蒸散是地面整體及陸地生態(tài)系統(tǒng)植被向大氣輸送的水汽總通量，是水分平衡的主要分量，包括系統(tǒng)蒸發(fā)和植物蒸騰。蒸散是一個復(fù)雜的連續(xù)過程，全面了解蒸散需要氣象-土壤-植物-水文等多學(xué)科知識，其對探求水分循環(huán)規(guī)律、正確認(rèn)識陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和水文功能具有重要意義。約60%左右降水被蒸散所消耗，在農(nóng)田系統(tǒng)中則有99%用水被蒸散消耗（Kite，2000），蒸散作為水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)對于了解水循環(huán)過程!合理利用有限水資源有重大意義（Sellers，et al.，1996）。
此外，蒸散作為水文和生物過程連接因子是衡量生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)（Aber，et al），作為能量平衡的組成部分則反映了系統(tǒng)可利用能，可作為生物多樣性、生物區(qū)域分布的指示因子（張新時）。同時蒸散與變化密切相關(guān)，對諸如CO2濃度變化等敏感，對研究植被與變化間的相互關(guān)系意義重大（Dow et al.，2000；許振柱，2003）。
但直至目前為止蒸散研究多以均質(zhì)下墊面（草地、農(nóng)田等）研究為重點，而非均質(zhì)下墊面研究的大多數(shù)理論與方法都直接來源于均質(zhì)下墊面蒸散研究，且都建立在其基本假設(shè)之上（Angel，et al.,2004）。然而，不同下墊面在結(jié)構(gòu)與功能上存在著顯著差異，很多假設(shè)在不同下墊面不能很好地應(yīng)用，導(dǎo)致在蒸散研究中，仍沒有通用的方法。因此總結(jié)蒸散研究現(xiàn)有理論和方法，研究其適用性、發(fā)展基于新技術(shù)和新途徑的研究方法成為必然。（劉京濤、劉世榮，2006）
2 觀測系統(tǒng)設(shè)計
2.1 目標(biāo)
AZ-W0402陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散觀測系統(tǒng)從研究尺度轉(zhuǎn)換的角度著手，充分考慮了從點到片再到面的陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散觀測思路。采用基于熱平衡技術(shù)的植物液流測量單元（液流計）*連續(xù)定位觀測單株植物（農(nóng)作物、灌草和樹木）莖干液流量，了解不同植物的蒸騰耗水規(guī)律及其主導(dǎo)影響因子；采用自動稱重式蒸滲儀原位*連續(xù)觀測單個林分或植物群落蒸散量的數(shù)據(jù)，掌握典型植被類型的水文動態(tài)變化規(guī)律及水分利用效率；對于更大范圍如區(qū)域尺度內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)蒸散及生態(tài)系統(tǒng)水文時空分布格局的觀測，僅僅靠有限的“點”和“片”觀測來簡單推算更大范圍的通量顯然有很大的誤差，AZ-W0402陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散觀測系統(tǒng)采用基于目前可以直接測量像元(km)尺度非均勻下墊面顯熱通量技術(shù)的LAS大口徑閃絡(luò)儀，實現(xiàn)傳統(tǒng)地面通量的尺度擴(kuò)展以及遙感通量地面的驗證，為研究陸地生態(tài)系統(tǒng)的水分耗散及水分利用效率提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
