孫 成, 江 洪,2,*, 陳 健, 劉玉莉, 牛曉棟, 陳曉峰, 方成圓

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 311300 2 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210093

亞熱帶毛竹林生態(tài)系統(tǒng)能量通量及平衡分析

孫 成1, 江 洪1,2,*, 陳 健1, 劉玉莉1, 牛曉棟1, 陳曉峰1, 方成圓1

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 311300 2 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210093

利用開(kāi)路渦度相關(guān)系統(tǒng)和常規(guī)氣象觀測(cè)儀器，對(duì)亞熱帶(浙江省)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)2011年的凈輻射、顯熱通量、潛熱通量、土壤熱通量以及氣溫、地溫、降雨量等氣象要素進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，定量分析了毛竹林生態(tài)系統(tǒng)能量通量的變化和各能量分量的分配特征，并計(jì)算了能量閉合度以及波文比。結(jié)果表明：毛竹林全年凈輻射為2628.00 MJ/m2，顯熱通量為576.80 MJ/m2，潛熱通量為1666.77 MJ/m2，土壤熱通量為-7.52 MJ/m2，土壤為熱源，各能量分量季節(jié)變化明顯，日變化基本呈單峰型曲線(xiàn)變化。顯熱通量占凈輻射的22.0%，潛熱通量占63.4%，毛竹林生態(tài)系統(tǒng)潛熱通量為能量散失的主要形式。波文比逐月變化規(guī)律不明顯，波動(dòng)較大，在0.07—1.77之間變化，能量平衡比率法得出毛竹林年能量閉合度為0.85，月平均閉合度為0.84，能量閉合度高于線(xiàn)性回歸法計(jì)算結(jié)果，但仍有15%的能量不閉合。

毛竹林; 能量通量; 能量閉合度; 湍流能量; 有效能量; 波文比

森林作為地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，在全球水循環(huán)和能量再分配中都發(fā)揮著重要的作用。而森林生態(tài)系統(tǒng)能量通量能夠直接影響地面溫度、水分輸送及植被生長(zhǎng)發(fā)育與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[1]。目前，由于渦動(dòng)相關(guān)法具有不干擾生態(tài)系統(tǒng)、時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為生態(tài)系統(tǒng)地-氣間能量和物質(zhì)通量觀測(cè)研究的標(biāo)準(zhǔn)方法，并利用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)對(duì)各種生態(tài)系統(tǒng)的水熱過(guò)程進(jìn)行了大量研究[2- 4]。根據(jù)渦度相關(guān)技術(shù)觀測(cè)的基本假設(shè)，理論上能量平衡閉合度可以作為觀測(cè)系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)有效途徑。21世紀(jì)初在美國(guó)佛羅里達(dá)州開(kāi)展的EBEX-2000實(shí)驗(yàn)就是專(zhuān)門(mén)針對(duì)地表能量通量平衡問(wèn)題進(jìn)行的觀測(cè)研究[5- 6]。就目前來(lái)看，土壤-植被-大氣之間的能量?jī)?chǔ)存未充分計(jì)入是造成地表能量不平衡的主要原因之一[7- 9]。因此，研究毛竹林的能量過(guò)程，分析各能量分量的分配特征，有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)水分和能量平衡過(guò)程，對(duì)提高毛竹林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力有一定的實(shí)踐意義。但目前利用渦度相關(guān)技術(shù)對(duì)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)能量通量的研究尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

目前亞熱帶地區(qū)通量觀測(cè)系統(tǒng)有江西千煙洲和大崗山觀測(cè)站，云南哀牢山觀測(cè)站，廣東鼎湖山觀測(cè)站和湖南會(huì)同等觀測(cè)站。幾個(gè)站點(diǎn)南北跨度較大，主要針對(duì)常綠闊葉林和針葉林進(jìn)行觀測(cè)，亞熱帶植被類(lèi)型以常綠闊葉林為主，混雜有針葉林、混交林、落葉林和竹類(lèi)。毛竹(Phyllostachysedulis)稈高達(dá)13—20 m，胸徑達(dá)12—18 cm，節(jié)間短，壁厚，筍期3—5月，連年出筍能力強(qiáng)，是我國(guó)南方的重要植被類(lèi)型和經(jīng)濟(jì)林，也是我國(guó)竹林中分布最廣、面積最大的一種竹林，因此開(kāi)展毛竹林的生態(tài)系統(tǒng)能量通量研究具有重要意義。

