大气热层结条件对林冠显热的影响

应用欧拉二阶闭合模型研究了大气热层结条件下森林冠层显热通量源汇分布和通量特征.结果表明:白天,冠层上的不稳定层结和冠层下的稳定层结是森林冠层大气层结的一种特有现象;温度廓线的变化表明林冠高度2/3处存在较强的热源;冠层内大气处于弱稳定状态时,热量继续向上输送,呈现出热通量的反梯度输送.显热通量日变化的模拟值与实测值吻合,其R2=0.9035(P0.01).在显热收支方程中添加浮力项,可提高反演模型在实际大气中的模拟精度,从而改善模型对热通量收支的模拟能力.     

科尔沁草地不同大气稳定度下湍流特征谱分析

利用科尔沁半干旱风沙草原区涡度相关观测数据,计算并分析了不同大气稳定度条件下湍流的功率谱和协谱.结果表明:经向风速与纬向风速的功率谱在大气不稳定层结、近中性层结、稳定层结条件下谱形均相似,并遵循-2/3定律;近中性层结条件下垂直风速的功率谱没有惯性子区,此时仪器对脉动信号的捕捉不够完全,稳定层结条件下垂直风速功率谱表明观测层产生了泄流和平流;CO_2和H_2O浓度的功率谱分析表明,红外气体分析仪对高频信号的响应能力能够满足实际观测的需要,其功率谱的谱峰随大气稳定度的增强而向高频转移;垂直风速与3种标量的协谱谱形相似,不同大气稳定度下协谱惯性子区长度随大气稳定度的增强而变短,且均符合-4/3定律,说明三维超声风速仪与红外气体分析仪的空间间隔不会对通量观测结果造成显著影响.     

人工同龄纯林冠层辐射场模拟模型Ⅰ理论计算

充分考虑坡地人工林冠层结构特征和叶面积空间分布的异质性,分别相邻树冠遮荫和目的树冠遮荫对树冠内辐射场的影响,建立的人工林冠层辐射场模型,可模拟树冠内任意点,在一年内任一时刻的辐射及其直接和散射分量,以及以1h为步长的日总辐射等,为人工林可持续经营和冠层光合生产力模拟奠定基础。     

中国森林生态系统林冠层降雨截留特征

森林生态系统作为陆地生态系统的主体,其发达的林冠层通过调节降水量、改变降水强度等深刻影响着流域全过程水文通量及水分输出。以中国广泛开展的典型森林降雨再分配过程的年尺度监测数据为基础,揭示中国不同类型森林生态系统的降雨再分配及林冠层降雨截留特征,阐明森林生态系统林冠层截留特征与降雨、植被要素的关系。结果表明:我国不同森林生态系统年穿透雨量处于141.4-2450.0 mm之间,年穿透雨率为36.3%-92.3%。5种典型森林生态系统多年平均穿透雨量((445.3±252.9)-(1230.6±479.6) mm)占同期多年平均降雨量的(72.6±9.2)%-(77.4±8.9)%。不同森林生态系统年树干茎流量介于0-508.2 mm之间,占同期年降雨量的0-25.8%。5种典型森林生态系统树干茎流量多年平均值((9.8±17.3)-(87.8±81.6) mm)占同期多年平均降雨量的(1.4±1.9)%-(5.4±4.6)%。不同森林生态系统林冠层年降雨截留范围在25.7-812.9 mm之间,占年降雨量的4.2%-55.6%。5种典型森林生态系统多年平均林冠截留量((154.2±81.6)-(392.2±203.5) mm)占同期年平均降雨量的(18.7±7.4)%-(25.9±8.3)%。进一步分析表明,我国森林生态系统穿透雨量、树干茎流量和林冠层截留量随观测区年降雨量的增加而呈显著增大(P<0.05),年穿透雨率、年树干茎流率随年降雨量的增加呈显著线性上升趋势(P<0.05),而年林冠截留率与年降雨量呈显著的负相关关系(P<0.01),降雨量、叶面积指数是深刻影响森林生态系统林冠层降雨截留率等特征的重要因素。整体上,不同类型森林生态系统林冠截留降雨能力存在明显差异,林冠层截留率突出表现为:落叶林大于常绿林、针叶林大于阔叶林。     

