三江平原典型沼泽湿地蒸散发估测

2006年5—9月,利用涡度相关技术对三江平原典型沼泽湿地蒸散发进行了连续观测,在分析生长季内沼泽湿地蒸散发时间动态的基础上,采用Penman-Monteith（PM）和Priestley-Taylor（PT）模型分别模拟了沼泽湿地的日蒸散发,并利用实测值对两种模型的模拟精度进行了验证.结果表明：生长季内（5—9月）,研究区沼泽湿地蒸散发具有明显的季节变化,月均日蒸散量在5月最低、7月最高;生长季内平均蒸散发为1.94 mm·d^-1,总蒸散量293 mm.生长季前期和后期,与蒸散发实测值相比,PM模型的模拟值存在明显低估现象;PT模型模拟值与实测值在整个生长季内的一致性较好,且PT模型的形式简单、所需参数少,更适于沼泽湿地的蒸散发模拟.     

西北黑河中游荒漠绿洲农田作物蒸腾与土壤蒸发区分及作物耗水规律

利用中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站绿洲农田2009年小气候、湍流交换、土壤蒸发和叶片气孔导度等综合观测试验数据,应用Shuttleworth-Wallace(S-W)双源模型以半小时为步长估算了绿洲农田玉米生长季实际蒸散量,并利用涡动相关与微型蒸渗仪实测数据对田间蒸散发量和棵间土壤蒸发量计算结果进行了检验。结果表明:S-W模型较好地估算研究区的蒸散量,并能有效区分农田作物蒸腾和土壤蒸发;全生育期玉米共耗水640 mm,其中作物蒸腾累积量为467 mm,土壤蒸发累积量为173 mm,分别占总量的72.9%和27.1%;日时间尺度上,作物蒸腾和土壤蒸发分别在0—6.3 mm/d和0—4.3 mm/d之间变化,其日平均分别为2.9和1.0 mm/d;田间供水充足,作物蒸腾与土壤蒸发比值明显受作物生长过程影响,播种—出苗期、出苗—拔节期、拔节—抽雄期、抽雄—灌浆期、灌浆—成熟期,其比值分别为0.04、0.8、7.0、5.2和1.4,不同阶段的比值差异主要受叶面积指数影响。     

黑河流域高寒草甸生态系统水分收支及蒸散发拆分研究

水分收支是对水循环要素降水、蒸发蒸腾、径流以及土壤贮储水量变化等的定量刻画,对水资源的可持续开发及利用至关重要。基于黑河流域阿柔观测站2014和2015年水文气象观测数据,运用水量平衡理论,定量的评估了高寒草甸生态系统的水分收支动态,并结合双源模型对高寒草甸生态系统蒸散发(植被蒸腾和土壤蒸发)进行拆分及评价。研究结果表明(1)在生长季(5—9月)植被蒸腾是高寒草甸生态系统主要的耗水形式,2014和2015年生长季平均蒸散比(T/ET)分别为0.74和0.79;(2)土壤水分的剧烈变化主要发生在0—40 cm处,且受冻融过程影响显著;(3)在降水较多的年份(2014)高寒草甸生态系统水分收支基本平衡,且不受冻融影响的月份(6—9)有地表径流产生约42 mm;在正常年份(2015),生态系统呈现水分亏缺,亏缺量约为134 mm,6—9月约亏缺26 mm;(4)模型估算蒸散发(ET)与实测蒸散发具有很好的一致性,相关系数可达0.90,敏感性分析表明模型输入变量对蒸散发(ET)及蒸散比(T/ET)产生的误差较小,双源模型可以很好地实现对高寒草甸生态系统蒸散发(ET)的拆分。     