本文對(duì)毛竹林的通量觀測(cè)正是對(duì)亞熱帶通量觀測(cè)很好的補(bǔ)充和創(chuàng)新研究。本文利用浙江省安吉縣山川鄉(xiāng)渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)塔2011年的氣象和能量通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)毛竹林能量通量進(jìn)行研究分析。旨在為毛竹林生產(chǎn)和區(qū)域模型模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并客觀評(píng)價(jià)渦度相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及準(zhǔn)確評(píng)估毛竹林生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的物質(zhì)和能量交換提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省湖州市安吉縣山川鄉(xiāng)，地理位置30°28′34.5″N，119°40′25.7″E，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。研究區(qū)竹林面積2155 hm2，毛竹林面積1693 hm2，占竹林面積78.6%，分布面積很廣。研究區(qū)年平均氣溫16.6 ℃，1月溫度最低，平均氣溫-0.4—5.5 ℃，7月溫度最高，平均氣溫24.4—30.8 ℃，年降水量761—1780 mm，年平均相對(duì)濕度均在70%以上。觀測(cè)塔站點(diǎn)海拔380 m，毛竹群落平均高度15.8 m，平均胸徑14 cm，以4—6年生竹為主，林下灌木草本很少。

毛竹和一般樹(shù)木相比，具有生長(zhǎng)快，成材時(shí)間短(3—6a)，產(chǎn)量高，繁殖更新能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有易于人工種植，一次栽造成功，即可年年抽筍成竹等優(yōu)點(diǎn)。研究區(qū)毛竹林均采用粗放式經(jīng)營(yíng)，只在每年筍期3—5月人工挖筍，11月左右鉤稍，減少對(duì)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)的人為干擾。

1.2 觀測(cè)儀器

觀測(cè)林地建有高40 m的微氣象觀測(cè)塔，開(kāi)路渦度相關(guān)系統(tǒng)的探頭安裝在距地面38 m高度上，由三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3, Campbell Inc., 美國(guó)) 和開(kāi)路CO2/H2O分析儀(Li- 7500, LiCor Inc., 美國(guó)) 組成，原始采樣頻率為10 Hz,所有數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)采集器(CR1000, Campbell Inc., 美國(guó)) 進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)在線(xiàn)計(jì)算并存儲(chǔ)30 min的CO2通量(FC)、摩擦風(fēng)速(Ustar)、潛熱通量(LE)和顯熱通量(H)等參數(shù)。

