三温模型—基于表面温度测算蒸散和评价环境质量的方法IV. 植被蒸腾扩散系数

作为蒸散量的测算和环境评价的一种方法,通过近年来对三温模型的研究,该文详细探讨了植被蒸腾扩散 系数（hat）,并通过实验验证了它在不同环境条件下的特性和应用前景。在该模型中,hat的表示式为 hat=（Tc-Ta）/( Tp-Ta),式中Tc、Tp和Ta分别为冠层温度、没有蒸腾（蒸腾量为零）的冠层温度和气温 。理论上,植被蒸腾扩散系数的取值范围为hat≤1,hat的取值范围可以决定植被蒸腾量的大小,该系数 越小, 蒸腾量越大。为了证明hat的这些特性,在1994～1999年的5年间,用3种作物（高粱(Sorghum bicolor),番茄( Lycopersicon esculentum)和甜瓜(Cucumis melo)）进行了5次试验。实验结果表明: hat值与感热通量比率（H/Hp）的值近似相等,二者之间回归线的斜率接近为1,截距接近0,回归系数为 r2=0.70。此外,hat值不仅能较好地反映植物根系区的土壤水分状况、也能较好地反应天气状况。在缺水 条件下,hat主要受根部区域的水分状况影响。 所以,hat可作为作物水分亏缺的指标。当植被受到其它 环境胁迫（污染、高温等）时,hat可作为评价环境质量的指标。植被蒸腾扩散系数的主要优点不仅是能 很好地反映蒸腾过程和确定蒸腾量,而且容易测得,便于遥感应用。     

基于Penman-Monteith方程模拟青海云杉生长季日蒸腾过程

青海云杉（Picea crassifolia）作为我国黄土高原与青藏高原地区的主要造林树种,对其林分蒸腾耗水特征的研究,能够更合理的指导该地区植被重建与林分调控,以加强林分的稳定性,提高水分利用效率。为了揭示青海云杉在生长季内的冠层蒸腾规律以及冠层整体气孔阻力与环境因子的响应,评价Penman-Monteith方程在青海云杉冠层尺度上的适用性,采用探针式热扩散茎流计（TDP）进行测定,同步长期监测了环境数据,利用反推法建立冠层整体气孔阻力（r_sT）与环境因子之间的回归模型,结合Penman-Monteith方程模拟出青海云杉生长季的日蒸腾量,采用均方根误差、平均绝对误差和平均相对误差对蒸腾量的实测值与模拟值进行误差分析,以验证模型的准确性。得出的主要结论有：（1）生长季内青海云杉日蒸腾量随月份变化呈先增高后降低的趋势;各月蒸腾量占潜在蒸散量的比例为7月（79.68%） > 8月（72.71%） > 6月（72.53%） > 5月（67.08%） > 9月（66.48%） > 10月（64.29%）;（2）树干液流对气象因子的滞后时间为0.5 h;（3）不同月份云杉冠层整体气孔阻力（r_sT）与空气相对湿度（RH）呈正相关关系,与大气温度（T）、饱和水汽压差（VPD）呈负相关关系;（4）应用所建立的多因素回归模型结合Penman-Monteith方程对青海云杉蒸腾量进行模拟验证,累计平均相对误差为14.381%,平均绝对误差为0.160 mm,均方根误差为0.2。综上所述,Penman-Monteith方程在林分冠层尺度上有较好适用性根据所建立的多因素回归模型并结合Penman-Monteith方程,可以利用饱和水汽压差、温度和空气相对湿度三个气象因子较好地模拟日蒸腾过程。     

