辽东山区天然次生林能量平衡和蒸散

基于辽宁冰砬山森林生态系统定位研究站2012年森林内、外微气象观测数据,采用波文比-能量平衡法(BERB)研究了辽东山区天然次生林能量平衡组分及蒸散特征。结果表明,天然次生林全年获得净辐射能量(Rn)为1.63×109J/m2,其中生长季Rn占全年的71%。Rn月均值呈单峰状季节变化;5月份Rn最大,达101.73 W/m2;12月份最小,仅为-2.38 W/m2。Rn在晴朗天气的日变化呈单峰型,峰值出现在12:00前后,Rn在日出后0.5 h至日落前1.5 h为正值,其它时间为负值。潜热通量(LE)、感热通量(H)在晴朗天气呈单峰型日变化规律。LE呈单峰型季节变化,7月份最大。H呈双峰型季节变化,峰值在4月份,次峰值在9月份。波文比(β)近似呈"U"字型季节变化,非生长季β均值为1.50,即H占有效能量的60%,生长季β均值为0.43,即LE占有效能量的70%。生长季土壤热通量(G)为能量支出项,约占有效能量的2.5%,晴朗天气呈单峰型日变化。非生长季G为能量收入项,约占有效能量的6.8%,1月份几乎没有日变化。辽东山区天然次生林全年蒸散(E)总量为541.8 mm,占全年降水总量的70.3%,蒸散耗水是该森林生态系统最主要的水分支出项。     

东北阔叶红松林能量平衡特征

采用涡度相关法,结合小气候观测,对东北阔叶红松林的能量平衡特征进行了研究。结果表明,森林全年获得的辐射能量为2.3×109J/m2,平均净辐射(Rn)强度为72.1 W/m2,12月最小,平均为5.8W/m2,6月最大,平均为127 W/m2。除了受太阳高度角的支配,Rn对中小尺度天气变化响应显著。非生长季,森林主要能量支出项为感热通量(H),约占Rn的72%,H最大值出现在5月份;生长季,主要能量支出项为潜热通量(LE),约占Rn的60%,LE最大值出现在7月份。全年因蒸散消耗的能量为1.2×109J/m2,占净辐射的52%,森林蒸散的水量为493mm,占降水量的88%。波文比β近似呈U字型变化,其值受森林物候变化影响显著,在非生长季平均值约为3.0,生长季为0.5左右。土壤热通量(G)在非生长季表现为能量平衡方程的收入项,约占有效能量的5.0%;生长季表现为支出项,约占有效能量的4.0%,其变化过程与土壤温度梯度及叶面积指数密切相关。长白山通量观测站能量平衡收支闭合度为86%,不闭合的原因有待于进一步的研究。     

青藏高原三江源区人工草地能量平衡的变化特征

为揭示建植人工草地对青藏高原三江源区能量平衡的影响,利用涡度相关和微气象系统的观测数据定量分析了该区域人工草地能量收支及其各分量的变化特征。结果表明:太阳总辐射(R_s)和净辐射(R_n)的日最高值分别为33.6和19.1 MJ m~(-2)d~(-1),年累计值分别为6789.4和2773.3 MJ/m~2;全年R_n与R_s的比值(R_n/R_s)为0.41,但生长季的R_n/R_s(0.54)明显高于年均值;显热(H)与潜热(LE)通量呈明显的季节变化,H最低值出现在12月,之后随R_s的增强而增加,但进入生长季后呈下降趋势,7月中旬出现次低值;而LE在冬季维持较低值,3月以后迅速增加,最高值出现在生长旺季的7月。在能量分配上,可利用能量主要消耗于LE和H,年均LE/R_n,H/R_n,G/R_n分别为0.46,0.45和-0.13。但能量分配的季节变化差异明显,波文比(β=H/LE)在冬季、春季、夏季和秋季的平均值分别为3.33、0.68、0.42和1.29。受植被叶面积指数(LAI)等生物因素以及土壤含水量(SWC)、饱和水汽压差(VPD)等环境因素的共同影响,冠层导度(g_c)和解耦系数(Ω)的年最大值均出现在夏季,其平均值分别为16.22mm/s和0.70,表明在植被生长盛期LE仍受R_n的控制,其它季节Ω均值低于0.5,说明LE更多的是受VPD调控。本研究说明,虽然三江源区接收的太阳总辐射较强,但R_n/R_s相对较低,生态系统能量平衡中各分项的变化主要受植被、土壤含水量以及净辐射的控制,在退化草地恢复过程中,由于建植人工草地增加了植被覆盖度,进而改变了能量收支过程及能量平衡各分项。     

