黄土丘陵沟壑区农林草地土壤热量状况及植被生长响应——以燕沟流域为例

利用CoupModel模型模拟了黄土丘陵沟壑区燕沟流域刺槐(Robinia pseudoacacia)林地、辽东栎(Quercus liaotungensis)林地、荒草地、农地等7种土地类型的土壤热量状况,分析了不同植被类型的潜热通量、感热通量、土壤热通量以及植被生长对土壤热量的响应.结果表明,农地潜热通量较小,林地和荒草地潜热通量较大,各地类潜热通量季节变化规律基本一致.潜热通量是黄土丘陵区土壤-植被-大气系统能量的主要支出项,占总净辐射的72.1%～81.4%以上;感热通量变化振幅相对较小,占总净辐射的16.4%～26.4%;土壤热通量仅占总净辐射的1.4%～2.4%,但直接影响土壤温度的变化速度和变化时间.试验地各地类地表温度随季节的变化趋势均呈单峰曲线型.2～7月份0～20cm平均土壤温度随累积土壤热通量的增大而升高,9月到翌年1月份0～20cm平均土壤温度随累积土壤热通量的减小而降低,但累积土壤热通量的变化滞后于土壤温度变化.同一植被类型条件下,阳坡土壤温度年变幅显著高于阴坡.在阴坡,0cm、10cm、20cm深土壤温度年变幅农地＞阴坡荒草地＞阴坡辽东栎林地＞阴坡刺槐林地;在阳坡,阳坡荒草地＞阳坡刺槐林地＞阳坡辽东栎林地.阴坡刺槐林地、阴坡荒草地和农地0～20cm土壤温度达到5℃以上的时间比阳坡刺槐林和阳坡荒草地推迟1周左右,根系开始生长活动的时间也推迟1周左右;而阴坡辽东栎林地则晚于阳坡辽东栎林地5d左右,根系开始生长活动的时间也较阳坡辽东栎林晚5d左右.出叶时间阳坡刺槐林和阳坡荒草地植物比阴坡刺槐林、阴坡荒草地和阳坡辽东栎林的早1周左右,比阴坡辽东栎林早12d左右.     

季节性干旱对中亚热带人工林显热和潜热通量日变化的影响

植被与大气间的显热和潜热通量的日变化是大气过程和植被生理过程的显著标志。本研究利用ChinaFLUX千烟洲站典型的夏季雨热不同季的季节性干旱的试验条件,探讨了2003年季节性干旱对该生态系统显热和潜热通量日变化变异幅度和峰值时间的影响。研究表明：显热通量的日变化变异幅度年平均值为176 W/m2。潜热通量的日变化变异幅度年平均值为171 W/m2。显热通量到达日变化峰值的时间平均为11:57。全年潜热通量的日变化都在午后达到峰值,平均值为12:33。季节性干旱造成显热通量的日变异幅度明显增大,从144W m-2增加到321 W m-2。而潜热通量的日变异幅度明显降低,从324 W/m2减小到198 W/m2。,显热和潜热通量日变异幅度的相对变化明显增大,从-165 W/m2增加到76 W/m2,气温和饱和水汽压差是影响显热和显热日变异幅度及其相对变化的主要控制因素。干旱胁迫期,深层水对显热通量日变化变异幅度及其与潜热通量日变化变异幅度的相对变化的作用更显著,而潜热通量日变化变异幅度与气象要素关系不显著。季节性干旱造成显热通量日变化的峰值时间和显热和潜热通量日变化峰值时间的相对变化明显向下午偏移,显热通量日变化的峰值从上午11:31到中午12:17,相对变化从1小时到1小时20分钟。季节性干旱对潜热通量日变化峰值时间没有显著的影响。非干旱胁迫期,显热通量日变化峰值时间和显热及潜热通量日变化峰值时间的相对变化均与气温负相关,而干旱胁迫期,则与气温正相关。潜热通量日变化峰值时间与气象要素关系均不显著。该生态系统显热和潜热通量日变化峰值的相对变化主要受降水量的季节分配控制,在干旱胁迫期降水的作用更加明显。潜热和显热通量日变化峰值时间的相对变化总体上都受植被与大气间的耦合程度控制。     