基于改进的双源模型模拟荒漠河岸胡杨林蒸散发

蒸散发是水循环和能量平衡过程中的重要组成部分,其准确量化对于深刻揭示干旱半干旱地区的生态水文过程具有重要意义。以黑河下游荒漠河岸胡杨林为研究对象,在2014和2015年胡杨主要生长季内,基于涡度相关技术实测数据,分析了蒸散发日及各物候期变化规律,结合改进的双源Penman-Monteith-Priestley-Taylor(PM-PT)模型,模拟了黑河下游荒漠河岸胡杨林蒸散发,并分析了模型的参数敏感性,得到的主要结论如下:(1)胡杨林蒸散发日变化大致呈先升高后降低的趋势。上午随着太阳辐射的逐渐增强,气温逐渐升高,蒸散速率逐渐增大,在中午12:00左右达到峰值。随后,太阳辐射减弱,气温逐渐降低,空气中相对湿度增加,胡杨叶片内外水汽压差减小,蒸散速率随之降低。(2)胡杨生长季内蒸散发整体上呈先升高后降低的趋势。2014和2015年生长季蒸散发总量分别为612 mm和658 mm,果期和种子散播期累积蒸散发为生长季内蒸散发总量的主体部分,果期内累积蒸散发分别为316 mm和348 mm,分别占各年生长季蒸散发总量的51.65%和52.87%;种子散播期内平均蒸散发略低于果期,2014和201...     

基于Penman-Monteith-Leuning遥感模型的西南喀斯特区域蒸散发估算

西南喀斯特地区地形起伏大、土壤保水持水性差、生态环境脆弱.准确估算区域尺度蒸散发对研究喀斯特地区植被恢复、水资源管理等具有重要意义.本文以桂西北喀斯特植被恢复区为例,基于野外实测气象和蒸散发数据,采用最小二乘法对Penman-Monteith-Leuning(PML)模型中气孔导度土壤湿度指数进行参数优化,并结合MOD15A2叶面积指数进行空间外推,实现了区域尺度上长时序蒸散发的估算.结果表明: 研究区蒸散发模拟值与实测值有较好的一致性,模型确定系数、纳什系数和均方根误差分别为0.85、0.75和1.56 mm·d^-1.蒸散发表现出季节变化特征,并与植被生长季物候特征一致,夏季蒸散量达到峰值.研究区年蒸散量在534～1035 mm,陆面蒸散发的空间分布呈现差异性,受降水的空间分布影响较大.年蒸散发可能不仅受到降水因素的影响,还与人类活动和土地利用类型有关.     

基于树干液流及涡动相关技术的葡萄冠层蒸腾及蒸散发特征研究

针对西北干旱区绿洲经济作物葡萄树冠层蒸腾及蒸散发特征的相关问题,在甘肃省敦煌市南湖绿洲开展无核白葡萄树液流速率及蒸散发观测试验,采用基于热平衡原理的包裹式茎流计,详细分析了典型生长季7—9月份葡萄树蒸腾耗水规律,使用"单位叶面积上的平均液流速率SF×叶面积指数LAI"的方法,实现了从单株到林分冠层蒸腾的尺度扩展,并通过与涡动相关技术所测蒸散发数据对比,详细研究了葡萄地冠层蒸腾及蒸散发规律。结果表明:典型生长季中葡萄树液流速率日变化为单峰型曲线,日均耗水量从2.76 kg到10 kg不等,胸径越大的葡萄树日均耗水量越大;冠层蒸腾及蒸散发日变化曲线亦为单峰型,白天8:00—12:00与17:00—20:00期间,葡萄冠层蒸腾与蒸散发曲线均比较吻合,该时间段葡萄地蒸散发绝大部分来源于葡萄冠层蒸腾,而12:00—17:00之间由于午后太阳辐射强烈土壤蒸发量增加,葡萄蒸散发大于冠层蒸腾;典型生长季3个月中,葡萄冠层蒸腾量的变化范围在1.88—8.12 mm/d之间,日均冠层蒸腾量为6.12 mm/d,蒸散发在1.74 mm/d至10.78 mm/d之间,日均蒸散发量为7.13 mm/d;日均土壤蒸发量约为1.01 mm/d,只占总蒸散发量的14.2%,日均冠层蒸腾占日均蒸散发的比重达到85.8%,说明该生长阶段冠层蒸散发以作物蒸腾为主。     

基于遥感和Penman-Monteith模型的内陆河流域不同生态系统蒸散发估算

遥感数据具有很好的时空连续性,它是区域蒸散发通量估算的有效方法。引入了一个简单的具有生物物理基础的Penman-Monteith(P-M)模型,分别利用黑河流域高寒草地阿柔站和干旱区农田盈科站2008—2009年的气象数据和MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)叶面积指数(LAI),实现了2008—2009年日蒸散发的估算,并同时实现了对植被蒸腾和土壤蒸发的分别估算。结果表明,利用P-M公式模拟的蒸散发与实测的蒸散发具有较好的一致性,日蒸散发模拟的决定系数(R2)超过0.8。估算的高寒草甸和干旱区农田玉米全年平均的蒸腾分别为0.78 mm/d和1.20 mm/d,分别占总蒸散发的60%和61%,土壤蒸发分别为0.53和0.77 mm/d,占总蒸发的40%和39%。可见两种生态系统的作物蒸腾均强于土壤蒸发,同时农田玉米蒸腾强于高寒草甸蒸腾。研究结果证明了基于遥感的P-M公式可以很好地实现对高寒草地和干旱区农田生态系统蒸散发的估算。通过考虑土壤水分变化对气孔导度的影响,可以提高模型对农田蒸散发的模拟精度。     