氣象數(shù)據(jù)的觀測(cè)采用40 m高的CO2通量觀測(cè)系統(tǒng)中的氣象觀測(cè)設(shè)施，包括3層風(fēng)速傳感器(010C，metone，美國(guó))、3層大氣溫度和濕度傳感器(HMP45C，Vaisala，Helsinki，芬蘭)，安裝高度分別為1、7、38 m；一臺(tái)凈輻射儀傳感器(CNR4，Kipp&Zonen，荷蘭)安裝于38 m，用于采集下行的長(zhǎng)/短波輻射、上行的長(zhǎng)/短波輻射、凈輻射的數(shù)據(jù)；2個(gè)SI- 111紅外溫度觀測(cè)儀置于2 m和23 m，分別用于采集地表和冠層溫度；土壤溫度傳感器(109，Campbell，美國(guó))，分別距土表5、50、100 cm深度處，水平插入各一個(gè)探針。林內(nèi)分布4個(gè)自動(dòng)雨量筒，林外空處分布1個(gè)，降雨量來(lái)自林外空地雨量數(shù)據(jù)。土壤熱通量采用土壤熱通量板(HFP01，Hukseflux，荷蘭)進(jìn)行測(cè)定，選取具有很好代表性的點(diǎn)，挖開(kāi)土壤剖面，分別距土表3、5 cm深度，水平插入，并將土壤回填。本站點(diǎn)土壤熱通量采用5 cm深度觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)，3 cm深度的數(shù)據(jù)用于插補(bǔ)和校正。全部觀測(cè)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)采集器的TF卡上，同時(shí)配置無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)加載虛擬串口通過(guò)GPRS連接數(shù)據(jù)采集器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在實(shí)際觀測(cè)中由于受到降水、凝水、昆蟲(chóng)以及隨機(jī)電信號(hào)異常等的影響，需要對(duì)通量數(shù)據(jù)進(jìn)行有條件的剔除。開(kāi)路渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)據(jù)此計(jì)算的顯熱通量(H，MJ/m2)、潛熱通量(LE，MJ/m2)、CO2通量必須進(jìn)行剔除處理。常規(guī)氣象儀器受天氣影響較小，觀測(cè)的太陽(yáng)凈輻射(Rn，MJ/m2)、土壤熱通量(G，MJ/m2)可不做剔除處理。顯熱和潛熱通量根據(jù)三維超聲風(fēng)速儀觀測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向與虛溫計(jì)算得到，CO2通量數(shù)據(jù)質(zhì)量與顯熱、潛熱通量數(shù)據(jù)具有一致性，因此本文以CO2通量數(shù)據(jù)質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷相應(yīng)時(shí)刻下的能量通量數(shù)據(jù)。分別經(jīng)過(guò)二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)校正，水汽校正(WPL)，再根據(jù)閾值剔除異常通量值[10]，對(duì)于各能量分量缺失值要進(jìn)行插補(bǔ)，缺失1 d內(nèi)數(shù)據(jù)采用線(xiàn)性插補(bǔ)法，缺失超過(guò)1 d的數(shù)據(jù)，利用該能量分量與該月凈輻射回歸關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)。在實(shí)際分析時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)都處理成半小時(shí)平均資料，并進(jìn)一步計(jì)算。

1.4 能量平衡研究方法

生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)中，當(dāng)能量向下進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，Rn取正值；反之，Rn取負(fù)值。地表能量平衡方程表達(dá)式為[11]：

Rn-G-S-Q=H+LE

(1)

式中,Rn為凈輻射；G為土壤熱通量；S為植被冠層熱儲(chǔ)存量；Q為附加能量項(xiàng)的總和，H為顯熱通量，LE為潛熱通量。由于S和Q項(xiàng)小而常被忽略，此時(shí)草原能量平衡方程可表示為：

Rn-G=H+LE

(2)

式中,(Rn-G)簡(jiǎn)稱(chēng)為有效能量，(H+LE)簡(jiǎn)稱(chēng)為湍流能量。當(dāng)有效能量與湍流能量相等時(shí)，稱(chēng)為能量平衡閉合，否則稱(chēng)為能量平衡不閉合。

目前，國(guó)際上常用的能量閉合評(píng)價(jià)方法有4種，即最小二乘法(OLS)、壓軸回歸法(RMA)、能量平衡比率法(EBR)和能量平衡殘差頻率分布圖法。本文采用能量平衡比率法(EBR)和線(xiàn)性回歸(OLR)分析方法來(lái)分析毛竹林能量平衡狀況。EBR是指渦度相關(guān)系統(tǒng)直接測(cè)定的湍流能量與有效能量的比值。OLR方法是根據(jù)最小二乘法原理求出回歸斜率和截距，分析能量平和閉合程度，在理想狀況下有效能量和湍流能量的回歸直線(xiàn)的斜率為1，并通過(guò)原點(diǎn)，但通常二者線(xiàn)性關(guān)系的截距不能通過(guò)原點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子的變化

由圖1可以看出，毛竹林全年降雨量整體呈單峰型曲線(xiàn)變化，年降雨量為1543.1 mm，且雨水主要集中在夏季(1062.2 mm)，占全年降雨量的68.8%。最大降雨量出現(xiàn)在6月份為453 mm，最小出現(xiàn)在2月份為16.3 mm?？諝庀鄬?duì)濕度均在70%以上，整體上隨降雨量的增加相對(duì)濕度會(huì)逐漸升高，其中6月份，受梅雨季節(jié)影響，降雨量和相對(duì)濕度達(dá)均達(dá)到全年最大值。

