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5 水分的散失,根吸收的水分，一般只有15的水分保留在植物体内，参与各项生命活动，其余的水分几乎都通过蒸腾作用散失掉了,一、定义 蒸腾作用(transpiration)指水分以气体状态通过植物的表面从体内扩散到大气的过程。土面蒸发（evaporation）发生在土壤表面的蒸发 蒸散（evapotranspiration）土面蒸发和植物蒸腾两者合称为蒸散，又称腾发或农田蒸散量，常用ET表示,蒸腾作用,植物散失水分的两种方式：吐水：液体方式蒸腾：气体方式，主要形式,蒸 腾 作 用,蒸腾与蒸发的不同：蒸腾受植物体结构和气孔调节,蒸腾的生理意义水分吸收的动力矿物质吸收降低叶温可调节田间小气侯环境,5.1 蒸腾的生理意义,1 幼嫩植物：2 成年植物：气孔蒸腾（主要）角质蒸腾皮孔蒸腾0.1%,5.2 植物蒸腾的部位,皮孔蒸腾(lenticular transpiration)木本植物经由枝条的皮孔和木栓化组织的裂缝而散失的水分的过程，属于皮孔蒸腾。占的比例较小。角质层蒸腾(cuticular transpiration)指通过叶片和草本植物茎的角质层进行的水分散失。角质层的厚薄影响角质层蒸腾的比重。气孔蒸腾(stomatal transpiraton)指植物体内的水分通过叶片上张开的气孔扩散到体外的过程。可占蒸腾总量的8090。,气孔不仅是植物水分散失的通道，还是CO2进入植物体的门户。植物所面临的一个重大问题就是如何以最少的水分散失来获取最大的CO2同化量。蒸腾作用的气孔调节 通过气孔开闭来调节植物蒸腾的过程,（1）气孔蒸腾,1)气孔的结构与特点 A.结构：B.特点：上表面数目下表面 孔口侧厚，背口侧薄 辐射状微纤丝,双子叶半月形,单子叶哑铃形,气孔由两个肾形的保卫细胞构成,（1）气孔蒸腾,胞壁厚薄不均匀 体积小，调节灵敏 含叶绿体，能进行光合作用 保卫细胞间及其与表皮细胞间有许多胞间连丝 有淀粉磷酸化酶和PEP羧化酶,组成气孔保卫细胞的特点,2）气孔的运动及机制 气孔的运动,吸水,失水,单子叶植物,吸水,失水,双子叶植物,保卫细胞内水分得失引起的体积或形状变化,气孔运动的原因为保卫细胞的吸水膨胀引起,（1）气孔蒸腾,A.淀粉糖互变学说,光合,CO2减少,PH升高,淀粉磷酸化酶,淀粉,葡萄糖,水势降低,白天,吸水,气孔开放,OH-,？,（1）气孔蒸腾,气孔运动机制,A.淀粉糖互变学说,光合停止,CO2增加,PH降低,淀粉磷酸化酶,葡萄糖,水势升高,黒夜,淀粉,H+,失水,气孔关闭,？,（1）气孔蒸腾,气孔运动机制,质子泵开放,细胞内K增多,水势降低,气孔开放,光合,ATP增加,白天,胞外H+增加,K内流通道开放,H+泵出,？,（1）气孔蒸腾,气孔运动机制,B.无机离子泵学说,B.无机离子泵学说,黑夜,光合停止,ATP减少,质子泵关闭,细胞内K减少,水势增加,气孔关闭,胞内H+增加,K外流通道开放,（1）气孔蒸腾,气孔运动机制,C.苹果酸学说,葡萄糖,PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）,OAA（草酰乙酸）,苹果酸,苹果酸2-+2H+,ATP,质子泵开放,细胞内K增多,水势降低,气孔开放,离子泵,淀粉糖,白天,糖酵解作用,气孔运动机制,（1）气孔蒸腾,气孔开闭的机理,造成保卫细胞吸水的原因，最少有三种可能性1、降低渗透势：保卫细胞便会通过渗透作用向周围细胞吸水，使其膨胀。2、降低压力势：降低保卫细胞壁伸展的阻力，就会使细胞壁对原生质的压力减少，降低压力势，使细胞吸更多的水。