涡动相关法与波文比-能量平衡法测算森林蒸散的比较研究--以长白山阔叶红松林为例

分别采用涡动相关法与波文比-能量平衡法(BREB法)测算了长白山阔叶红松林2002年9、10月的森林蒸散量.结果表明,9月,涡动相关法与BREB法测算的森林蒸散量分别为83.1和87.9 mm,后者相对于前者的误差不到6%,且两者日蒸散量有较好的相关性(0.78),表明涡动相关法与BREB法在森林蒸散研究中有很好的一致性.10月,随着秋季落叶,林内水汽压梯度减小.涡动相关法测算的森林蒸散量为42.5 mm,BREB法测算的结果为49.1 mm,后者相对于前者的误差达到了16%,两者日蒸散量相关系数为0.53.在水汽压梯度较小时,BREB法会产生较大误差.9月中上旬,森林主要热量消耗是用于蒸散,约占辐射平衡量的71%;落叶后,森林主要热量消耗变为森林-大气间的感热交换,蒸散耗热只占辐射平衡量的40%.     

地表蒸散的遥感估算模型及其在农业干旱监测中的应用

蒸散是地表水热交换的主要过程,其空间特征差异明显,而遥感技术的发展与应用使得区域蒸散估算成为现实.本文介绍了基于能量平衡法的单层与双层遥感蒸散模型,并对这2类遥感模型的优缺点分别进行了评述和比较.重点综述了近年来得到发展和应用的大气-陆地交换反演模型(ALEXI),阐述其主要结构、特色和过程.该模型通过耦合双层能量平衡模型(TSEB)和简化边界层模型,减少以往模型对台站气象数据的依赖,明显提高区域蒸散估算精度.研究表明,基于该模型的蒸散胁迫指数(ESI)具有很强的区域干旱监测能力.在今后研究中,多元遥感数据融合技术、陆面数据同化系统与遥感蒸散模型的结合将成为该领域的研究热点.     

利用原位连续测定水汽δ~(18)O值和Keeling Plot方法 区分麦田蒸散组分

利用稳定同位素技术和Keeling Plot方法可以有效分割地表蒸散量,进而加深对陆地生态系统水循环的理解.该研究通过原位连续测定麦田的水汽同位素数据,评价Keeling Plot方法在分割地表蒸散中的应用,并揭示华北冬小麦(Triticum aes-tivum)蒸腾在总蒸散中的比例.实验于2008年3-5月在中国科学院栾城农业生态站进行,利用国际上先进的H_2~(18)O、HD~(16)O激光痕量气体分析仪(TDLAS)为基础构建的大气水汽~(18)O/~(16)O和D/H同位素比原位连续观测系统,同时利用涡度相关技术、真空抽提技术、同位素质谱仪技术,获取了必要的数据.研究分析了一天中不同时间段的连续的大气水汽δ~(18)O与水汽浓度倒数拟合Keeling Plot曲线的差异和可能的原因.结果显示,中午时段的拟合结果较好,这也暗示中午时段蒸腾速率高时最可能满足植物蒸腾的同位素稳定态假设.进一步的分析发现植物蒸腾的同位素稳定态并不总是成立,尤其是水分胁迫下进入成熟期的小麦,其蒸腾水汽同位素一般处于非稳定态.利用同位素分割结果显示,生长盛期麦田94%-99%的蒸散来源于植物蒸腾.     

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.     

森林、草地和农田典型植被蒸散量的差异

利用中国生态系统研究网络(CERN)12个试验站1990—2003年的气象资料,基于大气-土壤-植被传输(SVAT)模型模拟植被的蒸散量,分析了不同气候条件下森林、草地、农田3种植被类型蒸散的变化规律.结果表明:多年平均蒸散量从高到低依次为热带森林、亚热带农田、温带森林、温带农田和草地;对农田生态系统而言,水稻的蒸散量最高,其次为小麦,玉米最低;3种生态系统月蒸散量峰值的年际变化差异显著,森林、草地的月蒸散量峰值年际变化较稳定,农田则较明显.     