全年月平均氣溫、地溫和土壤5 cm處溫度整體呈明顯的單峰型曲線(xiàn)變化，三者變化趨勢(shì)基本保持一致。氣溫、地溫和土壤5 cm處溫度最高值均出現(xiàn)在7月份，最低值均出現(xiàn)在1月份。其中2月份的地表溫度變化較緩慢，是由于冬季冰雪覆蓋，溫度回升較氣溫和土壤溫度慢一些，到3月份變化基本同步。

圖1 毛竹林降雨量(P)、空氣相對(duì)濕度(RH)、氣溫(Ta)、地溫(Ts)和土壤5cm處溫度(Ts- 5)的月變化

2.2 能量通量日變化特征

陸地生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)感熱和潛熱的形式與大氣進(jìn)行熱量和水汽交換。不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)的群落類(lèi)型和下墊面不同，造成蒸發(fā)散和熱傳導(dǎo)能力的差異，因此生態(tài)系統(tǒng)獲得凈輻射能量后，能量在系統(tǒng)內(nèi)的分配變化特點(diǎn)各異。為分析各季節(jié)毛竹林地表各主要能量分量的日變化特征，將有典型季節(jié)性代表的1月份、4月份、7月份、10月份的半小時(shí)時(shí)刻下的能量通量數(shù)據(jù)作月平均處理，以表征該月的能量通量日變化進(jìn)程(圖2)?？梢?jiàn)亞熱帶毛竹林能量平衡各分量呈顯著的日變化，季節(jié)差異也較明顯，主要分量呈明顯的單峰型變化趨勢(shì)。

由圖2顯示，4個(gè)月全天的能量分量變化均以?xún)糨椛錇榛A(chǔ)，呈單峰型曲線(xiàn)變化。凈輻射日最大值出現(xiàn)時(shí)刻差異不大，在11:00—12:30。冬季，7:00—7:30凈輻射通量變?yōu)檎担茨芰块_(kāi)始進(jìn)入毛竹林成為收入項(xiàng)，11:00達(dá)到日最大值258.49 W/m2，到16:00—16:30轉(zhuǎn)變成負(fù)值，即能量成為支出項(xiàng)。一天中凈輻射大于零的平均通量為158.74 W/m2，全天凈輻射平均通量為39.73 W/m2。春季，在6:00—6:30凈輻射通量變?yōu)檎担?1:30達(dá)到日最大值497.92 W/m2，至17:00—17:30轉(zhuǎn)變成負(fù)值。一天中凈輻射大于零的平均通量為300.78 W/m2，全天凈輻射平均通量為114.60 W/m2。夏季，6:00—6:30凈輻射通量變?yōu)檎担兆畲笾禐?04.41 W/m2，至18:00—18:30轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。一天中凈輻射大于零的平均通量為291.48 W/m2，全天凈輻射平均通量為131.27 W/m2。秋季，6:30—7:00凈輻射通量變?yōu)檎?，日最大值?86.95 W/m2，至16:30—15:00轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。一天中凈輻射大于零的平均通量為218.72 W/m2，全天凈輻射平均通量為68.96 W/m2。

顯熱通量和潛熱通量均與凈輻射具有類(lèi)似的日變化特征，但其日變化曲線(xiàn)均不如凈輻射曲線(xiàn)平滑，而潛熱通量波動(dòng)較大可能與間歇性湍流和夜間湍流的低估有關(guān)[12]。從顯熱通量來(lái)看，冬季由于地面地溫凍結(jié)，加之降雨稀少，顯熱通量值較大，最大值為126.96 W/m2。春季，土壤解凍和冰雪融化，雖降雨量多于冬季，但由于凈輻射顯著增加，導(dǎo)致顯熱通量值也增加，達(dá)到214.04 W/m2。夏季是亞熱帶的主要降雨時(shí)段，空氣相對(duì)濕度較高，能量大部分用來(lái)水汽傳輸，顯熱通量較小，為96.35 W/m2。秋季，降水量減少，顯熱通量增加，達(dá)到162.86 W/m2。各季節(jié)的潛熱通量日變化趨勢(shì)與顯熱通量非常相似，但在數(shù)值上冬季最弱，最大值為38.27 W/m2，春季最大值為154.25 W/m2，夏季最強(qiáng)，達(dá)到297.12 W/m2，秋季最大值為143.63 W/m2。

