第五章 森林蒸发散

1、森林水文学森林水文学山东农业大学林学院山东农业大学林学院董智董智5.1 5.1 森林蒸散森林蒸散5.2 5.2 森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法5.1 5.1 森林蒸散森林蒸散森林蒸散（森林蒸散（EvapotraspirationEvapotraspiration）是森林热量平）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

2、包括通过叶片气孔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。皮孔散发出的水分。森林蒸散（森林蒸散（E E）由林地蒸发（）由林地蒸发（E1E1）、林冠截留防）、林冠截留防水蒸发（水蒸发（E2E2）和森林植物蒸腾（）和森林植物蒸腾（E3E3）三部分组成。）三部分组成。森林蒸散对缓洪、水源涵养具有重要作用。森林蒸散对缓洪、水源涵养具有重要作用。5.1 5.1 森林蒸散森林蒸散一林木的蒸腾一林木的蒸腾（一）概念与类型（一）概念与类型1 1、蒸腾作用：林木的蒸腾作用是土壤水分通、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过植物体并主要经由叶片中

3、的气孔以水蒸汽状态散失到大气中的过程。失到大气中的过程。2 2、蒸腾的类型：、蒸腾的类型：蒸腾蒸腾分三种：皮孔蒸腾、角质分三种：皮孔蒸腾、角质蒸腾和气孔蒸腾，气孔蒸蒸腾和气孔蒸腾，气孔蒸腾是植物蒸腾作用的最主腾是植物蒸腾作用的最主要方式。要方式。 5.1 5.1 森林蒸散森林蒸散 气孔蒸腾（气孔蒸腾（stomatal transpirationstomatal transpiration）受内因）受内因与外因的共同影响。与外因的共同影响。（二）气孔蒸腾的影响因素（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频度气孔大小气孔大小气孔开度气孔开度气孔构造气孔构造1 1、内因、内因5.1 5

4、.1 森林蒸散森林蒸散（二）气孔蒸腾的影响因素（二）气孔蒸腾的影响因素土壤含水量土壤含水量风风微风有利于蒸腾，强风蒸腾降低微风有利于蒸腾，强风蒸腾降低根对水分的吸收根对水分的吸收2 2外因外因光照光照光促进气孔的开启，蒸腾增加光促进气孔的开启，蒸腾增加温度温度一般随温度的升高而增大一般随温度的升高而增大 COCO2 2浓度浓度COCO2 2浓度低促使气孔张开浓度低促使气孔张开, ,蒸腾增强蒸腾增强空气空气相对湿度相对湿度RHRH增大增大, ,蒸腾减弱蒸腾减弱5.1 5.1 森林蒸散森林蒸散二林地地面蒸发二林地地面蒸发（一）概念与组成（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林地地

5、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气温，地表的水分将会转变成水蒸汽散放于空中的现象。的现象。林地地面蒸发量包括林地土壤蒸发量（林地地面蒸发量包括林地土壤蒸发量（E E1 1）、）、枯枝落叶层蒸发量枯枝落叶层蒸发量E E2 2和枯落物层的蒸发量（和枯落物层的蒸发量（E E3 3）即：即：3211EEEE5.1 5.1 森林蒸散森林蒸散二林地地面蒸发二林地地面蒸发（二）影响因素（二）影响因素林地地面蒸发受到蒸气压、蒸发面的温度、以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、及供给蒸发面的水量的影响，前两者又受到日

6、照、气温、湿度、风速等环境因子的左右。林地蒸发量气温、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。度等森林条件而异。5.1 5.1 森林蒸散森林蒸散表不同林分生长季节中的林地蒸发量（表不同林分生长季节中的林地蒸发量（19821982，mmmm）树种树种华山华山松松华山华山松松油油松松华北落华北落叶松叶松锐齿锐齿栎栎草坡草坡 裸地裸地坡向坡向S5S5W WS80S80E EW WW WN85N85E ES SS

7、 S郁闭郁闭度度0.70.70.80.80.80.8 0.70.70.70.71.01.06 6月月30.130.10 020.420.41 120.3520.3519.5119.5118.118.11 172.272.29 954.554.59 97 7月月34.634.69 930.530.54 426.3226.3229.5029.5022.822.81 184.584.50 053.953.94 48 8月月23.723.75 519.619.68 815.2515.2512.7712.7712.212.22 277.977.91 148.348.36 69 9月月15.215.28

8、812.412.43 314.1114.1112.3012.309.659.6554.254.28 828.928.95 51010月月1 11010日日9.479.478.688.687.877.877.667.663.953.9527.627.63 316.416.45 55.1 5.1 森林蒸散森林蒸散三森林蒸散三森林蒸散(evapotranspiration)(evapotranspiration)（一）森林蒸散作用（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。量，它包括森林植物的蒸腾和林下地

