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任世奇等 南京林业大学学报

论文推荐

基于 PM 模型的广西南宁尾巨桉中龄林蒸散特征

任世奇1,2，朱原立2,3，梁燕芳2,3，陈健波1,2，卢翠香1,2，伍 琪1,2，韦振道1,2

１.广西壮族自治区林业科学研究院；2.广西南宁桉树森林生态系统定位观测研究站；3.广西壮族自治区国有七坡林场。

在土壤-植物-大气连续体系(SPAC)中,蒸散是陆地生态系统与水文过程的重要纽带。全球蒸散量约占降水的60% ,是陆地生态系统水分的主要支出项，其中森林生态系统占蒸散的67%,研究森林蒸散对了解森林水文过程,合理利用有限水资源和科学规划提高森林水分利用效率有重要意义。据第九次森林资源清查显示,我国人工林面积0.8亿hm²,居世界之首。桉树被誉为世界三大速生树种之一,是我国华南地区的主要速生用材树种,其中广西桉树的种植面积、蓄积量和木材产量均居全国第一,代表我国桉树人工林发展现状,探索广西桉树人工林蒸散特征对全面了解我国桉树人工林蒸散有重要意义。

估算森林蒸散的方法较多,譬如多树水分平衡法、涡度相关技术法、水量平衡法、近红外与微波联合法等,多年的研究也衍生出多种理论模型和技术方法,其中基于空气动力学和热力学原理的PM模型具有理论严谨、精度较高、适用广泛的特点,被FAO推荐用于估算陆面蒸散。国内较早对桉树人工林蒸腾和蒸散进行估算的是对雷州半岛河头和纪家林场的尾叶桉(Eucalyptus urophylla)林的观测,结果表明,土壤质地差异是引起液流通量极大值差异的主要原因;Morris等也利用该数据和PM模型分析了尾叶桉的蒸腾和蒸散特征;Zhou等通过实测法和理论模型对比分析了尾叶桉的蒸散量,表明实测法与理论模型的估值偏差率较小;张宁南等从另一个角度对该尾叶桉林观测数据的分析发现,旱季土壤有效水减少及较低饱和蒸汽压亏缺在不同程度上限制了桉树水分消耗。本期论文推荐的作者研究以广西南宁桉树林生态系统定位观测研究站内的尾巨桉(E. urophylla×E.grandis)中龄林为研究对象,应用PM模型模拟林分蒸散量，并与水量平衡方程计算的蒸散量进行对比，以掌握低山丘陵区桉树人工林的蒸散特征，为 编制桉树人工林生产经营方案提供参考依据。

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作者简介

作者

任世奇，1984年8月出生，广西壮族自治区林业科学研究院高级工程师，主要从事人工林培育与生态系统生态学研究。

关键词：PM模型；水量平衡方程；蒸散；土壤水分；尾巨桉

基金项目：广西科技重大专项(AA17204087-9);国家重点研发计划(2016YFDO600504 );广西林业科技项目(桂林科字[2016]第35号)。

引文格式：任世奇,朱原立,梁燕芳,等.基于PM模型的广西南宁尾巨桉中龄林蒸散特征[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2021 ,45(2);127-134.RENS Q，ZHU YL,LIANG YF, et al.Evapotranspiration characteristics of middle-aged Eucalyptus urophylla×E.grandis plantation based on Penman-Monteith formula in Nanning，Guangxi[J].Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition),2021,45(2):127-134.DOI;10.12302/j.issn.1000-2006.201911006.