土壤深層向土壤表層或大氣中釋放熱量時(shí)土壤熱通量記作負(fù)值，土壤為熱源；相反，土壤表層或大氣向土壤深層傳遞熱量時(shí)土壤熱通量記作正值，土壤為熱匯。圖2顯示，土壤熱通量日變化有明顯的差異。冬季變化趨勢(shì)不明顯，變化范圍為-7.74—-6.76 W/m2，春季凈輻射增加，加之毛竹出筍期呼吸作用強(qiáng)烈，土壤熱通量變化較大，在-7.23—56.68 W/m2，夏季受江南梅雨季節(jié)影響，變化范圍為-1.35—43.27 W/m2，秋季為-11.28—7.84 W/m2。土壤熱通量的峰值出現(xiàn)時(shí)間較凈輻射延遲約0.5—1 h，因不同季節(jié)土壤理化性質(zhì)不同，土壤熱導(dǎo)率不同，影響土壤吸熱散熱在延遲時(shí)間上的差異[13,14]，在熱源/匯上也有差異[15]。

圖2 不同季節(jié)毛竹林能量平衡分量的日變化

2.3 能量通量的季節(jié)變化

圖3 毛竹林能量分量的月積累

以年為時(shí)間尺度，毛竹林的凈輻射、顯熱通量、潛熱通量和土壤熱通量近似呈單峰型變化。但是受中小尺度天氣變化的影響，能量平衡各分量呈現(xiàn)一定程度的鋸齒狀波動(dòng)，特別是夏季雨期差異較大。由圖3可以看出毛竹林凈輻射的最大值出現(xiàn)在7月(343.67 MJ/m2)，最低值出現(xiàn)在1月(1.6.31 MJ/m2)，全年凈輻射總量為2628.00 MJ/m2。其中6月份凈輻射有明顯的降低，為222.76 MJ/m2，這是由于6月份為江南梅雨季節(jié)，大量陰雨天氣造成的，而6月份的降雨量也達(dá)到全年最大值453 mm(圖1)。

顯熱通量的變化與凈輻射基本同步，但在6月份沒(méi)有出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。最大值出現(xiàn)在5月(96.06 MJ/m2)，最低值出現(xiàn)在12月(5.05 MJ/m2)，全年總量為576.80 MJ/m2，占凈輻射總量的22.0%。潛熱通量為蒸散耗熱，1—7月份隨水熱同期逐漸升高，7月份達(dá)到峰值284.59 MJ/m2，之后，潛熱通量逐漸下降，全年總量為1666.77 MJ/m2，占凈輻射總量的63.4%。與黃土高原半干旱草原相比[16]，毛竹林的凈輻射高于半干旱草原(2269.23 MJ/m2)，其能量分配方向?yàn)闈摕嵬看笥陲@熱通量。土壤熱通量全年變化不明顯，而且在數(shù)值上比其他能量分量小1—2個(gè)數(shù)量級(jí)。土壤熱通量在7月份達(dá)到正向最大值(18.71 MJ/m2)，1月份達(dá)到負(fù)向最大值(19.33 MJ/m2)，全年總量為-7.52 MJ/m2，土壤為熱源，僅占凈輻射總量的0.3%。

2.4 能量通量分配特征及波文比

具體分析能量分量一方面可以了解能量閉合狀況，另一方面可依據(jù)凈輻射的主要消耗項(xiàng)，分析和判斷下墊面的干濕狀況。將毛竹林2011年能量通量按雨季(6—9月份)和非雨季(1—5月份，10—12月份)分別分析凈輻射與顯熱通量、潛熱通量的關(guān)系。