3、提高环境水势：与保卫细胞相邻的表皮细胞失水收缩也会减少对保卫细胞的压力，使其吸收更多的水分。,事实证明，气孔在张开时，保卫细胞的渗透势降低较多，所以，渗透势的降低可能是气孔开关的主要原因。,蒸腾步骤气孔下腔、胞间隙、叶肉细胞表面进行，使水成为水蒸汽水蒸汽经过气孔散出,（1）气孔蒸腾,气孔的数目很多，每平方厘米叶片上少则有几千个，多则达10万个以上。但所有气孔的总面积不到叶面积的1。分布于叶片的上表皮及下表皮。不同类型植物上下表皮的分布不同双子叶植物的气孔多分布在下表皮上；谷类植物如玉米、水稻和小麦等单子叶植物气孔在上下表皮的数目较为接近；水生植物的气孔只分布在上表皮。,5.3气孔的大小、数目和分布,为什么叶片的蒸腾速率比同等面积自由水面上的蒸发快？叶片上的气孔数目很多，但每个气孔的面积很小，总面积仅占叶片面积的1%左右。按照蒸发的原理，蒸发量与蒸发面积成正比。那么，通过气孔的水分扩散也不会超过与叶片同样面积的自由水面的1%实际通过气孔的扩散超过同面积自由水面的50%以上。这一现象可以用小孔扩散原理去解释。,小孔扩散律气体通过小孔表面的扩散速度不与小孔的面积呈正比，而与小孔的周长呈正比。,边缘效应,为什么通过小孔的扩散比同面积自由水面快？（1）蒸发速度之所以与小孔周长成正比，是因为气体分子向外扩散时，处在气孔中央的气体分子彼此碰撞，故扩散速度较慢，而处在气孔边缘的分子向外扩散时，彼此碰撞 的机会少，扩散速率就较快。（2）当扩散表面的面积较大时，其边缘所占的比值较少，扩散的速度与其面积成正比。当扩散通过小孔进行时，小孔的边缘所占的比值加大，孔越小，边缘所占的比值越大，气体扩散时受到的阻力越小。所以通过小孔的扩散并不与 小孔的面积成正比，而与孔的边缘（周长）成正比。,气孔开度（stomatal conductance Cs）气孔阻力（气孔开度的倒数 stomatal resistance Rs）,5.4 衡量气孔开度的指标,5.5 影响蒸腾的因素,1.外界因素,1）光照,叶温升高,内外蒸汽压增大,蒸腾加快,气孔开放,气孔阻力变小,蒸腾加快,2）空气湿度,增强,增大,内外蒸汽压变小,蒸腾变慢,3）温度,增大,内外蒸汽压增大,蒸腾加快,4）风,微风,内外蒸汽压增大,蒸腾加快,强风,气孔关闭,蒸腾变慢,2.内部因素,气孔,叶面积,气孔频度（多少）,气孔大小,多,大,大,蒸腾加快,植物：不同种类：气孔阻力：草本乔灌木针叶型 不同叶龄、同一植株不同叶片、同一叶片不同部位,5.5 影响蒸腾的因素,小麦不同生育期气孔导度随光照强度的变化,小麦不同生育期气孔阻力随气温的变化,小麦不同生育期气孔阻力随相对湿度的变化,土壤水分：气孔开启程度的决定因素,小麦气孔阻力随土壤含水量的变化,气孔“午休”现象夏天中午高温强光下，气孔暂时关闭的现象。,蒸腾太快，水分供应不足温度过高，呼吸增强，光合减弱，CO2增高叶周围湿度小，保卫细胞弹性减小,原因：,蒸腾强度：单位时间单位面积上散失的水量，常用H2Og/m2叶面积/h表示，大多数植物白天蒸腾强度为15250gH2Om-2.h-1,夜间120 gH2Om-2.h-1。由大气蒸发能力决定的最大可能蒸腾强度，常用单位mm d-1潜在蒸腾强度（potential transpiration rate）：某种植物在一定的生育阶段内，当土壤供水充分时，蒸腾效率：植物每消耗1kg水所产生干物质的克数，或者说，植物在一定时间内干物质累积量与同期消耗水量之比。一般植物的蒸腾效率1-8g干物质/1kg水蒸腾系数：植物制造1g干物质所消耗的水量（g）是蒸腾效率的倒数，一般蒸腾系数为125-1000g。