基于树干液流测定值的马占相思(Acacia mangium)冠层气孔导度计算及数值模拟

为深入揭示华南地区马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应规律,在2005年7月至11月,利用Granier热消散式探针法对马占相思(Acacia mangium)的树干液流(sapflow)进行了连续测定,计算出整树的蒸腾,并由Penman-Monteith方程得出马占相思的冠层气孔导度值。通过分析,发现:马占相思冠层气孔导度是控制马占相思树整树蒸腾的主要因素;冠层气孔导度随着水汽压亏缺增加呈负指数函数下降的趋势。使用包括了太阳总辐射、水汽压亏缺和气温的Jarvis模型可以较好地模拟马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应特征;模拟结果表明:环境变量对模型精确度的影响程度依次为:水汽压亏缺>太阳总辐射>气温。     

基于树干液流测定值进行尺度扩展的马占相思林段蒸腾和冠层气孔导度

应用Granier热消散探针,长期监测华南丘陵地马占相思(Acacia mangium)林14棵样树的树干液流(Sap flow),由此计算整树和林段的蒸腾速率,结合同步记录的环境因子,求算冠层平均气孔导度(G_c)。Granier探针的灵敏度较高,能精确测定即使是微弱的液流活动。观测结果显示,树木个体之间的液流密度(J_s)和整树蒸腾(E_t)受树形特征影响较大。马占相思林径级大的树木个体数较少,但占据林段边材总面积和林段蒸腾的比例较大。J_s和E_t的日变化主要受光合有效辐射(Q_o)和空气水蒸气压亏缺(D)的控制,土壤含水量(θ)对较大胸径树木E_t的影响大于胸径较小的树木,个体之间J_s和E_t的差异随θ的下降而缩小。一年中,林段蒸腾(E)在光照和水热条件较好的7月最高,9~12月,由于土壤水分供应的减少致使E值降低,E对D的敏感性下降。G_c与主要环境因子的关系与E相似,如果θ长期偏低,G_c会明显下降,是造成E降低的主要原因。成熟马占相思林在光照充足、水热条件较好的情况下的蒸腾活动旺盛,但对土壤水分胁迫的忍受力较低。     

马占相思林冠层气孔导度对环境驱动因子的响应

利用Granier热消散探针在2003年10月测定了广东鹤山丘陵地马占相思林14株样树的树干液流,同时监测林冠上方的光合有效辐射、空气湿度和气温,结合树木的形态和林分的结构特征,计算马占相思的整树蒸腾(E)、林分总蒸腾(E_t)以及冠层平均气孔导度(g_c),分析树形特征与整树水分利用的关系、冠层气孔导度对光合有效辐射(PAR)和空气水汽压亏缺(D)的响应.结果表明,整树蒸腾与胸径(P＜0.0001)、边材面积(P＜0.0001)和冠幅(P=0.0007)以自然对数的形式、与树高(P=0.014)以幂函数的形式呈现显著正相关.冠层气孔导度最大值(g_cmax)随D的上升呈对数函数下降(P＜0.0001),对光合有效辐射的响应则呈双曲线函数增加(P＜0.0001).液流测定系统能提供连续和准确的整树和林分蒸腾速率值,经严格数学推导公式计算,最终可求出冠层气孔导度,是研究森林水分利用与环境因子相互关系的有效方法.     

桂花树冠层气孔导度模型的优化及其参数分析

冠层气孔导度(g_c)是许多陆面过程模型中的重要参数,提高对冠层气孔导度的模拟精度非常重要。以环境因子阶乘的Jarvis形式的模型是气孔导度模型中的典型代表,但研究中不同的环境因子有不同的响应方程和参数。研究认为不同的响应方程有不同的模拟效果,并通过比较各环境因子的不同响应方程组合的模型的模拟效果来确定最优的g_c模型。以桂花树为例,测定了树干液流、茎水势和微气象环境,用Penman-Monteith(PM)方程反推计算冠层气孔导度并检验不同方程组合的16种模型。模型的参数用DiffeRential Evolution Adaptive Metropolis(DREAM)模型优化。结果表明这种方法能够有效地找到各环境因子最优的响应方程,从而最优化g_c模型。优化的g_c模型很好地模拟了桂花树冠层气孔导度的变化,尤其是对干旱的响应,模拟值与PM计算值的相关系数和均方根误差分别为0.803和0.000623 m/s。同时也证明了模型中温度函数f(T)1的现象并非个例,由于温度(T)和水汽压亏缺(D)常是高度相关的,建议在以后的g_c模型研究中应把T和D看成一个影响因子,但f(T)1的这种现象是否具有全球性还有待进一步研究证实。     

麦田冠层气孔导度的分层研究

小麦灌浆期和乳熟期冠层各层叶片上、下表面的气孔导度之间呈正相关关系;冠层不同层的叶片气孔导度从早到傍晚有平行变化的趋势,数值上存在较大的差异,一般从冠层上到下递减。经分析,这主要与冠层叶片接受的光强自上而下递减有关,且这时所对应的叶片水势自冠层上到下递增的幅度大。测算结果表明,冠层气孔导度白天亦呈明显的日变化,灌浆期的值大于乳熟期的值。     