9、面蒸发量。 （二）、影响因子（二）、影响因子森林的蒸散取决于许多因子，如树种、郁闭度、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。林龄、土壤中可利用水分、辐射、风速等。5.1 5.1 森林蒸散森林蒸散表不同林分类型的蒸散量（表不同林分类型的蒸散量（19821982，6.16.110.1010.10）树种树种华山松华山松油松油松华北落叶松华北落叶松锐齿栎锐齿栎草坡草坡郁闭度郁闭度0.80.80.80.80.70.70.70.7疏密度疏密度0.580.580.730.730.560.560.670.671.01.0蒸散量蒸散量507.30507.30465.46

10、465.46444.56444.56349.37349.37340.15340.15林地蒸发量林地蒸发量92.3092.3083.9083.9081.7481.7466.7466.74316.65316.65林分蒸腾量林分蒸腾量269.55269.55203.83203.83225.25225.25162.60162.6023.5023.50截留蒸发量截留蒸发量145.45145.45177.73177.73137.67137.67120.03120.035.1 5.1 森林蒸散森林蒸散在潮湿地区实际蒸散和蒸散潜力很接近，但是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

11、很难建立起来。在在较干旱的地区，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。力由于空气饱和差变小，会变得很小。McNaughtonMcNaughton和和Jarvis(1983)Jarvis(1983)收集了大量森林和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，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，能量交换过程比矮下，由于森林有很大的粗糙度，能量交换过程

12、比矮小作物快得多，所以消耗的水分要多得多。小作物快得多，所以消耗的水分要多得多。5.1 5.1 森林蒸散森林蒸散5.2 5.2 森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法一、蒸腾的测定方法一、蒸腾的测定方法（一）、树液流测定法（一）、树液流测定法 1 1、热脉冲法、热脉冲法(heat pulse method(heat pulse method） 2tOAOBVh式中，式中，VhVh热脉冲速度（热脉冲速度（cm/scm/s）；）；OBOB、OAOA分别为从加热点到达分别为从加热点到达A A、B B点的距离点的距离( (厘米厘米) )，通常，通常OBOB

13、OA(OA(例例如，如，OAOA0.5cm0.5cm，OBOB1.0cm)1.0cm)；tt结结O O点加热后，到点加热后，到A A、B B点的温点的温度相等时所经过的时间度相等时所经过的时间(S)(S)；5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法一、蒸腾的测定方法一、蒸腾的测定方法（一）、树液流测定法（一）、树液流测定法2 2、放射性同位素法、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。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。用某种色素作为示踪元素进行同样的试验

14、。3 3、色素法、色素法5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法一、蒸腾的测定方法一、蒸腾的测定方法（二）、叶重量快速测定法（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。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（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，标准的蒸腾面可看成是具有许

15、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。来代替蒸腾量。 5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法一、蒸腾的测定方法一、蒸腾的测定方法（四）大树蒸腾法（四）大树蒸腾法（五）气孔计法（五）气孔计法5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法二、蒸散的测定二、蒸散的测定（一）微气象法（一）微气象法能量平衡波文比法，空气动力学法、能量平衡波文比法，空气动力学法、Penman-Penman-MonteithMonteith方程，涡动相关法，各种模拟研究法方程，涡动相关法，各种模拟研究法 水量平衡法、零能量平面法、水量

16、平衡法、零能量平面法、LysimeterLysimeter法法（二）水文学方法（二）水文学方法（三）生理学方法（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（一）、能量平衡波文比法（EBBREBBR法）法）森林作用层的能量平衡方程可表示为：森林作用层的能量平衡方程可表示为：R RLELEH HG GF FA A式中：式中：R R辐射差额或辐射收支；辐射差额或辐射收支；L L汽化潜热；汽化潜热；E E铅直方向水汽通量；铅直方向水汽通量；LELE蒸散耗热；蒸散耗热；H H乱流热通量；乱流热通量；G G土壤热通量；土壤热通

17、量；F F森林植物体的贮热变化；森林植物体的贮热变化；A A光合作用耗热。通常光合作用耗热。通常A A小于小于R R的的3%3%，故在森林能量平衡计算，故在森林能量平衡计算中往往忽略不计。中往往忽略不计。5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法方程中的辐射差额项（方程中的辐射差额项（R R），土壤热通量项（），土壤热通量项（G G）和森林贮热变化项（和森林贮热变化项（F F）可以通过实测得到。）可以通过实测得到。 （一）、能量平衡波文比法（一）、能量平衡波文比法（EBBREBBR法）法）5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法eeLPCLEHBp式中，式中，CpCp空气的定压比

18、热（空气的定压比热（Cp=0.24Cp=0.24）；）；P P气压；气压；水水汽与空气的克分子量的比值，汽与空气的克分子量的比值，0.6220.622；L L水的汽化潜热；水的汽化潜热；林上观测的两个高度上的位温差，当高度差不大时可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；用气温差代替位温差；ee两个高度上的湿度差值；两个高度上的湿度差值；干湿表常数。干湿表常数。eT/1FGRB1FGRLET/e/1FGR1/B1FGRH（53）（二）、流域水量平衡法（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，