南方现代化温室黄瓜冬季蒸腾测量与模拟研究

 温室作物蒸腾直接影响到温室内空气温湿度,是进行温室温度和湿度优化调控所必需的信息。通过冬季温室小气候和蒸腾速率与气孔阻力的实验观测,分析了冬季南方温室黄瓜(Cucumis sativus)蒸腾速率的变化特征及其与温室小气候要素之间的定量关系,确定了南方现代温室冬季黄瓜冠层阻力rc和边界层动力学阻力ra的特征值和作物蒸腾消耗的潜热占到达冠层上方的净辐射的比例,并采用Penman-Monteith方法模拟计算了冬季温室内黄瓜作物蒸腾速率。结果表明,冬季温室内作物蒸腾速率的日变化趋势与净辐射的日变化基本一致,在正午达一天中的最大值。而空气饱和水汽压差（VPD）的日最大值则基本出现在午后1～2 h。在我国南方温室冬季高湿的环境下（VPD<2 kPa）,作物蒸腾速率日变化主要取决于太阳辐射日变化。冠层上方的净辐射和VPD及作物冠层蒸腾速率日最大值分别在350 W·m－2、2.0 kPa和200 W·m－2以下。冬季温室作物蒸腾消耗的潜热占到达冠层上方的净辐射的比例为46%。冬季黄瓜作物的rc和ra特征值分别为100 s·m-1和600 s·m-1。采用实际变化的rc与ra值和rc与ra的特征值计算的作物蒸腾速率和累积蒸腾量均与实测值基本一致。作物蒸腾消耗的潜热占到达冠层上方的净辐射的比例及rc和ra特征值的确定为研制基于作物蒸腾模型的温室环境和肥水灌溉的优化控制系统奠定了基础。但研究所确定的这些特征值在其它地区和其它类型温室是否适用,尚需进一步的实验资料来证明。     

水分胁迫与光照条件对棉花干物质和产量形成影响的数学模型

从作物冠层净同化速率入手,通过引入对CO2浓度、空气湿度、光照强度和土壤含水量反映较敏感的光能利用系数（β）,建立了考虑水分胁迫和光照条件对作物干物质积累与产量形成影响的数学模型,模型考虑了水分胁迫与低光照下冠层阻力增加的设定,将反映作物冠层水分状况的功能叶水势（Ψl）作为参数纳入本模型,通过对土壤相对含水量（Aw)、气温（Ta）、水汽压差（VPD）的多元回归估算出Ψl,并将空气动力学阻力（Ra）简化为风速（u）的函数,盆载试验应用实例和敏感性分析表明,该模型在诊断环境因子特别是土壤水分与光照因子对作物生长和产量构成的影响具有一定的实用性。     

岷江上游植被冠层降水截留的空间模拟

 通过对岷江上游实地踏查和定位观测研究,结合MODIS遥感数据,利用“3S”技术对岷江上游植被冠层降水截留进行了空间模拟。研究结果表明：岷江上游植被叶面积指数（LAI）与增强性植被指数（EVI）以二项式关系拟合效果较好。由于归一化植被指数（NDVI）存在的饱和问题,研究采用EVI反演LAI,统计结果表明：岷江上游LAI值在0～2之间的占28.57%,在2～4.5之间的占63.06%,大于4.5的占8.37%,其中LAI最大值为7.394;从冠层最大降水截留模拟结果来看: 植被较好的地区,如卧龙、米亚罗的植被冠层最大降水截留量较大,而干旱河谷、上游高山草甸等地的植被冠层最大降水截留量相对较低;附加冠层降水截留与降雨量呈线性相关,模型验证时以此为基础,模型模拟的结果较为理想。     

北京市5种园林树木蒸腾作用模拟研究

通过对北京市园林5种常用乔木,国槐（Sophora japonica）、银杏（Ginkgo biloba）、白蜡（Fraxinus chinensis）、杜仲（Eucommia ulmoides）和臭椿（Ailanthus altissima）等植物蒸腾作用与周围环境气象因子（温度、湿度、太阳有效辐射）及植株叶面积指数相关关系的研究,利用Javis公式计算冠层气孔阻力,同时采用PM公式计算冠层蒸腾速率和植株日蒸腾量,并分析不同乔木的冠层气孔导度对环境主要驱动因子的响应规律。结果表明：5种被观测乔木中,国槐耗水量最大,白蜡耗水量最小,植株蒸腾量大小依次为国槐〉银杏〉杜仲〉臭椿〉白蜡（P＜0．01）。植物叶片气孔导度及蒸腾量与环境驱动因子太阳辐射及水气压亏缺的相关关系表明,在土壤水分条件较好时,国槐长势优于其它4种乔木,但是其对水分的利用不够经济,在干旱的情况下不能有效节水。     