西北干旱荒漠绿洲区葡萄园水热通量特征及其主要影响因素

为提高干旱绿洲区农田地表过程的科学认识及改善农业水管理，该研究基于涡度相关技术，运用葡萄园生长季能量平衡观测资料，分析了不同时间尺度的水热通量变化特征，以及干旱平流和冠层导度(G_c)在不同生长阶段上对水热通量的影响，并应用通径分析研究了环境因子对潜热通量(LE)的影响路径和程度。结果表明：(1)日尺度上，LE呈现出不同程度多峰状，其余水热通量总体上呈单峰状。整体上，各生长阶段日间净辐射(R_n)>LE>感热通量(H)>土壤热通量(G)。G相较于R_n呈现出明显的滞后现象。(2)整个生长季上，LE和H分别占白天可利用能量(R_n-G)的86%和14%,表明LE始终是白天葡萄园可利用能量的主要消耗项。干旱平流对白天LE的贡献范围为5%～59%,全生长季平均贡献为28%;G_c对LE的影响在生长季上呈动态变化，且在新梢生长期和落叶期对LE的影响强于中间生长阶段。(3)LE主要受R_n的影响，饱和水汽压差(VPD)和气温(T_a)对LE...     

不同降水梯度下草地生态系统地表能量交换

通过对不同降水梯度下的蒙古中部针茅草原(KBU)、内蒙古羊草草原(NM)、海北高寒灌丛草甸(HB)和当雄高寒草甸草原(DX)4个草地生态系统的能量通量连续4-5 a的测定,分析了影响青藏高原和蒙古高原草地生态系统生长季中地表能量交换的主要因素。研究表明:相对于KBU、NM和DX,HB高寒灌丛草甸NDVI(0.58)和土壤含水量(28.3%)最大,因而地表短波反射率(αk)最低(0.12),从而获得了最大的净辐射(Rn)。KBU、NM和DX 3个草地生态系统生长季中αk随着植被的生长而降低,在生长季末期,随着植被的凋落而增加;HB的αk季节变化趋势与其它生态系统相反。从蒙古高原(KBU和NM)到青藏高原(HB和DX),随着降水量的增加,波文比(β)逐渐减小(2.25-0.53),即生态系统与大气的能量交换从显热(H)占主导转变为潜热(LE)占主导。植被状况对草地生态系统与大气之间能量交换的季节动态有重要的调控作用,在NDVI较低的时候,4个生态系统H/Rn都大于LE/Rn,LE/Rn随着NDVI的增加而增加,而H/Rn呈现出与LE/Rn相反的季节变化趋势。     

黄土高原半干旱区农田生态系统蒸散与作物系数特征

蒸散是地表能量平衡和水分平衡的重要组分,与水循环过程密切相关.采用涡度相关技术,对黄土高原半干旱区农田生态系统2010年生长季(4-9月)蒸散特征进行观测,分析了农田作物系数与环境因子的关系.结果表明： 在观测期间,研究区各月潜热通量(LE)日变化呈近似“单峰型”曲线特征,最大峰值出现在8月(151.4 W·m^-2);日间能量分配方式存在明显季节差异,4-6月的日间能量分配表现为LE/R_n＜H/R_n(R_n为净辐射,H为感热通量),7-9月的日间能量分配方式(LE/R_n＞H/R_n)与4-6月相反.黄土高原半干旱区农田日蒸散率存在显著季节变化特征,最大日蒸散率为4.69 mm·d^-1.风速(W_s)、空气相对湿度(RH)、土壤含水量(θ)和饱和水汽压差(D)是作物系数(K_c)的主要影响因子.K_c随W_s增加呈指数降低趋势,随RH、θ增加呈指数增长趋势,随D增加呈线性降低趋势.     