华南荷木林冠层气孔导度对水汽压亏缺的响应

冠层气孔导度(Gs)是量化气孔在冠层尺度水平上表现的参数,能够表征森林冠层表面水汽和能量交换的动态.本研究利用Granier树干液流测定系统,连续监测华南地区荷木林的树干液流,通过尺度转换和扩展获得冠层蒸腾速率,结合微气象观测值,以Pen-man-Monteith公式计算了Gs,并比较不同土壤水分条件下Gs对水汽压亏缺的响应.结果显示,Gs与气孔气体交换方法实测的叶片气孔导度(gs)日变化相似,单位转换数值大小与实测gs数量级一致.Gs对水汽压亏缺的响应在干季和湿季有明显差别:(1)在土壤水分充足的湿季(土壤含水量θ ＞33％),Gs对水汽压亏缺的响应更敏感(偏相关系数-0.316),而在干季(θ＜23％)则对光合有效辐射的响应更敏感(偏相关系数0.885).(2)荷木林冠层-大气脱耦联系数(Ω)在湿季接近l,干季则较湿季小,说明湿季叶片的界面层较厚,水汽压亏缺对Gs影响较小,而光合有效辐射是控制Gs的主要环境因子.     

华北落叶松冠层平均气孔导度模拟及其对环境因子的响应

冠层气孔导度是生态水文学研究中的一个重要参数,研究其对环境因子的响应,能为建立机理性的森林蒸腾模型提供理论依据.本文利用热扩散探针,于2005年5-9月,测定了六盘山叠叠沟小流域华北落叶松人工林树干液流及其同步的环境因子,计算了林分冠层平均气孔导度(gc)并构建了Jarvis形式的冠层平均气孔导度模型,分析了gc对光合有效辐射(PAR)、空气水汽压亏缺(DVP)和土壤相对有效含水率(REW)的响应.结果表明:该模型能有效地计算gc的日变化特征,计算与观测的gc决定系数R2为0.76 (n=952).gc对各环境因子有不同响应关系,并表现为非线性特征.其中PAR是gc的驱动因子,当PAR＜0.35 mmol·m-2·s-1时驱动作用明显,大于此值则驱动作用变小;DVP是gc的限制因子,随着DVP的增加gc降低;REW=41%是gc对土壤水分响应的一个关键阈值,当REW＞41%时,土壤水分对gc的影响较小,当REW＜41%时,土壤水分则成为gc的限制因子.     

三种植被恢复树种的冠层气孔导度特征及其对环境因子的敏感性

应用Granier热消散探针,长期监测华南地区荷木、大叶相思和柠檬桉林不同径级样树的树干液流,结合同步观测的气象数据,求算冠层气孔导度(g_c),并分析其对环境因子的响应方式及敏感性.结果表明: 不同季节荷木林日间平均g_c显著高于大叶相思和柠檬桉(P<0.05)（除3月外）.在干季和湿季,g_c与光合有效辐射(PAR)呈现对数正相关关系(P<0.001),湿季g_c对PAR响应比干季更敏感.g_c与水汽压亏缺(VPD)在干湿季均呈现对数负相关关系(P<0.001),同样在湿季表现出更高的敏感性.湿季g_c与VPD的偏相关系数高于干季,VPD对气孔行为的调控作用在湿季更为明显.随着土壤含水量的降低,g_c对VPD的敏感性下降,荷木和柠檬桉林下降的幅度大于大叶相思林,荷木和柠檬桉林下降的幅度相当.通过综合分析g_c对环境因子(PAR和VPD)的敏感性及其对土壤含水量变化的响应规律,发现乡土树种荷木作为植被恢复树种比外来引种的大叶相思和柠檬桉更为适宜.     

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。     

黄土高原油松冠层气孔导度和蒸腾变化特征与模拟

油松是黄土高原重要的造林树种,模拟其冠层气孔导度和蒸腾对区域水量平衡计算和人工林可持续经营具有重要意义。基于2015—2018年TDP(Thermal dissipation probes)方法所测得液流数据,分析了黄土高原地区油松冠层平均气孔导度(g_c)与冠层蒸腾(Tr)的变化特征与影响因素,并采用Penman-Monteith公式和Jarvis型气孔导度模型模拟了其g_c和Tr的变化过程,结果表明：(1)该地区油松g_c和Tr日内变化均呈现单峰型,日均蒸腾耗水量为(1.25±0.57) mm/d,生长季(4—10月)总蒸腾耗水量均值为195.47 mm。(2)g_c的日内变化受太阳辐射(Rad)驱动(偏相关系数为0.65),当Rad高于300 W/m²时,驱动作用减弱;g_c的日内变化受水汽压亏缺(VPD)控制(偏相关系数为-0.41),随VPD的增加而降低;g_c的日际变化受土壤水分限制(偏相关系数为0.46),当根区相对有效含水率(RE...     

