牛曉棟,劉曉靜,劉世榮,*,孫鵬森

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所/國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091 2 河南寶天曼國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,南陽 474350

在全球氣候變化背景下,陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能正在發(fā)生一系列的變化[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡是生態(tài)系統(tǒng)與大氣間相互作用研究的重要內(nèi)容之一[2],是影響區(qū)域氣候和水量平衡的重要因素,也是生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)的重要方面[3]。森林作為地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng),它對(duì)能量的再分配對(duì)區(qū)域乃至全球的氣候有著重要影響[4],同時(shí),再分配的結(jié)果又影響著植被光合生產(chǎn)力的分布[5]。了解能量再分配后的平衡特征不僅對(duì)認(rèn)識(shí)森林的生態(tài)效應(yīng)有重要意義,也為其光合生產(chǎn)力研究提供了環(huán)境參數(shù)?；谖庀髮W(xué)的渦度相關(guān)技術(shù)為森林生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的研究提供了可能[6]。截至2017年底,全球不同地區(qū)已建立了900多個(gè)通量站[7](http://fluxnet.fluxdata.org/sites/site-summary/)。近年來,我國(guó)利用通量塔在熱帶[8]、亞熱帶[9]、溫帶森林[10]也開展了大量的能量通量特征和閉合度方面的研究。如劉允芬等[11]率先報(bào)道了采用該技術(shù)對(duì)亞熱帶人工林能量通量進(jìn)行研究的結(jié)果；Wu等[10]通過對(duì)長(zhǎng)白山闊葉紅松林能量平衡研究指出,感熱通量和潛熱通量占凈輻射的比例超過90%,土壤熱通量占凈輻射的比例僅為5%—10%。同小娟等[1]通過對(duì)黃河小浪底人工混交林生長(zhǎng)季能量平衡特征研究指出,生長(zhǎng)季,人工混交林能量分配主要以潛熱通量和感熱通量為主,且潛熱通量為感熱通量的2倍；陳云飛[12]和孫成[13]也分別對(duì)臨安雷竹林和安吉毛竹林的能量平衡特征做了報(bào)道。但需要指出的是,位于不同氣候帶的不同森林類型,其能量平衡特征往往具有顯著差異。例如,在熱帶雨林區(qū),凈輻射主要用于蒸散耗熱[14],在寒帶森林區(qū),則主要用于感熱傳輸[15]。然而,以往的利用渦度相關(guān)技術(shù)對(duì)森林能量平衡的研究大多集中于典型氣候帶下的森林生態(tài)系統(tǒng),在氣候過渡帶的典型森林利用通量塔進(jìn)行能量平衡的研究還未見報(bào)道。銳齒櫟林是我國(guó)地理南北分界山脈秦嶺林區(qū)落葉闊葉林的代表類型[16],分布廣泛,主要分布于海拔800—2300 m的中山地帶,它對(duì)平衡我國(guó)北亞熱帶-暖溫帶過渡區(qū)CO2、H2O與能量收支有著重要意義。

本文以我國(guó)亞熱帶-暖溫帶過渡帶的銳齒櫟林為研究對(duì)象,利用渦度相關(guān)法的整年觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合同步微氣象資料,分析其能量平衡在不同季節(jié)的動(dòng)態(tài)變化特征,探討能量閉合狀況；旨在為該地區(qū)銳齒櫟林的保護(hù)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)量以及為準(zhǔn)確評(píng)估氣候過渡帶銳齒櫟林生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的物質(zhì)和能量交換提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