1目的

了解PM模型模拟桉树林蒸散的适用性,以及掌握南宁低山丘陵区的尾巨桉林蒸散特征,为编制桉树人工林生产经营方案提供参考依据。

2方法

于2013年8月—2016年7月连续观测南宁按树生态站尾巨桉林的小气候和水文数据,应用PM模型模拟尾巨桉林的蒸散量,并与水量平衡方程计算的蒸散量进行比较。

2.1 试验材料

研究地位于广西南宁市吴圩镇(107° 59'E，22°28'N)桉树森林生态系统定位观测研究站。该区域属于南亚热带季风气候,年均气温21 ℃,年活动积温7500 ℃,年日照时间>1800 h ,年太阳辐射总量110 kJ/cm²,年降水量1 300 mm左右,年均相对湿度79%;海拔213 m,林地坡度5°~25°,土壤厚度0.5~1.0 m,砂页岩母质,以砖红壤为主,少量紫色和棕色石灰土,酸度较高,平均含砂率23%。南宁桉树站所在位置是广西桉树主产区中部的典型代表,其地形为低山丘陵，站内种植的尾巨桉( Eucalyptus urophylla×E. grandis)无性系在华南地区发展的桉树商品林品系中占90%以上,尾巨桉种植密度1250株/hm3,株行距2m×4 m,研究期间树高16.5 m,胸径12.0 cm;林下灌木均高1.0 m，盖度35%;草本植物均高7 cm,盖度80%。常见灌草植物有桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa)、野牡丹( Melastoma candidum）、岗松(Baeckea frutescens) 、越南悬钩子(Rubus cochinchinensis)、杜茎山(Maesajaponica)、盐肤木(Rhus chinensis)、余甘子(Phyllanthus emblica)、毛果算盘子（Glochidion eriocarpum）、草本有铁芒箕(Gleichenia linearis)、弓果黍(Cyrtococcum patens)、华南鳞盖蕨(Microlepiahancei)、五节芒（Miscanthus floridulus Warb. exSchum.et Laut）、半边旗(Pteris semipinnata)、金茅(Eulalia speciosa)、野香茅(Cymbopogon goeringii) 、画眉草(Eragrostis pilosa var. pilosa)等。

▲高峰桉树

2.2 林内与林外小气候观测

在站区山脊线鞍部桉树林内与林外分别建设9mx9 m的林内气象站和25 m×25 m的林外气象站,观测站内各安装自动气象观测系统(CSI,FM1000,USA),用于观测近地面气象要素数据,包括风向、风速、大气温湿度、水汽压、太阳辐射﹑光合有效辐射、降雨量、土壤温度和体积含水量,设定数据采集器(CR1000,Campbell scientific)每30 min记录1次平均值。

2.3 模型简介与蒸散量模拟方法

PM模型是以能量平衡和水汽扩散理论为基础的作物蒸腾计算阻力模型。该模型被 FAO推荐为计算陆面蒸散的首选方法，其全面考虑了影响蒸散过程的大气物理和植被生理特性，计算精度较高。由于大部分森林地形地貌复杂多样，非均质下垫面给森林蒸散估算精度带来困难，为提高模拟精度，PM模型衍生出很多变化形式，试图通过修正敏感参数而提高精度。PM模型模拟精度主 要受太阳辐射、空气动力学阻力和冠层阻力准确度的影响。

在站点山脊线以东距离林内气象观测站 40m,距离林外气象观测站80 m处的中坡位置设定1个30 m×30 m的固定样方。分别于2013年8月、2014年2月、2014年3月、2014年6月和2015年8月共5次使用植被冠层分析系统(WinSCANOPYPro2012，USA)在样方内按“S”形曲线从上坡至下坡布置5个拍摄点,每个点拍摄多张球形数码照片,使用冠层分析软件选择10张以上照片计算每次实测叶面积指数。同时利用林外和林内气象系统观测的太阳总辐射,应用消光系数法计算叶面积指数,并与实测叶面积指数进行比较(图1)。实测叶面积指数与消光系数法计算的叶面积指数吻合较好。因此,以消光系数法计算2013年8月—2016年7月的月叶面积指数作为PM模型计算桉树林蒸散量的参数。

▲图 1 实测与消光系数法间接计算的叶面积指数比较

3结果

月和年时间尺度的干旱指数均表明南宁低山丘陵区的尾巨桉林处于湿润或半湿润水分条件;PM模型模拟的日均蒸散量为3.5 mm/d,其中最高为9.8 mm/d;月均蒸散量为96 mm,季节间蒸散量大小顺序为夏季>春季>秋季>冬季;年均蒸散量l 156 mm,占同期降水量的82%;基于水量平衡方程的蒸散量与PM模型的蒸散量差异不显著。

3.1 环境因子变化特征

试验区2014年的环境因子变化特征(图2)表明,年内气温呈11.7~27.7℃的单峰变化,其中5—8月的气温最高,此阶段月均气温27.1℃,变幅为26.2~27.7 C;1—2月、12月的气温最低,该阶段月均气温12.5℃,变幅为11.8~13.6 ℃。饱和蒸汽压亏缺月均4.26 kPa,变异系数36%,其中2—3月最小,10月最大。全年的月相对湿度均较大,平均84%,变异系数7%,其中1月、10—12月稍低。太阳净辐射月均为149 MJ/m²,其中5—8月最强,2—3月最弱。全年降水量1409 mm,集中在6—9月,2月降水最少,仍有24 mm。土壤相对含水量也较高,月均达到80%,其中2月最低为64%。