2.2 觀測內(nèi)容
單株植物莖干液流量、單個林分或群落的蒸散量、區(qū)域尺度的多個林分或群落的蒸散量。
2.3 觀測場設(shè)置與觀測方法
2.3.1 觀測場設(shè)置
單株植物莖干液流量觀測場應(yīng)設(shè)在研究區(qū)域的典型林分或裙樓內(nèi)，地勢平坦，植被分布均勻。
單個林分或者群落蒸散量觀測場土壤、地形、地質(zhì)、生物、水分和植物物種等條件具有廣泛的代表性，要避開道路、小河、防火道、邊緣地區(qū)，形狀應(yīng)為正方形或長方形，若為林分，則林木應(yīng)在200株以上。
區(qū)域尺度上多個林分或群落蒸散量觀測場的測量路徑長度應(yīng)包含或覆蓋單株植物莖干液流和單個林分或群落蒸散量觀測點所在的典型林分或群落，且路徑中心位置盡量位于觀測塔附近。
2.3.2 單株植物莖干液流量觀測
直徑≥12cm 的植物采用組織熱平衡系統(tǒng)THB (Tissue Heat Balance)，俗稱插針式液流計；直徑＜12cm的植物采用莖干熱平衡系統(tǒng)SHB（Stem Heat Balance），俗稱包裹式液流計。
觀測時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)株法確定觀測樣株。
2.3.2 單個林分或群落植物蒸散量觀測
2.3.2.1 蒸滲儀安裝點的選擇
觀測點應(yīng)地勢相對平坦，土壤中沒有產(chǎn)流，植被分布均勻；觀測點應(yīng)至少能安裝一個小規(guī)格為2m×2m（直徑×高）的圓柱狀蒸滲系統(tǒng)；土柱采樣點要具有代表性，要能代表集水區(qū)或一個區(qū)域；避開土壤剖面有隔層、粘土防滲層、土表層極粗糙的位置。
2.3.2.2 蒸滲儀柱體與維護(hù)井的布設(shè)
由多個蒸滲儀柱體組成的蒸滲系統(tǒng)，蒸滲儀柱體和維護(hù)井的位置有如下幾種布局。
圖 蒸滲儀柱體與維護(hù)井位置圖
① 維護(hù)井與柱體是直角或柱體在維護(hù)井的兩邊成一條直線，見圖（a）。這種布局用于在一種土壤類型上比較不同的處理（如施肥、灌溉或CO2處理）
② 維護(hù)井安裝在四個等距柱體的交叉中心，成正四邊形結(jié)構(gòu)，見圖（b）。通過用戶定制的管長連接柱體與維護(hù)井。在這種布局中，四個柱體分別是四種類型的樣地。
③ 維護(hù)井安裝在兩列各三個柱體的對稱中心，成矩形排列，見圖（c）。這種布局用于比較不同植被類型或植被不同處理，方便機(jī)器或機(jī)械設(shè)備操作，如施加示蹤劑（或同位素），放置不同氣體處理罩等。
④ 維護(hù)井安裝在六個等距柱體的交叉中心，成正六邊形排列，見圖（d）。六個柱體的原狀土柱來自不同試驗觀測點，用于比較不同植被類型或立地條件的土壤。正六邊形布設(shè)使蒸滲儀柱體處于同樣的條件下，便于比較研究。
2.3.2.3 蒸滲儀各部件的安裝位置
蒸滲儀部件及安裝位置
| 傳感器及部件 | 安裝位置 | 備注 |
| 空氣濕度 | 高度2m | |
| 空氣溫度 | 高度2m 高度50cm 高度5cm | |
| 總輻射 | 高度2m | |
| 風(fēng)速 | 高度2m | |
| 雨量筒 | 高度70cm | |
| 降水收集器 | 高度70cm | |
| 土壤溫度 | 地下20cm 地下10cm 地下5cm | |
| 罐體 | 與地面齊平，高度1.5m或2m | 高度可定制 |
| 土壤溶液采樣器 | 柱體內(nèi) | |
| 土壤傳感器 | 柱體內(nèi)和野外 | |
| 維護(hù)井或地下室 | 井口或樓梯與地面齊平 | 比罐體截面積大4~6倍 |
| 數(shù)據(jù)采集器 | 維護(hù)井或地下室內(nèi) | |
| 底部水勢控制器 | 柱體底部 | |