人工同龄纯林冠层辐射场模拟模型II 应用与验证

 应用建立的人工同龄林辐射场模型对杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林冠层辐射场进行了模拟,以实测的冠层辐射数据对模型进行了验证,对模型的不确定性以及叶面积密度和叶片散射的影响进行了计算和分析。结果表明,模拟和实测辐射场及日总量无显著差异,所建模型适于对杉木人工林冠层辐射的模拟。模型可能的误差来源包括树冠形状的不规则性、树冠大小和高低的不一致性、叶片在小范围内的簇生性等。考虑二维叶面积密度（LAD）分布的模拟结果优于平均LAD。叶片的散射辐射约占总辐射的3％～11％,且越靠近树冠里层     

人工同龄纯林冠层辐射场模拟模型I.理论计算

充分考虑坡地人工林冠层结构特征和叶面积空间分布的异质性,分别相邻树冠遮荫和目的树冠遮荫对树冠内辐射场的影响,建立的人工林冠层辐射场模型,可模拟树冠内任意点,在一年内任一时刻内的辐射及其直接和散射分量,以及以1h为步长的日总辐射等,为人工林可持续经营和冠层光合生产力模拟奠定基础。     

人工同龄纯林冠层辐射场模拟模型 II.应用与验证

应用建立的人工同龄林辐射场模型对杉木 (Cunninghamialanceolata)人工林冠层辐射场进行了模拟 ,以实测的冠层辐射数据对模型进行了验证 ,对模型的不确定性以及叶面积密度和叶片散射的影响进行了计算和分析。结果表明 ,模拟和实测辐射场及日总量无显著差异 ,所建模型适于对杉木人工林冠层辐射的模拟。模型可能的误差来源包括树冠形状的不规则性、树冠大小和高低的不一致性、叶片在小范围内的簇生性等。考虑二维叶面积密度 (LAD)分布的模拟结果优于平均LAD。叶片的散射辐射约占总辐射的 3%～ 11%,且越靠近树冠里层和下部 ,散射作用越大。     

林冠与大气间二氧化碳交换过程的模拟

以长白山阔叶红松林为研究对象,利用Raupach提出的局地近场理论(localized near field, LNF)耦合垂直风速标准差σ_w（z）和拉格朗日时间尺度T_L （z）,建立林冠内CO₂源汇强度和平均浓度廓线之间的关系.结果表明,拉格朗日模型能准确、稳定地模拟林冠与大气之间CO₂的交换特征.模拟值比涡动相关系统实测值高出约15%,与实测值的相关性为89%,这种差异可能主要来自于输入的浓度廓线的波动以及大气稳定层结造成的涡动相关观测系统误差.在近地面层,由于土壤呼吸作用,整个时间段都为CO₂源.林冠层的CO₂源汇强度变化较为复杂,其日变化经历了源－汇－源的转变过程.林冠与大气间CO₂通量交换明显受大气稳定度影响.     

北京山区侧柏林冠层-大气蒸腾导度模拟及环境因子响应

蒸腾导度模型是衡量冠层-大气界面水汽输出的重要阻力模型,研究其特征及对环境因子的响应,为揭示森林冠层-大气界面水汽输出阻力机制提供理论依据。以首都圈森林生态系统定位观测研究站侧柏林为研究对象,采用TDP热探针法测定侧柏林树干液流密度,同步监测光合有效辐射、饱和水汽压差、气温、风速等主要环境因子,分析冠层导度和空气动力学导度的动态变化,构建冠层-大气蒸腾导度模型并模拟,明确冠层-大气蒸腾导度对各环境因子的响应关系。结果表明:蒸腾导度季节变化表现为非生长季与冠层导度趋势一致,生长季与空气动力学导度趋势一致,全年均为单峰趋势。冬季蒸腾导度与冠层导度保持较稳定差值(45 mol m^(-2 )s^-1左右),其他季节蒸腾导度与冠层导度、空气动力学导度的最大差值,均在各季节冠层导度、空气动力学导度的峰值水平。全年日均蒸腾导度冬季最大(86.92 mol m^(-2 )s^-1),其他季节较小且稳定(40—50 mol m^(-2 )s^-1之间)。在非生长季各环境因子对蒸腾导度的影响与对冠层导度的影响基本一致,温度为主要影响因子(r=-0.198),其他环境因子影响较小(r<0.1);在生长季中风速为主要影响因子(r=0.488),光合有效辐射(r=0.228)和饱和水汽压差(r=-0.299)的影响明显升高,温度的影响降低(r=0.114)。蒸腾导度模型较好的模拟了冠层-大气界面侧柏蒸腾不同季节的变化规律,阐明了各环境因子和冠层导度、空气动力学导度对蒸腾导度的影响机制,证实在生长季应重视空气动力学导度对蒸腾的影响。     