基于树干液流及涡动相关技术的葡萄冠层蒸腾及蒸散发特征研究

针对西北干旱区绿洲经济作物葡萄树冠层蒸腾及蒸散发特征的相关问题,在甘肃省敦煌市南湖绿洲开展无核白葡萄树液流速率及蒸散发观测试验,采用基于热平衡原理的包裹式茎流计,详细分析了典型生长季7—9月份葡萄树蒸腾耗水规律,使用"单位叶面积上的平均液流速率SF×叶面积指数LAI"的方法,实现了从单株到林分冠层蒸腾的尺度扩展,并通过与涡动相关技术所测蒸散发数据对比,详细研究了葡萄地冠层蒸腾及蒸散发规律。结果表明:典型生长季中葡萄树液流速率日变化为单峰型曲线,日均耗水量从2.76 kg到10 kg不等,胸径越大的葡萄树日均耗水量越大;冠层蒸腾及蒸散发日变化曲线亦为单峰型,白天8:00—12:00与17:00—20:00期间,葡萄冠层蒸腾与蒸散发曲线均比较吻合,该时间段葡萄地蒸散发绝大部分来源于葡萄冠层蒸腾,而12:00—17:00之间由于午后太阳辐射强烈土壤蒸发量增加,葡萄蒸散发大于冠层蒸腾;典型生长季3个月中,葡萄冠层蒸腾量的变化范围在1.88—8.12 mm/d之间,日均冠层蒸腾量为6.12 mm/d,蒸散发在1.74 mm/d至10.78 mm/d之间,日均蒸散发量为7.13 mm/d;日均土壤蒸发量约为1.01 mm/d,只占总蒸散发量的14.2%,日均冠层蒸腾占日均蒸散发的比重达到85.8%,说明该生长阶段冠层蒸散发以作物蒸腾为主。     

桃树冠层蒸腾动态的数学模拟

将气孔导度公式、Penman—Monteith公式和土壤水分限制模型相结合,可以模拟出不同环境因子对植物蒸腾进程的影响。通过对盆栽桃树（Prunus persica var．nectadna Maxim．）数值模拟发现：影响桃树蒸腾速率的主要气象因子是太阳辐射、大气温度和湿度。植物通过气孔导度的改变来响应气象因子的变化,蒸腾的日变化主要是由气象因子的日变化引起的。土壤的水分状况也对气孔导度有显著的影响,进而影响植物的蒸腾大小。通过数值模拟还发现植物的蒸腾量并不总是随叶面积的增大而增大,对于桃树而言叶面积指数为4左右时日蒸腾量达到最大值。通过对气孔导度和蒸腾速率的模拟值和实测值进行检验发现,两者基本吻合,说明利用数学模拟的方法可以求出不同环境条件和不同叶面积桃树冠层的蒸腾速率。     

温室大棚内作物蒸发蒸腾量计算

以彭曼-蒙特斯（Penman-Monteith）方程为基础,引进作物冠层高度,对方程中与风速有关的空气动力学项进行修正,推导出适合于温室大棚计算作物蒸腾量的简单方法.对推导公式进行理论分析,并应用气象资料给予验证计算.结果表明,修正后的Penman-Monteith计算精确度较高,与实测值较为吻合,相对偏差为4.7％～17.1％,平均相对偏差为11.1％.该公式适于在温室大棚中用于作物蒸腾量的计算.     

