定植密度对日光温室甜椒干物质生产与分配影响的模拟研究

2007年10月—2009年5月,在中国山东省寿光市日光温室内设计不同定植密度和不同定植日期的甜椒栽培试验,系统收集温室环境数据和作物生长数据,分析定植密度对日光温室甜椒干物质生产与分配的影响。结果表明,定植密度在2.0—6.7株·m-2范围内,不同定植密度处理的甜椒叶面积指数与定植后天数的关系较好地符合logistic模型,收获时最大叶面积指数与定植密度呈线性正相关。研究发现,不同密度处理的单位面积甜椒生物量与冠层累计截获的光合有效辐射日积分呈线性正相关,单位面积植株干物质增长率和叶片的干物质分配指数随定植密度增加而增加,果实的干物质分配指数随密度增加而减少,茎的干物质分配指数受密度影响不显著。在此基础上,首先构建甜椒叶面积指数模型和冠层光截获模型,然后建立以冠层截获的PAR日积分为尺度的温室甜椒干物质生产与分配模型,并利用独立试验数据对模型进行检验,表明定植密度为2.0、4.0、6.7株·m-2的总干重、叶干重、茎干重、果实干重和产量的模拟值与实测值间基于1:1线的决定系数(R2)分别为0.946、0.891、0.945、0.923和0.867,回归估计标准误差(RMSE)分别为51.97g·m-2、3.53g·株-1、4.72g·株-1、16.4g·株-1和910.8g·m-2,说明所建模型的模拟值与实测值有较好符合度,能够较准确地模拟日光温室甜椒的干物质生产与分配,模型参数少,实用性强,可以为日光温室甜椒产量预测提供决策支持。     

太湖生态系统能量闭合特征及其影响因素

地表能量不闭合不仅限制了涡度相关观测数据在陆面模型发展和验证等应用性研究中的价值,还给生态系统CO2源汇特征辨析带来不确定性。基于太湖避风港站2012年涡度相关通量、辐射、气象和水温梯度观测数据,分析了太湖能量闭合的多尺度(小时、日和月)时间变化特征,阐述了大气稳定度、摩擦风速和湖风对太湖能量闭合状况的影响。结果表明:太湖小时尺度的能量闭合度为0.59,且昼夜差异较小;日尺度的能量闭合度为0.73,在内陆水体观测结果中处于中等水平;月平均能量闭合度呈现冬季高、夏季低的季节变化特征;年平均时太湖仍有27%的能量不闭合。因摩擦风速减小,太湖能量闭合度在大气极不稳定条件下要比弱不稳定条件下结果低0.3;对于太湖这类大型浅水湖泊,其能量闭合度全天都受动力湍流交换强度制约,能量闭合度随摩擦风速增大而显著提高;虽然湖风发生使太湖小时尺度的能量闭合度降低了0.1,但其影响在日尺度上并不明显。     

Optimization and evaluation of vegetation photosynthesis and respiration model using the measurements collected from the forest site of subtropical coniferous-evergreen

 碳循环模型参数的确定和优化对生态系统净CO₂交换(NEE)的模型计算至关重要。该文利用2010–2012年ChinaFLUX千烟洲站点的通量观测资料, 对植被光合呼吸模型(VPRM)的参数进行了优化。通过比较两种不同的拟合方案, 发现利用传统光响应方程得到的参数不适用于VPRM, 而利用模型自身反演方案拟合得到的参数最大光量子效率(λ)达0.203, 大于C₃植物平均值, 但与其他相关研究结果吻合。采用VPRM模型反演方案优化得到的参数后, VPRM能较准确地模拟千烟洲站不同季节的NEE。其对全年半小时NEE模拟的平均误差为–0.86 μmol·m^–2·s^–1, 相关系数为0.72。模型可准确地模拟生长旺季NEE平均日变化, 但低估了非生长旺季白天吸收峰值约52%。通过个例分析发现, VPRM模型可以准确模拟晴天条件下NEE的时间变化, 但对阴雨天条件下NEE的模拟还存在较大的不确定性。该研究将有助于进一步改进CO₂通量及浓度的区域数值模拟。     