本研究在國(guó)家林業(yè)局河南寶天曼森林生態(tài)定位研究站進(jìn)行。該站位于河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣寶天曼自然保護(hù)區(qū)(111°47′—112°04′E,33°20′—33°36′N),相對(duì)海拔高度600—1800 m,最高峰曼頂海拔1830 m。年平均氣溫15.1℃,1月平均氣溫1.5℃,7月平均氣溫27.8℃,≥10℃的年積溫為4200—4900℃。年平均降水量為791.9 mm,大多集中分布于6—8月份的雨季,年蒸發(fā)量991.6 mm。土壤垂直分布明顯,海拔 1300 m以上為山地棕壤,海拔800—1300 m為山地黃棕壤,海拔600—800 m 為山地褐土,土壤厚度20—60 cm,土壤pH值6.5左右。該地區(qū)屬于我國(guó)北亞熱帶-暖溫帶的過渡區(qū)域,植被以暖溫帶落葉闊葉林為主,兼具有亞熱帶常綠落葉闊葉林特點(diǎn),櫟類是寶天曼的主要建群樹種,約占整個(gè)喬木樹種的70%[17]。 本站點(diǎn)也是中國(guó)通量觀測(cè)研究聯(lián)盟Chinaflux成員之一。

1.2 通量塔下墊面植被簡(jiǎn)介

通量塔位于海拔1410.7 m,地理坐標(biāo)33°29′59″N,111°56′07″E。觀測(cè)林分下墊面比較平緩,坡度在5°左右。2012年在通量塔周圍建立1個(gè)1公頃樣地并做了植被調(diào)查。優(yōu)勢(shì)種為銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata),占喬木類的67%。其它伴生喬木有三椏烏藥(LauraceaeobtusilobaBl),垂枝條泡花樹(MeliosmaflexuosaPamp.),大椴(TilianobilisRehd. et Wils.),華榛(CoryluschinensisFranch)等?；盍⒛久芏葹?314株/hm2。平均喬木樹高18 m,胸徑(19.8±2.8)cm。灌木包括剛毛忍冬(LonicerahispidaPall. ex Roem. et Schult.),樺葉莢蒾(ViburnumbetulifoliumBatal.),接骨木(SambucuswilliamsiiHance) ,連翹(Forsythiasuspense),毛花繡線菊(SpiraeadasyanthaBge)和秦嶺木姜子(LitseatsinlingensisYang et P. H. Huang)等。平均高度3.8 m。

1.3 研究方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

微氣象觀測(cè)塔高40 m,開路式渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝在塔30 m(1.5倍林冠高)高處的主風(fēng)方向位置。風(fēng)速與空氣溫度脈動(dòng)采用GILL三維超聲風(fēng)速儀(Gill,UK)測(cè)量,水汽濃度脈動(dòng)采用Li-7500開路式CO2/H2O氣體分析儀(Li Cor Inc., USA)測(cè)量。湍流脈動(dòng)信號(hào)采樣頻率為10 Hz,脈動(dòng)數(shù)據(jù)通過CR3000(Campbell Inc., USA)采集。

在觀測(cè)塔22 m高處,采用CNR-1凈輻射表(Kipp&Zonen,Netherlands)測(cè)量?jī)糨椛?同時(shí)采用HMP-45D空氣溫濕度儀(Vaisala, Finland)測(cè)量5層空氣溫、濕度。2套AV-IRT3紅外傳感器分別安裝在22 m和29 m處。4套土壤溫度傳感器(107,Campbell Inc., USA)分別埋設(shè)在距土表以下5、10、20、40 cm深度。一套土壤濕度儀(CS616, Campbell Inc., USA)埋于土下5 cm處。一套EasyAG型土壤濕度梯度儀埋設(shè)在距土表以下10、20、30、50 cm深度。在林內(nèi)10 cm和30 cm土壤深處,分別安置1個(gè)AV-FHT3土壤熱通量?jī)x測(cè)量土壤熱通量。本站點(diǎn)土壤熱通量采用10 cm深度觀測(cè)數(shù)據(jù),同時(shí),30 cm深度的數(shù)據(jù)用于插補(bǔ)和校正。所有常規(guī)氣象因子測(cè)量頻率為0.5 Hz,通過CR3000數(shù)據(jù)采集器(Campbell Inc., USA)每30 min自動(dòng)記錄其平均值。文中的空氣溫度使用22 m高度的數(shù)據(jù),土壤溫度采用5 cm深度土壤的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

