黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量特征

基于2011-2012年黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量通量以及气象数据,对该地区能量平衡各分量(净辐射、感热、潜热和土壤热通量)以及波文比进行日、季节动态的特征分析,研究了潜热通量和感热通量对不同强度降雨事件响应程度的差异,并分析了潜热通量和感热通量的主控因子.结果表明:该地区净辐射、感热、潜热和土壤热通量的日、季节动态曲线均为单峰型曲线,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年平均值分别为78.19、33.32、24.91和2.65 W·m-2.在全年能量收支平衡中,感热通量占净辐射的43％,潜热通量占32％,土壤热通量占3％,表明对于黄土高原农牧交错带自然稀疏灌木生态系统,全年能量主要以感热的形式交换.生长季感热和潜热占净辐射的比例相同(36％);而在非生长季,感热占主导,占净辐射的比例高达54％.潜热通量在强、弱降雨事件发生后明显升高,感热通量则明显下降.潜热通量与净辐射、水汽压差及植被参数均显著相关,感热通量与净辐射及空气温度梯度显著相关.     

热储通量对黄土高原北部柠条林地地表能量平衡的影响

地表能量平衡问题一直是陆面过程研究中的重点和难点问题。以2014年8—10月和2015年4—6月黄土高原北部水蚀风蚀交错带柠条林地涡度相关通量观测数据为依据,分析柠条林地热储通量变化特征,在此基础上分析热储通量对能量闭合度的影响。结果表明,柠条林地各热储通量均表现出明显的季节和日变化规律。在能量平衡方程中,考虑热储通量项后能显著提高柠条林地能量闭合度,平均提高幅度为11.91%。其中,土壤表层热储通量对能量闭合度的贡献最大,占总热储通量的95.63%;光合作用热储通量和大气感热存储通量占总热储通量的比例不足5%,光合热储通量略高于大气感热存储通量;而大气潜热存储通量则降低了能量闭合度,平均降低幅度为0.06%。因此,在分析黄土高原柠条林地能量平衡中热储通量项是不可忽略的。影响柠条林地各热储通量的因素主要有太阳辐射、大气温度、土壤温度和水分。植被生长状况是影响柠条林地热储通量各分量项季节和日变化的重要因素,并对能量闭合度产生影响。     

高效经营雷竹林生态系统能量通量过程及闭合度

利用开路涡度相关系统和常规气象仪,对高效经营的雷竹林生态系统2011年的显热通量、潜热通量、净辐射、土壤热通量以及气温、地温、降雨量进行了观测,分析该生态系统能量通量的变化,以及各能量分量的分配特征,并计算了波文比及能量闭合.结果表明：雷竹林全年净辐射为2928.92 MJ·m^-2,潜热通量、显热通量和土壤热通量分别为1384.90、92754和-28.27 MJ·m^-2,各能量分量的日变化和月变化基本呈单峰曲线.潜热通量为能量散失主要形式,占净辐射的47.3%,显热通量占31.7%,波文比呈“U”型曲线,在0.285～2.062之间变化,土壤为热源.雷竹林年能量闭合度为0.782,月平均闭合度为0.808.
     

宁南半干旱地区农田和草地生态系统能量通量的季节变化

根据2002~2003年宁南山区不同下垫面小气候考察资料,用能量平衡法计算了不同下垫面不同季节的感热、潜热通量。分析结果表明:(1)宁南半干旱地区夏季农田和草地的净辐射峰值可达到700W/m2以上,土壤热通量的值比净辐射小1个量级。同类下垫面净辐射通量日积分值夏季>春季>秋季>冬季。(2)宁南半干旱山区感热输送强度以典型草地的最大,其次是禁牧草地,稀树草地的最小。春季各类下垫面地表热量平衡以感热输送为主。在春、夏、秋季的晴天,感热通量日积分值为正,冬季为负。(3)农田在夏、秋季、冬季水汽输送大于各类草地的,其次是稀树草地的,典型草地向上的水汽输送量是最小的。夏季白天农田β在0.2~0.7,稀树草地β为0.2~1.0,能量输送以潜热为主。禁牧草地β为0.2~9.2,典型草地为1.5~13.1,能量输送以感热为主。(4)宁南半干旱地区宜退耕,发展典型草原,在水分充足的山地背阴坡少量发展稀树草地。     