箱体特征对箱式法观测水-气界面CO2和CH4通量的影响

箱式法是广泛运用于内陆水体CO₂和CH₄通量监测的重要方法,但各研究中使用的箱体特征存在差异,箱体设计缺少统一标准,从而会影响观测结果。为明确箱体透光性、箱体内外气压差以及箱体内气体混合状态对水-气界面CO₂和CH₄通量观测的影响,本研究基于多通道闭路式动态箱观测系统,分别对比明箱和暗箱、箱体是否配备气压平衡阀及风扇对养殖塘水-气界面CO₂和CH₄通量观测的影响。结果表明: 夏季白天观测期间,与可观测CO₂实际通量的明箱相比,当CO₂呈现排放状态时,暗箱高估了90%的CO₂通量;当CO₂呈现吸收状态时,暗箱低估了50%的CO₂通量。暗箱测得的CH₄扩散通量比明箱低40%。箱体内气压是否与外界气压保持平衡对CO₂和CH₄通量影响均不显著。无风扇的箱体观测的CO₂通量代表性较差,在本研究中较有风扇的箱体高20%。无风扇的箱体难以区分不同途径排放的CH₄通量。在运用箱式法观测水-气界面CO₂、CH₄通量时,应使用透明箱体,并在其中安装风扇辅助气体混合。     

涡度相关观测的太湖CH4通量数据插补方法评价

涡度相关法是在湖泊开展CH₄通量长期连续观测的重要方法。受到多种因素的影响,CH₄通量观测数据存在大量缺失。为重构完整的CH₄通量时间序列,就需要适宜的数据插补方法。本研究利用太湖涡度通量观测网络东部的避风港站点2014—2017年的常规气象数据及涡度相关观测的CH₄通量数据,在分析半小时尺度以及日尺度CH₄通量影响要素的基础上,测试了非线性回归法以及随机森林算法和误差反向传播算法在半小时尺度及日尺度上插补CH₄通量缺失数据的可行性。结果表明: 在半小时尺度上,避风港站生长季CH₄通量主要受到底泥温度、摩擦风速、气温、相对湿度、潜热通量和20 cm处水温的影响,非生长季主要受到相对湿度、潜热通量、风速、感热通量和底泥温度的影响,而在日尺度上CH₄通量主要受潜热通量和相对湿度的影响。在对CH₄通量缺失数据的插补中,随机森林模型在所有时间尺度上都表现为最佳的插补性能,其中,将日序、太阳高度角、底泥温度、摩擦风速、气温、20 cm处水温、相对湿度、气压和风速作为输入变量的随机森林模型更适用于半小时尺度缺失数据的插补;将日序、底泥温度、摩擦风速、气温、20 cm处水温、相对湿度、气压、风速和向下短波辐射作为输入变量的随机森林模型更适用于日尺度缺失数据的插补;整体上,插补模型对日尺度缺失数据的插补优于半小时尺度。     

基于改进SW模型的千烟洲人工林蒸散组分拆分及其特征

蒸散组分拆分是准确评估陆地生态系统生产力以及估算水分利用效率的重要基础。利用改进后的Shuttleworth-Wallace模型,将蒸散拆分为植被蒸腾、土壤蒸发和冠层截留蒸发,并采用Monte Carlo随机参数化方案对模型参数进行优化。将模型与千烟洲亚热带人工针叶林站点的2011年涡度相关及小气候观测资料结合,对千烟洲人工林蒸散及其组分进行模拟。研究结果表明:半小时尺度上蒸散量模拟值与实测值的一致性在晴天和雨天都较高。半小时尺度上全年蒸散模拟值与实测值的决定系数、均方根误差和平均偏差为0.73、1.55 mmol m~(-2)s~(-1)和0.21 mmol m~(-2)s~(-1)。蒸散是该生态系统水分输出的最主要贡献项,占全年降水的80%。在蒸散中,植被蒸腾约占总蒸散量的85%,可推测2011年千烟洲人工林生态系统有较高的水分利用效率。该生态系统的蒸腾量季节变化明显,主要受饱和水汽压差和气温两种环境因素以及植被的叶面积指数影响且与三者均呈正相关;土壤蒸发约占总蒸散量的5%,季节变化平缓;模拟的冠层截留蒸发量约占总蒸散量的10%,季节变化大,与降水量呈正相关,与暴雨频次呈负相关,说明冠层无法有效截留强降水。该模型参数较少、时间分辨率高且可以有效模拟蒸散及其组分特征,是陆地生态系统水分循环过程研究有力的模型工具。     

