实际蒸散量测定方法与优化

林木实际蒸散量包括林冠截留量、林木蒸腾量和林地蒸量；草地和作物则包括草和作物冠层蒸腾量和土壤蒸发量。试验时可以采用单项测定相加，也可以采用水量平衡法即观测采用径流小区观测降水量与地面径流，采用卡口站观测出口径流，来推算蒸散量，前者是在方山县采用的方法，后者是在隰县河沟流域采用的方法。

5.1.1.1 方山土桥沟林木蒸散量试验

（1）林木蒸腾量的测定和计算（略，见林木耗水研究）。

（2）林冠截留量和林地蒸发量研究。

1）林冠截留量。林冠截留量一般占降水量10%，采用林内外降雨差值减去林木蒸腾量和干流量获得。本采用常规方法测得干流量。

2）土壤蒸发量。采用Micro-lysimeter微型土壤蒸发器，设定土壤重量含水量为4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%和20%，放置林地中利用表面用塑料膜覆盖，土壤水分充分下渗，揭开塑料薄膜，用TDR土壤水分测定仪与BP—3400精密天平（精度0.1g）测定典型天气全天（8：00～18：00）称重土壤蒸发量，同时布设ϕ20cm小型铜制蒸发皿，采用称重法测定水面蒸发量。通过对不同土壤水分条件下林地土壤蒸发量（裸地土壤蒸发量）和水面蒸发量的观测数据，经统计分析不同土壤水分条件下林地土壤蒸发量（裸地土壤蒸发量）与水面蒸发量的数学回归关系，建立了土壤蒸发模型，然后推算土壤蒸发量，试验确定的回归方程如下。

林地土壤蒸发：

式中 E1——林地土壤蒸发量，mm；

E0——水面蒸发，mm；

SWC——土壤重量含水量，%。

裸地土壤蒸发：

式中 E2——裸地土壤蒸发量，mm；

E0——水面蒸发，mm；

SWC——土壤重量含水量，%。

（3）蒸散量测算结果。根据以上方法，经多年试验与测算结果见表5.1、表5.2和表5.3。

表5.1　林分蒸散量试验成果表

续表

注　以上均为年平均值，刺槐为2～5年生，密度2m×5m；苹果4年生密度3m×4m；油松为18年生，密度1.5m×2m或1.5m×3m；白榆18年生，密度1.5m×2m或1.5m×4m；柠条10年生，密度1m×0.5m。以上林木或灌木林的郁闭度均达0.7。

表5.2　刺槐、苹果的林分蒸散量测算值表（1998～2000年）

注　密度为833～1110株/hm2，采取人工控制措施使土壤含水量在10%～11%条件下，Penman-Monteith方程每月取典型全天测定日蒸腾与蒸发速率，然后测算的林分蒸散量。因蒸散耗水量包括林地蒸发和林冠截留，因此在郁以为0.7以上时，不同林分总体上取平均值。

表5.3　适宜土壤水分条件下林木蒸散量表 单位：mm

注　油松为18年生，密度1.5m×2m或1.5m×3m；白榆18年生，密度1.5m×2m或1.5m×4m；柠条10年生，密度1m×0.5m；土壤含水量：榆树10.8%～13.7%，油松10.1%～14.7%，柠条10.3%～15.2%，土壤含水量12%～14%。

5.1.1.2 河沟流域不同地类蒸散研究

对林木的蒸散量计算方法土桥沟相同，但对农地、草地、灌木裸地的研究在实测（实测仍采用Micro-lysimeter微型土壤蒸发器法）基础上，通过建立土壤含量与土壤蒸发散的模型计算蒸发散，并通过水量平衡与土地利用对蒸散量进行校核的方法获取实际蒸散量（表5.4、表5.5）。

表5.4　河沟流域水量平衡表

表5.5　河沟流域不同林草和作物的水分平衡表

续表

（1）根据地表温度计算土壤蒸发率。本试验研究首先对地温、含水量、蒸散量进行实测，以此为校核基础。采用太阳辐射地温，并与土壤含水量来推算蒸发散。地表温度是表示蒸发过程中能量交换过程的一个特征量。根据Van Bavel与Hillel（1976年）提出的蒸发率计算方法，进行裸地蒸发率计算，测定与计算过程。