我国亚热带毛竹林生长季能量通量过程及闭合度分析

为探讨我国亚热带毛竹林(Phyllostachys edulis)生长季的能量平衡关系,利用开路涡度相关法,对2011年毛竹林生长季的能量通量的变化特征进行了研究,并应用能量平衡比率法和线性回归2种方法,分析了能量闭合的特点。结果表明,我国亚热带毛竹林生长季的净辐射总量为1738.2 MJ m–2,显热通量为354.3 MJ m–2,潜热通量为1146.0 MJ m–2,土壤热通量为58.9 MJ m–2,土壤为热汇,显热通量占净辐射的20.4%,潜热通量占65.9%,土壤热通量占3.4%。毛竹林生长季的能量闭合度为0.89,月平均闭合度为0.91,但仍有11%的能量不闭合。可见,毛竹林生长季以潜热能量散失形式为主,各能量分量均以净辐射变化为基础,且日变化基本呈单峰型曲线。     

亚热带毛竹林生态系统能量通量及平衡分析

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器,对亚热带(浙江省)毛竹林生态系统2011年的净辐射、显热通量、潜热通量、土壤热通量以及气温、地温、降雨量等气象要素进行了连续观测,定量分析了毛竹林生态系统能量通量的变化和各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比。结果表明:毛竹林全年净辐射为2628.00 MJ/m2,显热通量为576.80 MJ/m2,潜热通量为1666.77 MJ/m2,土壤热通量为-7.52 MJ/m2,土壤为热源,各能量分量季节变化明显,日变化基本呈单峰型曲线变化。显热通量占净辐射的22.0%,潜热通量占63.4%,毛竹林生态系统潜热通量为能量散失的主要形式。波文比逐月变化规律不明显,波动较大,在0.07—1.77之间变化,能量平衡比率法得出毛竹林年能量闭合度为0.85,月平均闭合度为0.84,能量闭合度高于线性回归法计算结果,但仍有15%的能量不闭合。     

黄土高原贫困地区农田能量效率与提高途径

黄土高原贫困地区主要分布于吕梁山以西至兰州以东的丘陵山区。贫困县有102个,人口2300万,农耕地4.67×10~8ha多,分别占黄土高原总县数的35.7%,总人口的35%,耕地面积的37.5%。其中连片的有山西吕梁山区、陕西榆林地区、宁夏西海固地区及甘肃定西地区。该贫困地区水土流失面积占80%以上,侵蚀模数为5000-1.0×10~4 t·km~(-2),年降水量300—55mm,干旱缺水,主要土壤为侵蚀黑     

玉米农田水热通量动态与能量闭合分析

 基于锦州农田生态系统野外观测站玉米农田涡度相关系统近2年的水热通量观测数据，分析了玉米农田水热通量的日际、年际变化特征及其能量 平衡状况。结果表明： 1）玉米农田水热通量日变化与年变化均呈单峰型二次曲线，峰值出现在12∶00～13∶00左右，与净辐 射的日变化、年 变化同步，潜热通量最大可达到655 w•m^－2（出现在2004年7月8日1 3∶00），显热通量最大值大约为369 w•m^－2（出现在2004年5月31日13∶ 00）。2）玉米农田水热通量强度与局地的环境条件密切相关：显热通量与大气压的年变化呈负相关，潜热通量与气温年变化呈正相关。水热通 量受降水的影响较大，对降水的反应较敏感。其中，潜热通量(LE)不仅与降水的强度有关，而且随着降水的季节分布的不同而出现不同的响应 ，即使同样量级的降水在夜间与白天对LE的影响也是不同的。3）玉米农田通量观测呈现能量不闭合现象，主要原因可能是未包含0～5 cm土壤 热储量与冠层热储量，造成大约15.5%的能量损失。     

