藺恩杰，江 洪，2，陳云飛

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安 311300；2.南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，江蘇 南京210093)

雷竹Phyllostachys violascens是禾本科Poaceae竹亞科Bambusoideae剛竹屬Phyllostachys竹種，由早春打雷即出筍而得名。雷竹原產(chǎn)于浙江臨安、安吉、余杭等地，作為高經(jīng)濟(jì)效益的筍用竹現(xiàn)已在長江以南，南嶺以北的廣大區(qū)域推廣栽植。與一般常綠樹種相比，雷竹林全年光合能力強(qiáng)，采伐期短，更新代謝快。雷竹林是高效高產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)林種，目前對其土壤養(yǎng)分、礦質(zhì)元素以及土壤酶的研究相對較多[1－4]，但未見與雷竹林生態(tài)系統(tǒng)水汽通量相關(guān)的研究報道。水汽通量，又稱水汽輸送量，是單位時間內(nèi)通過單位面積的水汽量。森林水汽通量主要指林下地表蒸發(fā)通量、植被蒸騰通量和樹冠層水分蒸發(fā)通量三者之和。水汽通量是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動的重要參與者、重要環(huán)節(jié)與能量載體，是生態(tài)系統(tǒng)能量閉合的重要影響因子。目前，渦度相關(guān)技術(shù)已在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量交換的觀測，并取得了很好的成效。該方法已成為國際通量觀測網(wǎng)(FLUXNET)的標(biāo)準(zhǔn)方法[5－7]。中國陸地生態(tài)通量觀測網(wǎng)絡(luò)(China FLUX)也已經(jīng)利用該技術(shù)開展了廣泛的觀測。本研究以太湖源鎮(zhèn)浙江省雷竹現(xiàn)代示范園區(qū)人工高效雷竹林為研究對象，利用渦度相關(guān)觀測技術(shù)研究了雷竹林2010年10月到2011年9月水汽通量的動態(tài)變化特征及其與凈輻射之間的關(guān)系，以期為當(dāng)?shù)刂窳值暮侠砉喔忍峁├碚撘罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)在浙江省臨安市太湖源鎮(zhèn)的浙江省雷竹現(xiàn)代示范園區(qū)內(nèi)，30.18°N，119.34°E，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，雨熱同期，春多雨，夏濕熱有梅雨期，秋氣爽，冬干冷。全年降水量為1 201.7 mm，年平均氣溫16.0℃，全年日照時數(shù)1 900 h。土壤以紅壤為主，海拔185 m，坡向北偏東35°，坡度2°～3°，雷竹林建園歷史10 a。觀測塔下雷竹林群落平均高度4.5 m(鉤梢后)，平均胸徑為4 cm，以2年生竹和3年生竹為主，總蓋度為80%，立竹為1.67萬株°hm－2，林下灌木草本較少，有竹葉谷糠覆蓋，為人工經(jīng)營的經(jīng)濟(jì)林。

1.2 觀測儀器

觀測竹林建有高20.0 m的微氣象觀測塔，開路渦度相關(guān)系統(tǒng)的探頭安裝在17.0 m高度上，由三維超聲風(fēng)溫儀(CAST3，Campbell Inc.，美國產(chǎn))和開路CO2PH2O分析儀(Li-7500，LiCor Inc.，美國產(chǎn))組成，原始采樣頻率為10 Hz，數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集器(CR1000，Campbell Inc.，美國產(chǎn))進(jìn)行存儲。

常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)，包括3層風(fēng)速(010C，met one，美國產(chǎn))，3層大氣溫度和濕度(HMP45C，Vaisala，Helsinki，芬蘭產(chǎn))。安裝高度分別為1，5，17 m；2個SI-111紅外溫度計分別置于1.5和5.0 m，用于采集地表和冠層溫度。凈輻射儀(CNR4，Kipp ＆ Zonen，荷蘭產(chǎn))傳感器安裝高度17.0 m，用于采集上行/下行的長波/短波輻射、凈輻射的數(shù)據(jù)。此外，還有土壤熱通量(HFP01，Hukseflux，荷蘭產(chǎn))的觀測深度為3和5 cm；土壤含水量(CS616，Campbell，美國產(chǎn))觀測深度為5，50，100 cm；土壤溫度(109，Campbell，美國產(chǎn))觀測深度為5，50，100 cm。常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣頻率為0.5 Hz，通過數(shù)據(jù)采集器(CR1000，Campbell Inc，美國產(chǎn))隔30 min自動記錄平均風(fēng)速、溫度、氣壓、凈輻射等常規(guī)氣象信息。雨量筒分布于試驗樣地內(nèi)，記錄降水量信息。

1.3 研究方法

1.3.1 計算公式 水汽通量(E)用實時測定的垂直風(fēng)速與其濃度的協(xié)方差求的。公式為:

