興安落葉松林能量通量變化特征及閉合度研究

劉璇,王飛,張秋良,田原,任建華

興安落葉松林能量通量變化特征及閉合度研究

劉璇,王飛*,張秋良,田原,任建華

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019

為系統(tǒng)研究大興安嶺地區(qū)興安落葉松（）林能量通量變化特征及能量閉合度，本文利用渦度相關(guān)技術(shù)測(cè)定潛熱通量和顯熱通量，使用常規(guī)氣象觀測(cè)儀器監(jiān)測(cè)凈輻射和土壤熱通量，采用最小二乘法（Ordinary Least Squares，OLS）和能量平衡比率法（Energy Balance Ratio，EBR）計(jì)算能量閉合度，結(jié)果表明：興安落葉松林生長(zhǎng)季凈輻射總量為379 MJ·m-2；顯熱通量、潛熱通量、土壤熱通量、冠層熱儲(chǔ)量生長(zhǎng)季總量分別為91.21 MJ·m-2、140.64 MJ·m-2、16.9 MJ·m-2、5.53 MJ·m-2；顯熱通量占凈輻射的24%，潛熱通量占凈輻射的37%，土壤熱通量及冠層熱儲(chǔ)量占凈輻射比例較小，分別為4%和1%。生長(zhǎng)季閉合度0.63。興安落葉松林生長(zhǎng)季能量支出以潛熱通量為主。通過(guò)計(jì)算得出的能量閉合度表明，本站點(diǎn)存在不閉合現(xiàn)象，但仍處于全國(guó)通量觀測(cè)站點(diǎn)平均水平。

興安落葉松; 能量通量; 閉合度

森林能量通量是湍流通量與有效能量的總稱(chēng)，其分配過(guò)程對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育及森林生產(chǎn)力具有直接影響[1-5]。近年來(lái)，渦度相關(guān)技術(shù)憑借其不干擾生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于不同樹(shù)種、不同林型的森林能量分配研究，并取得大量成果[6-11]。興安落葉松林具有林分面積大，蓄積量多等特點(diǎn)，是我國(guó)東北地區(qū)主要針葉用材樹(shù)種[12]，對(duì)其能量通量研究具有重要意義。本文依托內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，利用2015年連續(xù)觀測(cè)通量及氣象數(shù)據(jù)對(duì)能量通量特征、分配及閉合度進(jìn)行研究，為探討興安落葉松林能量交換特征和評(píng)價(jià)渦度數(shù)據(jù)質(zhì)量提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（50°54′23′′N(xiāo), 121°30′6′′E），海拔約為960 m。該區(qū)屬于寒溫帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，冬長(zhǎng)夏短，溫差較大。植被5月開(kāi)始生長(zhǎng)，9月進(jìn)入生長(zhǎng)末期。近6年（2012~2017年）的年均氣溫為-6.67 ℃，生長(zhǎng)季（5~9月）平均氣溫為14.74 ℃，極端最高溫度為32 ℃（2015年），極端最低溫度可達(dá)-45.2 ℃（2013年），地表溫度為1.05 ℃。空氣濕度保持在65%以上。年均降雨量500 mm，主要集中在7~9月。該區(qū)森林覆蓋率較高，建群種為興安落葉松()[12]。該區(qū)分布有季節(jié)性?xún)鐾梁统Ｄ暧纼鐾粒俏覈?guó)重點(diǎn)的凍土觀測(cè)區(qū)域[13]。

2 研究方法

2.1 觀測(cè)設(shè)備

興安落葉松天然林內(nèi)建立觀測(cè)塔，塔高為65 m，在60 m處安裝了三維超聲風(fēng)速儀（ModelCSAT-3，Campbell，USA）、開(kāi)路式紅外線氣體分析儀（ModelLI-7500，Li-Cor，USA），利用數(shù)據(jù)采集器（CR3000，Campbell，USA）將在線計(jì)算的通量參數(shù)記錄在PC卡中。塔上裝有氣象觀測(cè)儀器對(duì)5 cm土壤熱通量（HFP01，HUKSEFLUX，F(xiàn)inland）、60 m凈輻射（CNR-1，Campbell，USA）進(jìn)行測(cè)定，采用數(shù)據(jù)采集器（CR1000，Campbell，USA）進(jìn)行每半小時(shí)獲取的數(shù)據(jù)記錄。

2.2 數(shù)據(jù)處理

通量數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)會(huì)受到外界因素影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失和異常。需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。本文數(shù)據(jù)處理主要采用二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方法，密度效應(yīng)校正，最后經(jīng)過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，將超出閾值、降雨時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，為了保證數(shù)據(jù)連續(xù)和有效，缺失數(shù)據(jù)采用平均日變化法（Mean Diurnal Variation，MDV）進(jìn)行插補(bǔ)[14]。質(zhì)量控制后得到的數(shù)據(jù)均處理為半小時(shí)的均值，便于后續(xù)計(jì)算。