1）测定地表土壤水分的特征曲线。

2）测定地表土壤温度Ts与表层土壤含水量。

3）测定风速。

4）计算空气动力学阻力：

式中 rc——空气动力学阻力，s/m；

ra——rc绝热或中性条件下的空气动力学阻力；

Z——参考高度，为2m；

Z0——地表粗糙度系数；

Sa——风速，可以根据实测的风速梯度计算或估计；

St——稳定度修正系数；

Ri——理查逊数。

5）地表蒸发率：

式中 Es——地表蒸发率，mm/s；

Hs——在温度Ts下地表空气的绝对湿度，kg/m2；

Ha——在高度Z处的空气绝对湿度，kg/m2；

rs——土壤表面蒸发阻力；

H0——温度Ts时的饱和湿度；

R——通用气体常数（461.5J/kg·m2）；

ψ——地表土壤的基质势，可以根据地表土壤湿度从土壤水分特征曲线上查出；

g——重力加速度，9.81m/s2；

RH——相对湿度。

6）土壤表面蒸发阻力。土壤表面蒸发阻力主要与表层土壤含水量有关。本试验采用Camillo（1986年）提出的方法，用实测蒸发率与地表土壤含水量拟合以下计算公式

式中 rs——土壤表面蒸发阻力，s/m；

θ——表层土壤的含水量；

θs——表层土壤的饱和含水量；

a、b——拟合参数，a＝－753，b＝2686。

（2）根据地表能量平衡方程式计算地表蒸发率。地表能量平衡方程式为

式中 Rn——净辐射，W/m2；

L——水的汽化潜热（2.442E＋6J/kg）；

Es——蒸发率，kg/m2s；

LEs——蒸发所消耗的能量，W/m2；

A——加热空气的显热，W/m2；

S——进入土壤的热通量，W/m2。

根据地表能量平衡方程式，可以计算能量分配中的各分量。计算程序如下。

净辐射Rn的计算

式中 α——地表反射率，是土壤质地、地表土壤含水率与太阳高度角的函数。

简单地用土壤含水量的函数表达(www.xing528.com)

式中 ε——发射率，是地表含水量的函数，同时也与地表处理有关；

p——土壤孔隙度；

Rg——总辐射，W/m2；

RL——大气长波逆辐射，W/m2；

σ——Stefan—Boltzmann常数（5.67E－8W/m2K）；

Ca——空气容积热容量。

（3）干旱缺水条件下植物蒸发蒸腾量的计算。植物蒸发蒸腾速率低于无水分亏缺时的蒸发蒸腾速率。缺水条件下植物实际蒸发蒸腾量是天气条件、土壤水分条件和植物的生物学特性的函数。

式中 θa——计算时段的平均土壤含水量；

θwp——凋萎含水量；

θj——由实测资料分析确定的临界含水量。

当实际土壤含水量小于θj时，蒸发蒸腾明显受土壤水分的影响，否则，蒸发蒸腾受土壤水分的影响不显著。结果表明f（S）是土壤相对有效含水量的幂函数，即

式中 c，d——由实测资料确定的经验系数，它们随植物生育阶段和土壤条件而变化；

Kc——植物系数，主要取决于它的生态学特性。

根据资料分析表明，Kc是叶面积指数的线性函数，即

式中 a，b——经验系数，随植物的种类而变化；

LAI0——当植物群体叶面积指数增大到一定程度后蒸发蒸腾量不再随LAI增加而增加的临界值；

Kc0——植物系数的上限值，为1.10。

植物各阶段蒸发蒸腾量随土壤水分的变化规律较为一致，都是当土壤中相对有效含水量降低到一定值（θa－θwp）/（θjθwp）≈0.5后，土壤水分已成为限制因子，此时，蒸发蒸腾对于土壤水分的敏感性迅速增加，土壤水分对蒸发蒸腾的限制作用占很重要的比重。

综上所述，植物蒸发蒸腾量随其影响因素的变化关系可表达为

（4）河沟流域坡面土壤蒸发散模型。根据实测资料和上述两公式，从水量平衡的观点出发，在充分考虑了土壤和植物蒸发散的主要影响因子后，对土壤和植物的蒸发散进行了非线性回归，提出了如下的经验公式。经过反复检验，能够很好地反映坡地土壤和植物蒸发散的物理本质，较为准确地计算不同下垫面各个坡向的土壤和植物的蒸发散。

1）阳坡夏季与阴坡全年的日蒸散计算公式。

2）阳坡冬季的日蒸散计算公式。

式中 ETa——日蒸散量，mm/d；

LAI——不同时期植物的叶面积指数；

θ——土壤相对有效含水量；

θa——计算时段的平均土壤含水量；

θwp——凋萎含水量；

θj——由实测资料分析确定的临界含水量；

u——2m高度处的风速，m/s；

a——水分衰减系数，表明水分对蒸发的有效程度；坡向越偏南，a值越小，对蒸发的贡献越大；经回归分析，南坡采用0.55；东坡或西坡可采用0.63；阴坡可采用0.75；

es——饱和水汽压，hPa；

ea——2m高度处的水汽压，hPa；

Tmax——一天中最高气温，℃；

α——坡度，0°～60°；

β——坡向，以南坡0°开始从顺时针方向依次为西坡90°、北坡180°、东坡为270°。

利用当地2004年气象资料和实测的土壤水分资料，逐日计算各个坡向的蒸发散，得到4～10月不同坡向日平均蒸散量的结果，通过水量平衡分析验证，得出坡面蒸发散量表（表5.6）。

表5.6　河沟流域山水沟不同坡向日平均蒸散量计算表　单位：mm

续表

注　表中坡度均为30°；坡向分别为南坡0°，西坡90°，东坡270°，北坡180°；西坡和东坡覆盖度相同，均为40%～60%的天然草地；北坡为柠条灌木林，覆盖度为85%；南坡为草地，覆盖度为10%。

（5）根据水量平衡推算蒸发散。根据降水量观测、小区径流观测和卡口站观测出口径流，计算出流域1997～2000年的流域的降水量（P）、总径流量（R）、蒸散量（E）和Δ为年度水分余亏量，正值为水分盈余，负值为水分亏损。然后根据裸地、草地、灌木林地的观测与建立的蒸散模型测算的蒸散量，根据土地利用类型，反推至各土地利用类型上，并通过流域水量平衡进一步复核，测算不同地类的蒸发散。