作为森林生态系统中水分输出的重要方式，森林蒸散耗水历来是水文学和生态学研究中的一个热点和难点问题。尽管目前测定森林蒸散的方法很多(Wullschleger et al., 1998；Calder，1992；徐德应，1989；张劲松等，2001；王安志等，2001)，但由于测定目的和学科出发点的不同，迄今为止还没有一种理论上完美、实际操作简单快捷的方法，这就增加了对森林水分平衡研究的难度。

针对黄土高原独特的土壤特征，基于土壤水分平衡原理，孙长忠等(1996)提出了“单株平衡法”，其目的在于测定单株林木的蒸腾量和林地土壤蒸发量。然而，现在需要解决的问题是定量研究不同森林结构与其蒸散量及分量之间的关系，从理论上讲，这要求在充足的仪器设备支持下对多块平行样地进行同步观测研究，然而现实中很难满足这样的研究需求。

借助于“单株平衡法”的研究思路，根据对宁夏六盘山地区主要人工群落蒸散耗水的研究经验，提出了“多树水分平衡法”的概念和方法，其特点在于可以测定包含多株样树的样地的蒸散量及其分量，为区分和量化森林群落结构对蒸散总量及其组分的影响提供了可能。因此，该方法可用于直接研究不同树种组成及空间配置群落的蒸散耗水规律，定量确定森林群落结构与其蒸散及分量间的关系。

1 概念的提出、试验布置与计算方法 1.1 概念的提出

为了能够测定出不同结构(如密度)的森林群落的蒸散量及其分量组成，基于土壤水分平衡原理，对“单株平衡法”进行扩展，把多株林木(包括林下灌草和地被物)及其所占的林地作为一个系统和完整的研究单元，以测定林木群落的蒸散量和蒸腾量为核心内容，同时也测定林下植被的蒸腾量、土壤蒸发量等其他多项水量平衡分量，称之为“多树水分平衡法” (图 1)。

1.2 样地布设和计算原理

在试验林分内设置样地，进行每木调查，然后以平均木大小为准选择(几株)样木，按照林分的密度和树木生长的营养空间来确定研究单元的面积大小及其包含林木的株数。在确定系统边界的基础上，沿四周边界外侧挖1条深至母岩层(约1~1.5 m左右)的壕沟，用加厚塑料膜紧贴研究单元四周的土体，通过塑料膜的包裹使其与周围相互隔离，阻断土壤水分的交换(因为是半干旱地区，忽略壤中流的存在)。最后，尽可能地按照土层的顺序回填挖出的土壤，并沿研究单元的四周边界埋设隔离板或筑土埂，以防地表径流的水平交换。在研究单元的内部下方，沿边界设置一条宽10 cm的“V”型集水槽，槽底用塑料薄膜覆盖，用石块压实固定，以便收集单元内产生的地表径流，最后用出水管将其导入在单元外放置的径流收集器。

根据林地土壤水分平衡原理，可以写出“多树水分平衡法”系统的水量平衡方程：

(1)

式中：E_t、E_h、E_s分别为某一时段内林木的蒸腾量(mm)、林下灌草的蒸腾量(mm)和土壤蒸发量(mm)；P_o为该时段内林外的降雨量(mm)；I_c和I_l分别为林分冠层截持蒸发量(mm)和林地枯落物的截留量(mm)；ΔW为该时段观测场内土壤水分的变化量(mm)，R为系统产生的地表径流量(mm)。由于地处半干旱地区，降雨稀少，这里忽略了土壤水分向下输出的深层渗漏。

上述方程中，P_o、R和ΔW为实际观测值，E_h、E_s、I_c和I_l各项由下面提供的方法计算而得，最后求出剩余项E_t，因此方程可以写为：

(2)

1.3 水量平衡方程中各分量的观测与求算 1.3.1 林外(P_o)和林内降雨量(P_i)的观测

在试验林分外的空旷地布设SDM6型雨量器，测定林外降雨量；在试验林内典型地段(树冠下部和树冠间隙处)布设承雨面积为8~16 m²的塑料薄膜(3~5块)作为受雨器，并在其下安装带盖的水桶收集林内穿透雨。