利用LIcor公司開發(fā)的Eddypro軟件對(duì)采樣頻率為10 Hz的原始湍流數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理過程包括二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、除趨勢(shì)修正、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、WPL修正、超聲虛溫修正、譜修正等[18]。同時(shí),剔除了摩擦速度<0.1 m/s[19]的通量數(shù)據(jù),降雨時(shí)期的數(shù)據(jù),本文根據(jù)水汽和能量通量特征曲線[20]分析,確定感熱與潛熱通量域值,剔除域值外數(shù)據(jù)。利用下列方法插補(bǔ)被去除的數(shù)據(jù)和缺失的數(shù)據(jù)：小于2 h的缺失數(shù)據(jù)用線性內(nèi)插法插補(bǔ)；大于2 h的缺失數(shù)據(jù)采用平均日變化法進(jìn)行插補(bǔ)[21]。

1.3.3 波文比的計(jì)算

波文比(β)的概念是1926年Bowen提出的。它是地表感熱通量(H)和潛熱通量(LE)之比：

式中,H為感熱通量(W/m2),LE為潛熱通量(W/m2)。

1.3.4 能量閉合狀況的評(píng)價(jià)

根據(jù)熱力學(xué)第一定律,地表能量平衡方程可表達(dá)為[22]：

LE+H=Rn-G-S-Q

式中Rn為凈輻射(W/m2),H為感熱通量(W/m2),LE為潛熱通量(W/m2),G為土壤熱通量(W/m2),S為冠層熱儲(chǔ)量(W/m2),Q為附加能量源匯的總和(W/m2)。當(dāng)平衡方程以日為時(shí)間尺度時(shí),S和Q通常忽略不計(jì),能量平衡方程可簡(jiǎn)化為[23]：

LE+H=Rn-G

當(dāng)湍流能(LE+H)與有效能(Rn-G)相等時(shí),稱為能量閉合,反之稱為能量不閉合。

評(píng)價(jià)能量閉合狀況的常見方法有最小二乘法(OLS)線性回歸、能量平衡比率(EBR)和能量平衡相對(duì)殘差(δ)頻率[24]等。本文采用OLS線性回歸來分析寶天曼銳齒櫟林能量閉合狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究期間氣溫、地溫及降雨量的變化

由圖1可以看出,2016年10月到2017年9月,研究區(qū)的降水量為1231.8 mm,為近幾年最高,是一個(gè)相對(duì)濕潤(rùn)的年份[25]。由圖2可以看出年降雨量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化,最大值出現(xiàn)在2017年9月(235 mm),最小值為1月(9 mm)。2017年6-9月份的降雨量為796.4 mm,占全年降水量的64.65%。年平均氣溫(22 m高)為10.1℃。最高氣溫(21.54℃)與土壤5 cm溫度(18.93℃)均出現(xiàn)在7月份。最低氣溫(-0.78℃)和土壤5 cm溫度(1.33℃)均出現(xiàn)在1月份。值得注意的是,從2016年10月份開始至2017年3月份,氣溫都是低于土壤5 cm溫度的,3月份二者已非常接近；而從2017年4月至9月,氣溫都高于土壤5 cm溫度。

圖1 研究區(qū)近幾年年均降雨量Fig.1 Annual fluctuation of precipitation in experimental site

圖2 銳齒櫟林氣溫(Ta)、土壤5cm溫度(Ts-5)和降雨量(P)的月變化Fig.2 Monthly variations of air temperature(Ta),soil temperature at 5 cm and precipitation(P) in the oak natural forest