天山北麓绿洲-荒漠过渡带芨芨草地地表能量通量研究

利用天山北麓绿洲-荒漠过渡带芨芨草地的小气候实测资料,分析了该地区不同天气条件下地表能量及其能量分配日变化特征,并进一步探讨了潜热与其它地表能量的关系。结果表明:晴天各地表能量分量曲线呈"单峰型",阴天表现为峰谷频繁交替的"多峰型",雨天则显示为"偏峰型"。由于该区以晴天为主,阴雨天气发生频率少,平均情况下的各能量曲线变化与晴天基本一致。任何天气条件下能量传输均以潜热(LE)为主,其次为感热(H)和土壤热通量(G)。观测期内LE/Rn平均值介于沙漠和绿洲之间,很好地在能量分配上体现出自身的过渡性。各种天气条件下能量分配的日动态变化趋势基本一致,白天均以潜热为主,夜间则有所不同。LE/Rn、H/Rn、G/Rn曲线白天变化平稳,夜间持续波动,日出和日落前后波动最为剧烈。其中,日出时刻以LE/Rn和G/Rn曲线波动最为强烈,且两者峰谷互补。因辐射强度和日照时数的不同,不同天气条件下曲线早、晚剧烈变化开始时间也有所差别。晴天、平均、阴天(8:00—18:00)波文比依次减小,且均小于1,表明它们在白天能量分配均以潜热为主。而雨天波文比则表现出较大的波动性,整体呈上升趋势。LE与Rn、H、G相关性程度均表现为:晴天与平均相当,阴天次之,雨天最小。     

SIMULATING SEASONAL AND INTERANNUAL VARIATIONS OF ECOSYSTEM EVAPOTRANSPIRATION AND ITS COMPONENTS IN INNER MONGOLIA STEPPE WITH VIP MODEL

 利用内蒙古羊草草原(Leymus chinensis)生态系统通量观测站的气象数据、野外实测和MODIS叶面积指数(Leaf area index, LAI), 应用基于生态系统过程的VIP(Vegetation interface process)模型, 以半小时为步长, 模拟分析了羊草草原生态系统2003～2005年(分别为平水年、平水年和干旱年)蒸散及其分量的变化过程。通过与通量数据对比, VIP模型能够很好地模拟羊草草原生态系统的蒸散过程(R² = 0.80), 在峰值大小和变化趋势上, 模拟值与实测值有较好的一致性。模拟结果显示: 3年蒸散量分别为337、338和223 mm; 在降水相对充沛的2003和2004年, 蒸腾量为192和171 mm, 而降水相对较少的2005年, 蒸腾量仅为96 mm; 年平均蒸腾和蒸发对蒸散的贡献基本持平; 生长季蒸散占全年的83%, 6月开始, 蒸腾大于蒸发, 蒸散和蒸腾的月总值均在7、8月达到最大值,两月蒸散占全年的43%。LAI是影响蒸散的主要因素, 其次是降水, 而净辐射对蒸散的影响较小。在生长季, 蒸发的季节变化平缓, 蒸散的差异主要体现在蒸腾的差异。     