| 稱重單元 | 柱體底部 | |
| 土壤溶液收集器 | 維護(hù)井或地下室內(nèi) | |
| 土壤溶液采樣控制器 | 維護(hù)井或地下室內(nèi) | |
| 電源 | 通入維護(hù)井或地下室內(nèi) |
蒸滲儀各部件測量頻率
| 部件 | 測量頻率 | 性能指標(biāo) |
| 空氣濕度 | 1次/10min | 測量范圍：0~RH，精度：±2%RH 響應(yīng)時間:小于20s (0 m/s) |
| 空氣溫度 | 1次/10min | 溫度范圍：-30℃~70℃，精度：±0.2K |
| 總輻射 | 1次/10min | 測量范圍：0~1500W·m-2；分辨率：<>-2 |
| 風(fēng)速 | 1次/10min | 啟動風(fēng)速：0.2m·s-1；大風(fēng)速：可大于75m·s-1 |
| 雨量筒 | 累計 | 測量范圍：0.2mm；高度：357mm；入口面積：400cm2 |
| 降水收集器 | 用戶自定 | 直徑：200mm；收集面積：314cm2；采樣體積：5L |
| 土壤水分 | 1次/10min | 測量原理：TDR時域反射原理 測量范圍：0～體積含水量；含水量0～40%時,精度±1%；含水量40%～70%時,精度±2%；溫度測量范圍：-15℃～+50℃；溫度精度：±0.2℃ |
| 土壤溫度 | 1次/10min | 溫度測量范圍：-15℃~+50℃，精度：±0.2℃ |
| 土壤水勢 | 1次/10min | 水勢測量范圍：100KPa~-85Kpa，精度：±0.5KPa 溫度測量范圍:-30℃～+70℃;溫度精度：±0.2K |
| 稱重單元 | 1次/min | 范圍：0~60t；稱重分辨率：0.01mm（水量） 結(jié)構(gòu)：Y型構(gòu)架安裝系統(tǒng), X-Y-Z三方向調(diào)節(jié)蒸滲儀柱體 |
| 底部水勢控制器 | 水勢測量范圍：100KPa~-85KPa，采樣杯表面積：3600cm2 采樣杯材料：硅碳；進(jìn)氣值：0.1bar；直徑： 40mm | |
| 滲漏液稱重單元 | 1次/min | 范圍：0~60kg；稱重分辨率：100g |
| 土壤溶液收集器 | 根據(jù)室內(nèi)分析頻率 | 采樣管：PMMA (丙烯酸)，直徑20mm；陶土杯：直徑20mm；高60mm； 材料：硅砂 |
| 土壤溶液采樣控制器 | 維持設(shè)定值 | 負(fù)壓范圍：0~850hPa，精度： ±0.5hPa 輸出：2個 0～2000mV；內(nèi)存：4500讀數(shù) 供電：10.5～15VDC |
| 柱體 | 表面積：1m2，柱高：1m或2m 或用戶定制，材料：4mm不銹鋼 |
系統(tǒng)軟件直接輸出土柱重量、滲漏液重量、土壤剖面水勢、水分、溫度、土壤溶液采樣負(fù)壓、柱體底部水勢及同深度野外大田水勢。
2.3.3 多個林分或群落植物蒸散量觀測
2.3.3.1大孔徑閃爍儀的布設(shè)和安裝
考察觀測點邊緣相距遠(yuǎn)的兩個點林分或群落冠層的均勻度情況，選擇中間林分或群落冠層比較均勻的兩點架設(shè)觀測塔。
發(fā)射器和接收器觀測塔的距離和高度與傳播路徑上湍流情況相關(guān)，由結(jié)構(gòu)常數(shù)、溫度脈動常數(shù)、熱通量變化范圍決定。
2.3.3.2大孔徑閃爍儀的數(shù)據(jù)采集
大孔徑閃爍儀通過網(wǎng)線將SPU連接到PC。在計算機(jī)上安裝SRun軟件后，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置。先設(shè)置SPU中的時間和日期。然后設(shè)置SPU中的采樣間隔為29s；采樣時間為1s；采樣速率為500Hz；再設(shè)置氣象傳感器接口的采樣頻率為1次/30s等其它參數(shù)。上傳設(shè)置文件到SPU后開始測量。