1.3.2 林分内地表径流量(R)的观测

按照图 1设置集水槽和径流收集器，测定地表径流量。

1.3.3 林分树干茎流量的测定

树干茎流采用自制的树干茎流接受器，按照林分内树木径级大小(按2 cm整化)分别测定，最后由下式计算林分的树干茎流量：

(3)

式中：S_f为林分树干茎流量(mm)；A为林分面积(m²)；S_fi为第i径级样株树干茎流量(m³)；M_i为第i径级树木株数；n为林分总径阶数。本研究测定了4株样木(分别代表 3个分布频数最高的径阶)的树干茎流。

1.3.4 林分冠层截持耗水量(I_c)的测定

在以上分量观测的基础上，按下式计算林冠截持耗水量：

(4)

式中：I_C为林分冠层截持耗水量(mm)，其他符号意义同上。

1.3.5 林下植被蒸腾耗水量及土壤蒸发量测定

为测定林下土壤蒸发量及草本植物的蒸腾量，在林地内安置2组微型蒸渗仪(内径20 cm，高30 cm的圆柱体)。其中1组做土壤表面封蜡处理，只容许植物蒸腾耗水；另1组为对照，同时测定植物蒸腾和土壤蒸发。然后根据差值求算出林下土壤蒸发量和草本植物蒸腾量。

微型蒸渗仪的具体称重操作及计算方法为：待所栽植物恢复正常生长后，选择没有降水输入的不同典型天气，用DY20K型电子天平(最大称量为20 kg，精度为1 g)每隔24 h称量一次，用2次观测值之差作为当天植物蒸散或蒸腾的绝对量，并根据宋炳煜(1995)提出的公式换算成水层深度单位(mm)。

(5)

式中：ET为林下植物的蒸散量(mm)；ΔW_i为第i盆林下植物蒸渗仪相邻2次称量值之差(g)；s为蒸渗仪的开口面积(cm²)；n为布设蒸渗仪的总个数。蒸渗仪内的土柱可依据其内草本植物的生长情况好坏及时进行更换，一般7~15 d更换一次。

1.3.6 林地内土壤含水量变化(ΔW)测定

可根据研究的条件和仪器设备来决定林地内土壤含水量观测点的空间布置和测定频率。本研究中，在每个“多树水分平衡法”系统内各设置4个观测点，每个测点的土壤深度为1 m(深度基本达到母岩层)，在每月的月初和月中测定土壤剖面各层(0~10、10~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm)的含水量，采用烘干法，3个重复样，然后根据下式换算为水深单位。

(6)

(7)

(8)

1.3.7 枯落物截持耗水量(I_l)的测定

在林地内不同部位布设自制30 cm×30 cm木质方框，内设与林地等量的枯落物，并注意保持原有的结构。通过降水前后的质量差来测定枯落物截持量。本试验采用刘向东等(1989)对六盘山林区华北落叶松(Larix principi-rupprechtii)林分内枯枝落叶截持降水的研究，按照林内降雨量的20.9%计算截持耗水量。

2 实例应用

2002年5—10月，在宁夏自治区固原市原州区的赵千户林场，以14年生的华北落叶松人工林作为研究对象，应用“多树水分平衡法”研究了间伐后形成的2种不同密度结构的林分蒸散量及其分量，2个华北落叶松林分及其样木的生长情况见表 1，其他自然条件的描述见文献(熊伟等，2003)。

在样地Ⅰ和样地Ⅱ内各建立1个“多树水分平衡法”观测点，大小分别为4 m×4 m和2 m×6 m，前者系统内有4株样木，代表密度为2 500株·hm^-2的林分，后者有2株样木，代表密度为1 667株·hm^-2的林分。利用前面所介绍的方法计算了2002年5—10月林分的总蒸散量及分量(表 2)。