控水条件下侧柏冠层气孔导度对土壤水的响应

建立了不同控水条件下(无降水、一半降水、自然降水和二倍降水)的侧柏样地,于2016年8月—2017年8月监测了样地土壤含水量(SWC)、降水量、液流密度(J_s)、叶面积指数(LAI)和水汽压亏缺(VPD)等因子,分析SWC对侧柏冠层气孔导度(g_s)的影响。结果表明: 一半、自然和二倍降水样地的SWC与降水量呈正相关,SWC变化范围分别为4.9%～16.0%、7.2%～22.9%、7.4%～29.6%,无降水样地的SWC在8—10月下降50%;7月的日g_s在14:00达到峰值(166.64 mmol·m^-2·s^-1),显著高于其他月份,且出现双峰现象, 1月的日g_s在12:00达到峰值(54.1 mmol·m^-2·s^-1);3个降水条件下,侧柏g_s与SWC呈负二次相关关系,且g_s达到峰值,对应的SWC分别为8.5%、12.5%和18.5%,均趋近于年平均SWC。不同控水样地内侧柏g_s对VPD的敏感性(δ)/参比冠层气孔导度(g_sref)均≥0.6,表明不同控水条件下土壤水分状况较适合侧柏蒸腾用水的需求。当SWC在3.7%～7.5%时,δ和g_sref值迅速增大,说明气孔调节能力更好,植物气孔对VPD的响应更敏感;当SWC上升到11%时,SWC变化对g_sref和g_s对VPD响应敏感性的影响不显著。可能存在侧柏产生适应状态的SWC阈值,植物体在自身的生命活动中关闭或减小气孔开度,降低叶片水势以适应过高的VPD,保护植物不会引起过度蒸腾,从而对蒸腾的调控更加有效。     

涡度相关法研究土壤水分状况对沙地杨树人工林生态系统能量分配和蒸散日变化的影响

为了解位于北京大兴区林场杨树人工林在不同的土壤水分环境条件下的水汽交换过程和能量的分配差异及其与环境因子关系,运用涡度相关（Eddy covariance,EC）法开路系统、常规微气象观测系统及土壤热通量板等设施对生态系统生长季内典型水分胁迫和无水分胁迫条件下蒸散日变化、能量分配以及与各环境因子的关系进行了测定分析和比较。结果表明,在水分严重胁迫日（以7月7日为例）,蒸散日变化过程为单峰曲线,全天（24h）蒸散量为2.4mm;而在无水分胁迫典型日（以7月25日为例）,蒸散日变化过程呈多峰曲线,全天蒸散量为4．5mm。能量平衡分析显示,无水分胁迫条件下潜热通量（LE）占净辐射通量（Rn）的比例远高于水分胁迫条件下潜热通量占净辐射通量的比例,说明水分充足时,能量的大部分用于蒸散。水分胁迫条件下蒸散速率与各环境因子的相关性均低于无水分胁迫条件下蒸散速率与环境因子的相关性。水分胁迫条件下,蒸散速率主要与净辐射和下垫面因子关系显著,而与其它因子的相关性较小;无水分胁迫条件下,蒸散速率与下垫面土体含水量和各气象因子均表现出较强的相关性。大气温度对于两个典型日蒸散速率的影响均很小;土壤含水量与水分胁迫日的蒸散速率几乎没有相关性,反应出土壤水分含量低至对蒸散几乎没有贡献了。     

Biophysical regulations of NEE light response in a steppe and a cropland in Inner Mongolia

Aims Ecosystem carbon models often require accurate net ecosystem exchange of CO₂ (NEE) light-response parameters, which can be derived from the Michaelis–Menten equation. These parameters include maximum net ecosystem exchange (NEE max), apparent quantum use efficiency (α) and daytime ecosystem respiration rate (R e). However, little is known about the effects of land conversion between steppe and cropland on these parameters, especially in semi-arid regions. To understand how these parameters vary in responses to biotic and abiotic factors under land conversions, seasonal variation of light-response parameters were evaluated for a steppe and a cropland of Inner Mongolia, China, during three consecutive years (2006–08) with different precipitation amounts.Methods NEE was measured over a steppe and a cropland in Duolun, Inner Mongolia, China, using the eddy covariance technique, and NEE light-response parameters (NEE max, α and R e) were derived using the Michaelis–Menten model. Biophysical regulations of these parameters were evaluated using a stepwise regression analysis.Important findings The maximum absolute values of NEE max occurred in the meteorological regimes of 15°C ≤ T a < 25°C, vapor pressure deficit (VPD) < 1 KPa and 0.21 m 3 m ? 3 ≤ volumetric soil water content at 10 cm (SWC) < 0.28 m 3 m ? 3 for both the steppe and the cropland ecosystems. The variations of α and R e showed no regular variation pattern in different T air, VPD and SWC regimes. Under the same regime of T air, VPD and SWC, the cropland had higher absolute values of NEE max than the steppe. Canopy conductance and leaf area index (LAI) were dominant drivers for variations in NEE light-response parameters of the steppe and the cropland. The seasonal variation of NEE light-response parameters followed the variation of LAI for two ecosystems. The peak values of all light-response parameters for the steppe and the cropland occurred from July to August. The values of NEE light-response parameters (NEE max, α and R e) were lower in the driest year (2007). Seasonally averaged NEE light-response parameters for the cropland surpassed those for the steppe. Land conversion from steppe to cropland enhanced NEE light-response parameters during the plant growing period. These results will have significant implications for improving the models on regional NEE variation under climate change and land-use change scenarios.     