黄土高原围封与自然放牧草地碳交换特征

用静态箱法于2012年3月~2013年2月对黄土高原自然放牧及其围封6年的草地土壤呼吸和净生态系统CO2交换速率进行为期1年的实地观测。结果表明:(1)围封和自然放牧草地全年的碳交换总量均表现为碳汇,即CO2净吸收;围封草地全年净生态系统碳交换量为(-58.0±14.5)g·m-2,其中生长季和非生长季交换量分别为(-70.3±11.4)g·m-2和(12.4±3.1)g·m-2;自然放牧草地生态系统全年碳交换量为(-48.7±14.0)g·m-2,其中生长季和非生长季交换量分别为(-56.9±10.6)g·m-2和(8.1±3.3)g·m-2。(2)草地净生态系统CO2交换速率生长季主要受土壤含水量的控制,而在非生长季则主要受土壤温度的控制;草地土壤呼吸速率主要受土壤温度和土壤含水量共同影响,其中在生长季受土壤含水量的影响作用更大,而在非生长季则受土壤温度的影响作用更大。(3)土壤有机质含量的差异是造成围封草地土壤呼吸速率大于自然放牧草地的主要原因。(4)研究区草地存在土壤呼吸负通量现象,样地灰钙土偏高的碱性条件(pH8.2)促进了土壤次生碳酸盐的淀积可能是造成这一现象的主要原因。     

天山北麓绿洲-荒漠过渡带芨芨草地地表能量通量研究

利用天山北麓绿洲-荒漠过渡带芨芨草地的小气候实测资料,分析了该地区不同天气条件下地表能量及其能量分配日变化特征,并进一步探讨了潜热与其它地表能量的关系。结果表明:晴天各地表能量分量曲线呈"单峰型",阴天表现为峰谷频繁交替的"多峰型",雨天则显示为"偏峰型"。由于该区以晴天为主,阴雨天气发生频率少,平均情况下的各能量曲线变化与晴天基本一致。任何天气条件下能量传输均以潜热(LE)为主,其次为感热(H)和土壤热通量(G)。观测期内LE/Rn平均值介于沙漠和绿洲之间,很好地在能量分配上体现出自身的过渡性。各种天气条件下能量分配的日动态变化趋势基本一致,白天均以潜热为主,夜间则有所不同。LE/Rn、H/Rn、G/Rn曲线白天变化平稳,夜间持续波动,日出和日落前后波动最为剧烈。其中,日出时刻以LE/Rn和G/Rn曲线波动最为强烈,且两者峰谷互补。因辐射强度和日照时数的不同,不同天气条件下曲线早、晚剧烈变化开始时间也有所差别。晴天、平均、阴天(8:00—18:00)波文比依次减小,且均小于1,表明它们在白天能量分配均以潜热为主。而雨天波文比则表现出较大的波动性,整体呈上升趋势。LE与Rn、H、G相关性程度均表现为:晴天与平均相当,阴天次之,雨天最小。     

黄土高原草地根系生物量沿环境梯度变化规律

草地是陆地生态系统的重要组成部分,根系生物量是研究草地生态系统的重要参数之一,研究草地根系生物量沿环境梯度的变化规律对当地的植被建设和恢复具有重要意义。以黄土高原3种不同草地类型（森林草原、典型草原和荒漠草原）为研究对象,沿环境梯度从东到西选择10个样地,每个样地内设置8个1 m×1 m样方进行根系生物量的调查,旨在分析不同草地类型根系生物量的垂直分布规律,并探讨了根系生物量沿环境梯度的变化规律及其影响因素。结果表明：（1）黄土高原3种草地类型根系生物量有显著差别（P<0.05）,其中森林草原的根系生物量最大,典型草原最小;（2）3种不同草地类型根系生物量垂直分布均呈"T"型,土壤表层（0-10 cm）占55%以上的根系生物量,且荒漠草原根系有更多比例的生物量分布在土壤表层;（3）黄土高原草地根系生物量沿经度从东到西呈现先减少后缓慢增加的趋势,但浅层生物量与深层生物量比例（浅深比）没有表现出明显的经度格局;（4）总根系生物量的变化主要受年均温（MAT）影响（P<0.01）,随MAT增大而增大;深层生物量同时受气候和土壤养分含量的影响（P<0.01）;浅深比则与样点平均土壤全磷含量、深层土壤全磷含量有显著负相关性（P<0.05）;（5）气候和土壤因素能解释根系生物量5.12%-39.36%的变异,独立作用中,气候因子对根生物量的解释度最大,可达到2.77%-9.12%的解释度。     

