蒸腾是植物耗水的主要方式，在土壤－植物－大气连续体(SPAC)水热传输过程中占有极为重要的地位，一直是农学、林学、气象学、水文学、生态学等相关学科领域共同关注的重要课题之一(张劲松等，2006)。随着水资源紧缺问题的日益严重，有关蒸腾问题的研究已受到国际社会的愈加重视(王鹤松等，2007)，因此研究树木耗水对水资源紧缺地区林业建设具有重要的理论指导意义。新疆杨(Populus bolleana)是内蒙古鄂尔多斯地区毛乌素沙地优势人工林树种，属当地林业生态工程建设的优选乔木树种。水分是影响该地区林业建设及植被恢复成效的最主要生态因素，但与该地区新疆杨防护林建设密切相关的蒸腾问题未见报道。当前长时期、连续测定植株尺度上林木蒸腾相对最为可靠的技术是热扩散液流法(thermal dissipation probe, TDP)(张劲松等，2006)。目前，虽已有学者(马长明，2004；张小由等，2005；Bladon et al., 2006；Gazal et al., 2006；Zalesny et al., 2006；刘文国等，2007；申李华，2007)采用该方法研究杨树蒸腾问题，但这些研究基于研究目的及目标等原因，未深入分析蒸腾速率的影响机制；而且，由于各地气候条件存在差异，故某一试验地区的研究结论不一定能完全适用另一地区的生产实践。为此，本文采用TDP技术测算毛乌素沙地新疆杨主要生长季节蒸腾速率，结合气象因素、土壤水分、水面蒸发、叶面积指数等观测数据，分析新疆杨蒸腾变化特征及其机制，以期能为毛乌素沙地农田防护林的建设和发展提供必要的水分生态理论依据。

1 试验地概况及研究方法 1.1 试验地概况

试验地位于38°57′—39°61′ N，109°17′—109°21′ E，海拔1 200~1 350 m的内蒙古鄂尔多斯市乌审旗图克苏木境内的毛乌素沙地整治开发研究中心。该区属于半干旱与干旱区过渡地带，年均降水量360 mm，其中80%降水集中于6月中旬至9月中旬；年蒸发量为2 100~2 600 mm，年日照时数2 700~3 100 h，≥10 ℃积温2 500~3 200 ℃，年均气温6~8 ℃，最热月7月平均气温20~24 ℃，最冷月1月平均气温－12~－8 ℃，无霜期130~160天。年均风速3.3 m·s^-1，以西北风为主，大风多集中于4—5月。地带性土壤为栗钙土，试验区的土壤除滩地上的沙地草甸土外，绝大部分为风沙土。试验地地下水资源丰富，地下水埋深1.0~1.5 m(桑玉强等，2006)。

1.2 试验材料

本试验研究对象为新疆杨防护林带，由单排新疆杨组成，林木长势良好。林带走向与主风向垂直，为东北-西南走向，林带长200 m，带间距150 m，株距2 m，树龄21年，平均树高15.0 m，平均胸径21.1 cm。

1.3 观测项目及方法 1.3.1 蒸腾速率的观测与计算

通过每木检尺，从防护林林带中选取4株相邻、干形通直、生长良好的样株，样株平均树高为17.7 m，胸径为20.9 cm，边材面积为341.13 cm²。在各样株东、南、西、北4个方向胸径处分别采用TDP技术测定液流，树干液流的计算公式如下(Granier，1987；Granier et al., 1996)：

式中：F_s为树干液流速率(L·h^-1)，可近似为蒸腾速率(Fredrik et al., 2002)；K为无量纲参数，dT为2个探头之间的温差，dT_m为1日内2个探头的最大温差值，A_s为边材面积(cm²)。以各单株4个方向液流速率的平均值为单株液流速率(F_s)，以4株样株的F_s平均值为最终分析值。程序设定每2 min采集1次数据，每10 min保存1次平均数据。观测时期：2004年4月1日—9月30日逐日观测。

1.3.2 气象要素的观测

在距离试验地200 m处开阔地，采用气象自动监测系统连续观测空气温度(T_a)、相对湿度(RH)、风速(V)、太阳总辐射(Q)、降雨量(P)等气象因子。Q，V，T_a，RH，P所用传感器探头分别为LI200X，05103，HMP45C，TE525M。数据采集器型号CR10X。观测时间与树干液流观测同步。

1.3.3 土壤水分

从防护林带中部沿垂直于林带方向开始，在林带两侧距离林带0，0.1，0.3，0.7，1，1.5，3，5H处埋设土壤水分测管(H为树高)，采用AquaPro-Sensors(APS；Reno, Nevada, USA)系统测定土壤体积含水量，测定深度可达200 cm。从土壤表层向下每10 cm作为1个层次，每10天测定1次测定土壤含水量，雨后加测，并采用烘干法对APS法进行校正。用0~1H处0~150 cm土层土壤含水量平均值作为最终值，分析土壤水分对新疆杨蒸腾的影响。