圖4 毛竹林波文比月變化

毛竹林雨季顯熱通量為203.89 MJ/m2，凈輻射為1126.48 MJ/m2，占凈輻射的18.1%，潛熱通量為825.89 MJ/m2，占凈輻射的73.3%；非雨季顯熱通量為372.90 MJ/m2，凈輻射為1501.52 MJ/m2，占凈輻射的24.8%，潛熱通量為840.88 MJ/m2，占凈輻射的56.0%。毛竹林雨季降水量占全年總量的75.5%，地表相對(duì)濕潤(rùn)，空氣相對(duì)濕度接近80%，潛熱通量在能量分配中所占比例較大，潛熱通量約為顯熱通量的4.05倍。非雨季由于降水量較少(377.3 mm)，地表相對(duì)干燥，空氣相對(duì)濕度為75%，潛熱通量約為顯熱通量的2.25倍。全年顯熱通量占凈輻射的22.0%，潛熱通量占凈輻射的63.4%，總體來(lái)看，毛竹林潛熱通量在能量分配中起主導(dǎo)作用，潛熱通量約為顯熱通量的3倍，這與華北農(nóng)田[17]結(jié)果相似。

波文比能夠表征大氣-地表能量交換特征，多用于能量平衡計(jì)算[18]。鑒于本文中土壤熱通量占凈輻射的比重僅為0.3%，因此凈輻射能量主要分配給顯熱通量和潛熱通量，而顯熱通量與潛熱通量之比即為波文比。其大小決定表明了能量在生態(tài)系統(tǒng)中的分配。由圖4可以看出，全年波文比的變化波動(dòng)較大，1月最大為1.77，7月最小為0.07；1月份顯熱通量大于潛熱通量，其余月份均小于潛熱通量，月平均波文比0.47，年波文比0.35，全年能量分配潛熱通量大于顯熱通量。黃土高原半干旱草原[16]，年波文比在0.5—3.5，年均值接近1，鼎湖山針闊混交林[19]波文比在0.4—3.0之間，長(zhǎng)江灘地抑螺防病林[20]的年波文比在0.5—10之間變化。波文比同時(shí)受到日出時(shí)間、入射凈輻射量、降雨量以及毛竹的生長(zhǎng)過(guò)程等的共同影響，且有一定的年際效應(yīng)。

2.5 能量平衡分析

圖5 毛竹林能量的月積累與能量閉合度變化

根據(jù)2011年全年數(shù)據(jù)，利用能量平衡比率法對(duì)渦度相關(guān)測(cè)得的湍流能量(H+LE)與有效能量(Rn-G)進(jìn)行閉合度分析(圖5)。EBR有明顯的月變化，最大值出現(xiàn)在6月份為1.19，最小值出現(xiàn)在1月份為0.52，除6月份為能量閉合過(guò)度現(xiàn)象以外，其余月份均為能量不閉合，月平均閉合度為0.84。當(dāng)用湍流通量的年總量和有效能量的比值表示能量閉合狀況時(shí)，年EBR值為0.85。這表明能量不閉合度為15%，采用渦度相關(guān)法測(cè)定的湍流通量?jī)H為常規(guī)氣象觀測(cè)有效能量的85%。其中，雨季的閉合度達(dá)到0.96，非雨季為0.78，雨季的能量平衡狀況較好。

理論上能量閉合是成立的，但不論下墊面性質(zhì)如何，出現(xiàn)能量不閉合的現(xiàn)象都比較嚴(yán)重。此現(xiàn)象也是近20年來(lái)困擾地氣相互作用實(shí)驗(yàn)研究的主要難點(diǎn)之一，也是生態(tài)學(xué)家和微氣象學(xué)家所關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。而導(dǎo)致能量不閉合的原因有很多種，地表到土壤熱通量板之間的土壤儲(chǔ)存熱會(huì)對(duì)地表能量閉合度產(chǎn)生重要影響[9,17]，土壤熱通量的觀測(cè)距離地表有一定深度，土壤熱通量的相位會(huì)隨土壤深度的加深而延遲，導(dǎo)致能量閉合度降低[7,21]，還有在復(fù)雜環(huán)境下，湍流不充分和損失[22]等。針對(duì)毛竹林的能量平衡狀況，還需要通過(guò)長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)，進(jìn)一步比較分析。