,5.6 衡量蒸腾的指标,降低蒸腾速率的途径限水灌溉/亏缺灌溉 尽可能地减少植物水分散失，维持植物体内水分平衡。移栽植物时，去掉一些枝叶，减少蒸腾面积，避免太阳曝晒等。化学抑制剂 抗蒸腾剂（antitranspirant）:阻碍蒸腾作用的物质,5.7 蒸腾作用的人工调节,抗蒸腾剂种类：理想的抗蒸腾剂应既能够降低蒸腾又不影响光合作用。多数抗蒸腾剂降低蒸腾，同时也影响CO2扩散，从而影响光合作用。CO2作为一种抗蒸腾剂是较理想的。因为CO2可以通过促使气孔关闭减小蒸腾，又不会限制光合作用。虽然CO2造成气孔部分关闭，但CO2浓度的增加会最大扩散速率。另外CO2是光合的原料，可以提高光合作用，并抑制光呼吸。,作物的需水规律 不同种类、生育期需水量不同1.1 不同植物的需水量不同针叶植物的需水量阔叶植物的需水量1.2 不同生育期需水量不同需水最大期：指植物利用水分最多的时期,5.8 合理灌溉的生理基础,苗期,抽穗期,灌浆期,小,小,大,需水量：,禾本科,水分临界期,植物一生中对水分亏缺最敏感、最容易受水分亏缺伤害的时期称为水分临界期。对于以种子为收获对象的植物，为生殖器官形成和发育时期（玉米、小麦）；以营养器官为收获对象的植物，在营养生长最旺盛时期（蔬菜）。小麦为孕穗期和乳熟期。,主要作物的需水临界期,小麦：孕穗到抽穗玉米：开花乳熟期高梁、谷子：抽花序到灌浆期豆类、荞麦和花生：开花期棉花：开花到成铃水稻：抽穗到开花向日葵：花盘形成到开花马铃薯：开花到块茎形成甜菜：抽苔到开花始番茄：结实到果实成熟瓜类：开花到成熟,不合理灌溉的后果：水资源浪费 地下水位上升 土壤盐碱化 养分进入地下水层，造成水体污染 下游湖泊、河流断流，土地荒漠化或沙漠化合理灌溉的基本任务就是用最少量的水获取最大的经济效益,（1）土壤指标土壤水分含量 优点：Easy to apply in practice;can be quite precise;at least water content measures indicate how muchwater to apply;many commercial systems available;some sensors(especially time domain sensors)readily automated,合理灌溉指标,（2）植物指标,形态指标 植物胁迫感应方法：包括植物水分状况及植物反应测定。测定项目包括水势及其组分、含水量、直径变化、萎焉反应等。生理指标 植物生理过程反应测定：包括气孔导度、叶温、液流速率等，比组织水分状况测定更敏感。经常要求专用仪器；并需要校准获得参照阈值。,改善作物各种生理作用，尤其是光合作用改善生态环境：满足生理需水、生态需水,合理灌溉增产的原因,思考题,哪些因素影响植物吸水和蒸腾作用？试述水分进出植物体的途径及动力。区别主动吸水与被动吸水、永久萎焉与暂时萎焉。合理灌溉在节水农业中意义？如何才能做到合理灌溉？,5.9 蒸散发的理论测定方法,（1）植物生理测定技术,离体快速称重法：将研究的植物置于装有吸水物质（吸水纸或吸水剂（盐饱和溶液）的玻璃罩下或冷却室中，根据吸水物质质量的增加，可计算植物析出的水量，即蒸腾量。棵枝称重法将整棵植物从土中拔出来，根系上涂蜡，防止水分损失，然后每隔一定时间称重，确定蒸腾量。或将植物剪下部分枝叶，立即封蜡，在1分钟内迅速称重，然后在第一次称重后3min再行称重一次，两次重量差是3min内的蒸腾量,目前，在研究林木蒸腾时，因蒸渗仪无法使用，故植株液流法表现出优势，能准确测定数木的日总蒸腾量植株液流法（茎流计法）原理：将观测到的单点液流速率换算成整株的液流量，能将植株蒸腾与棵间蒸发分开，定点连续监测液流变化。