黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量特征

基于2011-2012年黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量通量以及气象数据,对该地区能量平衡各分量(净辐射、感热、潜热和土壤热通量)以及波文比进行日、季节动态的特征分析,研究了潜热通量和感热通量对不同强度降雨事件响应程度的差异,并分析了潜热通量和感热通量的主控因子.结果表明:该地区净辐射、感热、潜热和土壤热通量的日、季节动态曲线均为单峰型曲线,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年平均值分别为78.19、33.32、24.91和2.65 W·m-2.在全年能量收支平衡中,感热通量占净辐射的43％,潜热通量占32％,土壤热通量占3％,表明对于黄土高原农牧交错带自然稀疏灌木生态系统,全年能量主要以感热的形式交换.生长季感热和潜热占净辐射的比例相同(36％);而在非生长季,感热占主导,占净辐射的比例高达54％.潜热通量在强、弱降雨事件发生后明显升高,感热通量则明显下降.潜热通量与净辐射、水汽压差及植被参数均显著相关,感热通量与净辐射及空气温度梯度显著相关.     

北京海淀公园绿地二氧化碳通量

作为城市生态系统的重要组成部分,城市绿地有着释氧固碳、降温增湿、吸收有毒有害气体、降尘、减噪等多种生态功能。在对北京海淀公园2006年5月到2007年3月的CO2通量观测数据进行质量评价、数据剔除和插补的基础上,通过与温度、太阳辐射等气象数据的相关性分析,定量研究了海淀公园绿地CO2通量的日变化、年变化以及影响因子。结果表明,海淀公园绿地日CO2通量在一年内具有明显的季节变化,植物生长季3—10月份以吸收CO2为主,11月至翌年2月份以释放CO2为主;年净生态系统生产力(NEP)为8.7554 tCO2/hm2a,反映了海淀公园绿地具有较强的固碳能力。     

科尔沁温带草甸能量平衡的日季变化特征

利用2011年9月—2012年10月涡度相关数据和气象观测资料,对科尔沁温带草甸能量平衡的日季变化特征进行分析.结果表明:研究区涡度相关系统全年的能量平衡闭合度为0.77,不同时期能量平衡闭合度的大小顺序为:生长季裸土期积雪期.能量平衡各分量日变化均呈单峰曲线形式,净辐射日变化峰值出现在12:00前后,其余分量的峰值出现时间都稍有滞后.净辐射季节变化呈单峰曲线形式,年平均值为5.71 MJ·m-2·d-1.潜热通量季节变化趋势与净辐射相似,年平均值为2.84 MJ·m-2·d-1.感热通量季节变化呈双峰曲线形式,峰值分别出现在4月和9月,年平均值为1.87 MJ·m-2·d-1.土壤热通量的最大值(3.47 MJ·m-2·d-1)出现在4月,9月以后开始转为负值.全年能量平衡各分量收支比例的大小顺序为:潜热通量感热通量土壤热通量,潜热通量、感热通量和土壤热通量分别占净辐射的49.8%、35.8%和3.1%.全年波文比的季节变化近似"U"型,平均值为1.61;生长季数值较小且较为平稳,平均值为0.18;非生长季数值较大且波动较大,平均值为2.39.     

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。     

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％．     

喀斯特城市地表水热通量的时空变化研究

针对我国西南地区桂林喀斯特城市近20多年来快速扩展所引发的热环境问题,改进METRIC模型使其适用于喀斯特城市实际状况,利用模型和1994—2015年5景Landsat遥感图像反演地表水热通量,分析通量时空变化规律。结果表明,潜热通量从高到低依次为水体、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、建筑/道路和裸土、喀斯特山峰裸岩,显热通量从高到低依次为喀斯特山峰裸岩和建筑/道路、裸土、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、水体。水热通量随时间的变化受地表覆盖变化的影响,研究区波文比(显热通量与潜热通量比值)在1994年最高,达到1.62,2000年下降到1.24,之后逐渐升高至2015年的1.51。城市扩展过程出现的显热高值区和潜热低值区比例低于10%,其变化引发显热中低值区和潜热中高值区比例的变化,显热高值区最高比例在1994年(10.0%),2000年下降到5.4%,之后至2010年逐渐上升到9.4%,但2015年下降到7.1%,潜热低值区比例的变化趋势与显热高值区比例基本相同。植被覆盖度(Vegetation fraction,Pv)在0.1—0.8范围时对水热通量的影响相对更显著,Pv增加0.1,显热通量降低8—27 W/m~2,而潜热通量升高8—24 W/m~2。喀斯特山峰植被保护和城区地面绿化建设对喀斯特城市热环境的改善至关重要。     

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。     

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。     

内蒙古克氏针茅草原生态系统-大气通量交换特征

基于内蒙古克氏针茅草原生态系统的涡动相关观测资料和小气候梯度系统观测资料,对研究区碳通量和水热通量的日、季动态进行了研究.结果表明：克氏针茅草原生态系统生长季的碳通量日动态呈U型曲线,即日出前释放CO2,日出后开始吸收CO2,正午前后达峰值,午后吸收CO2减弱,日落后重新转为释放CO2;9月白天CO2吸收最为强烈,8月次之,10月最低.克氏针茅草原的感热和潜热通量的日动态均呈倒U型曲线,与碳通量日动态相反,即白天感热和潜热通量多为正值,夜间感热为负值,潜热接近于零;感热通量以5月最高,潜热通量以9月最高.冬季草地为弱碳源,CO2通量较小,夏季表现为明显的碳汇.     

