用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦CO2通量的日变化

根据SPAC理论建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型.冬小麦CO2通量包括冠层光合、呼吸和土壤呼吸.冠层光合采用了Farquhar光合作用生化模型,并通过冠层阻力的参数化将光合作用与蒸腾作用耦合起来.用涡度相关方法观测了CO2通量,对模型进行了验证,结果显示模型可以较好地模拟CO2通量日变化过程.对模型的敏感性分析发现日间CO2通量最敏感的参数是初始量子效率.其次,CO2通量对光响应曲线凸度、CO2补偿点、凋萎点和叶面积指数的变化也有着较强的敏感性;夜间CO2通量敏感的参数是最适温度下Rubisco催化能力和暗呼吸参数.     

用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦水热通量的日变化

从SPAC理论出发,建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型．感热通量和潜热通量采用Shuttleworth-Wallace的双层模型计算,并通过冠层阻力的参数化,将光合作用与蒸腾作用耦合起来．用涡度相关方法,观测了感热通量和潜热通量,对模型进行了验证．结果表明,模拟值与观测值比较一致,模型可以很好地模拟感热通量和潜热通量的日变化过程．对模型的敏感性分析发现,冬小麦蒸腾比较敏感的参数有凋萎点、气孔导度参数、叶对红外辐射的反射率和光响应曲线凸度;土壤蒸发只对土壤阻力参数的敏感性较强．本模型对水热通量与环境因子作用过程的理论研究和指导农田的灌溉制度等有一定的意义．     

基于SVAT模型的冬小麦光合作用和蒸散过程研究

在已建立的土壤－植被－大气传输（SVAT）模型中,冠层光合作用／气孔导度耦合子模型可区分遮荫叶和受光叶光合作用强度的差异;作物生长模型考虑了生长呼吸和维持呼吸,模拟与实测结果对比发现,日总蒸散量实测和模拟的根均方差（RMSD）为0.65mm,平均绝对差（MAPD）为14％;对冠层上部净光合作用率日变化过程而言,实测和模拟结果具有较好的一致性。利用模型模拟了冬小麦全生育争光合作用率和蒸散的演变过程。最后,分析了冬小麦蒸散和水分利用效率对不同最大叶面积指数,大气CO2浓度和叶片N含量的响应。     

温带混交林碳水通量模拟及其对冠层分层方式的响应——耦合的气孔导度-光合作用-能量平衡模型

利用Leuning建立的耦合的光合作用、气孔导度和能量平衡方程,以将冠层分成多层的方式,包括Gaussian五点积分法、将冠层平均分为多层的方法,逐层计算温带混交林的碳水通量,最后累加至冠层尺度,以模拟CO2和H2O通量。该模型以常规气象观测数据作为驱动变量,计算出冠层与大气之间的碳水交换,与涡动相关系统的通量观测数据进行比较,分析了不同的冠层分层方式对多层模型模拟结果的影响。从3个温带混交林通量站涡动相关系统的能量平衡闭合度来看,中国长白山站CBS、韩国GDK和日本MMF站点的能量平衡比率(EBR)分别为0.76、0.66和1.07,居于国际同类观测范围(0.34—1.2)的中上水平,因此,涡动相关系统的观测数据较为可靠。从碳水通量的日变化来看,用Gaussian五点积分法将冠层分为五层的模型能较好的模拟碳水通量的"单峰形"日变化趋势。夜间Fc为负值且变化趋势较为平缓,表明生态系统进行呼吸作用释放CO2,从日出开始Fc逐渐变为正值,表明生态系统进行光合作用吸收CO2,Fc在中午时分达到最大值,下午Fc逐渐减小,日落之后又回复到夜间的负值。H2O通量的日变化曲线与CO2通量相似,且模拟值与涡动相关实测值具有较好的一致性。在多层模型中,对冠层采用不同的分层方法,对碳水通量模拟结果有一定的影响。以Gaussian五点积分法将冠层分为五层的方法作为对照,分别将冠层平均分为2、5、10、20层的方法得到的碳水通量与其进行比较。从平均值来看,分层越多,H2O通量模拟值越低,而CO2通量模拟值越高。不同的分层方法产生的差异,主要来自于不同层的辐射吸收、温湿度、风速等环境要素的垂直廓线差异,且叶片光合作用对光的响应是非线性的。     