2.3 能量平衡法

能量閉合是指湍流能量與有效能量相等，方程表達(dá)式[10]如下：---=+。

式中：為凈輻射，為土壤熱通量，為冠層熱儲(chǔ)量，為附加能量項(xiàng)的總和，為顯熱通量，為潛熱通量。

附加能量項(xiàng)的總和很小，通常忽略不計(jì)。目前，很多學(xué)者對(duì)能量平衡研究時(shí)會(huì)忽略冠層熱儲(chǔ)量。但森林生態(tài)系統(tǒng)中，冠層高度高于8 m時(shí)，冠層熱儲(chǔ)量不可忽略[15]。經(jīng)實(shí)測(cè)調(diào)查得到建立樣地樹(shù)木的冠層高度為10.95 m，推測(cè)該區(qū)域冠層高度大于8 m。冠層熱儲(chǔ)量計(jì)算公式參考部分相關(guān)文獻(xiàn)[15,16]。

能量平衡閉合評(píng)價(jià)方法主要選取了兩種，分別是最小二乘法（OLS）和能量平衡比率法（EBR）。最小二乘法是運(yùn)用最為普遍的一種方法，最為理想的狀態(tài)下有效能量和湍流能量的回歸直線的斜率為1，并通過(guò)原點(diǎn)[8]。但目前研究[7,9,11]中均未達(dá)到這種狀態(tài)，線性關(guān)系的截距均不能通過(guò)原點(diǎn)。能量平衡比率法是湍流能量與有效能量的比值[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 興安落葉松林能量通量日變化特征

圖 1 興安落葉松林生長(zhǎng)季能量通量日變化特征

興安落葉松林生長(zhǎng)季中，凈輻射、潛熱通量、顯熱通量日變化趨勢(shì)基本呈現(xiàn)單峰倒“U”型分布（見(jiàn)圖1）。生長(zhǎng)季不同月份凈輻射均在5:00左右開(kāi)始啟動(dòng)，12:00左右達(dá)到峰值，18:00左右趨于平緩，從19:00~4:00凈輻射逐漸變?yōu)樨?fù)值。凈輻射最大值出現(xiàn)在7月，造成這種現(xiàn)象原因可能是由于太陽(yáng)高度角的不同。5~9月潛熱通量最大值出現(xiàn)在午后，但峰值出現(xiàn)時(shí)間不盡相同，8月的峰值比其他月份約晚1 h，可能由于8月雨水較多，空氣濕度較大，導(dǎo)致峰值后移。顯熱通量12:00左右達(dá)到峰值，日落之后趨于平緩，且數(shù)值均為負(fù)值，5月顯熱通量數(shù)值較大，6~9月均小于潛熱通量。可能由于6~9月進(jìn)入雨季，水汽通量成為主要熱源，并處于主導(dǎo)地位。冠層熱儲(chǔ)量和土壤熱通量生長(zhǎng)季變化趨勢(shì)較為平緩。冠層熱儲(chǔ)量波動(dòng)較小，5:00~18:00為正值，其余均為負(fù)值。土壤熱通量5月在白天表現(xiàn)為正值，夜晚為負(fù)值。6~8月土壤熱通量均為正值，表現(xiàn)為熱匯，9月轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，成為熱源。

3.2 能量分配特征

從各分量月均值變化可以看出（見(jiàn)圖2），土壤熱通量、潛熱通量、顯熱通量、冠層熱儲(chǔ)量變化趨勢(shì)均以?xún)糨椛渥兓癁榛A(chǔ)。整個(gè)生長(zhǎng)季，凈輻射從5月開(kāi)始增加，在6月達(dá)到最大值。顯熱通量在5月達(dá)到最大值。顯熱通量生長(zhǎng)季總量為91.21 MJ·m-2，占凈輻射的24%。隨著溫度升高，樹(shù)木生長(zhǎng)，潛熱通量在6月達(dá)到最大值，生長(zhǎng)季總量為140.64 MJ·m-2，占凈輻射的37%。土壤熱通量及冠層熱儲(chǔ)量占凈輻射比例較小，分別為4%和1%。

圖 2 興安落葉松林生長(zhǎng)季能量分量月均值變化特征

從各月份可以看出，5月顯熱通量占凈輻射的比例明顯大于潛熱通量所占比例，6~9月這種現(xiàn)象開(kāi)始發(fā)生變化，潛熱通量占凈輻射的比例逐漸上升，并超過(guò)顯熱通量所占百分比。在這四個(gè)月中，6~8月潛熱通量與顯熱通量差值較大，9月差值縮小并趨于接近。5月大興安嶺地區(qū)雨水較少，植物處于生長(zhǎng)初期，植被覆蓋率較低。6~8月進(jìn)入雨季，空氣溫度升高，雨熱同期，土壤蒸發(fā)速度加快，興安落葉松進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，植物生理活動(dòng)加強(qiáng)，導(dǎo)致潛熱通量開(kāi)始增加。9月空氣溫度降低，樹(shù)木進(jìn)入生長(zhǎng)末期，落葉松葉片凋落、蒸騰速率減弱，灌木、草本覆蓋率下降，潛熱通量有所降低，但較高的土壤含水量使得土壤蒸發(fā)維持在相對(duì)較高水平，致使?jié)摕嵬咳栽谀芰糠峙渲姓贾鲗?dǎo)位置。