封育对黄土高原草地深层土壤pH的影响

土壤酸碱度变化, 直接影响植被类型及植物对土壤养分的吸收效率, 同时在土壤有机碳和无机碳相互转化过程中起重要作用, 为明确草地封育过程中土壤酸碱度的变化特征。以黄土高原云雾山自然保护区放牧草地(封育0年)、封育15年草地、封育30年草地为研究对象, 采用空间代替时间方法, 研究封育过程中深层(0-500 cm)土壤酸碱度变化特征。结果表明: (1)3个封育年限草地土壤pH随着土层深度的增加而增加, 放牧草地土壤pH变化范围为8.54-9.26、封育15年草地土壤pH变化范围为8.56-8.97、封育30年草地土壤pH变化范围为8.12-8.74。(2)不同封育年限0-500cm土壤各粒级差异较大, 放牧草地在40-60 cm土层, 3-2 mm土壤团粒结构的土壤pH最低为8.38, 显著低于其它粒级(P˂0.05); 封育15年草地土壤pH各粒级差异较小; 封育30年草地土壤pH整体呈上升趋势, 0-20 cm各粒级土壤pH差异显著。(3) 在0-500 cm, 封育30年草地土壤pH显著低于放牧草地和封育15年草地(P˂0.05), 其平均值分别为8.50、8.94和8.87。因此, 长期封育显著降低土壤pH值。     

黄土高原半干旱区典型草地生态系统CO2交换对刈割的响应

草地生态系统碳循环在全球气候变化中扮演着重要的角色。刈割是实现草地资源合理利用的主要管理措施,但其对草地生态系统碳通量的影响过程和机理尚不清楚。以黄土高原半干旱区典型草地为研究对象,设计刈割和对照两种处理,于2013—2015年对生态系统碳通量各组分,土壤温度和水分进行了测定。结果表明:生态系统碳通量季节性变化均呈明显的单峰模式,以夏季最高,春秋季节最低,但不同组分峰值出现的时间有所不同。刈割使整个试验期土壤呼吸增加了17%,但对总初级生产力(GEP)、生态系统呼吸(Re)和净初级生产力(NEE)的影响不显著。GEP和NEE在正常降水年(2014)高于干旱年(2015),而且其对刈割的响应与降水年型有关。在正常降水年,刈割后GEP和NEE显著减低,而在干旱年显著增加。这些结果表明,降雨年际变化是造成半干旱草地生态系统碳通量变化的主导因素,而刈割增大了这一生态系统的土壤碳排放。     

半干旱黄土高原苜蓿草地撂荒过程土壤水分变化特征

土壤水分是黄土高原植被恢复和生态建设的主要限制因子,明确土壤水分随植被演替的变化规律是阐明黄土高原植被与水分相互作用机制的重要基础。以半干旱黄土高原小流域苜蓿草地撂荒过程为研究对象,通过对2016-2018年生长季苜蓿群落、苜蓿+赖草群落、赖草群落和长芒草群落四种草地群落0-1.8 m土壤水分进行动态监测以及0-5 m深度土壤水分测定,分析不同演替阶段苜蓿草地土壤水分的动态特征,探讨土壤水分对苜蓿草地撂荒过程的响应。结果表明：（1）在苜蓿草地撂荒演替过程中,土壤水分随群落恢复时间的延长呈先增加后降低的变化,降水的年际动态显著影响不同演替群落的土壤水分响应;（2）0-0.4 m土壤水分主要受降水影响,使得各草地群落在这一层次没有显著差异（P>0.05）,而1 m以下的土壤水分含量则主要受植被类型的影响,各草地群落之间存在显著差异（P<0.05）;（3）0-5 m深层土壤水分随群落的演替,1 m以下各土层土壤水分含量逐渐增加,表明撂荒过程中使土壤水分得到了一定程度的恢复。研究结果揭示了苜蓿草地撂荒过程土壤水分的变化规律,可为黄土高原生态恢复提供理论依据。     