不同参考温度取值对三温模型反演植被蒸腾精度的影响

参考温度的参数化过程一直是三温模型反演蒸散发及其蒸发、蒸腾组分的关键和难点。该研究基于典型城市草坪的波文比与热红外观测数据, 对三温模型植被蒸腾子模型中涉及的输入变量进行敏感性分析和误差分析, 确定对三温模型反演植被蒸腾精度最为关键的变量, 而后量化和对比输入变量参数化方法对三温模型计算草坪蒸腾的影响, 由此确定最佳的参考温度取值。结果表明: 1)参考叶片温度选择为整个纸片温度的最大值时反演效果最好(R² = 0.91, 均方根误差(RMSE) = 0.078 mm·h^-1); 2)采用植被冠层温度的最大值为参考温度时, 直接假定了植被最高温度冠层蒸腾为0 (实际存在一定的蒸腾速率), 所以容易低估实际蒸腾量, 造成三温模型反演精度略低于取值参考叶片温度最大值的方法, 但反演效果仍然较好(R² = 0.87, RMSE = 0.080 mm·h^-1)。因此, 考虑到参考叶片设置的局限性, 如果在实际应用中无法或者没有实际测量参考叶片温度时, 使用植被最大温度为参考温度也可达到较好的反演效果。     

基于树干液流测定值的马占相思（Acacia mangium）冠层气孔导度计算及数值模拟

为深入揭示华南地区马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应规律,在2005年7月至11月,利用Granier热消散式探针法对马占相思（Acacia mangium）的树干液流（sap flow）进行了连续测定,计算出整树的蒸腾,并由Penman-Monteith方程得出马占相思的冠层气孔导度值。通过分析,发现：马占相思冠层气孔导度是控制马占相思树整树蒸腾的主要因素;冠层气孔导度随着水汽压亏缺增加呈负指数函数下降的趋势。使用包括了太阳总辐射、水汽压亏缺和气温的Jarvis模型可以较好地模拟马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应特征;模拟结果表明：环境变量对模型精确度的影响程度依次为：水汽压亏缺>太阳总辐射>气温。     

黄土高原半干旱区柠条(Caragana korshinskii)树干液流动态及其影响因子

应用热脉冲技术在黄土高原神木县六道沟小流域于2006年6月13至25日测定了两种不同密度柠条(Caragana korshinskii)群落的树干液流动态.同时测量了土壤水分、太阳辐射、大气温度、相对湿度、风速、水汽压亏缺和作物参考蒸散等环境因子,并根据植物蒸腾的P-M公式,反推计算冠层导度.结果表明,除风速外,柠条树木液流与太阳辐射、大气温度、相对湿度、水汽压亏缺、作物参考蒸散均显著相关,且可用太阳辐射的线性表达式来估测.不同密度群落的日蒸腾量随叶面积指数增大而增加,叶面积指数为2.3的群落平均日蒸腾为3.83mm d-1m-2,而叶面积指数为1.1的林分平均日蒸腾1.64mm d-1m-2.冠层导度与气象因子关系复杂,当土壤水分不存在亏缺时,冠层导度与太阳辐射、大气温度、作物参考蒸散因子显著相关,与水汽亏缺和相对湿度因子无相关性;当土壤水分存在亏缺时,冠层导度与太阳辐射、大气温度、作物参考蒸散因子无相关关系,而与水汽亏缺和相对湿度因子显著相关.     

基于景观尺度过程模型的长白山净初级生产力空间分布影响因素分析

对长白山自然保护区的净初级生产力(NPP)的空间分布格局进行了模拟,对它们与环境因子和植被因子间的相互关系进行了分析．结果表明,1995年NPP的模拟值平均为0．680kgC·m^-2·年^-1,变幅为0．105-1．241kgC·m^-2·年^-1(82．1％),其中阔叶红松林的NPP最高(1．084kgC·m^-2·年^-1)．环境条件决定了长白山植被年NPP空间分布的大趋势．土壤含水量对NPP的限制最大,呈负相关关系(R=-0.65),长白山植物生长一般不存在水分不足的问题．植被的NPP与LAI高度正相关(R＝0．81),当LAI增大到4-5m^2·m^-2时,NPP出现饱和．植被的NPP与冠层蒸腾量呈显著的正相关关系(R＝0．77)．岳桦林和阔叶林对环境因子、LAI和冠层蒸腾的响应与其它植被有较大差异。     