如果知道了树冠结构和空间分布特征，还可以推算较大范围的蒸腾量。此外，用植株液流法测得植株整株蒸腾后，根据其他方法测定的蒸散量可推算林地土壤蒸发,缺陷：将单点速率整合成截面平均流速会带来较大误差，将单棵蒸腾提升至群体水平亦受诸多因素限制,（1）植物生理测定技术,生理学方法的适用条件：测定在较短时间内植株某部分(叶片、茎干)或整株或数株的水分耗损，主要用于研究土壤一植物一水分关系，但难以准确地根据单株或数株的蒸腾量推算出大面积群体的总蒸腾量,（1）植物生理测定技术,蒸发皿分无柄蒸发皿和有柄蒸发皿两种，规格以直径表示，有60150mm等多种。主要用途：蒸发液体、浓缩溶液或干燥固体物质。使用注意事项：能耐高温，但不能骤冷，液体量多时可直接在火焰上加热蒸发但是液体的量不能超过其容积的三分之二。不可隔着石棉网加热。蒸发皿测定：获得一日有限水体的蒸发量蒸发池测定：获得水体日蒸发过程资料,蒸发皿,蒸发池,（2）蒸发皿或蒸发池方法,器测法：采用不漏水的圆筒，里面装满足够植物生长的土块，内种作物，定期称重，从而获得旱作物的蒸散量。有时将圆筒面封石蜡，以近似确定旱作物的蒸腾量确定水稻蒸腾量：用直径3060cm，深6080cm的白铁筒两个，埋入田中，上口高出田面3cm，筒内土面与田面齐平。一个种作物，一个不种作物，两个筒内的水面维持在同样的深度，从所加水量之差，即为水稻蒸腾的水量,（2）蒸发皿或蒸发池方法,器测法一般适用于单点土壤蒸发量的测定，对于大面积土壤蒸发量的测定，由于植被、土壤特性等下垫面条件的复杂性，因此器测法的应用受到很大限制,器测法,器测法适用条件,坑测法：采用两试坑，其一种作物，另一不种作物 坑的底部一端装有出水口，其余底壁都不透水 试验时每隔一定时期，钻取不同深度的土样，测定其含水量，由此分别计算出其消耗水量，其中种植作物测坑的耗水量值即为实验期该作物的蒸散量，两测坑耗水量之差近似为该作物蒸腾量,（2）蒸发皿或蒸发池方法,大型蒸渗仪由蒸渗测箱系统、称重系统等构成，面积由几平方米到十几平方米不等，一般埋设于土表以下，可通过定期对蒸渗仪以上土壤进行称重来计算某一时段的蒸发量。除了称重式之外，大型蒸渗仪还有水力式的，即通过水的浮力进行称重 称重式：通过称重(用机械或电子称)或压力计等感应不同时刻蒸渗仪总重量的变化测定蒸散量。称重方法：机械称重、液压称重、浮力称重、机械电子称重、电子称重目前机械电子称重式或电子称重式蒸渗仪测定精度可达0.01mm02mm，能每时、甚至每间隔几分钟自动记录数据,蒸渗仪法,称重式蒸渗仪的缺陷：未考虑地下水的补给，导致蒸渗仪内土壤水分状况与周围农田有差异，影响蒸散测定值代表性，特别是在干旱胁迫下，尤其明显。另外，蒸渗仪上植株伸展覆盖的面积可能超出蒸渗仪的表面积，也会导致较大误。非称重式蒸渗仪：在地下水位埋深较浅地区，可以采用控制地下水位和测定补偿水量的非称重式蒸渗仪法，其测定精度稍差，测定时间隔为5d一10d为保证蒸渗仪的观测值能代表周围大田的蒸散量，应使作物品种和种植密度与大田状况一;同时由于植株生物量随生育期发生变化，需要测定蒸渗仪内土壤含水量的变化，以校正用于算蒸散量值的标定系数,蒸渗仪法,水量平衡方程 E=P-R 式中 E流域蒸散发量；P流域平均降水量；R流域平均径流深。将蒸散发量作为流域水量平衡方程的剩余项，所有其他各项的观测误差与计算误差，最终归于蒸散发项。