Difference of daily understory evapotranspiration under two water conditions in Larix principis-rupprechtii plantation

研究区为六盘山北部叠叠沟小流域，位于宁夏回族自治区固原市原州区，距固原市市区约15 km。35°54′12″~35°58′33″N， 106°04′55″~106°09′15″E。小流域面积为25.4 km²，属典型的半干旱大陆性季风气候，年均降水量为449.0 mm，集中于6—9月，潜在蒸散为1 100.0 mm，年均气温为6.5 ℃，无霜期为130.0 d；海拔为1 975~2 615 m，相对海拔为640 m。东坡、西坡为主要坡向，坡度为10°~42°。土壤类型主要为灰褐土，占总面积的90%以上，其石砾体积含量平均为5.96%。

小流域内土地利用类型以自然草地为主，种类主要有铁杆蒿Artemisa gmelinii、本氏针茅Stipa capillata、白羊草Bothriochloa ischaemum等；森林以人工林为主，主要为阴坡、半阴坡的华北落叶松林，以及少量的杨树Populus spp.林，郁闭的林下灌木少且分布不匀；灌从分布较多，主要有虎榛子Ostryopsis davidiana、黄刺玫Rosa xanthina、沙棘Hippophae rhamnoides等。

在小流域下游建立面积为30 m×30 m的华北落叶松人工林固定样地，地理坐标为35°58′18″N，106°08′50″E，海拔为2 050 m，坡向为北偏西30°，下坡位，坡度约为11°。该林营造于1986年，2013年观测时的林分密度为1 600株·hm⁻²，平均胸径为10.56 cm，平均树高为10.1 m，郁闭度为0.89，最大叶面积指数为4.0。该林分结构层次单一，林下灌木层不明显，盖度小于0.05；林下草本层盖度为0.75，主要有铁杆蒿、羽叶凤毛菊Saussurea maximowiczii、茭蒿Artemisia giraldii等。土壤为灰褐土，质地为砂壤土，厚度大于1 m。

采用微型蒸渗仪测定林下日蒸散量^[4]。为保持固定监测样地内的土壤完整性，在样地外附近选择可代表样地内树冠遮蔽、冠层重叠程度及草本植物覆盖情况的地点，在空间上相对均匀地安装了11个微型蒸渗仪，其内筒上方均包含未扰动的原状土柱[30 cm (高)×20 cm(直径)]、原状凋落物及草本植物。为分析不同土壤水分条件的林下日蒸散量差异，对6个微型蒸渗仪进行了防水处理，即在蒸渗仪内加水使其土壤含水量达到饱和，并在蒸渗仪上方1.5 m处设置防水布架并保持自由通风。遮雨处理通过人工实现，即白天基于天气预报每次降水来临前及时盖上防水布以遮断降水输入，不降水时打开防水布使其处于自然条件，夜间因林内空气相对湿度大，保持防水布始终盖上的状态。这种没有降水输入的林下蒸散量称为防水蒸散量。另外5个蒸渗仪均处于自然条件下，其蒸散量称为自然蒸散量。测定时间为8月1日至11月1日，每天8:00称量1次。称取蒸渗仪当天质量(m₁，kg)和后1天质量(m₂，kg)，观测得到时段内的林内穿透水量(P，mm)和接水盆渗漏水量(L，mm)，由公式E_T= [(m₁－m₂)/(3.14×0.01)+P−L]计算林下日蒸散量(E_T，mm)，精确到0.001 kg。

在林外开阔处，设置1台WeatherHawk-232自动气象站，测定的气象指标包括太阳辐射强度、气温、空气相对湿度、风速、降水量等。参考有关文献计算饱和水汽压差^[19]和潜在蒸散^[20]。此外，在固定样地内设置1台LI-1400小型自动气象站，连续观测20 cm深度的土壤温度。在样地内选择能代表树冠遮蔽和冠层重叠程度的地点，按照上、中、下位置利用棋盘式共布置12个雨量筒(直径20 cm)，其测定雨量的算术平均值为林内穿透水量(P，mm)。

在蒸渗仪安装前，对每个蒸渗仪编号并称量(G_e)。11月3日，将带土柱的各蒸渗仪称量后倒出湿土混匀，并取6个土样，放入铝盒中带回实验室，在烘箱内105 ℃烘24 h后，计算蒸渗仪内土壤在11月3日的含水量(V₁)，并由此计算各蒸渗仪中的干土质量(G_dw)。然后，利用研究期间测定的各日蒸渗仪质量(G_d)计算各日的土壤质量含水量(V_d)：V_d =(G_d−G_e−G_dw)/G_dw。