森林冠层地面叶面积指数光学测量方法研究进展

作为表征植被冠层结构的核心参数之一,叶面积指数（LAI）控制着植被冠层的多种生物物理和生理过程,如光合、呼吸、蒸腾、碳循环、降水截获、能量交换等.本文首先阐述了森林冠层地面LAI光学测量方法的理论基础和数学模型;其后介绍了目前主流光学测量方法的测量原理及其优缺点;归纳了LAI光学测量方法的主要误差来源（聚集效应、非光合作用组分、观测条件和地形效应）,并分析总结了聚集效应、非光合作用组分和地形效应的定量评估现状;最后展望了森林冠层地面LAI光学测量方法的未来发展方向.     

整树水力导度协同冠层气孔导度调节森林蒸腾

冠层气孔导度决定森林的蒸腾效率,它对驱动水汽移动的水汽应力的响应受树木水力结构的影响,并随水汽压亏缺上升和水力导度下降而降低,维持水势在最低阈值之上,避免出现水力灾变,调控冠层蒸腾。由于叶形和树冠结构的特点,部分脱耦联反映了湿润地区阔叶林冠层与大气的水汽交换特征,单纯以气孔导度的变化难以完整描述水分通量的调节规律,因而,需要考虑冠层气孔导度与水力导度协同控制冠层蒸腾的潜在机理。通过整合叶片气孔气体交换、树干液流、冠层微气象和其他环境因子的野外观测值,估测不同时间尺度的森林冠层气孔导度与大气的脱耦联系数和变异范围,以基于树干液流的冠层蒸腾,结合叶片/土壤水势梯度计算的水力导度,分析水力导度影响冠层气孔导度响应水汽压亏缺的敏感性,可以揭示和阐明水力导度和冠层气孔导度联合调节森林蒸腾的机理,对准确估测全球变化背景下森林对水资源利用的潜在生态效应有明显的理论意义。     

典型喀斯特区不同植被恢复方式苔藓功能性状及其对土壤因子的响应

苔藓功能性状反映了苔藓对生长环境的响应与适应,对其所在土壤表层的功能特性具有重要指示意义。但喀斯特地区植被恢复初期苔藓功能性状与土壤因子关系还缺乏深入认识。以典型喀斯特峰丛洼地人工林、牧草和人工林+牧草3种植被恢复方式下苔藓为研究对象,分析了苔藓功能性状及其与土壤因子的关系。结果表明：（1）苔藓单位面积冠层质量（CMA）、冠层密度（CD）、生物量和饱和吸水量在牧草地有最大值。苔藓冠层高度在牧草地显著低于人工林和人工林+牧草,且牧草地苔藓营养元素含量较低。（2）人工林和人工林+牧草表层土壤（0-2 cm）养分含量和土壤含水量（SWC）较高,牧草地表层土壤养分含量和SWC较低。（3）冗余分析表明,苔藓营养性状（营养元素含量及化学计量比）与土壤因子主要呈正相关关系,而CMA、CD及生物量关联指标与土壤因子主要呈负相关关系,土壤交换性镁和SWC是影响苔藓功能性状的主要土壤因子。研究结果表明,苔藓通过不同的性状组合适应不同植被类型生境,其中牧草地更适宜苔藓拓殖和生长,可考虑将苔藓应用于牧草地对喀斯特退化生态系统进行修复。     