城市公园绿地水、热与CO2通量观测与分析

水、热和CO2通量是评价城市绿地生态效益的重要指标。在北京海淀公园中部和边缘架设涡度相关系统,连续观测和定量研究城市公园绿地影响下的通量变化特征。结果表明,公园绿地所获得的净辐射在植被生长季节大部分用于植被的蒸散作用,潜热大于显热;而在植被非生长季节大部分用于显热,潜热数值非常小。晴天显热与潜热的比值在春季随着植被枝叶的生长逐渐减少,到夏季达到最小值约1/3,在秋季随着植被叶片枯黄逐渐变大,冬季达到数倍。公园绿地能量平衡率在52%～83%,普遍存在能量不平衡。公园中部的潜热观测值大于公园边缘,而显热小于公园边缘;公园中部CO2通量日均值为负,公园绿地是CO2汇。公园绿地在植被生长季节具有明显的降温增湿、吸收CO2等生态效应。     

长白山阔叶红松林生长季热量平衡变化特征

根据长白山阔叶红松林2001年5月下旬至10月上旬微气象梯度观测资料和辐射、土壤热通量资料,用波文比-能量平衡方法(BREB方法)计算了森林的显热通量和感热通量,并计算了森林大气和植被体的储热量,分析了阔叶红松林热量平衡各项的日变化和季节变化,结果发现,热量平衡(净辐射)与太阳总辐射呈线性关系;热量平衡各项都与净辐射有相同的日变化特征,为昼正夜负的曲线．各项的绝对值一般表现为净辐射>潜热通量>感热通量>储热变化．受日照时间的影响,6～10月各分量正值的日持续时间逐渐缩短．月平均结果,白天净辐射6月份最大,10月上旬最小,变化于0～527W·m^-2,夜间的净辐射在0～-121W·m^-2．潜热通量白天和夜间分别在0～441、0～-81W·m^-2,感热通量昼夜分别在0～80、0～-26W·m^-2．储热变化则为0～44、0～-26W·m^-2．白天潜热通量占净辐射的比例8～10月逐渐下降,而感热通量和储热变化的比例9～10月明显上升,特别在严霜后2～3d,出现潜热通量比例突减、感热通量比例突增的现象．文中还对通量观测仪器、方法进行了简要分析．     

亚热带毛竹林生态系统能量通量及平衡分析

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器,对亚热带(浙江省)毛竹林生态系统2011年的净辐射、显热通量、潜热通量、土壤热通量以及气温、地温、降雨量等气象要素进行了连续观测,定量分析了毛竹林生态系统能量通量的变化和各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比。结果表明:毛竹林全年净辐射为2628.00 MJ/m2,显热通量为576.80 MJ/m2,潜热通量为1666.77 MJ/m2,土壤热通量为-7.52 MJ/m2,土壤为热源,各能量分量季节变化明显,日变化基本呈单峰型曲线变化。显热通量占净辐射的22.0%,潜热通量占63.4%,毛竹林生态系统潜热通量为能量散失的主要形式。波文比逐月变化规律不明显,波动较大,在0.07—1.77之间变化,能量平衡比率法得出毛竹林年能量闭合度为0.85,月平均闭合度为0.84,能量闭合度高于线性回归法计算结果,但仍有15%的能量不闭合。     

高效经营雷竹林生态系统能量通量过程及闭合度

利用开路涡度相关系统和常规气象仪,对高效经营的雷竹林生态系统2011年的显热通量、潜热通量、净辐射、土壤热通量以及气温、地温、降雨量进行了观测,分析该生态系统能量通量的变化,以及各能量分量的分配特征,并计算了波文比及能量闭合.结果表明：雷竹林全年净辐射为2928.92 MJ·m^-2,潜热通量、显热通量和土壤热通量分别为1384.90、92754和-28.27 MJ·m^-2,各能量分量的日变化和月变化基本呈单峰曲线.潜热通量为能量散失主要形式,占净辐射的47.3%,显热通量占31.7%,波文比呈“U”型曲线,在0.285～2.062之间变化,土壤为热源.雷竹林年能量闭合度为0.782,月平均闭合度为0.808.
     

玉米农田水热通量动态与能量闭合分析

 基于锦州农田生态系统野外观测站玉米农田涡度相关系统近2年的水热通量观测数据，分析了玉米农田水热通量的日际、年际变化特征及其能量 平衡状况。结果表明： 1）玉米农田水热通量日变化与年变化均呈单峰型二次曲线，峰值出现在12∶00～13∶00左右，与净辐 射的日变化、年 变化同步，潜热通量最大可达到655 w•m^－2（出现在2004年7月8日1 3∶00），显热通量最大值大约为369 w•m^－2（出现在2004年5月31日13∶ 00）。2）玉米农田水热通量强度与局地的环境条件密切相关：显热通量与大气压的年变化呈负相关，潜热通量与气温年变化呈正相关。水热通 量受降水的影响较大，对降水的反应较敏感。其中，潜热通量(LE)不仅与降水的强度有关，而且随着降水的季节分布的不同而出现不同的响应 ，即使同样量级的降水在夜间与白天对LE的影响也是不同的。3）玉米农田通量观测呈现能量不闭合现象，主要原因可能是未包含0～5 cm土壤 热储量与冠层热储量，造成大约15.5%的能量损失。     