利用环刀法分别测定0~10、10~20、20~30 cm土层的土壤密度(D_s)，取其均值作为0~30 cm土层的土壤密度，用于计算每日蒸渗仪内的土壤体积含水量(V_SMd)：V_SMd=V_d×D_s。在样地上、中、下3个部位，安装管式土壤水分测定仪(TDR)，采用TDR时域反射仪监测土壤湿度，测定时间与每日蒸渗仪同步，测量深度为0~80 cm，均分4层测定。将3处监测点的平均值作为样地的土壤体积含水量。

使用Excel 2016整理数据，利用Origin 21.0作图，利用Origin 21.0中Correlation Plot作防水和自然条件林下日蒸散量与气象因子、土壤温度、土壤体积含水量的相关分析图。

研究期间日均气温和日潜在蒸散量总体呈逐渐降低的波浪状变化(图1)，其均值分别为12.02 ℃和2.61 mm·d⁻¹，极差分别为18.69 ℃和5.53 mm·d⁻¹，变异系数分别为41.43%和51.86%；降水量总和为297.0 mm，其中，8和9月分别为145.0、119.0 mm，占比分别为48.82%和40.07%；林地土壤体积含水量呈波浪状变化，平均为37.57%，在8、9、10月分别为35.69%、38.93%、38.13%。

Figure 1.  Change dynamics of meteorological factors and soil moisture

由图2可见：在8、9、10月，自然降水的平均土壤体积含水量分别为42.85%、45.66%、40.67%，总蒸散量分别为67.06、36.32、29.49 mm；土壤体积含水量因降水不断输入干扰而呈波动范围大和减幅较小的变化特征，与林下日蒸散量的变化趋势不同且相关不显著(图2)。在8、9、10月，防水条件的平均土壤体积含水量分别为38.93%、24.60%、17.36%，总蒸散量分别为54.22、20.07、11.35 mm；土壤体积含水量连续降低，波动幅度小且降幅逐渐减小，8、9、10月的减幅分别为21.81%、8.17%、4.62%，与林下日蒸散量的变化趋势基本相同，且与林下日蒸散量极显著正相关(P＜0.01)。

Figure 2.  Change dynamics of understory evapotranspiration and volumetric soil moisture under two water conditions

相关分析(图3)显示：2种水分条件的林下日蒸散量与多个环境因子的相关性呈相似的变化特征。林下日蒸散量与空气相对湿度、降水量、自然条件的土壤湿度呈显著负相关(P＜0.05)，与其他环境因子均呈正相关。自然条件的林下日蒸散量与降水量显著负相关(P＜0.05)，与空气相对湿度、风速、饱和水汽压、降水量的相关性强于防水条件的林下日蒸散量，与太阳辐射、土壤温度、气温、潜在蒸散的相关性弱于防水条件的林下日蒸散；防水条件的林下日蒸散量与土壤体积含水量显著正相关(P＜0.05)。

Figure 3.  Correlation analysis between daily understory evapotranspiration and influencing factors

从8月1日至10月31日，有无雨水输入造成的不同土壤水分条件下的林下日蒸散量差值的变化见图4A。在8月，除了前2 d内因人为浇水导致自然降水的日蒸散量低于防水条件从而使两者差值为负值外，之后的两者差值均为正值。2种土壤水分条件的林下日蒸散量差值总体在中期较大，前期、后期相对较小，主要是因前期两者的土壤湿度差异较小，后期的潜在蒸散能力减弱。在8、9、10月，自然降水与防水条件下日蒸散量之差的均值依次为0.41、0.54、0.59 mm·d⁻¹。在9、10月，两者的差值较大，甚至高于防水条件日蒸散量，说明8—10月随着土壤水分差异的增大(8、9、10月两者的土壤体积含水量差值依次为3.92%、21.06%、23.31%)对林下日蒸散量的影响也在逐渐增加。

Figure 4.  Seasonal variation of understory evapotranspiration difference and ratio under two water conditions

自然降水、防水条件2种条件的林下日蒸散量比值的日变化存在很大波动(图4B)，变异系数为38.49%，但总体呈逐渐增大趋势，在8、9、10月依次为：1.29、1.91、2.74，主要因为2种条件的蒸渗仪内土壤湿度差异(8、9、10月两者的土壤体积含水量比值依次为1.13、1.87、2.36)逐渐增大导致的。

在晴天、多云、阴雨天气下，2种土壤水分条件的林下日蒸散量差值依次为0.74、0.46、0.26 mm·d⁻¹，主要是因不同天气条件的蒸散潜力存在差异，晴天较大、阴雨天较小；两者的林下日蒸散量比值依次为2.12、1.79、2.11，这与多云天多集中在8月，土壤湿度差异相对较小(两者的土壤体积含水量比值依次为1.88、1.69、1.82)有关。

