树木蒸腾耗水研究进展

树木蒸腾耗水研究进展

郭孟霞,毕华兴 ,刘鑫,李俊,郭超颖,林靓靓

(水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

摘要　在大量收集国内外研究资料的基础上,对树木蒸腾耗水量测定方法:快速称重法、整树容器法、蒸渗仪法、空调室法、化学示踪法、热平衡法、气体交换测定法、光合系统测定仪法;计算方法:水文学法、气象法、波文比法、空气动力学法、窝动相关法、红外遥感法;蒸散耗水研究尺度:枝叶尺度、单木尺度、林分尺度、区域尺度;及尺度转换问题研究现状以及存在的问题作了的详尽的综述,并在此基础上,对树木蒸腾耗水的未来研究方向做了展望。关键词　树木蒸腾;测定方法;计算方法;尺度转换

收稿日期:20051218　修回日期:20060309

项目名称:国家973项目“森林植被调控区域农业水土资源与环境的尺度辨析与转换”

(2002C B111503);教育部留学回国人员科研启动基金项目“晋西黄土区森林植被与水资源相互影响及调控机理研究”

第一作者简介:郭孟霞(1980—

),女,硕士研究生,主要方向:林业生态。E 2mail :guomengxiay @ey 责任作者简介:毕华兴(1969—

),男,副教授,主要研究方向:森林水文和地理信息系统。E 2mail :bhx @ R evie w on the w ater consumption of tree transpiration

G uo Mengxia ,Bi Huaxing ,Liu X in ,Li Jun ,G uo Chaoying ,Lin Jingjing

(K ey Laboratory of S oil and W ater C onservation &Desertification C ombating ,M inistry of Education ,C ollege of S oil and W ater C onservation ,

Beijing F orest University ,100083,Beijing ,China )

Abstract Based on collecting investigating datum inside and outside China ,the measure methods ,calcula 2tion methods ,studying scale and scale trans form of tree transpiration are summed up.The measure methods in 2clude rapid weighing method ,whole 2tree container method ,lysimeter method ,ventilated method ,geochemical trace method ,heat balance method ,gas exchange method and photosynthetic system measuring method.The calculation methods include hydrological method ,weather method ,bowen ratio method ,aerodynamic method ,eddy correlation method and in frared rem ote sensing method.Studying scale include branches and leaves scale ,individual tree scale ,forest stand scale and region scale ,and whose actuality and existing problems are summarized.At last ,the studying direction of tree transpiration is put forward.K ey w ords tree transpiration ;measure method ;calculating method ;scale trans form

水分是影响树木生长的重要条件和基础,而蒸腾耗水则是树木水分散失的主要途径。树木蒸腾耗

水量的准确测算是防护林体系优化配置、造林树种选择以及造林密度等林业生态工程建设技术中最关键、最核心的问题。因此,树木蒸腾耗水研究对于提高林木水分利用率、调控林分密度、优化防护林体系配置和稳定林分结构设计具有重大的理论和现实意义。

1　树木蒸腾耗水量测定方法研究现状

从20世纪60年代开始,国外陆续提出了多种树木蒸腾耗水量测定方法[12],由于受到环境等多种因素的制约,每一种测定方法各有其优缺点。随着技术的不断发展,测定方法逐渐得到更新和完善。总体看,树木蒸腾耗水量研究大体上可分为20世纪60年代以前的早期研究、70—80年代迅速发展和90

年代到现在逐步完善3个阶段[3]。

2006年8月4(4):114120中国水土保持科学Science of S oil and Water C onservation

V ol.4　N o.4Aug.2006

111　早期研究阶段

早期的树木蒸腾耗水量测定方法主要有快速称重法(Fast weighing method),包括盆栽苗木称重法(P otted plant method)。这两种测定方法简便易行,快速称重法适用于在不同的时间,不同的天气条件下,对不同的树种的蒸腾量进行比较。缺点在于测定的间断性,在测定过程中必须将枝叶与树体分离,取叶次数增多将影响树木生长,尤其对幼树的影响非常明显。

盆栽苗木称重法虽然克服了由于离体测定产生误差的缺点,可以人为的控制土壤水分测定不同水分梯度下苗木的蒸腾量,估算苗木的耗水量。但此方法的局限性在于受苗木和叶片年龄的限制,只能测定幼苗或较小的苗木。此外,对于气象因素和自然状态的林分结构无法进行人为的控制和模拟。112　迅速发展阶段