基于元胞自动机的喀斯特石漠化格局模拟研究

西南喀斯特山区的石漠化问题是目前我国西部地区最为突出的地域环境问题之一,其迅速发展已经严重影响到当地人们的生产生活。以导致石漠化发生发展的自然、人文因子为切入点,通过模拟影响喀斯特系统地表覆被变化的基本生态过程(如植物定居、植物死亡、水蚀风蚀引起的土地退化以及岩石成土过程等),利用随机元胞自动机具有的简单邻域规则产生复杂空间格局的特点,使喀斯特系统地表覆被植被-裸土-裸岩状态在一定概率下发生状态转换,并结合RS和GIS技术,构建了简单、有效的喀斯特石漠化模拟及预测模型(KarstCA)。以典型喀斯特石漠化地区关岭县为研究区,在自然、人文驱动因素共同影响以及只考虑自然驱动因素情景下,KarstCA模型模拟的研究区2007年石漠化空间分布格局的差异主要分布在中部和南部,其主要是不同空间范围上人类活动作用方式和强度差异所致。在16a中(1992—2007年)喀斯特地区地物(植被-裸土-裸岩)丰度变化成非线性关系,当植被覆达到54%以上并继续增加时,裸岩发展趋势与之呈明显的负相关(P<0.01)。在模拟期内人类活动对研究区石漠化的发展起到抑制作用,人类活动的正效应(植树造林等)与负效应(乱砍滥伐、过度放牧等)在一定程度上抵消了植被总面积的剧烈变化趋势。将地表过程耦合进元胞自动机模型,突破了以往该类研究只通过概率考虑状态转换,而对其机理认识的不足;同时本研究考虑了自然、人文驱动因素在不同空间尺度上作用于石漠化现象的复杂性,对于探索这些因素是如何作用于地表过程及其贡献率等研究具有一定的参考价值。     

我国亚热带毛竹林生长季能量通量过程及闭合度分析

为探讨我国亚热带毛竹林(Phyllostachys edulis)生长季的能量平衡关系,利用开路涡度相关法,对2011年毛竹林生长季的能量通量的变化特征进行了研究,并应用能量平衡比率法和线性回归2种方法,分析了能量闭合的特点。结果表明,我国亚热带毛竹林生长季的净辐射总量为1738.2 MJ m–2,显热通量为354.3 MJ m–2,潜热通量为1146.0 MJ m–2,土壤热通量为58.9 MJ m–2,土壤为热汇,显热通量占净辐射的20.4%,潜热通量占65.9%,土壤热通量占3.4%。毛竹林生长季的能量闭合度为0.89,月平均闭合度为0.91,但仍有11%的能量不闭合。可见,毛竹林生长季以潜热能量散失形式为主,各能量分量均以净辐射变化为基础,且日变化基本呈单峰型曲线。     

黄河小浪底人工混交林生长季能量平衡特征

利用涡度相关系统和小气候梯度观测系统,对黄河小浪底人工混交林2012年生长季(5—9月)各能量通量进行了连续观测,分析了该生态系统能量平衡各项的变化特征,讨论了能量闭合状况。结果表明:潜热通量、感热通量和土壤热通量均与净辐射有类似的日变化特征。各项的绝对值大小表现为净辐射潜热通量感热通量土壤热通量。受日照时数的影响,5—9月能量平衡各项正值的日持续时间逐渐缩短。生长季,净辐射、感热通量和土壤热通量在6月份最大,最大值分别为418.5、231.4和12.5 MJ m-2month-1);潜热通量在7月份达到最大,最大值为320.8 MJ m-2month-1)。潜热通量、感热通量和土壤热通量占净辐射的比例分别在0.48—0.62、0.15—0.55、0.02—0.05之间。人工混交林生长季的能量分配主要以潜热通量和感热通量为主,且潜热通量为感热通量的2倍。波文比呈单峰曲线:6月最大,8月最小。黄河小浪底人工混交林生长季全天能量闭合度为79%。其中,白天闭合程度较高(81%),夜晚较低(41%)。本研究站点存在21%的能量不闭合。其原因可能与通量源区面积不匹配、忽略冠层热储存、湍流能的相位差等有关。     