相关分析(图3)表明：2种水分条件的林下日蒸散量与潜在蒸散均呈显著正相关(P＜0.05)。为在排除潜在蒸散影响后评价土壤水分条件对林下日蒸散量的影响，将潜在蒸散分为6组(0~1、1~2、2~3、3~4、4~5、5~6 mm·d⁻¹)作图分析(图5)，可知在各级潜在蒸散时2种水分条件的林下日蒸散量均随土壤体积含水量增加而增加。总体来看，自然降水的林下日蒸散量均高于防水条件的林下日蒸散量。这主要是因为前者土壤湿度一般都高于后者，但在两者土壤湿度相近时(图5中潜在蒸散大于3 mm·d⁻¹的个别数据)，其林下日蒸散量数值也相近，说明两者遵循相同的林下蒸散变化规律。

Figure 5.  Variation of daily understory evapotranspiration with volumetric soil moisture under different potential evapotranspiration

由图6可知：随着2种水分条件的土壤体积含水量差值增加，两者林下日蒸散量的差值在潜在蒸散为3~6 mm·d⁻¹时呈明显的逐渐增大趋势，但在其他潜在蒸散范围(0~3 mm·d⁻¹)内增加的较为平缓。当潜在蒸散为3~6 mm·d⁻¹时，土壤体积含水量的差异极大地影响林下日蒸散量。由表1可知：随着潜在蒸散量逐渐增加，自然降水和防水条件日蒸散量、防水条件土壤体积含水量均呈明显逐渐增大趋势，两者间均呈线性关系(图7)，而自然降水土壤体积含水量呈微弱逐渐下降趋势。

Figure 6.  Daily variation of understory evapotranspiration difference between two water conditions with the volumetric soil moisture under different potential evapotranspiration

Figure 7.  Variation of daily understory evapotranspiration and its difference, the ratio of understory evapotranspiration difference to volumetric soil moisture difference under two water conditions with the mean value of potential evapotranspiration

随着潜在蒸散量逐渐增加，2种水分条件的林下日蒸散量差值呈现先增大后减小的单峰变化，两者呈二项式关系(图7)，土壤体积含水量差值呈逐渐减小的趋势(表1)，林下日蒸散量差值与土壤体积含水量差值的比值呈指数函数变化(图7)。当平均潜在蒸散分别为0.64、5.38 mm·d⁻¹时，土壤体积含水量的差值分别为22.58%、0.66%，林下日蒸散量的差值分别为0.30、0.53 mm。在潜在蒸散量较大时，水分条件变化对林下日蒸散量的影响更大。这可用2种水分条件的林下日蒸散量差值与土壤体积含水量差值的比值来表示，当潜在蒸散大于3 mm·d⁻¹时，两者的比值成倍增加；当潜在蒸散大于5 mm·d⁻¹时，两者的比值成指数增加。由此可知：当潜在蒸散大于3 mm·d⁻¹时，土壤湿度对林下蒸散影响增大；当潜在蒸散大于5 mm·d⁻¹时，土壤湿度对林下日蒸散量影响极为明显。

本研究表明：虽然林下蒸散同时受降水、气温、太阳辐射等气象条件的综合影响，但在8—10月的研究期间，林下日蒸散量整体呈逐渐减小趋势。这主要是因为研究期间与林下蒸散呈正效应的气象因子(太阳辐射、气温、风速、饱和水汽压差等)均呈逐渐降低趋势，气温和土温降低、太阳辐射减弱、饱和水汽压差和潜在蒸散减小等均会导致林下蒸散量减小，而相对湿度与林下蒸散存在负效应。以往研究得出相似结论，如有分析表明：潜在蒸散与气温、风速、日照时数呈正相关，与相对湿度呈负相关^[21]，蒸散的减小与太阳辐射减弱有关^[22]，潜在蒸散量主要受风速和温度的影响^[23]。本研究中，林下日蒸散量波动幅度较大，这与波浪状的日潜在蒸散和脉冲式降水条件密切相关。自然条件时的林下日蒸散量数值及波动范围均大于防水处理，原因是防水处理遮断了降水输入，造成土壤含水量低于自然条件，从而限制了林下蒸散。自然条件的林下日蒸散量与土壤体积含水量相关性不显著，主要是因为受脉冲式降水输入的不断干扰，土壤湿度对林下蒸散的影响较小；防水条件的林下日蒸散量与土壤体积含水量显著正相关，表明林下蒸散受土壤湿度的影响较大。