水量平衡法最常用于计算大河流域的平均蒸散发,（3）水量平衡法,单一气象因素估算蒸散量以产量为参数（简称“值法”）的经验公式ETKYET=KYnET=KYn+C式中，Y作物产量；K，K以产量为指标的需水系数，n指数，小于1适用于旱作物，非充分灌溉条件,（5）经验公式法,实际上需水量的增加并不与产量成比例。由图2-1还可看出，单位产量的需水量随产量的增加而逐渐减小，说明当作物产量达到一定水平后，要进一步提高产量就不能仅靠增加水量，而必须同时改善作物生长所必需的其它条件。,水面蒸发量法(值法)式中，Etp 全生长期需水量（mm）E0全生长期的水面蒸发量（mm）蒸发皿系数，即全生长期需水量与同期内 蒸发皿所测水面蒸发量的比值，水稻一般为 不适宜旱地作物,气温法,T作物全生长期的积温，即自播种或插秧至收割每天的日 平均气温之和（）；S以温度为指标时的需水系数，其值由实验站或实测资料 提供。水稻的误差较小，旱作的误差较大。,多个因素估算蒸散量多因素法用水面蒸发和产量推算式中，a,d,f系数；n,m指数（1）;b,g常熟对旱作更精确，对水稻与单因素差不多,用水面蒸发和土壤含水量推算全生育期内根系吸水层土壤有效含水率的平均值（重量百分比）平均-凋委 其他为经验系数或常数，由实测资料确定,气压和风速 太阳总辐射和其它气象因素以上公式的经验常数在应用时须根据本地实际资料进行验证和修正。以上公式是在试验数据统计的基础上得出的，不能清楚的表达作物需水形成的物理机制，受到具体条件的限制，不能盲目套用,道尔顿(Dal-ton)定律（1802年）,式中，土壤蒸发量；质量交换系数，其值取决于气温、湿度、风速等气象条件；土壤表面水汽压，当表土饱和时，等于饱和水汽压；大气水汽压,理论计算方法（基于参考作物蒸发量的计算方法）,波文比能量平衡法地表热量平衡方程=LE+式中:净辐射;LE潜热通量(蒸发蒸腾量);感热通量;土壤热通量,/;PH用于植被光合作用和生物量增加的能量，可忽略,H+LE=(1+)LE H=LE波温比（Bowen Ratio）H/LE LE（Rn-G）/（1+）Rn=Rs(1-r)-RL波温比能量平衡法在无地面平流动情况下，精度较高,博文比能量平衡法（BREB法）的优缺点优点物理概念明确、计算简单,对大气层没有特别的要求和限制。通常情况下,精度较高,可作为检验其它蒸散计算方法的准判别标准；可以分析蒸散与太阳净辐射的关系,揭示不同地带蒸散的特点及主要影响因子变化对蒸散的作用；考虑了环境因子对ET的影响，观测值能代表一定范围内的水热平均交换速率,BREB法缺点只有在开阔、均一的下垫面情况下,才能保证较高的精度在平流逆温和非均匀的平流条件下,该法测量结果会产生极大的误差要把观测点安置在水平均一的地块中,并注意仪器安装高度要有足够的风浪区长度。研究表明,在森林地区测定波文比的最适高度,是距林冠作用层0.5m和2.5m处,不会影响计算精度但其最基本的假设条件是:热量交换系数=水汽的交换系数(Kw=Kh),BREB法的适用性,适用情况：裸露地、草地、农田等粗糙度较小或中等下垫面的蒸散 不适用情况：森林蒸散原因：森林是粗糙度很大的下垫面,增加了垂直乱流交换、破坏了乱流体的结构,从而使森林上空的温、湿度梯度变得很小,温、湿度观测的微小误差会引起蒸散计算很大误差。,彭曼公式法,英国Penman 1948提出，至今仍是计算湿润下垫面蒸发计算的主要方法在计算时采用紫花苜蓿作为参考作物参照作物需水量(reference crop evapor transpiration)指高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面而不缺水的815cm高的绿色草地的蒸发蒸腾量,其只与气象因素有关）,参考作物原定义：高度均匀一致（815cm）生长旺盛、无病虫害，完全覆盖地面，土壤水分充分供应条件下的绿色矮秆作物的蒸发蒸腾量）参照作物重新定义：1992年，参照作物定义为生长一致,水分充足,作物高度12cm,冠层阻力70m/s,反射率0.23，完全覆盖地面的绿色草地，是一种假想参照作物冠层的蒸发速率。