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。     

内蒙古克氏针茅草原生态系统-大气通量交换特征

基于内蒙古克氏针茅草原生态系统的涡动相关观测资料和小气候梯度系统观测资料,对研究区碳通量和水热通量的日、季动态进行了研究.结果表明：克氏针茅草原生态系统生长季的碳通量日动态呈U型曲线,即日出前释放CO₂,日出后开始吸收CO₂,正午前后达峰值,午后吸收CO₂减弱,日落后重新转为释放CO₂;9月白天CO₂吸收最为强烈,8月次之,10月最低.克氏针茅草原的感热和潜热通量的日动态均呈倒U型曲线,与碳通量日动态相反,即白天感热和潜热通量多为正值,夜间感热为负值,潜热接近于零;感热通量以5月最高,潜热通量以9月最高.冬季草地为弱碳源,CO₂通量较小,夏季表现为明显的碳汇.     

内蒙古温带荒漠草原能量平衡特征及其驱动因子

基于内蒙古苏尼特左旗温带荒漠草原生态系统观测站2008年全年的涡度相关观测与相应的生物、环境观测资料,对生态系统能量平衡特征及其驱动因子分析表明:能量平衡各分量(净辐射,Rn;感热通量,H;潜热通量,LE;土壤热通量,G)呈单峰型日动态,白天大部分时间H/RnG/RnLE/Rn;夜间G/Rn占主导;全天LE/Rn相对较小,即使在植物生长盛期。较低的LE/Rn可能与荒漠草原气候干旱及植被分布稀少有关。日Rn受天气变化的影响,特别是在雨季,Rn日间差异较大,呈现锯齿状波动。能量平衡各分量季节变化明显,Rn、H、LE和G最大月分别为7、5、6月份和6月份。全年H是Rn的主要能量支出项(58%);LE其次(26%),年蒸散量(190.3mm)大于年降水量(136.3mm),与多年平均降水量接近(183.9mm),其中最大日蒸散率3.8mm/d;G所占比例较小(1%),全年基本保持平衡。然而G白天吸收能量,夜间释放能量;夏季储存能量,冬季释放能量的特点,在能量平衡中存在类似"能量缓存"的作用,不能被忽略。降水过程显著影响内蒙古温带荒漠草原水热交换。降水后较降水前LE峰值明显增大,而H峰值降低。日蒸散率峰值多数与降水事件有关。而且,生长季日蒸散率波动与降水引起的SWC变化趋势一致。生长季潜热分配(LE/Rn)主要受到土壤含水量(SWC)、饱和水汽压差(VPD)及叶面积指数(LAI)共同影响。LE/Rn随SWC增大呈增加趋势,LE/Rn随VPD增大而降低,LE/Rn随LAI增大呈二次曲线变化。其中LAI为0.2m2/m2是一个阈值,当LAI0.2m2/m2,SWC是LE/Rn主要驱动因子;当LAI0.2m2/m2,SWC和LAI共同驱动LE/Rn。应用退耦因子(Ω)评价了荒漠草原与大气之间水汽交换的耦合状况。与其他草原类型相比,本研究区退耦因子(Ω)相对较低(生长季平均0.15)。生长盛期Ω相对较高,Rn是LE的主导因子;而生长前期和后期Ω相对较低,VPD是LE的主要控制因子。     

鼎湖山针阔混交林旱季能量平衡研究

运用涡度相关(Eddycovariance,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鼎湖山季风常绿阔叶林旱季(2003／1／9—2003／1／23)的能量分量进行测定。结果表明,平均净辐射通量(Net radiation,Rn)为53．14Wm^2,与下行短波辐射具有相同的变化趋势。林冠上层EC法潜热通量(Latent heat,LE)、显热通量(Sensible heat,Hs)实测平均值分别为57．18Wm^-2,43．40Wm^-2,林冠下层分别为12．61Wm^-2、7．61Wm^-2。白昼EC法所测得的LE和Hs数据与利用波文比．能量平衡法(Bowen ratio and energy balance,BREB)计算出的数据相比,略偏低,而夜间及凌晨数据差异较大。土壤热通量日变化曲线呈“S”形,平均土壤热通量为．1．50Wm^-2,表面土壤总热通量(Gt)仅为5cm处土壤热通量的84．0％,可见表层土壤尽管很薄,但其热储量不能忽略。将LE、Hs之和与可供能量(Rn—Gt)进行闭合,回归直线斜率为0．9128,相关系数达0．8517,与许多研究结果的60％-90％的区间相符,这说明鼎湖山涡度相关法通量观测数据是非常可靠的。     

