复合体植被的蒸腾量分别为591.8mm、611.9mm和647.0mm,蒸发量分别为138.6mm、130.8mm和134.9mm,蒸散量分别为730.4mm、742.0mm和790.5mm。3种植被群落之间比较,整个生长季蒸散量和蒸腾量是 图6　不同植被土壤蒸发规律研究Fig.6　Soilevaporationofdifferentvegetations 复合群落大于黄背草和荆条群落,而黄背草和荆条 群落差别不明显。 2.6　不同植被的蒸腾量和蒸发量 不同植被的蒸腾量和蒸散量比值计算结果表明,黄背草群落为0.81,荆条群落为0.82,黄背草/荆条复合群落为0.82。3种植被群落植株蒸腾量占蒸散量的比例均超过80%,远远大于土壤蒸发量,因此在太行山区植株比较稠密的区域,植株蒸腾在土壤水分消耗中占有重要地位。测定结果表明,5月1日黄背草群落、荆条群落和黄背草/荆条复合群落的土壤含水量分别为479.8mm、486.0mm和498.1mm。而10月30日3种群落土壤含水量分别为391.0mm、309.1mm和300.1mm。从土壤含水量的变化可以看出,黄背草群落消耗土壤水分少,而复合群落和荆条群落消耗土壤水多。 参考文献 [1]杨晓光,刘海龙,王玉林,等.华北平原夏玉米农田生 态系统蒸散规律研究[J].中国生态农业学报,2003,11(4):66-68 [2]孙宏勇,刘昌明,张喜英,等.华北平原冬小麦田间蒸散 与棵间蒸发的变化规律研究[J].中国生态农业学报,2004,12(3):62-64 [3]宋克超,康而泗,金博文,等.黑河流域山区植被带草地 蒸散发试验研究[J].冰川冻土,2004,26(3):349-356[4]宋炳煜.草原区不同植物群落蒸发蒸腾的研究[J].植 物生态学报,1995,18(4):319-328 [5]潘占兵,蒋齐,郭永忠,等.柠条蒸腾特征及影响因子的 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