马占相思(Acacia mangium)树干液流密度和整树蒸腾的个体差异

利用Granier热消散探针观测了华南丘陵地区马占相思人工林（18a树龄）的树干液流（Sap Flow）。日变化的观测结果显示,不同大小胸径的14株样树液流密度（山）个体间的差别较大（CV：36．42％-80．80％）,日间最大液流密度从最高的80．05（gH2Om^-2s^-1）到最低的11．25（gH2Om^-2s^-1）,差异显著。液流密度的个体差异与树形的大小并不显著相关（P〉0．24）,即液流密度的大小不是与树木形态相关联的固有特征。然而,树木胸径的大小却是影响液流随时间变化的重要因子。树形较大的树木日总液流量（E1,kgH2Otree^-1d^-1）较高,但中等大小的树木却具有较高的单位基面积日液流量（E2,kgH2Odm^-2d^-1）,发现,单位基面积的日流量最大值并不出现在胸径最大的树木,而出现在胸径稍小的树木,意味着后者对自身结构的水分利用效率较高。由液流密度计算的整树蒸腾,个体间差异也比较大（3．35—72．42kgH2Otree^-1d^-1）,且与胸径以幂函数的形式呈现正相关（P〈0．001）。尽管整树蒸腾在个体之间的差别较大,但随时间的变化规律却是一致的,整树蒸腾的变化格型基本上受环境因子的控制。以液流反映马占相思的蒸腾与冠层的实际蒸腾存在明显的时滞,14株样树的液流变化比光合有效辐射滞后40,in至110,in,相关分析显示,时滞的长短与树木的胸径、高度、边材面积和冠幅均不呈现明显的相关性（P〉0.36）。     

成熟马占相思林的蒸腾耗水及年际变化

利用Granier测定系统对华南丘陵植被恢复先锋群落马占相思林的树干液流进行了连续4a(2004-2007年)的监测研究,以了解已过生长高峰的马占相思林(20-22林龄)的水分利用特征。结果显示,液流密度(J_s)日变化为单峰型曲线,具有明显的季节差异,湿季J_s日变化幅度和峰值J_smax均大于干季。J_s与光合有效辐射(PAR)和水汽压亏缺(VPD)的偏相关分析显示,J_s与PAR或VPD正相关,干季的相关性较湿季显著;线性回归分析显示PAR和VPD对J_s日变化共同影响的程度达62.7%-82.7%。马占相思整树和林分的蒸腾强度和耗水量均表现出明显的干湿季差异,湿季明显高于干季。偏相关分析表明降雨量对蒸腾活动没有显著的直接影响,而PAR与蒸腾量显著相关,是影响林分蒸腾量的最重要环境因子。2004-2007年各年马占相思成熟林的蒸腾耗水量为238.64、136.39、217.45mm和273.85mm,分别占当年降雨量的24.7%、11.7%、9.8%和22.8%,年平均蒸腾耗水量为243.31±28.49 mm(n=3),降水对林分蒸腾的影响不仅仅取决于降雨量的大小,较多的降雨频次往往会削弱蒸腾的强度。研究的马占相思林处于生长后期,群落叶面积指数和蒸腾已有明显的下降,反映出该阶段林分已不能充分利用当地的辐射和水分资源,必要的林分改造可提高造林后期的生产效益。     

黄土高原苹果园蒸腾导度大气驱动规律比较

植物蒸腾导度是表征土壤-植物-大气连续体（SPAC）中植物-大气间水汽传导过程、反映植物水分调控能力的一类重要变量,常见有冠层导度（G_c）、冠层气孔导度（G_s）与叶片气孔导度（g_s）,明确三者在反映冠层蒸腾过程时的异同或关联性对于理解植物水分利用机制具有重要意义。本研究基于对黄土高原果园苹果树生长季内树干液流（J_s）及环境因子的连续观测,计算了G_c、G_s及脱耦联系数（Ω）等变量,并与短期连续观测的叶片气孔导度（g_s）比较,分析了G_c、G_s和g_s在反映冠层蒸腾特征方面的异同及其关系。结果表明,日变化过程中G_s、g_s呈"单峰"型曲线,而G_c则呈"先增后减,午后抬升"的"双峰"型曲线。g_s与G_s存在较紧密的线性关系（R²=0.80）,但与G_c的线性关系较弱（R²=0.02）。G_c、G_s均随大气水汽压亏缺（VPD）的变化呈现确定的规律,其中,上边界函数呈递减的对数函数关系,平均值则符合先增后减的Log-Normal函数关系（R²>0.95）,拐点对应的VPD值分别为1.33和1.16 kPa。在一日内,G_s对VPD变化的响应过程与g_s对VPDL （基于叶片温度计算的水汽压亏缺）变化的响应过程总体一致,其一致性高于G_c对VPD变化的响应。整个生长季（4-10月）中果树的Ω平均值为0.12,随着Ω递减,G_c与G_s的线性相关性愈趋紧密,其斜率呈递增趋势,G_c越来越趋近于G_s。研究结果表明,在北方地区,基于树干液流的监测能较准确的推导整株并估算林分的冠层蒸腾导度。与实测g_s的变化过程比较,G_s比G_c具有更高的一致性,G_s可以作为描述苹果树水分利用过程响应大气驱动的更为恰当的变量。