在半小時(shí)尺度上，表1給出了全年逐月線(xiàn)性回歸系數(shù)。截距變化為-5.58—16.03 W/m2，斜率變化為0.47—0.68，相關(guān)系數(shù)變化為0.68—0.89；年平均截距3.50 W/m2，平均斜率0.55，平均相關(guān)系數(shù)0.81。這一結(jié)果低于黃土高原干旱草地的平均截距(17.22 W/m2)、平均斜率(0.69)和相關(guān)系數(shù)(0.95)[16]，也低于同一地區(qū)雷竹林的平均截距(4.71 W/m2)、斜率(0.59)和相關(guān)系數(shù)(0.84)[23]。國(guó)際通量站點(diǎn)的能量閉合度是：斜率在0.55—0.99，相關(guān)系數(shù)在0.64—0.96[24]，中國(guó)通量網(wǎng)中8個(gè)站點(diǎn)[25]的截距、斜率和相關(guān)系數(shù)平均值分別為28(10—79.9 W/m2)、0.67(0.49—0.81)和0.82(0.52—0.94)。毛竹林回歸系數(shù)中斜率處于低水平，相關(guān)系數(shù)處于平均水平，需要進(jìn)一步提高剔除數(shù)據(jù)的質(zhì)量，來(lái)提高能量閉合度。

表1 2011年逐月線(xiàn)性回歸系數(shù)Table 1 Ordinary linear regression(OLR)coefficients for energy balance

3 結(jié)論與討論

亞熱帶毛竹林全年凈輻射為2628.00 MJ/m2，顯熱通量、潛熱通量和土壤熱通量分別為576.80 MJ/m2、1666.77 MJ/m2和-7.52 MJ/m2，土壤為熱源。在能量分配上，毛竹林主要以潛熱通量形式加熱大氣，通過(guò)蒸發(fā)散耗能，占凈輻射的63.4%，顯熱通量占22.0%，土壤熱通量?jī)H占0.3%。各能量分量日變化基本呈單峰型曲線(xiàn)變化，但顯熱通量和潛熱通量都不如凈輻射平滑，這主要是湍流傳輸?shù)拈g歇性所致。各能量分量的季節(jié)變化明顯，最大值出現(xiàn)在夏季，潛熱通量出現(xiàn)在春季，最小值均出現(xiàn)在冬季。

利用能量平衡比率法計(jì)算毛竹林月EBR值在0.52—1.19之間變化，1月份最小，6月份最大；月平均閉合度為0.84，年閉合度為0.85，表征毛竹林能量仍有15%的不閉合現(xiàn)象。而6月份出現(xiàn)過(guò)閉合現(xiàn)象，可能因?yàn)楸驹麓罅筷幱晏鞖庠斐蓴?shù)據(jù)被剔除較多，加之?dāng)?shù)據(jù)插補(bǔ)及計(jì)算方法等綜合原因造成。如果考慮顯熱通量和潛熱通量頻率損失項(xiàng)(≈8%)、冠層和空氣熱量?jī)?chǔ)存項(xiàng)(≈3%)，閉合度會(huì)得到進(jìn)一步改善，全年能量閉合程度將會(huì)達(dá)到96%，但能量還是無(wú)法完全閉合，本文土壤熱通量的計(jì)算沒(méi)有考慮地表儲(chǔ)存熱量等，毛竹林能量閉合仍需要進(jìn)一步觀測(cè)研究。對(duì)2011年毛竹林能量數(shù)據(jù)進(jìn)行逐月線(xiàn)性回歸，平均截距、斜率處于觀測(cè)低水平，相關(guān)系數(shù)處于平均水平。波文比的月變化波動(dòng)較大，在0.07—1.77之間，最大值為1月1.77，最小值為7月為0.07，月平均為0.47，年波文比為0.35，而全年顯熱通量約為潛熱通量的1/3，兩者結(jié)果基本一致。