1.3.4 叶面积指数

新疆杨在4月下旬开始展叶，从4月30日起采用LAI-2000植被冠层分析仪(LI-COR，Inc.，Lincoln，NE)测定其叶面积指数(leaf area index，LAI)，每隔10天左右测定1次。

1.3.5 水面蒸发

水面蒸发数据取自距离试验地12 km的乌审召气象站。

2 结果与分析 2.1 新疆杨蒸腾的日际及月变化特征

对新疆杨主要生长季节(4—9月)各日对应时刻的蒸腾速率进行累加，得到新疆杨日耗水量，并计算出各月耗水量(表 1)及日际、月变化曲线(图 1)。

由图 1及表 1可知，从4月下旬起，随着叶片的增大、叶面积指数的增加，新疆杨蒸腾量逐渐增加，6月蒸腾达到最大值，其主要原因为6月份新疆杨枝叶完全展开，枝叶繁茂，加上高温、强辐射等气象因子的作用，使得蒸腾达到最大。计算表明：在2004年主要生长季节，新疆杨单株蒸腾总量为5 300.96 L，6月份总量为1 073.82 L，占生长期总量的20.26%，日平均量为34.64 L。

2.2 新疆杨蒸腾速率与气象因子的关系

气象因子是影响植物蒸腾作用的重要因素，在自然条件下，各气象因子并不是独立作用，而是综合影响植物蒸腾。为阐明气象因子对新疆杨蒸腾速率的影响，本研究选择Q，T_a，RH和V等4个气象因子作为自变量，对生长季节各月的气象因子与蒸腾速率T_r进行了回归分析，建立了多元回归方程(表 2)。

由表 2中可以发现，气象因子与新疆杨蒸腾速率具有很好的复相关关系，各月F值均显著大于理论值(α=0.01)。4—9月全时段内，气象因子与新疆杨蒸腾速率间的复相关系数r=0.879，F=15 509.78>F_0.01(4, 18 284)=3.32，通过显著性检验。各月分及整个生长期新疆杨蒸腾速率与各气象因子的偏相关系数如表 3所示。不论各个生长月份还是整个生长期太阳辐射与蒸腾速率均呈现正相关。在整个生长季节，太阳辐射对蒸腾速率的偏相关系数最大，达到0.561，说明太阳辐射对蒸腾速率的影响最大。同时，新疆杨蒸腾与太阳辐射相比具有一定的滞后性，在4月份尤为明显。从表 3还可以看出空气温度与蒸腾速率呈现为正相关，而相对湿度与蒸腾速率呈现为负相关。风速与蒸腾速率的相关性不确定，偏相关系数有时为正值，有时为负值。

2.3 新疆杨蒸腾耗水与土壤水分的关系

植物蒸腾除了与植物自身特性、气象因子有关外，还受土壤水分状况的影响。本研究以0~1H处各个测点0~150 cm土层土壤含水量平均值作为最终值，选择典型晴天，分析土壤水分与新疆杨蒸腾的关系(图 2)。由图 2中可以看出，土壤水分波动范围为19.8%~21.6%，新疆杨日耗水量变化范围为27.0~37.8 L。6月25日和7月5日土壤水分含量最低，分别为19.5%和20.1%，新疆杨日耗水量最高，分别为37.8和38.0 L。相关分析表明(图 3)，土壤水分与新疆杨蒸腾速率的相关性不大(R²=0.138)。说明在观测期内土壤水分并没有成为限制新疆杨耗水量大小的主要因子。

2.4 新疆杨蒸腾速率与LAI、水面蒸发的关系

植物的蒸腾受到植物、大气、土壤水分等多种因素的综合影响。LAI作为1个重要生理指标，是影响植物蒸腾的主要生物因子。水面蒸发(water surface evaporation, EV₀)虽然不同于自然条件下的蒸发能力，但能够反映出不同生境下的最大蒸发能力，是1个能反映光、热、水、温等综合因素的小气候因子，显然和植物的蒸腾有着密切的关系。因本试验中土壤水分对新疆杨蒸腾影响不大，本文对LAI、水面蒸发对蒸腾变化关系进行了拟合。

利用2004年4—9月新疆杨日蒸腾量(T_r)，建立新疆杨日蒸腾量与日水面蒸发(EV₀)×新疆杨叶面积指数(LAI)的关系，对2者进行回归分析，结果表明：新疆杨蒸腾量与水面蒸发×叶面积指数具有较好的幂函数关系(图 4)，相关系数为0.83(n=50)，拟合方程为：