2.2 能量平衡各分量的日變化

在太陽輻射的驅(qū)動(dòng)下,生態(tài)系統(tǒng)完成能量流動(dòng)、物質(zhì)合成轉(zhuǎn)移和碳水循環(huán)等生理活動(dòng)。不同類型生態(tài)系統(tǒng)的群落類型和下墊面不同,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。將典型季節(jié)性代表的1月、4月、7月、10月半小時(shí)間隔時(shí)刻下的能量通量數(shù)據(jù)作月平均處理(圖3),以表征該月的能量通量日變化進(jìn)程。

圖3 不同季節(jié)銳齒櫟林能量平衡分量的日變化Fig.3 Diurnal variations of energy flux in the oak natural forest in different seasons

從4個(gè)月全天的變化趨勢(shì)來看,各能量分量均以凈輻射為基礎(chǔ),呈單峰型曲線變化,峰現(xiàn)時(shí)間春夏秋冬四季并無明顯差異,均在12：00—13：00左右。秋季,在7：30—8：00凈輻射通量轉(zhuǎn)變?yōu)檎?13:00達(dá)到最大值(約244 W/m2),至18：00轉(zhuǎn)為負(fù)值,凈輻射為正的時(shí)間長(zhǎng)度為10 h,這一期間的平均凈輻射強(qiáng)度為146 W/m2。冬季,在9：00—9：30凈輻射通量變?yōu)檎?即轉(zhuǎn)變?yōu)樯帜芰康氖杖腠?xiàng),13:00達(dá)到最大值(約303 W/m2),至17：30轉(zhuǎn)為負(fù)值,凈輻射為正的時(shí)間長(zhǎng)度為8 h,這一期間的平均凈輻射強(qiáng)度約為195 W/m2。春季,在7：30—8：00凈輻射通量轉(zhuǎn)變?yōu)檎?12:30達(dá)到最大值(約524 W/m2),至18：30轉(zhuǎn)為負(fù)值,凈輻射為正的時(shí)間長(zhǎng)度為10.5 h,這一期間的平均凈輻射強(qiáng)度為330 W/m2。夏季,在7：00—7：30凈輻射通量轉(zhuǎn)變?yōu)檎?13:00達(dá)到最大值(約545 W/m2),至19：30轉(zhuǎn)為負(fù)值,凈輻射為正的時(shí)間長(zhǎng)度為12 h,這一期間的平均凈輻射強(qiáng)度為338 W/m2。需要注意的是,秋季(2016年10月)的凈輻射日峰值(244 W/m2)比冬季(2017年1月)的低,主要原因是因?yàn)?016年10月份陰雨天氣較多,有降雨的天數(shù)達(dá)到了21天,降雨量達(dá)到了120.8 mm,而2017年1月降雨量只有9 mm,這造成了2016年10月份的凈輻射值低于2017年1月份的。

感熱與潛熱通量和凈輻射通量有相似的日變化趨勢(shì),但過程線均不如后者平滑,這是間歇性湍流傳輸?shù)囊粋€(gè)特點(diǎn)[26]。從潛熱通量來看,由于冬季研究區(qū)空氣溫度較低(2017年1月的平均溫-0.78℃是全年最低),地面大部分處于凍結(jié)狀態(tài),水汽傳輸非常微弱,所以2017年1月的LE峰值只有35 W/m2,約為夏季(2017年7月)的LE的峰值(346 W/m2)十分之一。從感熱通量來看,春季(2017年4月份)的H的峰值(224 W/m2)是最高的,夏季的H的峰值為152 W/m2,秋季的H的峰值為65 W/m2,冬季的H的峰值為169 W/m2。

土壤熱通量為負(fù)值表示由土壤輻射到植被-大氣,土壤為熱源；土壤熱通量為正值時(shí)表示熱量進(jìn)入土壤,由植被-大氣輻射到土壤,土壤為熱匯[27]。在秋季(2016年10月)和冬季(2017年1月),土壤熱通量在全天均表現(xiàn)為向上的熱傳輸,平均通量密度分別為3.6和5.4 W/m2。春季,土壤熱通量從10:00開始至翌日1：00這一階段都為正值,表現(xiàn)為熱匯,從1:00至10：00表現(xiàn)為熱源。夏季,土壤熱通量全天均表現(xiàn)為向下的熱傳輸,平均通量密度為6.4 W/m2。