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。     

SIMULATING SEASONAL AND INTERANNUAL VARIATIONS OF ECOSYSTEM EVAPOTRANSPIRATION AND ITS COMPONENTS IN INNER MONGOLIA STEPPE WITH VIP MODEL

 利用内蒙古羊草草原(Leymus chinensis)生态系统通量观测站的气象数据、野外实测和MODIS叶面积指数(Leaf area index, LAI), 应用基于生态系统过程的VIP(Vegetation interface process)模型, 以半小时为步长, 模拟分析了羊草草原生态系统2003～2005年(分别为平水年、平水年和干旱年)蒸散及其分量的变化过程。通过与通量数据对比, VIP模型能够很好地模拟羊草草原生态系统的蒸散过程(R² = 0.80), 在峰值大小和变化趋势上, 模拟值与实测值有较好的一致性。模拟结果显示: 3年蒸散量分别为337、338和223 mm; 在降水相对充沛的2003和2004年, 蒸腾量为192和171 mm, 而降水相对较少的2005年, 蒸腾量仅为96 mm; 年平均蒸腾和蒸发对蒸散的贡献基本持平; 生长季蒸散占全年的83%, 6月开始, 蒸腾大于蒸发, 蒸散和蒸腾的月总值均在7、8月达到最大值,两月蒸散占全年的43%。LAI是影响蒸散的主要因素, 其次是降水, 而净辐射对蒸散的影响较小。在生长季, 蒸发的季节变化平缓, 蒸散的差异主要体现在蒸腾的差异。     

温带阔叶红松林生态系统潜热通量模拟——气孔导度组合模型在Shuttleworth-Wallace双源模型中的应用

叶片水平的气孔导度组合模型已被成功扩展到冠层水平,并被应用于冬小麦生态系统潜热通量的模拟研究,但该研究仅基于1a的数据,有必要研究模型在更长时间尺度和其它生态系统类型的适用性.以长白山阔叶红松林(CBS)为研究对象,将组合模型进一步应用于Shuttleworth-Wallace双源模型,模拟了CBS 3a生长季内的潜热通量,利用涡度相关系统观测的潜热通量数据对模型进行验证,并对比了双源模型与单源模型的模拟结果.结果显示,双源模型较单源模型能取得更高的模拟精度,生长季不同时期的潜热通量模拟值和实测值的日变化较一致.对双源模型模拟值和实测潜热通量的相关分析显示,二者直线回归斜率和R2分别为0.96和0.72.对长白山阔叶红松林生态系统的蒸散和植被蒸腾的季节和年际变异分析发现,影响冠层蒸散和植被蒸腾季节动态的主要因素是饱和差和辐射,而影响它们年际动态的主要因素则是饱和差和温度.     

毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统蒸散组分分配及其影响因子

蒸散发(ET)是生态系统水分循环和能量流动的重要组成部分,准确估算ET及其各组分,对认识生态生理过程对水分平衡和植物水分利用策略的影响具有重要意义。本研究于2019年5月20日至9月15日,利用涡度相关技术和微型蒸渗仪对毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统ET、蒸发(E)和蒸腾(T)进行测定和估算,量化了油蒿-杨柴灌丛生态系统ET组分,并分析ET及其组分的季节特征及影响因素。结果表明: T为毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统生长季ET的主要组分,T/ET为53.1%。T/ET值随降水减少而升高,E/ET值随降水减少而减少,蒸散组分分配主要受降水调控。在季节尺度上,E与10 cm深处土壤含水量(SWC₁₀)和太阳净辐射(R_n)呈显著正相关,其中,SWC₁₀是E的主要影响因素;T随R_n和叶面积指数(LAI)的升高而升高,随30 cm处土壤含水量(SWC₃₀)的升高呈先升高后降低的单峰趋势,受到SWC₃₀、R_n和LAI的共同影响;水分是ET的主要影响因素。生长季蒸散/降水量(ET/P)为109.2%,5月ET/P为250.5%,表明生长季初期ET耗水部分来自非生长季降水。     