黄土高原小麦田土壤呼吸对强降雨的响应

全球气候变化的可能后果之一是干旱频繁,强降雨增多。土壤呼吸是全球碳循环的关键组成部分,探讨强降雨对土壤呼吸的影响,有助于预知在全球变化背景下,土壤CO2排放的可能反馈机制。然而,由于测定技术限制,目前在降雨前后,对土壤呼吸进行原位、全天候、高频率测定的研究尚不够深入。研究选取黄土高原半干旱区小麦田土壤为研究对象,采用全自动多通量箱系统,对降雨前后的土壤呼吸及环境因子在原位置进行了全天候连续监测,分析了3次强降雨前后的土壤呼吸变化。结果表明,（1）强降雨对土壤呼吸促进还是抑制取决于雨前、雨中、以及雨后的土壤水分状态。土壤水分相对亏缺条件下的强降雨促进土壤呼吸,降雨结束后土壤呼吸的平均水平是降雨发生前的1．5—2倍;湿季的强降雨整体上抑制土壤呼吸,降雨过程中观测到呼吸波谷,雨中及雨后土壤呼吸分别下降了约33％和15％。（2）土壤呼吸与土壤水分之间存在二次曲线关系,此关系同时受土壤水分状况和温度的影响。当土壤由干旱和水分相对亏缺状态过渡到湿润时,上述二次曲线关系可靠;当土壤水分充裕时,该二次曲线关系减弱。在于湿交替情况下,二次曲线拐点是土壤呼吸因土壤水分增加而受到抑制的临界点,并且当温度升高时,该临界点相应升高。（3）温度和水分共同影响土壤呼吸。在土壤水分相对亏缺时,水分的增加是影响土壤呼吸的关键因子,温度对土壤呼吸的影响处于相对次要的位置;在水分充裕时,温度是影响土壤呼吸的关键因子,水分的增加会抑制土壤呼吸,但其对土壤呼吸变化的影响相对弱化。     

半干旱区人工林草地土壤旱化与土壤水分植被承载力

近年来在黄土高原地区多年生林草地。出现了以土壤旱化为主要特征的土壤退化现象。退化土壤反过来影响植物的生长和发育,最终将导致植物群落衰败和生态系统的退化,从而影响到林草植被的长期稳定,经济效益和生态效益的持续稳定发挥,这已成为当前林草植被建设的重大问题之一。分析了土壤旱化现象与土壤干层的关系,探讨了土壤干层的划分标准。认为防止土壤旱化的主要措施就是控制林草地密度和生产力,而控制林草地密度和生产力的理论依据就是土地植被承载力。在黄土高原大部分地区植物吸收和利用的土壤水分主要依靠当地的天然降水。土壤水分是限制植物生长的决定因子,该类地区土地植被承载力实质上为土壤水分的植被承载力。作者定义土壤水分植被承载力为土壤水分承载植物的最大负荷。它是指在较长时期内,在现有的条件下,当植物根系可吸收和利用土层范围内土壤水分消耗量等于或小于土壤水分补给量时,所能维持特定植物群落健康生长的最大密度。探讨了土壤水分植被承载力的确定方法和影响因素,认为凡是影响林草地土壤水分的补给和消耗,植物群落生长发育和植物水分利用效率的因素,包括地理位置、地形、气候、植被类型及其发育阶段,抚育管理措施都影响土壤水分植被承载力数值。开展土壤水分植被承载力研究对于林草地合理经营与管理具有重要意义。     

黄土高原半干旱区云雾山封禁草原30年植被恢复对气候变化的响应

植被是区域气候与环境的综合反映,研究特定地区草地植被与气候变化的关系,寻找影响植被变化的关键因子,是植被重建和生态环境恢复的前提。利用1957-2008年的气候数据和1982-2008年的植被定位监测资料,分析了黄土高原半干旱区的宁夏云雾山植被动态变化规律及其与温度和降水的关系。结果表明:51a来,该区年平均温度明显升高,而年平均降水量总体呈减少趋势,显示黄土高原地区气候暖干化趋势明显。统计分析表明,研究区年平均温度对植被的重要值年际变化有极显著影响(P0.01),而年降水量与植被的重要值呈极显著正相关(P0.01),表明气候持续干旱化对该区植被的生长有较大影响,该区降水的多寡是直接影响植被生长优劣的决定性因子,改善区域水分状况和封禁是推进植被恢复与重建的主要措施。