盐生荒漠地表水热与二氧化碳通量的季节变化及驱动因素

以古尔班通古特沙漠南缘原始盐生荒漠为对象,利用涡度相关法,对原始盐生荒漠地表水热、二氧化碳通量进行了连续观测,对通量的季节变化、浅层土壤水分条件改变对盐生荒漠植物群落水汽、二氧化碳通量以及水分利用效率的影响进行了系统的分析.结果表明:净辐射通量、潜热通量和二氧化碳通量都具有明显的季节变化趋势,而显热通量的季节变化不明显.在有效能量的分配上,显热通量是有效能量的主要输出项.在降水影响期和非影响期,二氧化碳通量没有明显的变化;而在非降水影响期潜热通量明显降低,表明土壤水分处于亏缺状态,但二氧化碳通量并没有降低的趋势,而与前期保持高度的一致性.以此可以推断,该荒漠盐生植物群落并不以降水为主要水分来源,降水后水汽通量和二氧化碳通量变化的不一致性是该原始盐生荒漠独特植物特征决定的.降水影响期原始盐生荒漠植物群落的水分利用效率低于非影响期,是由于降水后土壤蒸发迅速增加,而植物蒸腾与光合并未随之增加造成的.     

荒漠草原人工灌丛化对蒸散发及其组分的影响——以盐池县为例

我国西北防沙治沙工程中大量的种植中间锦鸡儿(Caragana intermedia)会导致荒漠草原发生灌丛化现象,研究人工灌丛化对荒漠草原蒸散发的影响,不仅能够揭示半干旱区人为活动对生态系统水循环的影响机理,还可以指导区域生态治理实践。以宁夏盐池县荒漠草原为例,基于植被的生理生态参数和荒漠草原水热条件,采用生物地球化学模型(Biome Bio-Geochemical Cycles,Biome-BGC)和地球呼吸系统模拟模型(Breathing Earth System Simulator,BESS)结合的方法,模拟荒漠草原生态系统人工灌丛引入前后蒸散发及其组分的变化,定量研究荒漠草原人工灌丛化对区域生态水文循环中蒸散发的影响。结果表明,人工灌丛的引入使植被结构及特征发生了变化,叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)年最大值由0.20增加为0.67,改变了植被年内与年际变化特征。荒漠草原人工灌丛化后,生态系统年均蒸散发由251.74 mm增加到了281.42 mm;人工灌丛化对生长季的蒸散发增强明显,8月蒸散发峰值时,日均蒸散发由1.27 mm/d增加到1.56 mm/d。灌丛化过程使生态系统蒸腾量平均增加了1.35倍,蒸发量增加了1.06倍,改变了生态系统蒸散发的组分结构,导致蒸发比例降低、蒸腾比例增高。由此可知,荒漠草原在防沙治沙和生态治理中大量种植灌木的现象,加大了区域生态系统的蒸散发,并改变了水分耗散结构,从而对生态系统地气水汽交换有较大影响,研究结论对荒漠草原生态治理及未来的植被重建有一定的借鉴意义。     