阴天和晴天对黄河三角洲芦苇湿地净生态系统CO2交换的影响

云量以及大气气溶胶含量变化引起的阴天和晴天会对局地的微气候环境产生综合效应, 影响地面接收的太阳辐射强度, 同时引起环境因子的变化, 最终对净生态系统CO₂交换(NEE)产生影响。该文通过涡度相关系统以及微气象梯度观测系统, 对黄河三角洲芦苇(Phragmites australis)湿地NEE以及环境要素进行了观测。在自然条件下选择12对相邻阴天和晴天数据, 在生物要素(生物量、叶面积指数)、土壤水分以及养分特征保持不变的前提下, 揭示了阴天和晴天变化对湿地生态系统NEE的光响应和温度响应的影响。结果表明: 12对阴天和晴天生态系统NEE的日平均动态均呈“U”型曲线, 但阴天NEE的变幅较小。晴天条件下湿地生态系统NEE的日均值显著高于阴天(p < 0.01)。阴天和晴天湿地生态系统NEE与光合有效辐射(PAR)之间均呈直角双曲线关系, 但晴天条件下, 最大光合速率(A_max)显著大于阴天(p < 0.01), 同时白天生态系统呼吸(R_eco,daytime)也显著大于阴天(p < 0.01)。不论阴天还是晴天, R_eco,daytime与气温均呈显著的指数关系。晴天湿地生态系统呼吸的温度敏感系数Q₁₀ (5.5)远大于阴天(1.9)。阴天和晴天昼间PAR差值以及气温差值对NEE差值的协同影响达到63%。     

环境因子对民勤绿洲荒漠过渡带梭梭人工林蒸散的影响

利用涡度相关系统、土壤水分TDR传感器,于2014年7月—2015年6月连续测定了民勤绿洲荒漠过渡带退化梭梭人工林蒸散量,研究不同天气条件下梭梭人工林的蒸散对外界环境因子的响应.结果表明: 梭梭人工林晴天蒸散量日变化具有明显的季节变化规律.梭梭人工林蒸散量日变化幅度在生长季初期逐渐增大,在生长旺盛期达到最大峰值(0.07 mm·h^-1), 而后逐渐减小,至12月达到最低峰值(0.01 mm·h^-1).不同天气条件下梭梭人工林蒸散日变化波动幅度差异较大,阴天蒸散日变化波动幅度最小,降水后蒸散波动明显增高,强降水(>9 mm·d^-1)后日蒸散量显著增加至雨前的28倍,然后逐渐减少,并持续4个晴朗日后恢复至雨前蒸散量.在整个观测年,梭梭人工林蒸散总量为108 mm,占降水总量的98%,土壤水是梭梭人工林蒸散的水源,为主导因子.净辐射、光合有效辐射、空气温度、水汽压饱和差是决定植被用水和大气边界层水传输的气象动力,为显著影响梭梭人工林蒸散的主要因子.利用日蒸散量与环境因子数据建立了蒸散与土壤含水量和小气候因子的多元回归方程,拟合度(R²)高达0.80.     

Extending the range of applicability of the semi‐empirical ecosystem flux model PRELES for varying forest types and climate

Applications of ecosystem flux models on large geographical scales are often limited by model complexity and data availability. Here we calibrated and evaluated a semi‐empirical ecosystem flux model, PREdict Light‐use efficiency, Evapotranspiration and Soil water (PRELES), for various forest types and climate conditions, based on eddy covariance data from 55 sites. A Bayesian approach was adopted for model calibration and uncertainty quantification. We applied the site‐specific calibrations and multisite calibrations to nine plant functional types (PFTs) to obtain the site‐specific and PFT‐specific parameter vectors for PRELES. A systematically designed cross‐validation was implemented to evaluate calibration strategies and the risks in extrapolation. The combination of plant physiological traits and climate patterns generated significant variation in vegetation responses and model parameters across but not within PFTs, implying that applying the model without PFT‐specific parameters is risky. But within PFT, the multisite calibrations performed as accurately as the site‐specific calibrations in predicting gross primary production (GPP) and evapotranspiration (ET). Moreover, the variations among sites within one PFT could be effectively simulated by simply adjusting the parameter of potential light‐use efficiency (LUE), implying significant convergence of simulated vegetation processes within PFT. The hierarchical modelling of PRELES provides a compromise between satellite‐driven LUE and physiologically oriented approaches for extrapolating the geographical variation of ecosystem productivity. Although measurement errors of eddy covariance and remotely sensed data propagated a substantial proportion of uncertainty or potential biases, the results illustrated that PRELES could reliably capture daily variations of GPP and ET for contrasting forest types on large geographical scales if PFT‐specific parameterizations were applied.     