桂林岩溶石山植物群落植物功能性状对不同坡向环境因子的响应

该研究以桂林岩溶石山不同坡向的植物群落为对象,探讨植物功能性状(比叶面积、叶绿素含量、木材密度和环境因子随坡向的变化规律。结果表明:比叶面积和叶绿素含量为阴坡>半阴坡>阳坡,阴坡和半阴坡分别与阳坡差异性显著;木材密度为阴坡<半阴坡<阳坡,阴坡、半阴坡分别与阳坡差异性显著。土壤有机质含量表现为阴坡大于阳坡,且阴坡与阳坡差异性显著;土壤全磷、土壤有效磷均表现为阳坡含量最高,且阴坡与阳坡差异性显著;土壤有效钾、土壤全钾则分别为阴坡、半阴坡含量最高,土壤全钾含量在各坡向上差异均显著,而土壤有效钾则为阴坡、半阴坡与阳坡均差异性显著。回归分析表明群落水平比叶面积在阴坡和半阴坡上与土壤有机质含量呈显著负相关;群落水平叶绿素含量与土壤全磷含量和土壤有效钾含量在阴坡上呈显著正相关;在不同坡向梯度上群落水平木材密度与环境因子无相关性。群落水平上植物功能性状随坡向的变化规律,反映了岩溶石山植物群落构建过程中环境对功能性状的筛选效应。     

Structural complexity and land‐surface energy exchange along a gradient from arctic tundra to boreal forest

Question: Current climate changes in the Alaskan Arctic, which are characterized by increases in temperature and length of growing season, could alter vegetation structure, especially through increases in shrub cover or the movement of treeline. These changes in vegetation structure have consequences for the climate system. What is the relationship between structural complexity and partitioning of surface energy along a gradient from tundra through shrub tundra to closed canopy forest? Location: Arctic tundra‐boreal forest transition in the Alaskan Arctic. Methods: Along this gradient of increasing canopy complexity, we measured key vegetation characteristics, including community composition, biomass, cover, height, leaf area index and stem area index. We relate these vegetation characteristics to albedo and the partitioning of net radiation into ground, latent, and sensible heating fluxes. Results: Canopy complexity increased along the sequence from tundra to forest due to the addition of new plant functional types. This led to non‐linear changes in biomass, cover, and height in the understory. The increased canopy complexity resulted in reduced ground heat fluxes, relatively conserved latent heat fluxes and increased sensible heat fluxes. The localized warming associated with increased sensible heating over more complex canopies may amplify regional warming, causing further vegetation change in the Alaskan Arctic.     

内蒙古温带荒漠草原生态系统水热通量动态

基于2008年全年内蒙古温带荒漠草原的水热通量观测数据,对荒漠草原水、热通量的日、季动态进行了分析.结果表明：温带荒漠草原感热通量和潜热通量的日动态均呈单峰型曲线,在12:00-13:30左右达最大值,其与地表净辐射的日变化趋势基本一致,但感热和潜热的峰值出现时间较地表净辐射峰值出现时间滞后约1 h;温带荒漠草原感热通量和潜热通量的日累积最大值分别为319.01和425.37 W·m^-2,分别出现在5月30日和6月2日;月均感热通量与潜热通量的最大值分别出现在5月和6月,最小值分别出现在1月和12月.研究区土壤含水量与降水的相关性较好,表层土壤含水量对降水的反应最敏感,深层土壤水分对降水的反应存在位相滞后.感热通量和潜热通量的季节动态与地表净辐射基本一致,均受降水影响.感热通量受地表净辐射的影响明显,而潜热通量对降水的反应较敏感,且土壤含水量在潜热通量中起主要作用.     

Parameter estimation in surface exchange models using nonlinear inversion: how many parameters can we estimate and which measurements are most useful?

Models of mass and energy exchanges between the biosphere and the atmosphere generally contain a nonlinear dependence between fluxes and model parameters, and thus estimation of these parameters from measurements in a heterogeneous landscape depends on the scale of the observations. The scale‐dependence of a typical surface‐exchange model (the CSIRO Biospheric Model, CBM) is examined using the diurnal variation of hourly fluxes of CO₂, latent heat, sensible heat and soil heat. The fluxes were measured using micrometeorological techniques over six sites in a grazing/pasture system in SE Australia during a period of three weeks in 1995. Nonlinear parameter inversion was used to determine model parameters. Analysis of the covariance of the estimates of the parameters and the unexplained residuals of the model showed that a maximum of three or four parameters could be determined independently from the observations for all six sites. Estimates of a key model parameter, j_max, the mean of maximum potential electron transport rate of all leaves within the canopy, was best determined by the measurements of net CO₂ flux at all sites examined. Measurements of ground heat flux provide little information about any of the model parameters in CBM. Because of nonlinearities in the surface exchange model, calculated fluxes will be in error if parameters for the component vegetation types are simply averaged in proportion to their areal fraction. The magnitude of these errors was examined for CBM using a hypothetical land surface consisting of two surface types, each with different parameter values. Predictions of net CO₂, latent heat and ground heat fluxes using a linear combination of model parameters for the two surface types were quite similar with those found using optimal estimates of the parameters for the landscape, but were significantly poorer for sensible heat fluxes.     