其中:ρ為干空氣密度，q為比濕脈動，w為垂直風(fēng)速；橫線為一段時間內(nèi)的平均值；撇號表示脈動。氣體由大氣圈進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)則通量符號為負(fù)，氣體由生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入大氣圈，則通量符號為正[8]。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 采用的數(shù)據(jù)為通量觀測的30 min平均值。數(shù)據(jù)處理采用目前普遍使用較成熟的方法，主要包括2次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矯正地形以及觀測儀器的不水平，使垂直方向的風(fēng)速平均值為0，水平方向的風(fēng)速與主導(dǎo)風(fēng)向一致，剔除惡劣天氣、儀器故障等造成的不合理數(shù)據(jù)；采用平均日變化法 “MDV”插補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 全年水汽通量各月的平均日變化特征

通過對全年水汽通量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到太湖源人工高效雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的全年逐日逐半小時的水汽通量數(shù)據(jù)，按月將每天同時刻水汽通量求平均值計算當(dāng)月平均日變化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 2010年10月至2011年9月太湖源鎮(zhèn)雷竹林水汽通量各月平均日變化分布Figure 1 Mean diurnal change distribution of monthly water vapor flux in in Phyllostachys violascens forest in Taihuyuan (2010-10-2011-09)

從圖1可見:全年水汽通量基本均為正值，即水汽輸送方向是由竹林生態(tài)系統(tǒng)向大氣輸送，且呈現(xiàn)單峰變化趨勢。各月水汽通量日變化的最大值均出現(xiàn)在12:00到14:00，而夜間基本為0。這是由于夜間溫度較低，光照較弱，地表蒸發(fā)以及植被蒸騰都極其微弱。從6:00到8:00開始逐漸升高，至最高點后逐漸降低，17:00至19:00趨近于0，波動較為平緩，基本保持穩(wěn)定。

3－5月的水汽通量日變化曲線較其他月份波動較大，主要是因為3－5月的氣候較為多變，溫度變化較大，使生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的地表蒸發(fā)及植被蒸騰較為多變，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)水汽通量日變化波動較大。9月較8月和10月較為平緩，且夜間水汽通量高于其他月份。主要是因為9月天氣較為陰霾，除4－6日和13－15日晴天，其余均為陰雨天氣，雨量不大，云層較厚。白天云層吸收光照熱量，使生態(tài)系統(tǒng)溫度變化相對較小，水汽通量無明顯變化。夜間云層釋放白天吸收的熱量，使生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部溫度較其他月份稍高，水汽通量與白天相比也無明顯變化，但比其他月份夜間水汽通量稍高。至凌晨2:00至4:00，氣溫下降，水汽通量下降，趨近于0。7月較其余月份水汽通量較高，日最大值為1.107 g°m－2°s－1。原因是7月光照條件較為充足，氣溫較高，植被冠層以及地表蒸發(fā)量均較大，植物蒸騰作用旺盛。

2.2 全年水汽通量季節(jié)變化特征

通過對全年數(shù)據(jù)的計算，得到了太湖源人工高效雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的全年逐日逐半小時的水汽通量數(shù)據(jù)，按季節(jié)計算平均日變化，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出:夏季水汽通量變化有極強(qiáng)的規(guī)律性，日變化曲線為單峰，且曲線較為平滑，20:00 至次日凌晨 6:00 維持在 0～0.01 g°m－2°s－1，6:00 至 12:00逐漸升高，至12:00左右達(dá)到最大值之后逐漸降低，到19:00至20:00趨于穩(wěn)定。春秋冬季的水汽通量日變化特征與夏季相比較，變化規(guī)律類似，但規(guī)律性相對較差。曲線波動較大，不夠平滑。由于氣候條件影響，本實驗區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的夏季水汽通量明顯大于春秋冬季，春秋季基本相同，略大于冬季。

2.3 降水量與蒸散量

蒸散量是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的總耗水量，是全年水汽通量的總和。蒸散量主要受蒸發(fā)勢、土壤供水狀況、植被狀況等因素制約。通過雨量筒測得2011年10月至2011年9月各月降水量總和，計算各月水汽通量總和。所得結(jié)果如圖3所示。圖3中:2月、10月和12月蒸散量略大于降水量，其余月份蒸散量均小與降水量。其中6月降水量遠(yuǎn)大于蒸散量，6月進(jìn)入雨季，降水量較大，而蒸散量并未受到較大影響。

圖2 2010年10月至2011年9月太湖源鎮(zhèn)雷竹林水汽通量各季節(jié)平均日變化特征Figure 2 Mean diurnal change distribution of quarterly water vapor flux in Phyllostachys violascens forest in Taihuyuan (2010-10－2011-09)

圖3 2010.10月至2011年9月太湖源鎮(zhèn)雷竹林蒸散量與降水量對比Figure 3 Contrast between evapotranspiration and precipitation in Phyllostachys violascens forest in Taihuyuan(2010-10－2011-09)