樱桃冠层导度特征及模拟

为了揭示樱桃冠层蒸腾、冠层导度对环境因子的响应规律,评价Jarvis模型在樱桃冠层尺度上应用的适用性,利用Granier热消散式探针连续监测了北京四季青果林所试验地3年生盆栽樱桃(Prunus avium L.)4-8月份蒸腾动态变化,同步监测了气象与土壤水分数据。以实测液流为基础,利用Penman-Monteith方程反推方法获取了长期连续冠层导度,在分析樱桃冠层蒸腾、冠层导度的动态变化规律的基础上,采用十字交叉法对多元回归模型与Jarvis模型进行参数率与误差分析,结果显示盆栽樱桃冠层蒸腾规律性强、时滞效应小,不同辐射条件下,冠层导度随水汽压亏缺增加呈负指数函数下降趋势,采用水汽压亏缺、光合有效辐射、气温的不同组合方式构建了多元回归和Jarvis冠层模型,模拟结果显示Jarvis模型精度高于多元回归模型,环境因子对模型精度的影响程度依次为:水汽压亏缺光合有效辐射气温,考虑了水汽压亏缺和太阳辐射的Jarvis模型精度最高,最低相对误差仅为12.12%,均方根误差为0.271。     

应用全天空照片估计林分透光孔隙度(郁闭度)

林分结构通过影响林内环境与生物因子,决定森林生态系统服务功能发挥;同时,通过调整林分结构亦可达到森林合理经营的目标。林分透光孔隙度(郁闭度)是决定林分结构的重要因子之一,它可以用来表征光、水等环境因子通过林冠进入林内的再分布状况。因此,合理、精确地确定林分内的郁闭状况,无论在森林经营与管理,还是在森林生态精细研究中,都显得十分重要。本文在以往研究的基础上,详细介绍了应用全天空照片(Hemispherical photograph/whole sky photograph)确定林分内一定高度(通常为1 m)的林分郁闭度或林分透光孔隙度(两者互补)的方法与步骤,重点讨论了在应用全天空照片确定林分郁闭度/透光孔隙度时选择的有效范围和应注意的实际问题。     

山西灵空山天然松栎混交林群落特征与冠层结构

以2011年建设的山西灵空山4 hm²天然松栎混交林森林动态监测样地为研究平台,以400个10 m×10 m样方为测量单元,于2016年进行群落特征研究,采用半球面影像法(DHP)分析冠层结构和林下光照特征.结果表明: 样地内共有乔木5558株,共计25种,分属于10科15属.冠层开阔度(CO)集中在15.0%～25.0%,叶面积指数(LAI)集中在1.5～2.5,林下光环境参数集中在10.0%～30.0%.建群种在样地内的分布对冠层结构和林下光环境影响显著;冠层结构对林下光环境所有参数的影响方向一致,其中采用叶面积指数评价冠层结构动态的效果更佳;冠层开阔度和叶面积指数对林下光环境产生相反的影响,且均对散射光入射率影响程度最大.温性松栎混交林的林冠层整体较为均匀,林下光分布较为集中,林分树种组成与冠层结构对林下光照影响显著.     