Studies on water-vapor flux characteristic and the relationship with environmental factors over a planted coniferous forest in Qianyanzhou Station

Water-vapor flux over a planted coniferous forest ecosystem near Qianyanzhou, Jiangxi Province, China, was continuously measured with the eddy covariance technique for 2004. How environmental variables, including net radiation, air temperature, and soil moisture, affected water-vapor flux variation was studied in detail. Results showed that winter had the lowest monthly water-vapor flux value, whereas summer had the highest. The diurnal variation of water-vapor flux showed different patterns for clear and cloudy days. The annual total evapotranspiration was 736.1 mm. Regression analysis showed that daily water-vapor flux was significantly correlated with net radiation, air temperature, soil temperature, and soil heat flux on both clear and cloudy days, all in quadratic relationships. Stepwise regression analysis demonstrated that a different set of environmental factors controlled water-vapor flux on days with different weather conditions. From this study, it was clear that these environmental variables, especially net radiation and soil temperature, regulated water-vapor flux over the planted coniferous ecosystem.     

Studies on water-vapor flux characteristic and the relationship with environmental factors over a planted coniferous forest in Qianyanzhou Station

Water-vapor flux over a planted coniferous forest ecosystem near Qianyanzhou, Jiangxi Province, China, was continuously measured with the eddy covariance technique for 2004. How environmental variables, including net radiation, air temperature, and soil moisture, affected water-vapor flux variation was studied in detail. Results showed that winter had the lowest monthly water-vapor flux value, whereas summer had the highest. The diurnal variation of water-vapor flux showed different patterns for clear and cloudy days. The annual total evapotranspiration was 736.1 mm. Regression analysis showed that daily water-vapor flux was significantly correlated with net radiation, air temperature, soil temperature, and soil heat flux on both clear and cloudy days, all in quadratic relationships. Stepwise regression analysis demonstrated that a different set of environmental factors controlled water-vapor flux on days with different weather conditions. From this study, it was clear that these environmental variables, especially net radiation and soil temperature, regulated water-vapor flux over the planted coniferous ecosystem.     

西北干旱区河西走廊荒漠绿洲土地覆盖类型与蒸散的关系研究——基于Landsat 8和ZY3数据融合

蒸散是地表水热平衡的重要分量,也是陆地生态过程与水文过程之间的重要纽带,尤其在干旱区地-气相互作用、碳循环、水循环等过程所包含的物质与能量交换中占有极其重要的地位。基于Landsat 8遥感影像和资源三号影像(ZY3)的高分辨率植被信息,利用SEBS模型对西北干旱区河西走廊中段临泽绿洲北部区域地表蒸散量进行了估算,并用绿洲内部和绿洲-荒漠过渡带两个通量塔涡动相关数据对模型进行评估,分析了不同土地覆盖类型对蒸散量空间分布的影响。结果表明:(1)SEBS模型模拟值与实测日蒸散值之间拟合效果较好,且在均一地表时(绿洲农田区)估算精度更高(R~2=0.96,P0.001),RMSE、MAE分别为0.84 mm/d、0.56 mm/d;(2)从季节变化来看蒸散量与作物生长密切相关,夏季灌溉和降雨使得研究区水分充足,植被覆盖度高,蒸散量相应增加,在绿洲地区可达5.95 mm/d,而冬季最小仅为0.52 mm/d;(3)从蒸散量的空间变化来看,水体蒸散值最大,其余依次为农田、防护林、裸地和灌木丛,说明除水体外,随着植被覆盖的增大,蒸散量也逐渐增加。通过ZY3影像的高分辨率植被信息与Landsat 8影像热红外数据融合,提高了SEBS模型对该区域蒸散量的模拟效果,增进了我们对绿洲下垫面与大气间水热交换规律、水文过程、生态-水文相互作用的深入理解。