渦動(dòng)相關(guān)法是目前國(guó)際公認(rèn)的測(cè)量通量的主流方法，能夠在小時(shí)、日、月、年等不同時(shí)間尺度上反映能量變化的過(guò)程，揭示大氣-植被-土壤的能量分配特征，以及環(huán)境因子的時(shí)空變化，但由于受到地形、觀測(cè)儀器、物理過(guò)程等因素的干擾，其測(cè)量結(jié)果存在一定的不確定性。該系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境的森林生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，其精度還有待于進(jìn)一步檢驗(yàn)。因此，毛竹林的能量通量和平衡狀況的研究還有待進(jìn)一步深入。

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Energy flux and balance analysis ofPhyllostachysedulisforest ecosystem in subtropical China

SUN Cheng1, JIANG Hong1,2,*, CHEN Jian1, LIU Yuli1, NIU Xiaodong1, CHEN Xiaofeng1, FANG Chengyuan1

1ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofCarbonCyclinginForestEcosystemsandCarbonSequestration,ZhejiangAgricultureandForestryUniversity,Hangzhou311300,China2InternationalInstituteforEarthSystemScience,NanjingUniversity,Nanjing210093,China

The atmospheric boundary layer is a passage between the atmosphere and the land surface, through the atmospheric momentum, energy and substances are transported upwards and downwards in two layers on earth surface.In the lower atmospheric planetary boundary layer turbulent transport is important connection for substance and energy exchange between the atmosphere and the earth surface, currently it is one focus of earth system science. By using open-path eddy covariance system and micro-climate instruments, the net radiation, sensitive heat flux, latent heat flux, soil heat flux, air temperature, soil temperature, and precipitation were conducted in Mao bamboo forest ecosystem of subtropical in China since 2011. But the energy flux and analysis of Mao bamboo forest ecosystem reported in the literature at home and abroad is very few, in subtropical regions to establish long-term continuous observation of the flux tower, enhancing the research is highly requirement. The diurnal and monthly variation of energy balance as well as the distribution pattern of each component were analyzed, and energy closure and Bowen ratio also were calculated. As an important index to evaluate the reliability of eddy covariance measurements, energy balance analysis has been widely accepted by the community. Using two methods of OLR(Ordinary least spuares) and EBR(Energy balance ratio), energy imbalance characteristics of the Mao bamboo forest ecosystem were systematically analyzed compared in the paper. The results showed that: the yearly net radiation of the Mao bamboo forest ecosystem was 2628.00 MJ/m2, and the sensitive flux heat, latent heat flux, and soil heat flux were 576.80 MJ/m2, 1666.77 MJ/m2, and -7.52 MJ/m2, respectively. The results suggest that soil of Mao bamboo forest was a heat source. The energy balance components had obvious seasonal pattern, diurnal variations of energy balance components existed on expected single peaks. The sensible and latent heat fluxes almost have 22.0% and 63.4% of the net radiation, respectively, indicating that latent heat flux was the main form of energy loss in this forest ecosystem. Monthly variation of the Bowen ratio is slight, and fluctuated from 0.07 to 1.77, the yearly enrgy balance closure of the Mao bamboo forest ecosystem was 0.85, and the mean monthly averge was 0.84, yet energy imclosure of 15% still existed for the energy balance of Mao bamboo forest ecosystem.

mao bamboo forest; energy flux; energy balance closure; turbulent flux; available energy; bowen ratio

國(guó)家自然科學(xué)重大基金項(xiàng)目(61190114); 國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃基金項(xiàng)目(2011CB302705, 2010CB950702, 2010CB428503); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171324); 科技部重大國(guó)際合作項(xiàng)目(20073819)

2013- 08- 27;

2014- 07- 02

10.5846/stxb201308272161

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jianghong_china@hotmail.com

孫成, 江洪, 陳健, 劉玉莉, 牛曉棟, 陳曉峰, 方成圓.亞熱帶毛竹林生態(tài)系統(tǒng)能量通量及平衡分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(12):4128- 4136.

Sun C, Jiang H, Chen J, Liu Y L, Niu X D, Chen X F, Fang C Y.Energy flux and balance analysis ofPhyllostachysedulisforest ecosystem in subtropical China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4128- 4136.