农田生态系统CO_2通量的转换计算

通过冬小麦单叶CO2 通量与冠层CO2 通量的同步测定 ,发现不同日期净光合速率 (Pn)和冠层CO2 通量 (FCO2 )变化趋势相同 ,但峰值出现的时间不一致 .CO2 浓度差与FCO2 日变化趋势相反 ,CO2 浓度差最小时FCO2达到最大值 ;空气动力学法计算的FCO2 与采用积分法计算的冠层CO2 通量 (Ac)呈明显的倒“U”字型日变化趋势 ,而Ac日变化过程波动性小 ;采用积分法模拟的日同化量与空气动力学法计算日同化量有时相差很小 ,但有时误差大 ,由于模拟冠层通量Ac值只考虑了光强的变化 ,而实际上 ,温度、风速、土壤湿度等变化均对冠层CO2通量产生影响 .     

农田生态系统CO2通量的转换计算

通过冬小麦单叶CO2通量与冠层CO2通量的同步测定,发展不同日期净光合速率（Pn)和冠层CO2通量（Fco2)变化趋势相同,但峰值出现的时间不一致。CO2浓度差与Fco2日变化趋势相反,CO2浓度差最小时FCO2达到最大值;空气动力学法计算的FCO2与采用积分法计算的冠层CO2通量（Ac)呈明显的倒“U”字型日变化趋势,而Ac日变化过程波动性小;采用积分法模拟的日同化量与空气动力学法计算日同化量有时相差很小,但有时误差大,由于模拟冠层通量Ac值只考虑了光强的变化,而实际上,温度,风速,土壤湿度等变化均对冠层CO2通量产生影响。     

CO2浓度升高对大豆冠层光合速率影响的数值模拟研究

利用美国Li-6200光合测定系统对鲁豆4号叶片光合速率进行了大量测定研究,确定了大豆叶片光-光合作用模式,模式中考虑了CO2浓度对光合作用速率的影响,在此基础上进一步测定了大豆冠层结构,建立了一个大豆冠层光合速率数值模式.利用GXH-305红外线CO2分析仪外接50×50×120cm同化箱对冠层光合速率进行了实际测定,结果表明当CO2浓度低于660ppm时,模式可以较好地模拟出CO2浓度升高对群体光合速率的影响,平均相对误差为7.41%.本文所测得的大量实验数据,为研究CO2浓度升高对大豆生长影响提供了更加可靠的模型参数,同时也为进一步建立自然状况下大豆生长数值模式提供了一定的理论依据.     

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.     

气候变化对长白山阔叶红松林冠层蒸腾影响的模拟

应用基于过程的碳水耦合多层模型对长白山阔叶红松林冠层蒸腾量进行了模拟和模型验证,并模拟了冠层蒸腾量对未来气候变化的响应.结果表明:多层模型可以较好地模拟长白山阔叶红松林冠层蒸腾量,模拟值与涡动相关技术观测的实测值拟合较好.冠层蒸腾对气候变化响应的模拟显示,气温升高,潜热通量(LE)增加;土壤含水量减少,LE减少;大气CO2浓度增加,LE减少.在研究假定的气候变化情景下,LE对0～20 cm土壤含水量减少10%、CO2浓度增加190μmol·mol-1的联合变化的响应最敏感,对气温增加3.6℃、土壤含水量减少10%的联合变化的响应不敏感.     