2.3 能量平衡分量的季節(jié)變化

以年為時(shí)間尺度的凈輻射Rn近似呈單峰變化,但由于受中小尺度天氣變化影響,其過程線存在著鋸齒狀波動(dòng)。從圖4我們可以看到除了7月的每日平均凈輻射明顯較高外,6、8、9月份的大部分的日平均凈輻射均小于5月份。這是由于觀測(cè)期間的6—9月份降雨量較豐富,4個(gè)月降雨量依次為188.2,184,189.2 mm和235 mm,降水天數(shù)分別為22 d,13 d,15 d和18 d。所以導(dǎo)致除了7月份的平均凈輻射通量(153.9 W/m2)高于5月份(130.3 W/m2)外,6(114.7 W/m2)、8(103.2 W/m2)、9(77.9 W/m2)月份的平均凈輻射通量皆明顯小于5月份的平均凈輻射強(qiáng)度。觀測(cè)期間2017年生長(zhǎng)季(5—9月)的平均凈輻射強(qiáng)度排名為7月>5月>6月>8月>9月。

圖4 能量平衡通量季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variations of energy balance components

土壤熱通量整體上呈現(xiàn)了一定的季節(jié)變化趨勢(shì),但是受個(gè)別天氣的影響,也出現(xiàn)了一些峰值。土壤熱通量年累計(jì)值為-2.6 MJ/m2,整體上表現(xiàn)為熱源。從2016年10月5日至2017年3月23日,G的日總量多為負(fù)值,表明土壤是個(gè)熱源,一直在向植被-大氣釋放熱量。從3月24日開始,隨著凈輻射的不斷增加,植被-大氣開始向土壤輸送熱量,土壤熱通量在短期內(nèi)迅速積累并在4月14日達(dá)到一年中最高值9.9 W/m2,之后G隨著Rn的增加沒有再增加,但與吳家兵[10]在長(zhǎng)白山觀測(cè)到的G之后逐漸下降的現(xiàn)象不同,從圖4可以看到G之后一直維持在一個(gè)較高的水平,直到8月初才逐步下降,這可以從凈輻射、空氣溫度和土壤5 cm溫度以及森林物候來解釋：從圖4可以看到,土壤熱通量的季節(jié)變化總的來說是和Rn的變化保持一致的；2016年10月份隨著凈輻射強(qiáng)度的減少,植被-大氣間的熱量明顯減小,空氣溫度降低,而由于枯枝落葉的覆蓋作用,土壤溫度沒有像空氣溫度那樣因?yàn)閮糨椛涞臏p小迅速降低,這一期間土壤5 cm溫度要高于空氣溫度,說明土壤中存儲(chǔ)的熱量較多,土壤會(huì)逐漸地向儲(chǔ)存熱量較低的空氣釋放,在這一期間土壤是個(gè)熱源；而春季開始隨著凈輻射的迅速增加,植被-大氣間的熱量明顯增加,而土壤熱儲(chǔ)量相對(duì)空氣來說則變低,所以大氣的熱量開始向土壤傳輸,2017年4—9月期間,土壤一直保持吸熱狀態(tài),呈現(xiàn)一個(gè)熱匯。有趣的是,土壤熱通量在4月14日達(dá)到最高值而不是凈輻射最高的5月或7月,這可能是和森林物候造成的林內(nèi)特殊的小氣候有關(guān)[28],通過物候觀測(cè)我們發(fā)現(xiàn)4月開始一些林下植被開始萌發(fā),而大部分的喬木也開始發(fā)芽展葉,這時(shí)候潛熱通量開始轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰恐С鲎钪匾姆绞?并且迅速增大且在整個(gè)生長(zhǎng)季期間保持高水平,而隨著植物的葉面積從5月1日至6月1日迅速增大[29],生長(zhǎng)季期間的較密的冠層會(huì)影響太陽輻射傳到林內(nèi),對(duì)大氣到土壤的熱通量的傳輸產(chǎn)生一定影響。另一方面由于銳齒櫟林的冠層結(jié)構(gòu)沒有長(zhǎng)白山闊葉紅松林的復(fù)雜,導(dǎo)致大部分的太陽輻射能可以傳輸至林內(nèi),使得土壤熱通量沒有像長(zhǎng)白山觀測(cè)到的那樣從植物萌芽后開始逐漸降低,而是直到8月份都保持在相對(duì)較高的水平。觀測(cè)期間山上陰雨天氣較多造成的較多的散射輻射[30]也可能是原因之一。