加拿大温带落叶林生态系统氢氧同位素组成研究

陆地生态系统氢氧稳定同位素能为陆地与大气的水分交换和陆地生态系统水文循环研究提供独特的示踪信息。基于2009年生长季加拿大落叶林生态系统氢氧稳定同位素组成及环境要素的观测数据,分析了生态系统不同来源液态水和大气水汽同位素组成的时空变化特征,分析了生态系统蒸散与土壤蒸发的同位素组成和同位素通量(Isoflux)的变化特征,并讨论了主要的环境控制因素。结果表明,生态系统中不同来源液态水的同位素组成差别较大,与枝条水和土壤水相比,叶片水同位素组成最富集且变化幅度最大。大气水汽H_2~(18)O和HDO同位素组成随着高度升高而降低,水汽同位素值日变化呈"W"型分布,上午水汽同位素值降低,正午有一定的起伏,傍晚回升。水汽同位素组成与大气湿度有显著的相关性,大气水汽过量氘下午均值与表面相对湿度和水汽混合比的相关系数分别为-0.61(P0.01)和-0.57(P0.01)。受蒸腾速率和叶水同位素富集程度的共同作用,白天蒸散H_2~(18)O组成在正午和傍晚高,下午低。Isoflux的计算结果表明白天下垫面蒸散有助于大气水汽同位素富集,蒸散同位素通量最高可达147.5 mmol m~(-2)s~(-1)‰。本研究结果能为同位素水文模型提供数据支持和理论参考。     

长白山阔叶红松林蒸散量的测算

2001年7－9月应用水量平衡法对长白山阔叶红松林蒸散量进行了测定,同时应用波文比（BREB）法对其蒸散量进行了估算,两种方法得到的总蒸散量分别为288.18mm和214.94mm,均小于该时段的降雨量301.9mm。通过两种方法分别得出了各月平均日蒸散量,并通过第二种方法计算出每日的蒸散量及每日不同时刻的蒸散速率,从而对水量平衡法和BREB方法测算阔叶红松林蒸散量的可行性及其精度进行了验证。     

利用原位连续测定水汽δ18O值和Keeling Plot方法区分麦田蒸散组分

 利用稳定同位素技术和Keeling Plot方法可以有效分割地表蒸散量, 进而加深对陆地生态系统水循环的理解。该研究通过原位连续测定麦田的水汽同位素数据, 评价Keeling Plot方法在分割地表蒸散中的应用, 并揭示华北冬小麦(Triticum aestivum)蒸腾在总蒸散中的比例。实验于2008年3–5月在中国科学院栾城农业生态站进行, 利用国际上先进的H₂¹⁸O、HD¹⁶O激光痕量气体分析仪(TDLAS)为基础构建的大气水汽¹⁸O/¹⁶O和D/H同位素比原位连续观测系统, 同时利用涡度相关技术、真空抽提技术、同位素质谱仪技术, 获取了必要的数据。研究分析了一天中不同时间段的连续的大气水汽δ¹⁸O与水汽浓度倒数拟合Keeling Plot曲线的差异和可能的原因。结果显示, 中午时段的拟合结果较好, 这也暗示中午时段蒸腾速率高时最可能满足植物蒸腾的同位素稳定态假设。进一步的分析发现植物蒸腾的同位素稳定态并不总是成立, 尤其是水分胁迫下进入成熟期的小麦, 其蒸腾水汽同位素一般处于非稳定态。利用同位素分割结果显示, 生长盛期麦田94%–99%的蒸散来源于植物蒸腾。     