玉米农田冠层光合参数的多光谱遥感反演

冠层光合参数的准确定量遥感反演是生态系统遥感模型的核心与关键。基于2011年玉米(Zea mays)整个生长发育期的冠层光谱反射率、生态系统CO₂通量、微气象因子以及玉米光合生理生态指标的观测数据, 开展了玉米农田生态系统冠层光合能力(P_max, 最大光合速率)与光合效率(ε_N, 净CO₂通量交换/吸收光合有效辐射(NEE_CO2/APAR); ε_G, 总初级生产力/吸收光合有效辐射(GPP/APAR); α, 表观量子效率)参数的多光谱遥感反演能力评估研究。结果表明, P_max和α在整个生长季呈现单峰型变化趋势, 分别于7月底、8月初达到峰值, 而光合效率参数ε_N和ε_G在玉米营养生长早期数值较高, 随着玉米生长发育迅速降低, 而后呈现单峰型的变化趋势, 峰值出现时间基本与P_max最大值发生时间一致。基于两波段任意组合的遥感植被指数NDVI (normalized difference vegetation index)、RVI (ratio vegetation index)、WDRVI (wide dynamic range vegetation index)、EVI2 (2-band enhanced vegetation index)和CI (chlorophyll index)与玉米冠层4个光合参数的统计分析表明, EVI2对冠层光合效率与光合能力参数的反演与表征效果最佳。研究表明, 多光谱遥感信息对玉米生态系统冠层光合参数的变异具有较强的敏感性, 可以用来监测玉米冠层光合作用的季节动态变化以及准确定量评估作物生产力和生态系统CO₂交换能力。     

田间小麦群体内叶片气孔阻力垂直差异研究

根据田间实测资料, 本文给出了田间小麦群体中叶片不同部位和冠层不同层次叶面气孔阻力的差异, 及其与环境因素特别是土壤水分含量关系的分析结果。结果表明, 小麦冠层各不同层次和叶片不同部位的气孔阻力有明显差异。就冠层上部单个叶片而言, 由叶尖到叶基气孔阻力逐渐增大;叶片正面的气孔阻力小于叶片反面对应部位的气孔阻力。对于水汽和CO₂传导的贡献70%是由冠层上部的两片叶子给出的;群体内不同层次叶片相应部位的气孔阻力是由冠层上部向下逐渐增大, 冠层不同层次叶片和叶片不同部位的气孔对环境因素变化的反空不同, 如当土壤水分不足时, 群体下部叶片和叶片反面的气孔张度首先变小, 且变小的程度较大。     

The Control of Water and Carbon Dioxide Flux in Water-stressed Sugar Beet

Changes in leaf and canopy water potential of sugar beet growingin soil of decreasing water content depended on soil water potentialand were independent of water flux from the plant when thiswas varied by changing the water vapour content of the air.The calculated hydraulic conductance of the plant increasedas flux increased and decreased as leaf water potential decreasedand as the plant aged. The conductances to water vapour of individualleaves and of the canopy decreased as leaf water potential decreasedand increased with increasing humidity of the air. The lattereffect was independent of changes in leaf water potential. Theconductances were not affected by the rate of evaporation orleaf temperature. The rate of photosynthesis was directly relatedto leaf conductance except in severely stressed, mature leavesin which leaf water potential had a more direct effect on photosynthesis.Stomatal conductances, transpiration, and photosynthesis weregreater in young leaves than mature leaves on the same plantand at the same leaf water potential. These results are discussedin relation to current agricultural irrigation practices usedfor sugar beet.     