感熱與潛熱日平均通量密度變化較劇烈,為了便于觀察,本研究做了一個(gè)7日平均。從圖4可以看到,從2016年10月1日到2016年11月19日,潛熱通量是高于感熱通量的,但是二者的變化趨勢(shì)不一致,潛熱在逐漸降低,感熱在逐漸增加,在11月19日交匯。這之后到2017年5月6日,感熱通量都是大于潛熱通量的,從2017年5月6日至9月30日,潛熱都大于感熱。這一觀測(cè)結(jié)果與吳家兵[9]在長(zhǎng)白山觀測(cè)到的較一致,有一點(diǎn)不同的是感熱通量最大值出現(xiàn)在2017年2月,而不是2017年4月或5月。吳家兵在長(zhǎng)白山站的觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)在冬季的個(gè)別天氣里,感熱支出甚至超過了夏季。另外我們根據(jù)感熱與潛熱的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)寶天曼銳齒櫟完全落葉的時(shí)間是晚于長(zhǎng)白山闊葉紅松林的,這一結(jié)果與我們的物候觀測(cè)結(jié)果[31]是一致的。觀測(cè)期間蒸散量為579 mm,由于觀測(cè)期間降雨量較高,這一期間的蒸散量?jī)H為降雨量的47%,這一比例遠(yuǎn)小于我國(guó)北方溫帶森林(80%—90%)[32],一方面可能是因?yàn)橛^測(cè)期間是一個(gè)較濕潤(rùn)的年份；另一方面也可能是由于處在北亞熱帶-暖溫帶氣候過渡帶,本站點(diǎn)的銳齒櫟林的蒸散耗水表現(xiàn)出南方熱帶森林(40%—50%)的一些特征。

圖5 波文比β的季節(jié)變化Fig.5 Seasonal variations of β

從波文比β季節(jié)變化過程(圖5)也可以看出潛熱與感熱的季節(jié)變化動(dòng)態(tài)。觀測(cè)期間,波文比日平均值的變化過程比較準(zhǔn)確地刻畫出了銳齒櫟林的物候過程。從圖5我們可以看到從2016年11月中旬開始,波文比明顯增大,直到2017年的5月中旬開始才逐漸降低到1以下,這與我們物候觀測(cè)是一致的,我們觀測(cè)到2016年11月中旬銳齒櫟的葉子掉落了大部分,而2017年5月中旬正是葉面積迅速增大的時(shí)候。β值在非生長(zhǎng)季變幅較大(-2—8.1),生長(zhǎng)季,β值變化范圍較小,大部分在0.1—1.4之間(除卻個(gè)別極端陰雨天氣為負(fù)值)。與長(zhǎng)白山站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果有所不同的是本地區(qū)生長(zhǎng)季的負(fù)值較多,查詢數(shù)據(jù)得知是感熱通量的負(fù)值造成的,主要是因?yàn)橛^測(cè)期間降雨量異常多,造成下墊面強(qiáng)的輻射冷卻所致。比如從圖5上可以發(fā)現(xiàn)8月底—9月初近半個(gè)月的β值大部分為負(fù)值,這是由于該段時(shí)間連續(xù)的陰雨天氣導(dǎo)致的。生長(zhǎng)季的平均波文比為0.2,小于長(zhǎng)白山觀測(cè)到的0.5,與灌區(qū)小麥0.19[33]接近。