O值和Keeling Plot方法区分麦田蒸散组分

利用稳定同位素技术和Keeling Plot方法可以有效分割地表蒸散量, 进而加深对陆地生态系统水循环的理解。该研究通过原位连续测定麦田的水汽同位素数据, 评价Keeling Plot方法在分割地表蒸散中的应用, 并揭示华北冬小麦(Triticum aestivum)蒸腾在总蒸散中的比例。实验于2008年3–5月在中国科学院栾城农业生态站进行, 利用国际上先进的H₂¹⁸O、HD¹⁶O激光痕量气体分析仪(TDLAS)为基础构建的大气水汽¹⁸O/¹⁶O和D/H同位素比原位连续观测系统, 同时利用涡度相关技术、真空抽提技术、同位素质谱仪技术, 获取了必要的数据。研究分析了一天中不同时间段的连续的大气水汽δ¹⁸O与水汽浓度倒数拟合Keeling Plot曲线的差异和可能的原因。结果显示, 中午时段的拟合结果较好, 这也暗示中午时段蒸腾速率高时最可能满足植物蒸腾的同位素稳定态假设。进一步的分析发现植物蒸腾的同位素稳定态并不总是成立, 尤其是水分胁迫下进入成熟期的小麦, 其蒸腾水汽同位素一般处于非稳定态。利用同位素分割结果显示, 生长盛期麦田94%–99%的蒸散来源于植物蒸腾。     

基于多种同位素模型的侧柏林生态系统蒸散组分定量拆分

为了全面认识森林生态系统蒸散各组分及其对蒸散的贡献率在日尺度上的变化规律,本研究利用同位素稳态和非稳态假设理论结合水同位素分析仪系统,对生长季侧柏林生态系统蒸散各组分进行了定量拆分和比较。结果表明: 4个测定日(2016年8月5、8、10、11日)不同来源水体的¹⁸O都呈现表层土壤水氧同位素组成(δ_S)＞枝条水氧同位素组成(δ_X)＞大气水汽氧同位素组成(δ_V),说明三者可能因同位素分馏效应表现出明显的差异。土壤蒸发水汽氧同位素组成(δ_E)在日尺度上为-26.89‰～-59.68‰,整体上呈现出先上升后下降的变化趋势;森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成(δ_ET)为-15.99‰～-10.04‰,稳态(ISS)下植物蒸腾水汽氧同位素组成(δ_T-ISS)为-12.10‰～-9.51‰,而非稳态(NSS)下植物蒸腾水汽氧同位素组成(δ_T-NSS)为-13.02‰～-7.23‰,在日时间尺度上δ_ET与δ_T-NSS全天的变化趋势一致,在11:00—17:00 δ_ET、δ_T-ISS与δ_T-NSS三者的变化趋势近似一致。总体上,植物蒸腾量对蒸散量的贡献率表现为F_T-ISS 79.1%～98.7%,而F_T-NSS 88.7%～93.7%。这表明研究区土壤蒸发耗水远小于植被蒸腾耗水,植被蒸腾在林地蒸散中起主导作用。     

安吉毛竹林水汽通量变化特征及其与环境因子的关系

以浙江省安吉县毛竹(Phyllostachys edulis)林生态系统为研究对象,利用涡度相关技术进行观测,获取2011年毛竹林的水汽通量数据,同时结合常规气象观测数据,分析了水汽通量全年变化。结果表明:毛竹林全年水汽通量基本为正值,月尺度上,水汽通量呈单峰型变化趋势,且各月的最大值均在12:00—14:00出现,呈现一定规律性,7月(0.1116 g m-2s-1)最高,12月(0.0209 g m-2s-1)最低;季节尺度上,夏季最高(0.0873 g m-2s-1),呈现典型单峰型变化趋势,春秋季(均为0.0541 g m-2s-1)次之,变化特征与夏季相似,冬季最低(0.0221 g m-2s-1),曲线变化复杂,波动较大。毛竹林全年蒸散量占全年降水量48.26%。2、4、5、11、12月蒸散量略大于降水量,其余月份蒸散量均小于降水量,6月份降水量与蒸散量差别最大。季节尺度上,对毛竹林水汽通量与净辐射进行回归关系分析,夏季最大,R2为0.6111,秋季为0.5295,春季为0.2605,冬季最小0.0455。通过F检验,水汽通量与净辐射有极显著线性关系。在植物生长期,毛竹林水汽通量随饱和水汽压差的增大而增大,植物发育成熟后,当饱和水汽压差增大到一定程度时,其增大反而抑制了水分的蒸散。     