内蒙古温带荒漠草原生长季地表反射率特征及数值模拟

基于内蒙古苏尼特左旗温带荒漠草原生态系统野外观测站2008年生长季(5月1日-10月15日)的气象和生物要素观测资料,分析了地表反射率日、季动态,并构建了温带荒漠草原地表反射率模型.结果表明：研究区地表反射率日变化主要受太阳高度角影响,呈早晚高、中午低的U形曲线特征;生长季地表反射率在0.20～0.34,平均为0.25,以5月较高、6月下降、7-9月相对稳定、10月增大;研究区地表反射率的季节动态与冠层叶片的物候变化有关,同时受降水过程的影响;土壤含水量和叶面积指数是影响该区地表反射率的关键因子;反映土壤含水量和叶面积指数共同作用的地表反射率模型的模拟值与野外实测值具有较好的一致性.     

Modelling Seasonal and Inter-annual Variations in Carbon and Water Fluxes in an Arid-Zone <Emphasis Type="Italic">Acacia</Emphasis> Savanna Woodland, 1981–2012

Changes in climatic characteristics such as seasonal and inter-annual variability may affect ecosystem structure and function, hence alter carbon and water budgets of ecosystems. Studies of modelling combined with field experiments can provide essential information to investigate interactions between carbon and water cycles and climate. Here we present a first attempt to investigate the long-term climate controls on seasonal patterns and inter-annual variations in water and carbon exchanges in an arid-zone savanna-woodland ecosystem using a detailed mechanistic soil–plant–atmosphere model (SPA), driven by leaf area index (LAI) simulated by an ecohydrological model (WAVES) and observed climate data during 1981–2012. The SPA was tested against almost 3 years of eddy covariance flux measurements in terms of gross primary productivity (GPP) and evapotranspiration (ET). The model was able to explain 80 and 71% of the variability of observed daily GPP and ET, respectively. Long-term simulations showed that carbon accumulation rates and ET ranged from 20.6 g C m^?2 mon^?1 in the late dry season to 45.8 g C m^?2 mon^?1 in the late wet season, respectively, primarily driven by seasonal variations in LAI and soil moisture. Large climate variations resulted in large seasonal variation in ecosystem water-use efficiency (eWUE). Simulated annual GPP varied between 146.4 and 604.7 g C m^?2 y^?1. Variations in annual ET coincided with that of GPP, ranging from 110.2 to 625.8 mm y^?1. Annual variations in GPP and ET were driven by the annual variations in precipitation and vapour pressure deficit (VPD) but not temperature. The linear coupling of simulated annual GPP and ET resulted in eWUE having relatively small year-to-year variation.     

Performance evaluation of the SITE® model to estimate energy flux in a tropical semi-deciduous forest of the southern Amazon Basin

The SITE® model was originally developed to study the response of tropical ecosystems to varying environmental conditions. The present study evaluated the applicability of the SITE model to simulation of energy fluxes in a tropical semi-deciduous forest of the southern Amazon Basin. The model was simulated with data representing the wet and dry season, and was calibrated according to each season. The output data of the calibrated model [net radiation (Rn), latent heat flux (LE) and sensible heat flux (H)] were compared with data observed in the field for validation. Considering changes in parameter calibration for a time step simulation of 30 min, the magnitude of variation in temporal flux was satisfactory when compared to observation field data. There was a tendency to underestimate and overestimate LE and H, respectively. Of all the calibration parameters, the soil moisture parameter presented the highest variation over the seasons, thus influencing SITE model performance.     

河西走廊沙漠和绿洲下垫面生态条件下能量交换若干特征

在河西走廊黑河地区沙漠和绿洲下垫面生态条件下,用涡旋相关法研究了能量输送的不同模式和日变化进程,以及两种生态条件下能量输送间可能存在的相互关系,在沙漠生态条件下,大部分净辐射用于显热散失,另一部分用于向地下传输,较少部分则用于潜热输送,其方向在白天向下,在夜间向上,其Ｂｏｗｅｎ比为１３．１６。在绿洲的麦田生态条件下,能量输送的基本模式为：大部分净辐射用于潜热散失,其输送方向与沙漠相反,另一部分用于