春小麦田喷灌的水量分布及小气候效应

春小麦喷灌的田间观测表明,在灌浆初期,春小麦冠层的截留水量可达25％－30％,冠层截留水量可使冠层下方的均匀系数比冠层上方提高10.1%-12.7%。喷灌的水分飘移蒸发损失可达总水量的20％－25％。春小麦喷灌可以降低空气和土壤温度,增加空气实际水汽压和相对湿度,这对抑制作物蒸腾将起一定作用。     

祁连山区青海云杉林蒸腾耗水估算

青海云杉(Picea crassifolia)林在祁连山区水量平衡中起着重要的调节作用,合理并准确地估算其冠层蒸腾量,对于了解该区的水分循环和水分平衡具有重大意义。以位于祁连山中段大野口关滩森林站的青海云杉纯林为研究对象,结合研究区微气象梯度观测塔自动记录的常规气象资料(气温、空气相对湿度、风速等)以及太阳辐射、大气中CO₂ 浓度、土壤热通量等,应用改进的Penman-Monteith修正式对研究区青海云杉林2008年生长季的冠层蒸腾量进行估算,并采用单变量敏感性分析法对模拟结果进行分析。结果表明:青海云杉林2008年生长季(5-9月)的总蒸腾量为148.8 mm,平均日蒸腾量为0.97 mm;冠层蒸腾量主要受太阳辐射的影响,使得日蒸腾量在典型晴天高达2.19 mm,而在阴雨天仅为0.016 mm;气温对冠层蒸腾量的作用也十分重要,随气温的变化,日蒸腾量从5月开始逐渐增大,在7月中上旬达最大值,从7月下旬到生长季结束其值逐渐减小;模型输入参数对模拟蒸腾量的影响强弱顺序为:林冠层截获的净辐射＞叶面积指数＞气温＞风速＞大气相对湿度;当模型输入参数在±10%变动时,模拟结果的变化范围均在±10%以内,说明该模型的模拟结果比较稳定。在积累了大量相关基础数据的条件下,通过该改进的Penman-Monteith修正式估算森林蒸腾耗水量仍是一种获得满意结果的便捷方法。     

SunScan冠层分析仪在测量大豆叶面积指数中的应用

SunScan冠层分析仪是一种利用间接测量法观测叶面积指数(LAI)的仪器,通过给定反映植被几何特征的椭球体叶倾角分布参数(ELADP),测量透射率获得LAI.于2005、2006年在黑龙江省嫩江县鹤山农场布设大豆试验地,通过比较LI-3100叶面积仪直接测量的LAI和SunSean冠层分析仪间接测量的LAI,得出ELADP率定结果,并验证了SunScan冠层分析仪测量LAI的精度.结果表明:用SunScan测量大豆冠层LAI时,ELADP取值为4.0;设定该参数后,SunSean测量的LAI与LI-3100测量结果一致,二者拟合的线性回归方程显著;随生长季叶面积的变化,SunScan测量误差略有变化;播种后50～85 d,Sun-Scan观测值偏低7.2%,播种96 d以后观测值偏高12.5%,播种后85～96 d与LI-3100观测值十分接近,误差只有2.0%;经过参数率定后的SunScan测量LAI效果较好.     

广州地区荷木夜间树干液流补水的影响因子及其对蒸腾的贡献

明确树木夜间水分补充现象有助于提高总蒸腾量和冠层气孔导度估算的精确度,进一步认识冠层蒸腾与树干液流之间存在的时滞关系.本研究采用热消散探针法测定了广州地区的荷木树干液流密度,同步监测了主要的环境因子,从不同时间尺度分析了树干夜间液流的水分补充现象.结果表明：与白天相比,荷木夜间液流密度较小,旱季变化幅度比湿季大;夜间水分补充的时间段主要在前半夜(18:00-22:00);年内各季节夜间水分补充量之间没有显著差异,与环境因子之间的偏相关关系不显著,但与胸径、树高、冠幅、树干生物量、冠层生物量的回归曲线拟合很好,表明树形特征和生物量能更好地解释夜间补水的变化;各季节夜间水分补充量对总蒸腾量的贡献有显著差异,旱季明显高于湿季.