各季度降水量與蒸散量，及其占全年降水量與蒸發(fā)散量的比例如表1所示。夏季降水量為632.2 mm，占全年降水量(1 201.7 mm)的50%以上，春秋季降水量基本相同，各占20%左右，以冬季最低，僅占全年降水量的不到10%。夏季蒸散量亦為全年最高，約占42%，春秋季次之，各占22%，冬季最低，占13%?？梢?蒸散量同降水量在季節(jié)尺度上的變化情況有極強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系。全年蒸散量(669.8 mm)占全年降水量(1 201.7 mm)的55.74%，比實際情況略低，主要由于夜間降水或露水對水汽通量的觀測有較大影響，易導(dǎo)致低估通量值[10]，處理數(shù)據(jù)時，對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行人為插補(bǔ)也可能導(dǎo)致最終所得的蒸散量較實際情況略小。

表1 各季度降水量與蒸散量，以及其占全年降水量與蒸發(fā)散量的比例Table 1 Contrast between evapotranspiration and precipitation at every quarter

千煙洲人工針葉林全年蒸發(fā)散量為736.10 mm°hm－2°a－1[4]。遼東山區(qū)后樓水庫集水區(qū)鄰域范圍內(nèi)的年蒸發(fā)散量分別是落葉松 Larix gmelinii幼齡林為 720.00 mm°hm－2°a－1，落葉松中齡林 751.00 mm°hm－2°a－1，紅松 Pinus koraiensis 幼齡林 762.00 mm°hm－2°a－1，紅松中齡林 826.00 mm°hm－2°a－1，柞樹 Xylosma racemosum 林 677.0 mm°hm－2°a－1，雜木林 741.00 mm°hm－2°a－1[11]。湖南會同杉木 Cunninghamia lanceolata 林多年的年均蒸散量為 1 049 mm°hm－2°a－1[12]。而雷竹林全年蒸散量僅為 669.84 mm°hm－2°a－1。

2.4 凈輻射與水汽通量在季節(jié)尺度上的相關(guān)性

雷竹林全年凈輻射為2 928.924 MJ°m－2°a－1，其各季度水汽通量對凈輻射的響應(yīng)如圖4所示。

圖4 各季度水汽通量對凈輻射的響應(yīng)擬合曲線Figure 4 Quarterly response of water vapor flux to Rn

從圖4的擬合曲線中，可以直觀地看出夏季水汽通量對凈輻射的響應(yīng)最為明顯，相關(guān)性系數(shù)較大，為0.603 9，秋季稍次之，相關(guān)性系數(shù)為0.557 4。冬季和春季相關(guān)性系數(shù)均較小。春季為0.259 1，因為春季氣候多變，天氣變幻無常，氣溫波動較大，對水汽通量有一定的影響，故從圖中反映出各點較為分散，但仍表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。與吉喜斌等的研究相符[13]。冬季相關(guān)性系數(shù)最小，為0.017 8，因冬季水汽通量普遍較低，但當(dāng)?shù)乩字窳纸?jīng)營模式為冬季覆蓋谷糠，為地表層人為保溫，可提高提早第2年筍產(chǎn)量，覆蓋谷糠前人為澆水，使地表層大量儲水升溫，影響正常情況下的地表蒸發(fā)量，表現(xiàn)出冬季水汽通量與凈輻射相關(guān)性較小。通過相關(guān)性的顯著性檢驗，水汽通量與凈輻射之間有極顯著相關(guān)性。

3 小結(jié)

全年水汽通量基本為正值，夏季明顯大于春秋冬季，春秋季變化特征相似，冬季最低。全年最高月份為7月，全年最低月份為1月。

季節(jié)尺度上，夏季水汽通量明顯大于春秋冬季，春秋季基本相同，略大于冬季。夏季平均日變化曲線呈單峰型，規(guī)律性較強(qiáng)。春秋冬季則略有波動。

各月水汽通量日變化的最大值均出現(xiàn)在12:00到14:00，而夜間基本為0。從6:00到8:00開始逐漸升高，至最高點后逐漸降低，17:00至19:00趨近于0，基本保持穩(wěn)定。

雷竹林全年蒸散量為 669.84 mm°hm－2°a－1，較其他林型低。全年降水量為 1 201.72 mm°hm－2°a－1，全年蒸散量占全年降水量的55.74%。2月、10月和12月蒸散量略大于降水量，其余月份蒸散量均小于當(dāng)月降水量，以6月差別最大。水汽通量與凈輻射之間有極顯著的相關(guān)性。雷竹林全年凈輻射為2 928.924 MJ°m－2°a－1，凈輻射作為影響水汽通量的最主要因子，其大小直接影響當(dāng)?shù)乩字窳稚鷳B(tài)系統(tǒng)的水汽通量情況，雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的水汽通量狀況與當(dāng)?shù)貎糨椛浔憩F(xiàn)出較好的正相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)為0.600～0.017。

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