表 2表明，样地Ⅰ代表林分的总蒸散量为449.1 mm，比样地Ⅱ高8.02%，说明华北落叶松林分密度从2 500株·hm^-2下降到1 667株·hm^-2后，林分总蒸散量随之有所下降，但并不与林木株数的减少成比例。从林分总蒸散量的各分量来看，2个林分也有所改变：首先林分密度降低后，林分内林下植被的蒸散量由样地Ⅰ的136.9 mm提高到样地Ⅱ的153.4 mm而成为林地水分散失的最大分量；其次，林木蒸腾量由样地Ⅰ的192.7 mm下降到样地Ⅱ的145.1 mm而成为林地水分散失的第2大分量；其三，林分内枯落物的截留量由样地Ⅰ的51.2 mm增加到样地Ⅱ的68 mm而成为林地水分散失的第3大分量；其四，林冠层的截留量由样地Ⅰ的68.3 mm下降到样地Ⅱ的46.6 mm而成为林地水分散失的最小分量。可以看出，通过同步测定2种不同密度的林分，可以确定林分密度的改变所造成的林地总蒸散量及分量的组成变化。

3 “多株平衡法”的精度验证

为了对“多树水分平衡法”估计华北落叶松生长季蒸腾量结果的准确性进行验证，在同一样地内，同时采用热脉冲方法(熊伟等，2003)测定了生长季内华北落叶松林分的蒸腾量(图 2)。结果表明，应用“多株平衡法”估计华北落叶松样地Ⅰ和样地Ⅱ的生长季蒸腾量分别为192.7 mm和145.1 mm，分别低于热脉冲方法相应估计值的5.68%和13.68%。一是因为在本研究中采用刘向东等(1989)的研究结论，可能计算结果增大了林内枯落物的截留耗水量；二是损伤根系可能会导致蒸腾减少；三是在观测中不可避免地会产生一定的观测误差。但总的来看，“多树水分平衡法”的估算值和热脉冲方法的计算结果是相近的。

4 讨论

从理论上讲，“多树水分平衡法”将水量平衡原理、径流场测定和微型蒸渗仪等有机地结合起来，不仅能够在相对较小的空间内测定林分内水量平衡的各个分量，而且也可将林下的植被蒸腾和土壤蒸发从总量中分离出来，因此比较适合用于干旱和半干旱山区或坡面植物群落的蒸散量及其分量测定。同时，由于测定面积较小，在土壤含水量测定时减小了土壤水分分布的空间异质性影响，降低了结果的不确定性。

然而，本方法也存在一些缺点。其一，如果系统面积太小不仅会造成径流测定的较大偏差，而且由于在系统修建过程中不可避免地会破坏树木根系，从而也降低了系统内树木生长及生理状况的代表性；其二，由于条件限制，本试验采用土钻烘干法测定土壤含水量，取样时不可避免地损伤了部分植物根系，同时为减少取样干扰而使土壤水分的观测密度较低，不能实现土壤水分的高密度连续测定，建议在今后的测定中采用中子仪或TDR等非扰动或少扰动的土壤水分连续监测方法；其三，由于本试验中华北落叶松林分的垂直结构较为简单，林冠层下的灌木极少，因此没有考虑林下植被对降水的再次分配和截持作用；第四，在本研究中，由于“多树水分平衡法”观测系统面积较小，难以在其系统小区内同时布置各种水文过程测定，所以本文采用在研究样地中布设平行观测点加测的办法加以解决，这虽然在表面上无法保证各个水分平衡分量的测定在空间上完全保持一致，但由于各个测点距离较近，而且所选观测样木也与系统内样木生长状况较为接近，因此认为观测结论对于生长比较均一的人工林分还是可行的；最后，本研究中没有包括壤中流和深层渗漏的测定，这使得该方法在降雨量较多的季节或地区应用时可能会产生较大的误差，需要增加壤中流的测定和估计，尤其是增加深层渗漏的测定和估计，以便将此方法发展完善成为一个具有普遍应用性的研究方法。