Interannual Invariability of Forest Evapotranspiration and Its Consequence to Water Flow Downstream

Although drought in temperate deciduous forests decreases transpiration rates of many species, stand-level transpiration and total evapotranspiration is often reported to exhibit only minor interannual variability with precipitation. This apparent contradiction was investigated using four years of transpiration estimates from sap flux, interception–evaporation estimates from precipitation and throughfall gauges, modeled soil evaporation and drainage estimates, and eddy covariance data in a mature oak-hickory forest in North Carolina, USA. The study period included one severe drought year and one year of well above-average precipitation. Normalized for atmospheric conditions, transpiration rates of some species were lower in drought than in wet periods whereas others did not respond to drought. However, atmospheric conditions during drought periods are unlike conditions during typical growing season periods. The rainy days that are required to maintain drought-free periods are characterized by low atmospheric vapor pressure deficit, leading to very low transpiration. In contrast, days with low air vapor pressure deficit were practically absent during drought and moderate levels of transpiration were maintained throughout despite the drying soil. Thus, integrated over the growing season, canopy transpiration was not reduced by drought. In addition, high vapor pressure deficit during drought periods sustained appreciable soil evaporation rates. As a result, despite the large interannual variation in precipitation (ranging from 934 to 1346 mm), annual evapotranspiration varied little (610–668 mm), increasing only slightly with precipitation, due to increased canopy rainfall interception. Because forest evapotranspiration shows only modest changes with annual precipitation, lower precipitation translates to decreased replenishment of groundwater and outflow, and thus the supply of water to downstream ecosystems and water bodies.     

Contrasting simulated past and future responses of the Amazonian forest to atmospheric change

Modelling simulations of palaeoclimate and past vegetation form and function can contribute to global change research by constraining predictions of potential earth system responses to future warming, and by providing useful insights into the ecophysiological tolerances and threshold responses of plants to varying degrees of atmospheric change. We contrasted HadCM3LC simulations of Amazonian forest at the last glacial maximum (LGM; 21 kyr ago) and a Younger Dryas-like period (13-12 kyr ago) with predicted responses of future warming to provide estimates of the climatic limits under which the Amazon forest remains relatively stable. Our simulations indicate that despite lower atmospheric CO2 concentrations and increased aridity during the LGM, Amazonia remains mostly forested, and that the cooling climate of the Younger Dryas-like period in fact causes a trend toward increased above-ground carbon balance relative to today. The vegetation feedbacks responsible for maintaining forest integrity in past climates (i.e. decreased evapotranspiration and reduced plant respiration) cannot be maintained into the future. Although elevated atmospheric CO2 contributes to a positive enhancement of plant carbon and water balance, decreased stomatal conductance and increased plant and soil respiration cause a positive feedback that amplifies localized drying and climate warming. We speculate that the Amazonian forest is currently near its critical resiliency threshold, and that even minor climate warming may be sufficient to promote deleterious feedbacks on forest integrity.     

森林蒸散模型参数的确定

以长白山阔叶红松林为研究对象,利用长白山阔叶红松林气象观测塔安装的常规气象梯度观测系统、开路涡动相关系统的观测数据,依据空气动力学基本理论与能量平衡方程建立了森林蒸散机理模型,确定了模型参数,即风速廓线稳定度订正函数φ_m、温度廓线稳定度订正函数φ_h和零平面位移高度d.其中,研究地的零平面位移高度d为17.8m,是平均冠层高度(26m)的0.68.同时,给出了φ_m和φ_h随梯度理查逊数R_i变化的数学表达式.     