3 讨论

本研究发现新疆杨最大耗水量出现在6月，这与刘文国等(2007)、涂洁等(2008)的研究结果一致，而马长明(2004)发现小叶杨(Populus simonli)蒸腾量最大出现在9月，张小由等(2006)、Si等(2007)发现黑河下游胡杨(P.euphratica)林最大耗水出现在7月。产生差异的原因除与树种自身特性有关外，主要在于研究区域的气候差异及试验地立地条件不同。

新疆杨蒸腾速率与气象因子的关系表明，影响新疆杨蒸腾的最主要气象因子为太阳辐射，这与其他同类研究结果基本一致(Chang et al., 2006；曹云等，2006；张劲松等，2006；刘文国等，2007；马玲等，2007；涂洁等，2007；Si et al., 2007；赵文飞等，2007)。但王瑞辉等(2006)通过对北京西山地区元宝枫(Acer truncatum)生长旺季液流分析，发现不同观测时段和观测部位影响液流的主导因子不完全相同，只有空气温度在任何情况下都是影响液流的主导因子。孙龙等(2007)研究发现影响生长季红松(Pinus koraiensis)树干液流的主要环境因子为蒸气压亏缺和光合有效辐射。与本研究结论不一致的原因在于不同树种间生理生态存在差异性。本研究及徐军亮等(2006)、马玲等(2007)、谢恒星等(2007)、赵文飞等(2007)均发现蒸腾速率与太阳辐射存在着一定的滞后性，且由于观测季节、地点、树种本身及不同部位差异，其滞后时间有一定差异。产生时滞的主要原因在于：植物体内的贮水现象(Chuang et al., 2006)和光诱导气孔开放的时间。风速与蒸腾速率的相关性不确定，偏相关系数有时为正值，有时为负值，说明风速对植物蒸腾速率的影响比较复杂。Nuberg(1998)对Penmen-Monteith公式进行剖析，也认为：风速减少会使能量驱动项(energy driven component)降低的同时，也会增加扩散驱动项(diffussion driven component)，最终取决于能量驱动项和扩散驱动项的相对变化程度(张劲松等，2003)。

在影响植物蒸腾的因素中，生物因素决定蒸腾的潜在能力，土壤供水决定蒸腾的总体水平，而气象因素决定蒸腾的瞬间变动。Mcllroy(1984)研究认为在足够干旱的条件下，土壤供水本身可以决定植物的实际蒸腾速率，而气象因子的影响效果则相对较小。而Chelcy等(2004)认为在土壤含水量相对充足的地区，树木耗水量则与直接作用于蒸腾作用介质(以叶片为主)的辐射强度和水汽压亏缺等环境因子更为相关。本研究结果发现土壤水分对新疆杨蒸腾影响并不大，其原因可能在于本试验地地下水位较高，在多雨年份可达到地表，低洼处有季节性积水，在干旱年份滩地地下水埋深0.5~1.5 m，且新疆杨根深叶茂，能从较深层次的土层中或者直接从地下水获取水分，供蒸腾水分的消耗(Zhang et al., 1999)。间接证实了本研究立地条件下，新疆树蒸腾作用受土壤含水量影响不大，很大程度上受太阳辐射等气象因子控制。

新疆杨日蒸腾量与叶面积指数×水面蒸发的关系用乘幂函数拟合效果较好，相关系数为0.83。表明通过建立蒸腾速率与LAI及EV₀的拟合方程，可较好地推算新疆杨日耗水量。鉴于长期逐日进行光、温、水、热等因子的小气候观测具有很大的困难和艰巨性, 而逐日获取日水面蒸发资料相对比较容易，因此，以水面蒸发和叶面积指数为自变量的蒸腾需水经验模式为长期、连续逐日地计算新疆杨蒸腾量提供了借鉴思路。

4 结论

1) 主要生长季节(4—9月)，单株新疆杨蒸腾量为5 300.96 L，月最大耗水出现在6月，占生长期总耗水量的20.26%。

2) 新疆杨蒸腾速率与各气象要素有很好的复相关性，与太阳辐射、空气温度表现为正相关，与相对湿度表现为负相关，与风速的关系不确定。新疆杨日蒸腾与土壤含水量相关不大，本试验中土壤水分不是影响植物蒸腾的限制因子。

3) 新疆杨日蒸腾量与叶面积指数×水面蒸发的关系用乘幂函数拟合效果较好，相关系数达到0.83。

4) 本研究仅测算、分析了1年内新疆杨的蒸腾变化，今后应该进一步分析不同气候年型新疆杨的蒸腾变化规律，并从林带尺度上研究水分供求关系，为防护林带的合理结构配置及水分管理提供理论依据。