蒸渗仪法(Lysimeter method)是Fritschen等于1973年提出的,此方法可以同时测定林地的蒸发和植物的蒸腾。在测定树木蒸腾耗水时,对于土壤和水系统的微小变化非常敏感,测定精度高。大型的蒸渗仪能够精确地连续测定树木蒸腾耗水,结合其他测定方法能够更好地描述树木整株蒸腾耗水和生理特征。但室内植物的代表性对测定结果有影响,且根部周围的土壤体积有限,水分运动受到限制。体积式蒸渗仪可用来测定生长季树木蒸腾耗水量,但测定林分总蒸散耗水量存在困难[45]。此外,蒸渗仪的设计成本和维护昂贵,在我国林业科学研究中使用的较少。

空调室法(Ventilated chamber method)或封闭大棚法是由G reenw ood和Beres ford最早提出并应用于蒸散的测定。该方法的原理是通过测定空调室气体的水汽含量差以及室内的水汽增量来计算蒸散量的[6]。空调室法国外应用较广,设计上有很多种,最大的空调室可容纳高度大于20m的树木。但不适于大面积应用,而且室内环境与自然条件相比较有很大的差别,所得到的测定结果不能代表实际的结果。因此,该方法的应用受到了很大的限制。

1960年,Ladefoged提出了大树容器法。之后, R oberts(1977)和K night(1981)利用此方法对树木的蒸腾量进行了测定。此方法简单易行,但苗木是处于整树离体的状态,发生一系列的生理变化,且水分供应充足,测定结果与有根系的苗木蒸腾有差距,可以作为校正值,做同步性研究。

化学示踪法(G eochemical trace method)是G reenidge于1955年提出的,是利用一些化学元素作为示踪剂如氚(T ritium)、氘(Deuterium)、32p等元素,定期注射于林木木质部内以研究水分传导速率的方法。1970年,K line等将放射性同位素氚水作为示踪剂,对单株树木的蒸腾量进行测定。1985年,捷克学者Sim on等用氚示踪法测定蒸腾。满荣洲[7]、陈杰[8]等分别用氚水作为示踪剂测定了华北油松林、红松、柞树蒸发和蒸腾认为该方法比较方便,具有应用价值[9],但在野外应用不太方便,容易受到校正的限制而无法得到植物耗水的季节性模型[3]。1986年,Calder等利用稳定性同位素氘研究耗水速度,该方法克服了放射性示踪法氚所存在的校正限制,成为20世纪70—80年代测定林木蒸腾的一种新方法,此项研究方法一般与能量关系的研究同时进行。在生长季内逐日对林内水面蒸发,空气温度、湿度的垂直分布进行测定。

113　逐步完善阶段

20世纪90年代以后,树木耗水特性的测定方法主要以热脉冲法(Heat pulse velocity method)、热平衡法(Heat balance method)和热扩散法、气孔计法、和微气象法为主。同时,稳定性示踪物(氘)也得到了相应的发展。

11311　热平衡法　热脉冲法和热扩散法都是利用了热平衡法原理,即向树干供给恒定的热量,在理想状态下,被树体液流带走的热量应等于供给的热量。其优点是可以直接给出液流量,但仍然需要以液流量等于零时的加热功率及温度变化为依据进行零值校正[10]。

德国物理学家Huber最早提出了利用热传递示踪液流速度的设想,利用安装在树干上的一个热电偶感应到了在它下部电阻线上发出的一个热脉冲。1958年Marshall对Huber的设计进行了改进,使热波速法适用范围扩大到测量任意茎流速度,提出了一个物理模型来解释热脉冲的速度明显低于导管中液流速度的现象,认为热脉冲在由树液和木质组成的均一介质中,热量可以在木质和树液之间自由的交换。但Marshall并没有完全解释热波速法测定结果比实际结果偏低的现象[11]。1981年,S wans on R. H对热波速法的误差进行了分析,指出由于热探头插入过程对树干造成损伤而阻碍了液流通过的原因[12]。E wards.W.R.N总结了以上学者的理论,提出了二次曲线的径向干流模型。E wards W.R.N认为自树木形成层始,液流的速度随边材深度的分布呈二次曲线关系,并编制了相应的计算拟合软件。

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　第4期郭孟霞等:树木蒸腾耗水研究进展