散射辐射对亚热带人工针叶林光能利用率的影响

地表接受的太阳辐射中散射辐射的改变是影响森林生态系统光能利用率(Light Use Efficiency,LUE)的重要因素。以千烟洲亚热带人工针叶林为研究对象,利用30 min通量和常规气象观测数据,以晴空指数(kt)和地表接受的散射辐射(S_f)占太阳总辐射(S_0)的比值(S_f/S_0)为指标,分析了2003—2012年生长旺季(6—8月)散射辐射变化对千烟洲亚热带人工针叶林光能利用率的影响,并利用改进的光响应曲线模型分析了散射辐射变化对植被光合特性的影响。研究结果表明:2003—2012年生长旺季中,kt在0.6—0.7范围内的LUE比kt在0.4—0.5范围内的LUE平均减少了44.66%;S_f/S_0在70%—85%之间的LUE比S_f/S_0在55%—70%之间的LUE平均提高了22.24%。由此可以看出,与晴朗天空相比,多云及气溶胶增加导致的散射辐射增加可使该生态系统的LUE提高。并且,未受到高温干旱影响的2005、2006、2008、2009、2010及2012年散射辐射下该生态系统的初始量子效率αf比直接辐射下的αr平均增加了0.63 g CO2/mol;而10年间所有年份散射辐射下的光饱和时的潜在最大光合作用速率比直接辐射下平均提高了0.81 mg CO_2m~(-2)s~(-1),说明散射辐射可使该生态系统植被光合能力提高。     

南京地区大口径闪烁仪与涡动相关仪感热通量观测对比

湍流是地表与大气间物质与能量交换的主要形式,因而准确观测湍流通量历来是城市边界层研究的重要问题。本研究基于架设在南京信息工程大学内的大口径闪烁仪(large aperture scintillometer,LAS)和涡动相关仪(eddy covariance,EC)的同步观测,对比了LAS测得的感热通量和EC测得的感热通量的差异,结合归一化植被指数(NDVI)和归一化建筑指数(NDBI),分析了下垫面不均匀性对于两种仪器测得感热通量的影响。结果表明:城市地区LAS与EC具有较好的相关性(R2=0.76),拟合线斜率为0.95;白天,LAS的感热通量大于EC的感热通量,二者差值为18.8~39.4 W·m^-2;夜间,二者均在零值附近波动,差值为4.8~28.7 W·m^-2;月尺度上两种仪器的差值8月最大,其次为7月、4月,6月最小;差异产生的主要原因是风向造成的通量源区不同;通量源区内的NDVI值越大,感热通量与净辐射之比越小,二者呈显著负相关(k=-0.34,P<0.05);NDBI值越大,感热通量与净辐射之比越大,二者呈显著正相关(k=1.15,P<0.05)。     

植被光合呼吸模型在千烟洲亚热带常绿针叶林的优化及验证

碳循环模型参数的确定和优化对生态系统净CO₂交换(NEE)的模型计算至关重要。该文利用2010-2012年ChinaFLUX千烟洲站点的通量观测资料, 对植被光合呼吸模型(VPRM)的参数进行了优化。通过比较两种不同的拟合方案, 发现利用传统光响应方程得到的参数不适用于VPRM, 而利用模型自身反演方案拟合得到的参数最大光量子效率(λ)达0.203, 大于C₃植物平均值, 但与其他相关研究结果吻合。采用VPRM模型反演方案优化得到的参数后, VPRM能较准确地模拟千烟洲站不同季节的NEE。其对全年半小时NEE模拟的平均误差为-0.86 μmol·m^-2·s^-1, 相关系数为0.72。模型可准确地模拟生长旺季NEE平均日变化, 但低估了非生长旺季白天吸收峰值约52%。通过个例分析发现, VPRM模型可以准确模拟晴天条件下NEE的时间变化, 但对阴雨天条件下NEE的模拟还存在较大的不确定性。该研究将有助于进一步改进CO₂通量及浓度的区域数值模拟。     

水稻花粉扩散的模拟研究

水稻花粉扩散可导致基因飘流问题,尤其是转基因水稻,其外源基因的扩散可能会引发一系列的环境安全问题。为了模拟花粉扩散过程,2007年和2009年分别在南京(32°01′N,118°52′E)和溧水(31°35′N,119°11′E),以两优培九为材料,各组织了一次田间试验。通过空气中的花粉扩散浓度的观测和微气象塔梯度环境要素的采集,采用高斯烟羽模型为基础,利用最小二乘法,模拟了水稻花粉的扩散浓度,并利用独立试验数据验证了模型效果。结果表明:花粉释放集中在始花期后第1天到第5天的09:00-11:00,且花粉释放量与开花量显著相关(r=0.880**)。花粉浓度的模拟值和实测值变化趋势一致,其均方根误差和相对误差分别为0.509粒/(m2.d)和3.47%。该花粉扩散模型可以正确反映花粉扩散浓度的分布特征。但在花粉浓度的预测精度上,尤其是预测花粉远距离传播时,仍需要改进。