3.3 能量閉合分析

生長(zhǎng)季湍流能量與有效能量的比值EBR變化幅度較為平緩(見(jiàn)圖3)，7月達(dá)到最低值(閉合度為0.55)。9月達(dá)到最高值(閉合度為0.75)。生長(zhǎng)季閉合度0.63。

圖 3 興安落葉松林生長(zhǎng)季能量通量月累積值及閉合度

對(duì)湍流通量與有效能量進(jìn)行半小時(shí)時(shí)間尺度下的線性回歸（見(jiàn)表1）。5、9月斜率最小，閉合程度相對(duì)較低。6~8月斜率最大，能量閉合較好。生長(zhǎng)季截距為-21.72~0.41，斜率為0.54~0.64，決定系數(shù)（2）為0.75~0.77。生長(zhǎng)季平均截距為-12.95，平均斜率為0.61，決定系數(shù)（2）為0.76。LI對(duì)中國(guó)通量網(wǎng)8個(gè)站點(diǎn)提供的觀測(cè)資料進(jìn)行研究[18]，發(fā)現(xiàn)斜率范圍為0.49~0.81，決定系數(shù)（2）范圍為0.52~0.94。與此相比，本研究的渦度數(shù)據(jù)具有可靠性，處于中等水平。但仍存在不閉合現(xiàn)象，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是由于連續(xù)陰雨天氣造成儀器所使用太陽(yáng)能板夜間供電不足。

表 1 興安落葉松林生長(zhǎng)季能量平衡的線性回歸參數(shù)及決定系數(shù)

4 結(jié)論

興安落葉松林生長(zhǎng)季，凈輻射、潛熱通量、顯熱通量日變化趨勢(shì)基本呈現(xiàn)單峰倒“U”型分布。但潛熱通量和顯熱通量變化曲線不如凈輻射變化曲線平滑，主要由于湍流數(shù)據(jù)具有間歇性的特點(diǎn)。

生長(zhǎng)季各能量分量占凈輻射比例不盡相同，潛熱輻射最大，顯熱通量次之，土壤熱通量和冠層熱通量較小。由此可見(jiàn)，在生長(zhǎng)季階段能量支出以潛熱通量為主。

生長(zhǎng)季EBR變化趨勢(shì)平緩，能量閉合度0.63。運(yùn)用最小二乘法（OLS）對(duì)能量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，生長(zhǎng)季平均截距為-12.95，平均斜率為0.61，決定系數(shù)（2）為0.76，本站點(diǎn)處于全國(guó)通量觀測(cè)站點(diǎn)平均水平，證明數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。但仍存在不閉合現(xiàn)象，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是由于連續(xù)陰雨天氣使儀器所用太陽(yáng)能板夜間供電不足。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制，以提高能量閉合度。

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Energy Flux Variation Characteristics and Closure Degree in Larch Forest

LIU Xuan, WANG Fei*, ZHANG Qiu-liang, TIAN Yuan, REN Jian-hua

,010019,

In order to systematically study characteristics of energy flux and energy balance closure in Larch forest in Greater Khingan Mountains. By using measurement of the the eddy covariance technique and micro-climate instruments, latent heat flux, sensitive heat flux, net radiation and soil heat flux were conducted. According to Ordinary Least Squares and energy balance ratio calculate energy balance closure. The total net radiation of the Larch forest was 379 MJ·m-2in growing season. The sensible heat flux, latent heat flux, soil heat flux and canopy heat storage reserve were 91.21 MJ·m-2, 140.64 MJ·m-2, 16.9 MJ·m-2and 5.53 MJ·m-2; the sensible heat flux accounted for 24% of net radiation; the latent heat flux accounted for 37%; soil heat flux and canopy heat storage accounted for a small proportion, which is 4% and 1%. The Energy balance closure was 0.63. In the growing season, energy expenditure was mainly latent heat flux. The energy balance closure results showed that the site still has an incomplete phenomenon in Larch forest, but it was an average level of national flux stations.

; energy flux; closure degree

S718.5

A

1000-2324(2019)04-0546-04

2018-05-24

2018-06-15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC50410302);中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(STS計(jì)劃)項(xiàng)目(KFJ-EW-STS-169)

劉璇(1994-),女,碩士研究生,研究方向:森林經(jīng)理學(xué). E-mail:984706126@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wangfeinihao2003@aliyun.com