2种水分条件下的林下日蒸散量影响因子大致相同。总体上看，林下蒸散量与潜在蒸散、太阳辐射、土壤温度、气温、饱和水汽压差等因子的相关系数较高。王云霓等^[16]研究表明：太阳辐射、饱和水汽压差、土壤水分是内蒙古大青山华北落叶松林林地蒸散的主要影响因子；穆艳等^[15]认为：苹果Malus pumila林地土壤蒸发量的季节变化与气温、太阳辐射等密切相关。上述研究中，林地蒸散的主要影响因子与本研究相似。自然条件时林下日蒸散量受降水影响较大，而降水输入导致土壤湿度仅在一定范围内波动，所以对林下蒸散量的影响较小；防水处理的林下日蒸散量受土壤体积含水量影响较大。然而，林冠结构、林分叶面积特征均会影响林冠下的气温、太阳辐射等气象条件^[24]，因此林下蒸散还受林冠遮阴、叶面积指数的影响^[25]。还有研究发现：林下草本植被高度、盖度、生物量等特征也会影响林下蒸散^{[14, 26]}，所以影响2种水分条件下林下蒸散的环境因子相似但其作用大小有异。

2种水分条件的林下日蒸散量差值的逐日变化也有较大波动，总体表现为中期较大，前期和后期相对较小，主要是由降水、太阳辐射等气象条件及土壤湿度不同导致的。2种水分条件的林下日蒸散量差值晴天时(0.74 mm·d⁻¹)较大，阴雨天时(0.26 mm·d⁻¹)较小，主要是因为阴雨天太阳辐射和气温较低，空气相对湿度较高^[19]，导致大气蒸散潜力相对较弱，2种条件的林下日蒸散量均较小，两者的差值也随之变小。2种水分下的林下日蒸散量差值的变化顺序主要受土壤含水量差异影响，如8、9、10月的日均土壤体积含水量差值依次为3.92%、21.06%、23.31%，日均蒸散量差值依次为0.41、0.54、0.59 mm·d⁻¹。原因是8月土壤含水量(可蒸散用水)差异不大，导致日均蒸散量差值较小；9月气温相对较高、土壤湿度差异较大，日均蒸散量差值居中；10月气温降低、太阳辐射减弱(潜在蒸散减小)，但土壤湿度差异最大，导致日均蒸散量差值最大，表明了土壤湿度的影响大于气象条件的影响。

本研究区降水主要集中于7—9月。有学者在相同区域发现：林下蒸散主要集中在6—9月，其中8月林下蒸散量最大^[18]。以往研究主要集中于环境因子对林下蒸散(林地蒸散、土壤蒸发)的作用，如刘栋等^[27]认为：影响油茶Camellia oleifera林地土壤蒸发的因子存在阶段性差异，前期主要为气温、地温等，中期为气温、空气相对湿度等，后期为地温、太阳辐射等。吴友杰等^[28]认为：影响土壤蒸发的主要因素为土壤含水量和太阳辐射。本研究主要对遮断降水输入和自然降水输入2种条件的林下蒸散进行分析，采用不同蒸散潜力时2种水分条件的林下日蒸散量差与土壤体积含水量差的比值表示土壤湿度对林下蒸散的影响大小，表明当潜在蒸散小于3 mm·d⁻¹时，土壤湿度对林下蒸散影响较小；当潜在蒸散大于3 mm·d⁻¹时土壤湿度的影响增大；当潜在蒸散大于5 mm·d⁻¹时，土壤湿度的影响极明显。随着潜在蒸散增加，2种水分条件的林下日蒸散量差与土壤体积含水量差的比值成指数倍地增加，土壤湿度对林下蒸散的影响增强。本研究从8月初开始，在11月初结束，潜在蒸散基本呈现逐渐减小趋势。若实验是从5月初开始，不同蒸散潜力时的林下日蒸散量与土壤体积含水量、2种水分条件的林下日蒸散量差值与土壤体积含水量差值的关系可能会与现有研究结果有所不同，所以未来应该继续加强研究。

本研究在六盘山北部半干旱的叠叠沟小流域，监测分析了自然降水和防水处理2种水分条件的华北落叶松人工林林下日蒸散动态。总体上，2种条件的林下日蒸散量在8—10月均呈逐渐减小趋势，自然条件的林下日蒸散量及波动均大于防水处理。相关分析表明：自然降水的林下蒸散量与降水呈极显著负相关，防水处理的林下蒸散量与土壤湿度呈极显著正相关(P＜0.01)，2种条件的林下蒸散与其他环境因子的相关性相似。自然降水与防水处理的林下日蒸散量的差值总体在中期较大，前期和后期相对较小；自然降水与防水处理的林下日蒸散量的比值为逐渐增大的波浪状变化。在将潜在蒸散分为6级后，随其平均值增加，2种条件的林下蒸散量均呈明显增大的线性关系，林下日蒸散量差值呈先升后降的二项式关系，林下日蒸散量差值与土壤体积含水量差值的比值呈指数函数关系。