西双版纳热带季节雨林水热通量

利用西双版纳热带季节雨林2003和2004年常规气象、生物量以及水热通量观测资料,对该林地两年内各能量分量的数值大小和变化规律、能量分配以及水量平衡特征等进行了分析研究。结果表明,2003和2004年净辐射总量分别为3516.4MJ/(m.2a)和3516.6MJ/(m.2a)。在能量分配过程中潜热通量占优势,2003年和2004年的总量分别是相应年份净辐射总量的46%和44%,显热通量则分别只有12%和11%。2003年和2004年林冠传导率均值分别为10.3mm/s和10.0mm/s,其中干热季期间的林冠传导率明显低于雾凉季和雨季。林冠传导率与叶面积指数和空气饱和水汽压差值之间分别呈极显著的正、负线性相关关系;它基本上不受土壤含水量的影响,只是当长期无雨或雨量很小导致土壤含水量低于0.15m3/m3时,林冠传导率才与土壤含水量间存在极显著的相关关系。西双版纳热带雨林2003和2004年的蒸散量分别是663mm和634mm,受浓雾和林冠传导率的综合影响,该森林生态系统干季蒸散量低于雨季,这是西双版纳热带季节雨林能够在水热极限条件下生存并良好发育的重要原因。     

The Cooling Capacity of Mosses: Controls on Water and Energy Fluxes in a Siberian Tundra Site

Arctic tundra vegetation composition is expected to undergo rapid changes during the coming decades because of changes in climate. Higher air temperatures generally favor growth of deciduous shrubs, often at the cost of moss growth. Mosses are considered to be very important to critical tundra ecosystem processes involved in water and energy exchange, but very little empirical data are available. Here, we studied the effect of experimental moss removal on both understory evapotranspiration and ground heat flux in plots with either a thin or a dense low shrub canopy in a tundra site with continuous permafrost in Northeast Siberia. Understory evapotranspiration increased with removal of the green moss layer, suggesting that most of the understory evapotranspiration originated from the organic soil layer underlying the green moss layer. Ground heat flux partitioning also increased with green moss removal indicating the strong insulating effect of moss. No significant effect of shrub canopy density on understory evapotranspiration was measured, but ground heat flux partitioning was reduced by a denser shrub canopy. In summary, our results show that mosses may exert strong controls on understory water and heat fluxes. Changes in moss or shrub cover may have important consequences for summer permafrost thaw and concomitant soil carbon release in Arctic tundra ecosystems.     

玉米农田蒸散过程及其对气候变化的响应模拟

应用基于生理生态学过程的EALCO模型,对玉米农田生态系统的蒸散(ET)过程进行了模拟,在模型检验基础上,使用该模型模拟了玉米农田生态系统ET过程对未来气候变化的响应。结果表明,EALCO模型中能量与水过程的动态耦合机制使模型能够较好地模拟农田蒸散过程,基于涡度相关法的观测值与模型模拟值在小时、日尺度上均吻合较好,模型可以解释67%的日蒸散的变化特征。对土壤蒸发与冠层蒸腾的分别模拟显示,生长季土壤蒸发约占ET的36%。温度的升高会引起ET与冠层蒸腾的增加,同时土壤蒸发减少;ET对降水减少的响应较为敏感,主要表现在土壤蒸发的下降。大气CO2浓度升高对冠层蒸腾影响显著,该情景下冠层蒸腾下降幅度最大。研究所假设的2100年气候情景下,该农田生态系统生长季蒸散将减少,然而相对于降水的减少而言,蒸散的减少量较小,即水分支出项相对增加,因此,发生土壤水分匮乏的可能性加大,这可能会加剧该地区的暖干化趋势,给作物产量及生态环境带来威胁。     

华北平原冬小麦农田蒸散量

以华北平原冬小麦农田为研究对象,采用涡度相关技术和热红外遥感技术,研究了不同环境条件下土壤含水量与农田蒸散量及作物冠层温度的关系.结果表明,冬小麦在农田郁闭(LAI≥3)、晴天和土壤相对含水量低于田间持水量65%的情况下,蒸发比值日变化正午前后出现相对较低且平稳的变化趋势.在晴天情况下,农田潜热通量与作物冠层温度日变化和季节变化均呈极显著的非线性相关关系,而冠气温差、农田相对蒸散量则与0～100 cm土层的土壤相对含水量密切相关.以13:30～14:00的平均冠层温度值T_c、日最高气温T_{a max}和日净辐射总量Rn_d为统计数据,确立了冬小麦农田日蒸散量ET_d （mm）估算简化模式参数.