非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖土面而不缺水的绿色草地蒸发蒸腾量。后者：更为具体，更便于实际操作应用，完全可通过计算不必依赖于试验进行验证。,温度为平均气温Ta时饱和水汽压曲线斜率,PenmanMonteith公式,1963年，Monteith在Penman等人的基础上引入表面阻力的概念导出了PenmanMonteith公式，为非饱和下垫面研究开辟了一条新的途径。FAO于1998年专门出版了一个计算作物需水量的指南。ASCE采用分布在世界各地11种不同气候条件下实测的蒸渗仪数据资料作为参照,分析比较了20种参考作物需水量计算公式的精度。结果表明,无论是在干旱地区,还是在湿润地区,用Penman-Monteith公式计算的参照作物需水量与实测值都非常接近。因此,联合国粮农组织推荐FAO-56Penman-Monteith公式(以下简称PM公式)作为计算参照作物需水量的标准公式,式中，ET0参考作物蒸发蒸腾量；Rn净辐射，MJ/m2.d G 土壤热通量，MJ/m2.d；空气密度，kg/m2;Cp空气的定压比热kJ/(kg.)；r 湿度表常数，kPa/；温度饱和水汽压关系曲线上T处切线的斜率，kPa/；e(Ts)表面温度Ts下的饱和水汽压，hPa，rav水汽输送的空气动力学阻抗，s/m；rs 表面阻抗，s/m(即气孔阻抗)rsh显热输送的空气动力学阻抗，s/m。,PM公式所需气象资料：最高气温、最低气温、相对湿度、风速、日照时数等。缺陷：许多地区的气象站都难以全部提供这些完整的资料 限制了该公式的使用在未来气候变化预测情景中大多都只提供了月平均最高温度和最低温度及降雨资料,难以使用PM公式计算未来气候变化对作物需水量的影响。因此使用较少气象资料的计算方法(如辐射法、蒸发皿法)将会在许多地方得到了广泛使用,优点 P-M公式在全面考虑了影响田间水分散失的大气因素和作物因素的基础上,把能量平衡、空气动力学参数和表面参数结合在一个对处于任何水分状态下的任何植被类型都成立的蒸发方程中而得到的P-M公式以能量平衡和水汽扩散理论为基础，既考虑了作物的生理特征又考虑了空气动力学参数的变化，具有较充分的理论和较高的计算精度。是目前计算参考作物蒸发蒸腾量的最好方法。不仅能计算以月为周期的腾发量，还能计算以日或小时为周期的腾发量目前统一的、标准的计算参考作物蒸发蒸腾量的方法，既不需要地区率定，也不需要改变任何参数便可以适用于世界各地，使用起来非常方便,空气动力学方法（1939年）,由Thornthwaise和Holzman于1939年首次提出理论：地面边界层梯度扩散理论认为:近地面层温度、水气压和风速等各种物理属性的垂直梯度,受大气传导性制约,可根据温度、湿度和风速的梯度及廓线方程,可用不同的积分公式求解出农田上的蒸发潜热和显热通量。,根据近地面层中的湍流扩散方程，在湍流表面边界层中的平均风速、温度和湿度的梯度可表示为,Z零平面位移高度以上的距离，K卡尔曼常数；V摩擦速度T,E边界层中温度和湿度的因次参数，大气稳定层变化的函数,对上式积分，积分高度从粗糙度高度-参考高度，得到风速、温度和湿度的平均廓线方程,根据风速、温度和湿度的梯度和廓线方程，可以用不同的积分公式来计算农田上的蒸发潜热和显热通量,KH热量交换系数，Kw水气量的交换系数，u摩擦速度，q摩擦湿度，T摩擦温度,适用性：与其它微气象方法一样,对下垫面及气体稳定度要求严格,只有在湍流涡度尺度比梯度差异的空间尺度小得多的条件下,梯度扩散理论才能成立。