拉格朗日逆分析在森林蒸散模拟中的应用

以长白山阔叶红松林为研究对象,根据Raupach提出的LocalizedNearField(LNF)理论为依据,耦合垂直速度标准差σ_w(z)和拉格朗日时间尺度T_L(z),建立林冠内水汽源汇强度和平均浓度廓线之间的关系;利用拉格朗日逆分析法(inverseLagrangiandispersionanalysis,IL)提出了通过林冠水汽浓度梯度计算林冠内的水汽源汇强度进而推算森林蒸散的方法.最终得到的结果与开路涡动相关系统的观测数据比较显示,对于白天水汽累积通量的模拟精度达到87.3%;IL模拟值高于EC实测值,大约高出15%～25%;林冠白天水汽通量远大于夜间,占日水汽总通量的70%以上.6～8月的水汽白天累积总通量高于5月和9月.     

黄土地区防护林生态系统水量平衡研究

根据黄土地区的防护林生态系统水分循环的特征,提出了防护林生态系统水量平衡方程,通过对１９８８￣１９９２年刺槐、油松、沙棘、虎榛子林地、草地和裸地６种生态系统水量平衡的分析,结果表明降雨是防护林生态系统主要的水分输入量,刺槐和油松林根际层以下土壤水分的上升补给,也是重要的水分输入项,特别是春季的４￣６月份,更是防护林生态系统极为重要的水分来源,刺槐林和油松林平均根际区下层土壤水分上升补给量占降雨量的     

森林蒸散模型参数的确定

以长白山阔叶红松林为研究对象,利用长白山阔叶红松林气象观测塔安装的常规气象梯度观测系统、开路涡动相关系统的观测数据,依据空气动力学基本理论与能量平衡方程建立了森林蒸散机理模型,确定了模型参数,即风速廓线稳定度订正函数ψm、温度廓线稳定度订正函数ψh和零平面位移高度d。其中,研究地的零平面位移高度d为17．8m,是平均冠层高度(26m)的0．68。同时,给出了ψm和ψh随梯度理查逊数Ri变化的数学表达式。     

林分耗水的尺度扩展研究进展

蒸散耗水是森林生态系统水分循环过程的主要构成,是现代生态水文研究的重点和难点。直接测定和尺度上推提供了两种获取蒸散量的技术手段。受限于复杂的冠层结构、非均质的下垫面和迥异的环境条件,直接测定难以准确获取林分水平的耗水信息,因此有必要讨论单木与冠层结构、环境因子之间的耦合关系,利用时空尺度扩展得到合理的耗水量。本文综述了理论基础相对牢固的3种尺度扩展技术:基于生物计量参数、遥感影像和水文模型的尺度扩展,剖析各模型的控制因子,探讨模型的适用性和优缺点,对尺度扩展技术的发展做了展望。     

On the forest cover–water yield debate: from demand‐ to supply‐side thinking

Several major articles from the past decade and beyond conclude the impact of reforestation or afforestation on water yield is negative: additional forest cover will reduce and removing forests will raise downstream water availability. A second group of authors argue the opposite: planting additional forests should raise downstream water availability and intensify the hydrologic cycle. Obtaining supporting evidence for this second group of authors has been more difficult due to the larger scales at which the positive effects of forests on the water cycle may be seen. We argue that forest cover is inextricably linked to precipitation. Forest‐driven evapotranspiration removed from a particular catchment contributes to the availability of atmospheric moisture vapor and its cross‐continental transport, raising the likelihood of precipitation events and increasing water yield, in particular in continental interiors more distant from oceans. Seasonal relationships heighten the importance of this phenomenon. We review the arguments from different scales and perspectives. This clarifies the generally beneficial relationship between forest cover and the intensity of the hydrologic cycle. While evidence supports both sides of the argument – trees can reduce runoff at the small catchment scale – at larger scales, trees are more clearly linked to increased precipitation and water availability. Progressive deforestation, land conversion from forest to agriculture and urbanization have potentially negative consequences for global precipitation, prompting us to think of forest ecosystems as global public goods. Policy‐making attempts to measure product water footprints, estimate the value of ecosystem services, promote afforestation, develop drought mitigation strategies and otherwise manage land use must consider the linkage of forests to the supply of precipitation.