森林冠层昆虫多样性研究方法

森林冠层是森林昆虫栖息、取食、避敌的重要生境,其中生活着十分丰富的昆虫物种。但由于乔木树体高大,冠层难于接近,在很大程度上限制了冠层昆虫多样性的研究。冠层昆虫类群结构的划分和冠层昆虫取样技术也是冠层昆虫多样性研究的重要基础。文章综述当前冠层接近和冠层昆虫抽样技术的最新进展,并评述冠层昆虫类群结构划分的方法。     

SWAT模型在天山林区林冠截留过程中的改进应用

林冠截留是森林生态水文的重要环节,SWAT （Soil and Water Assessment Tool）模型对其模拟过程还较为粗糙,为了在流域水文模拟中更精细的刻画林冠截留过程从而得到更佳的模拟结果,以SWAT模型为基础,使用半理论林冠截留模型（Gash模型）与SWAT模型进行耦合,以天山林区为研究区对SWAT模型林冠截留模块进行优化改进。通过对改进前后的模拟结果进行对比分析,结果表明：1） SWAT模型和SWAT-Gash模型的R²分别为0.59-0.83和0.65-0.86,NSE值分别为0.58-0.82和0.63-0.85,两种模型PBIAS为7.2%-17.1%,证明SWAT-Gash模型具有更好的适用性;2）相较于出山口径流数据,SWAT模型和SWAT-Gash模型的RMSD值分别为3.49-7.80 m³/s和3.22-4.68 m³/s,SWAT-Gash模型在校准期和验证期的皮尔逊相关系数分别为0.93和0.81,高于SWAT模型的0.91和0.77;3）基于分位数回归（QR）的不确定性分析表明,SWAT模型和SWAT-Gash模型验证期的P因子分别为0.93和0.96,R因子为1.26和1.19,95%不确定性置信区间平均宽度分别为13.50 m³/s和12.86 m³/s;4） SWAT模型与SWAT-Gash模型在验证期的月平均地表径流量分别为6.55 m³/s和8.50 m³/s,表明在该流域内原始SWAT模型会高估林冠截留量。以天山北坡中段林区为例对云杉森林的林冠截留进行精细化模拟,虽然对模型输入数据要求提高,林冠截留数据的收集增加了模型模拟的不确定性,但对本研究区基于物理过程的水文模拟精度提升明显,改进后模型与出山口实测径流数据一致性更强,可以为天山林区小流域水资源管理提供更可靠的依据。     

采用偏最小二乘回归方法估测森林郁闭度

以遥感数据与森林资源一类清查数据为基础,探讨了用Bootstrap方法筛选最优郁闭度估测变量,用偏最小二乘回归方法建立模型估测森林郁闭度的可行性.结果表明：无论是用所有变量构造的模型还是用所选最优变量构造的模型,郁闭度估测的相对偏差在5%左右.筛选出的最优变量与其他地区的研究结论差异很大,说明除了筛选方法,地带性植被和地形地貌的不同也会造成估测郁闭度最优变量的差异.     

西双版纳干季晴天次生林林窗气温时空分布特征

利用西双版纳干季(12月、4月)次生林林窗的温度观测资料,探讨了晴天林窗4方位的气温的空气变化特征。由于林窗的不同位置所受太阳辐射的影响不同,加之林缘热力效应的综合作用,林窗中存在明显的气温差异,特别是最高气温差异显著;气温最高值和气温日较差最大值不在林窗中央而出现在林窗东侧林缘树冠垂线外。这势必造成林窗不同区域热量传输的不同,形成林窗小气候的差异。其结果可为进一步研究森林林窗小气候及有关生态学现象提供基础。     

水曲柳根系生物量、比根长和根长密度的分布格局

采用连续钻取土芯法在生长季内对东北林业大学帽儿山实验林场17年生水曲柳人工林根系取样,研究水曲柳不同直径根系现存生物量、比根长和根长密度及垂直分布状况.结果表明,水曲柳人工林根系总生物量为1 637.6 g·m^-2,其中活根生物量占85%,死根占15%.在活根生物量当中,粗根(直径5～30 mm)占的比例最高（69.95%）,其次为活细根（直径<1 mm,13.53%）,小根(1～2 mm)和中等直径的根(2～5 mm)比例较小（分别为7.21%和9.31%）.直径<1 mm活细根的比根长为32.20 m·g^-1,直径5～30 mm粗根的比根长为0.08 m·g^-1.单位面积上活根的总长度为6 602.54 m·m^-2,其中直径<1 mm的细根占92.43%,其它直径等级则不到活根总长度的8%.直径<1 mm的细根生物量与根长密度具显著线性关系（R²=0.923）,但与比根长无显著相关关系（R²=0.134）.