故在平流逆温的非均匀下垫面、粗糙度很大的植物覆盖以及在植物冠层内部情况下,该理论不适用。因此,该方法很难在实际工作中得到推广应用。且对观测场要求很严格,因而使用范围受到限制。,涡度相关法（swinbank，1951）,涡度相关法是以Swinbank提出的相关理论为基础的实测方法基本原理:近地面气层处于大气边界层底层大约10%的高度范围，在该气层内空气运动符合湍流交换规律，可以利用涡度相关观测系统测定近地层大气中热量和水汽的垂直输送通量并计算相应的显热和潜热通量。涡度相关是指某种物质（水汽）的垂直通量（即这种物质的浓度）与其垂直速度的协方差。在概率论与统计学中，期望值分别为 E(X)=与 E(Y)=的两个实数随机变量 X 与 Y 之间的协方差定义为：,涡度相关法（swinbank，1951）,通过观测风速、水汽湿度与气温的脉动，以获取地气界面的水汽交换信息涡度：用来描述大气旋涡运动规律的重要概念,三维超声风速仪观测风速脉动,氪湿度计观测水汽脉动,涡度相关法监测ET,波纹比能量平衡法监测ET,ET潜热通量（Wm-2）；ET蒸发蒸腾量（kgm-2s-1）;为水的汽化潜热（Jkg-1）q湿度的脉动值；垂直风速与湿度脉动的协方差 上式表明，只需测量垂直风速与湿度脉动的协方差，便可求出对应的垂直水汽通量或蒸发蒸腾量,依据湍流力学的原理，由涡度相关法表示水热通量为：,主要优点：具有完备的物理基础，没有零平面位移、粗糙度等陆地表面性质的假设，不需要大气稳定度的订正，所以尤其适用于稀疏的非均匀下垫面和大气稳定度变幅大的半干旱环境下蒸散的直接测定。（1）该方法通过测定垂直风速与水汽密度的脉动，从气象学角度首次实现了对ET的直接观测，是ET观测技术上的一个重大突破。相比空气动力学法或波文比-能量平衡法等传统观测手段，该方法理论假设少，精度高，目前被认为是测定ET的标准方法。（2）涡度相关法可以对地表ET实施长期的、连续的和非破坏性的定点监测，有利于ET观测的长期开展。,（3）相比其它传统的观测方法，如蒸渗仪法等，该方法测量步长较短，可以在短期内获取大量高时间分辨率的ET与环境变化信息。对高杆植被，如森林生态系统，其取样周期一般为30 min；对矮秆的农田作物，取样周期可更短，少则10 min。短周期有利于研究水分交换对环境变化的快速响应；同时，相比蒸渗仪法，它的测量代表区域更广，典型的风浪区长度可达1002000 m（4）利用某些气体浓度快速测量仪器（如Li7000，Li7500等），涡度相关技术可以实现对水和CO2的同步监测，把水文学和生态学关注的两个关键元素联系到一起，促进了水碳循环过程的耦合研究。近年来，随仪器制造技术的进步，提高了用涡度相关法对湍流通量测定的可靠性，使该法受到研究者的青睐。在目前全球气候变化和碳通量观测研究中，该法作为主流方法被采用,主要缺点:实际测定时，对仪器的精度要求较高，相应时间要求足够快，平均时间须足够长，野外测定时仪器安装倾斜会产生误差，坐标系统三轴须准确定向，否则会引起湍流通量测定误差;有风浪区要求，单点测量;数据量大、仪器昂贵，安装、维护、标定须精细频繁。涡度相关尽管精度高，但仪器成本与维护费用较高，因而性价比较低；考虑到数据质量及仪器投入等因素，性价比最高的为波纹比能量平衡法，在西北旱区推荐使用该方法进行耗水的长期观测。,