19、贮留部分可能被蒸发和蒸腾而分被贮留在流域中，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散失到空中，因此，流域一年中的蒸散量可用下式表示：表示： ETETP PR RMMETET年实际蒸发散量年实际蒸发散量(mm)(mm)；PP年降雨量年降雨量(mm)(mm)，R R年径流量年径流量(mm)(mm)；MM流域的年贮水变动量流域的年贮水变动量(mm)(mm)5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法（三）、莱氏蒸渗仪（三）、莱氏蒸渗仪（LysimeterLysimeter）法）法5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法切取和周围的土壤相分切取和周围的土壤相

20、分离的土柱体，让它的表离的土柱体，让它的表面接受降水，或进行人面接受降水，或进行人工给水，这种装置称为工给水，这种装置称为莱氏测渗计，可以测定莱氏测渗计，可以测定水量平衡关系式中的部水量平衡关系式中的部分或全部水分因子。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。面积的蒸发散量。（四）、水量收支平衡法（四）、水量收支平衡法5.25.2森林蒸散的测定方法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、收直接秤量型、间接秤量型

21、（液压型、漂浮型、收支型）。支型）。 （五）、土壤水分变化法（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：对于某地段的非饱和土层，其水量平衡式为： ETETpspsr rs s一一qq十十rrm m 式中，式中，ss非饱和土层中贮水量随时间的变化；非饱和土层中贮水量随时间的变化；r rs s地表径流量；地表径流量；qq非饱和土层和它的下层之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；间在形成饱和土层过程中的水分交换量；rrm m中间中间流入量和中间流出量之差流入量和中间流出量之差(mm)(mm)。（六）、空气动力学方法（六）、空气动力学方法5.25.2森林蒸散的测

22、定方法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。量乱流交换系数的关系来求得水汽的垂直通量。 用一种特别设计的用一种特别设计的“涡动通量仪涡动通量仪”，可测定，可测定垂直风速和湿度的瞬间脉动值垂直风速和湿度的瞬间脉动值, ,计算出水汽通量。计算出水汽通量。 （七）、涡动相关法（七）、涡动相关法（八（八）、）、气孔计气孔计(Porometer)(Porometer)（九）、空调室方法（九）、空调室方法5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法将整个植株放于空调室中，测定室内水汽增加将整个植株放于

23、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。量就可以测得林木和地面的总蒸散。 （十）彭曼（十）彭曼(Penman)(Penman)公式公式根据经验，植被地域的蒸散量可以用相同气象条根据经验，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，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）。推算月平均日蒸散量（能）。（十）彭曼（十）彭曼(Penman)(Pen

24、man)公式公式式中，式中，EPTEPT月均日蒸散量月均日蒸散量( (能能) )（mm/dmm/d）；）；P Pa a大气压大气压( (毫巴毫巴) )；0.0065Pa(0.0065Pa(毫巴毫巴) )；在平均湿球温度在平均湿球温度t()t()时的饱时的饱和水蒸气压曲线的梯度（毫巴和水蒸气压曲线的梯度（毫巴) )；R R0 0有效辐射热量有效辐射热量(mm/(mm/d d，1mm/d=59cal/cm1mm/d=59cal/cm2 2d)d)；-水面反射系数水面反射系数,0.05,0.05；R Ra a在假设无大气的条件下的最大可能辐射量在假设无大气的条件下的最大可能辐射量( (可用可用mm/

25、dmm/d表表示示) )；n/Nn/N实际日照时间与可能日照时间之比，即日照率；实际日照时间与可能日照时间之比，即日照率；tt4 4-在日照平均温度在日照平均温度t(t(绝对温度绝对温度K)K)条件下的黑体散射；条件下的黑体散射；5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法0aPTRe E)e-)(e1.07v0.175(1e)Nn0.90)(0.10e0.092-(0.56 t)Nn0.55(0.18)R-(1Rds2ad4a0（十）彭曼（十）彭曼(Penman)(Penman)公式公式5.25.2森林蒸散的测定方法森林蒸散的测定方法0aPTRe E)e-)(e1.07v0.175(1e)Nn0.90)(0.10e0.092-(0.56 t)Nn0.55(0.18)R-(1Rds2ad4a0斯带芬斯带芬波尔兹曼系数波尔兹曼系数( (用用mm/dmm/d表示表示) )；e ea a在理想的水面蒸发量条件下的参数，即风速和饱和差的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函数(mm/d)(mm/d)；V V2 2地上地上2 2米内的平均风速米内的平均风速(m/s)(m/s)；e es s对应于日平均气温的饱和水蒸气压对应于日平均气温的