▲图 2 2014年试验区的环境因子特征

3.2 基于PM模型的林分蒸散量特征

基于PM模型估算的蒸散量见图3。由图3可知，日蒸散量随年际变化呈单峰波动,变化范围0.1~9.8 mm/d,日均蒸散量3.5 mm/d。月蒸散量波动明显,变异系数达53%,月平均96 mm,其中5—9月的蒸散量较大,1月和2月的蒸散量较小，最大6月(160 mm)是最小1月的5倍;2—5月和10月的月干旱指数>1,说明一年中58%的月份降水量大于蒸散量,其中5月的干旱指数较高,此时进入夏季,太阳辐射增强;10月的干旱指数最大，达到1.8,此时降水量小是主因;8月干旱指数最小,其是全年降水的集中月,降水量远超蒸散量;11月的干早指数最小,此时为晚秋季,太阳辐射弱,因而蒸散量也小。蒸散量在季节之间的差异较大,变异系数达47%,其中夏季最大为445 mm,春季次之,秋季较小,冬季最小为117 mm;就季节干旱指数而言,春季的干旱指数最大为1.3,说明全年基本处于湿润或半湿润状态。年际的蒸散量均值为1 156 mm,且干旱指数<1,说明都处于湿润年份，年降水量大于蒸散量。

▲图 3 基于 PM 模型估算的蒸散量

3.3 基于水量平衡方程与PM模型的蒸散量差异分析

水量平衡方程与PM模型估算的蒸散量比较见图4。

由图4A可知,基于水量平衡方程计算的蒸散量与PM模型估算的变化趋势基本一致,也表现为夏季最大,冬季最小。二者差异主要体现在PM模型春节蒸散小于水量平衡方程,而其他季节PM模型蒸散大于水量平衡方程。由图4B二者的相关性分析可知,t检验为差异不显著,相关系数为0.638,说明两种方法测算的月蒸散量差异不显著。为进一步验证本研究的实测值与模拟值精度,将尹光彩等在同属南亚热带的广东河头林场、纪家林场的研究与本研究进行比较,发现3个研究地点观测期间的年降水量都约1300 mm,不同之处主要在于研究林分的密度和试验地点的土壤质地差异(表1)。由表1可知,以本研究PM模型模拟的蒸散量为基础,其与河头林场、纪家林场的桉树林蒸散量偏差率分别为4%和-11%;而以本研究水量平衡方程计算的蒸散量为基础,其与河头林场、纪家林场的桉树林蒸散量偏差率分别为9%和22%。Zhou等研究认为,尽管河头林场和纪家林场种植的是相同品种的桉树,但土壤质地差异决定的土壤可利用水分量不同可引起林分的蒸散量不同。为明确本研究区域土壤水分对蒸散的影响，进一步做土壤相对含水量、土壤储水量变化与蒸散量的相关分析。

▲图 4 水量平衡方程与 PM 模型估算的蒸散量比较

▼表 1 3个试验区水量平衡方程与 PM 模型估算的蒸散量比较

3.4 PM模型模拟蒸散量与土壤水分的相关分析

由 2014年 1—12月的降水量、土壤储水量变化、土壤相对含水量与 PM模型蒸散量的相关系数 （表 2）可知，土壤储水量变化、土壤相对含水量与降水量都呈极显著正相关，说明降水可显著影响土壤水分，但蒸散量与降水量、土壤相对含水量的相关关系均不显著，其仅与土壤储水量变化呈显著负相关且相关系数也较小，说明蒸散量受土壤水分变化影响不显著，也揭示在年降水量较大条件下，全年呈湿润或半湿润条件的气候区，土壤水分不成为蒸散的限制因子，而气象因子是驱动蒸散的主要因素。

▼表 2 PM模型模拟的日蒸散量与降水量、土壤相对含水量、土壤储水量变化的相关系数

4结论

水量平衡方程与PM模型的月蒸散量变化相似度较高,两种方法估算的尾巨桉林蒸散量差异不显著,PM模型可粗略估算尾巨桉林的蒸散量。通过提高尾巨桉林的PM模型模拟参数精度,尤其是尾巨桉林的空气动力学阻力精度,以及提高水量平衡各分量的实测精度,可进一步降低南宁低山丘陵区尾巨桉林蒸散量估算偏差,此外,研究期间的土壤含水量基本处于偏湿状态,土壤水分不成为南宁低山丘陵区尾巨按林蒸散的限制因子。

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