2.4 觀測系統(tǒng)組成
AZ-W0402陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散觀測系統(tǒng)由植物莖干液流測量單元、自動稱重式蒸滲儀和LAS大口徑閃絡(luò)儀共同組成。
3 數(shù)據(jù)處理
3.1單株植物莖干液流觀測單元數(shù)據(jù)處理
- THB法（插針式）整株樹木的液流值
式中：Qtree——液流值，kg·h-1；Q ——調(diào)節(jié)功率（輸出值），kg·h-1；A ——樹干周長（帶樹皮），cm；B ——樹皮+韌皮部厚度，cm。 該結(jié)果包含應(yīng)該去除的熱量損失。
2）SHB法（包裹式）整株植物的液流值
式中：Q ——液流值，kg·h-1；U ——直接來自下載的數(shù)據(jù)，mv； Qidle ——調(diào)節(jié)功率（輸出值），kg·h-1 。該結(jié)果包含應(yīng)該去除的熱量損失。
3）“凈”液流量
系統(tǒng)軟件識別到從液流系統(tǒng)中下載的數(shù)據(jù)文件后，自動激活去除基線功能，選擇該功能后，可得到去除了熱量損失的“凈”液流量。
3.2 單個林分或群落蒸散量觀測的數(shù)據(jù)處理
通過電纜或網(wǎng)線連接蒸滲儀的數(shù)據(jù)采集器和PC后可下載數(shù)據(jù)。蒸滲儀各參數(shù)計算如下：
- 大氣沉降量
式中：ΔM——大氣沉降量，g；W2 ——結(jié)束時間的柱體重量，g；W1——開始時間的柱體重量，g。
- 土壤持水量
- 蒸散量
式中：ΔS ——蒸散量，換算成mm；W4 ——終點時間的柱體重量，g；W3 ——開始時間的柱體重量，g。
- 植物系數(shù)修正
通過如下公式可修正植物系數(shù)。
ETc = Kc×ET0
式中：ET0 ——參照蒸散量，mm·d-1；ETc ——蒸滲系統(tǒng)輸出的植物需水量，也稱潛在蒸散量mm·d-1；Kc ——植物系數(shù)。
利用蒸滲儀的實時蒸散量ET，還可修正衛(wèi)星遙感蒸散量，進(jìn)而得到單個或多個林分蒸散量。
- 水量平衡法蒸散量計算
式中：ET ——蒸散量，mm·d-1；P ——降雨量，mm；Ir ——灌溉量，mm；I ——截流，mm；ΔS ——蒸滲儀柱體重量變化，換算成mm；Sw ——滲漏水，mm。
- 能量平衡法蒸散量計算
式中：λET ——潛熱通量，W·m-2；H ——顯熱通量，W·m-2；Rn ——凈輻射量，W·m-2； S ——研究區(qū)域的儲熱變化通量（包括空氣、植被和土壤），W·m-2； P ——光合作用熱通量，W·m-2；L ——土壤熱通量，W·m-2；λ——水的汽化潛熱，J/kg。
3.3 區(qū)域尺度多個林分或群落蒸散量觀測的數(shù)據(jù)處理
每次完成原始數(shù)據(jù)包采樣后即實施原始數(shù)據(jù)處理，同時形成診斷數(shù)據(jù)文件列表。在每個主要數(shù)據(jù)采集間隔（由用戶自定義），處理診斷數(shù)據(jù)。從合并的診斷數(shù)據(jù)中計算物理量和氣象結(jié)果，并保存作為主要數(shù)據(jù)。
單個或多個林分蒸散量觀測輸出數(shù)據(jù)包括時間、蒸散量、潛熱通量、折射率脈動結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2、溫度脈動結(jié)構(gòu)常數(shù)CT2、自然對流情況下的顯熱通量、需要外接氣象傳感器時計算的顯熱通量等。
可對數(shù)據(jù)采用背景校正、消光和外尺度校正及湍流飽和校正。
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