青藏高原植被退化对高原及周边地区大气环流的影响

利用耦合了陆面模式的大气环流模式,结合青藏高原植被退化的范围和程度,通过在模式中修改高原地区(27°—40°N,75°—100°E)的叶面积指数的方法,探讨了植被退化以后对高原及其附近地区上空大气环流的影响。结果表明,该模式对高原地表温度场具有很强的模拟能力,并且能够很好地模拟出青藏高原及附近地区夏季位势高度场的平均特征及南亚高压的位置和强度,但南亚高压中心强度偏大且略微西退。在青藏高原植被出现退化以后,高原整体地表土壤温度和地表2 m空气温度升高,感热通量增加、潜热通量减小,进而改变了高原地区的波文比。地表感热增加导致高原及附近地区500 h Pa高度场降低和200 h Pa高度场升高,并在200 h Pa上存在强大的反气旋性环流异常,导致南亚高压增强和北扩东伸。植被退化造成的青藏高原感热增加导致了高原南部上升运动增强和北部上升运动减弱,同时又引起高原以北地区下沉气流的影响范围扩大,而下沉气流的强度减弱,其结果有助于高原以北的干旱范围扩大,而干旱程度却得到缓解。     

2000—2018年西北砒砂岩区植被覆盖度与地形效应

利用2000—2018年的MODIS-EVI数据,基于像元二分模型计算植被覆盖度,利用数字高程模型(DEM)数据从高程、坡度和坡向等方面分析西北砒砂岩区植被覆盖度的地形效应。结果表明: 2000—2018年西北砒砂岩区植被覆盖度(FVC)相对较低,平均按2.43·a^-1的速率递增,FVC正距平年主要有12年,其中以2018年和2013年相对最高,负距平年主要有7年,其中以2001年和2000年相对最低。砒砂岩区FVC空间分布由东南向西北逐渐降低,但不同类型砒砂岩区FVC存在较大差异,其中裸露砒砂岩区FVC相对最低,覆沙砒砂岩区次之,覆土砒砂岩区相对最高;2000—2018年砒砂岩区FVC的平均变化率为0.0031,植被生长状况趋于改善。高程-坡向效应表明,裸露砒砂岩和覆沙砒砂岩区坡向分别在高程≤1000 m和>1500 m处对FVC的影响较大,覆土砒砂岩区坡向对FVC的影响较小,但在高程1200～1300 m处影响较大。坡度-坡向效应表明,砒砂岩在坡度≤15°时,FVC的坡度坡向效应不明显,坡度＞25°时裸露砒砂岩和覆沙砒砂岩的阴坡和半阴坡FVC大于阳坡和半阳坡;覆土砒砂岩坡度＞15°时,半阴坡和半阳坡的FVC大于阴坡和阳坡。     

开放式空气C02浓度增高对水稻冠层能量平衡的影响

大气CO2浓度升高对植物冠层能量平衡的影响是导致植物生长发育和水分利用率发生变化的环境物理原因．利用位于江苏省无锡市安镇的农田自由开放式空气CO2浓度增高(FACE)系统平台,进行水稻冠层微气候和土壤热通量的连续观测,并结合能量平衡分析,研究了FACE对水稻冠层能量平衡的影响．结果表明,水稻冠层显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值出现在14：00左右,与空气相对湿度日最低值出现时间一致;潜热通量FACE与对照的差异日最大值变化在—15-—65J·m^-2·s^-1之间,显热通量FACE与对照的差异最低值变化在12—55J·m^-2·s^-1之间;显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值随冠层上方辐射平衡增加而增大．水稻冠层白天总显热通量FACE均高于对照,而总潜热通量FACE均低于对照．白天总显热和潜热通量FACE与对照的差异在同一生育期内随冠层上方净辐射增强而增大,在不同生育期随生育期推进而减少．开花期至蜡熟期,水稻冠层白天总潜热通量FACE比对照平均低6．7％．FACE使水稻冠层白天总显热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例减少,而使总潜热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例增大,但对土壤热通量及夜间显热和潜热通量的影响不大．开花期至蜡熟期水稻冠层白天总显热、潜热通量占冠层上方净辐射总量的比例FACE与对照之差平均为5．5％．