土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量估算模型研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热、CO2通量的准确估算对理解陆地和大气的物质和能量交换过程有着重要意义.重点阐述了基于过程的土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量模型,综述了统计模型、综合模型及基于遥感的模型的发展过程.其中水热通量统计模型包括基于温度和湿度以及基于温度和辐射的方法;CO2通量统计模型包括基于气候因子或蒸散因子以及基于光能利用率的方法.水热通量过程模型包括大叶、双源、多源和多层的水热传输物理模型;CO2通量过程模型包括叶片尺度及由大叶、双叶和多层方法扩展到冠层尺度的生理生态模型以及光合-蒸腾耦合模型.综合模型包括生物物理模型、生物化学模型和生物地理模型.统计模型形式简单,资料易得,对大范围的水热通量模拟具有指导意义;过程模型准确的揭示了水热和CO2通量传输的物理和生理过程,是大尺度综合模型的基础.未来生态系统水热、CO2通量估算模型将集成各种技术手段进行多尺度网络观测和大尺度机理模拟.     

珠三角城市绿地CO2通量的季节特征

城市绿地是城市碳循环的重要组成部分,利用长期定位观测资料估算珠三角典型城市绿地的CO2通量,可以为应对气候变化、评价区域碳源汇提供参考。应用2009、2010年,东莞市植物园内的涡度相关法CO2通量定位观测资料,分析了净生态系统交换量(NEE)的年变化及其与气象要素的关系,结果表明:(1)年平均NEE总量为-104.2 gC.m-.2a-1,表明城市绿地生态系统具有固碳能力。(2)NEE随光温条件变化呈现明显的季节动态,12至3月表现为碳源,其他月份表现为碳汇。(3)根据白天NEE与光合有效辐射(PAR)逐月拟合Michaelis-Menten方程,得到年平均表观初始光能利用率(α)为(0.00134±0.00035)mgCO.2μmol-1光子,年平均光饱和生态系统生产力(Pmax)为(1.006±0.283)mgCO.2m-.2s-1。(4)利用夜间呼吸(Reco)与5 cm土壤温度(Ts)拟合指数方程,得到年平均Reco总量为1378.1 gC.m-.2a-1。(5)NEE与PAR、气温(Ta)和饱和水压差(VPD)的相关性分析显示,NEE与PAR偏相关系数的绝对值大于Ta和VPD,表明PAR对NEE的影响最大。     

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。     

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。     

Shrub expansion may reduce summer permafrost thaw in Siberian tundra

Climate change is expected to cause extensive vegetation changes in the Arctic: deciduous shrubs are already expanding, in response to climate warming. The results from transect studies suggest that increasing shrub cover will impact significantly on the surface energy balance. However, little is known about the direct effects of shrub cover on permafrost thaw during summer. We experimentally quantified the influence of Betula nana cover on permafrost thaw in a moist tundra site in northeast Siberia with continuous permafrost. We measured the thaw depth of the soil, also called the active layer thickness (ALT), ground heat flux and net radiation in 10 m diameter plots with natural B. nana cover (control plots) and in plots in which B. nana was removed (removal plots). Removal of B. nana increased ALT by 9% on average late in the growing season, compared with control plots. Differences in ALT correlated well with differences in ground heat flux between the control plots and B. nana removal plots. In the undisturbed control plots, we found an inverse correlation between B. nana cover and late growing season ALT. These results suggest that the expected expansion of deciduous shrubs in the Arctic region, triggered by climate warming, may reduce summer permafrost thaw. Increased shrub growth may thus partially offset further permafrost degradation by future temperature increases. Permafrost models need to include a dynamic vegetation component to accurately predict future permafrost thaw.     

Eddy-correlation system for long-term monitoring of fluxes of heat, water vapour and CO2

An eddy-correlation system is presented that was designed with special focus on long-term measurements of turbulent fluxes in the atmospheric boundary layer. It consists of a SOLENT sonic anemometer, a fast temperature sensor, and a LI-COR LI 6262 closed-path infrared gas analyser. The use of a fast temperature sensor turned out to be necessary because of errors in the sound virtual temperature measured by the sonic anemometer at high wind speeds. The components are combined with special attention paid to protection against lightning and other environmental stresses. The data acquisition program SOLCOM runs on standalone systems or in a network environment and performs ‘quasi on-line’ data processing, on-line graphical display of single data and fluxes, and on-line correction of the raw data. Raw data can be stored continuously on DAT tapes. All data handling can be done by remote access, thus only a minimum amount of m situ maintenance is required. Power spectra of vertical and longitudinal wind speed, air temperature, air humidity and carbon dioxide concentration showed to follow the -2/3 law quite well. There was some noise in the high frequency range of the carbon dioxide spectrum. However, the corresponding cross spectra with the vertical wind component showed less deviation from a straight line in the high frequency range. The sum of convective heat fluxes and soil heat flux showed good agreement with the measured net radiation for several months and it was concluded that the system described here constitute a good platform for long-term flux measurements over forest.