2.4 能量平衡分量的各月累積值

圖6 銳齒櫟林能量分量的月積累 Fig.6 Monthly energy components accumulated in the oak natural forest

我們對(duì)觀測(cè)期間的各月的凈輻射、土壤熱通量、潛熱通量和感熱通量做了計(jì)算(圖6)。觀測(cè)期間年凈輻射量為2626.17 MJ/m2,7月份凈輻射累積量最高,為412.17 MJ/m2,其次為5月份(349.01 MJ/m2),6月(297.39 MJ/m2),8月(201.93 MJ/m2)；年累計(jì)量最低的為2016年12月份(90.73 MJ/m2)。土壤熱通量年累計(jì)值僅為-2.60 MJ/m2,僅占凈輻射總量的0.1%?？傮w表現(xiàn)為微弱的熱源。其中土壤熱通量在生長(zhǎng)季2017年4—9月份均為正值,土壤表現(xiàn)為熱匯,其余月份皆為熱源。

全年來看,感熱通量全年累計(jì)867.1 MJ/m2,潛熱通量全年累計(jì)1417.25 MJ/m2,說明銳齒櫟林凈輻射主要分配給潛熱通量,占53.97%；感熱通量占33%。其中,非生長(zhǎng)季,感熱通量占凈輻射的54.18%,潛熱通量占凈輻射的30.43%；生長(zhǎng)季,感熱通量占凈輻射的20.86%,潛熱通量約占凈輻射的67%。銳齒櫟林全年的潛熱通量占凈輻射量的54%。這一比例稍大于長(zhǎng)白山站點(diǎn)觀測(cè)的結(jié)果(52%),小于國(guó)外一些溫帶森林的報(bào)道,原因可能是渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)通量的低估造成的。吳家兵[10]認(rèn)為觀測(cè)期間的降水偏少也是原因之一,本研究認(rèn)為這個(gè)原因需要進(jìn)一步證實(shí),因?yàn)楸狙芯坑^測(cè)期間的降水量達(dá)到1231.8 mm,為近幾年最高,但是森林的蒸散量依然較低。

2.5 能量閉合度

圖7 渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)30 min觀測(cè)值的能量閉合分析 Fig.7 Analysis on the energy balance closure using 30 min average fluxes measured by eddy covariance system

能量閉合度是檢驗(yàn)渦度相關(guān)觀測(cè)值可靠性的重要指標(biāo),即根據(jù)能量平衡原理分析湍流能和有效能之間的閉合程度。依據(jù)2016年10月到2017年10月的一整年的數(shù)據(jù),對(duì)渦度相關(guān)系統(tǒng)測(cè)得的能量通量(LE+H)與輻射系統(tǒng)測(cè)得的可利用能量(Rn-G)進(jìn)行閉合度分析,如圖7,30 min平均值的回歸方程為：LE+H=0.6727(Rn-G)+17.07 ,R2=0.8264。

本文中30 min平均值閉合度為67%,在國(guó)際同類觀測(cè)的范圍之內(nèi)(55%—99%)[34],表明本站點(diǎn)通量觀測(cè)的數(shù)據(jù)是可靠的。但與輻射系統(tǒng)和土壤熱通量測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)的可用能量相比,渦度相關(guān)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的LE和H存在低估的可能。這主要是夜間湍流弱、開路渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)潛熱通量的測(cè)量結(jié)果比實(shí)際偏低造成的[35]。另一方面是因?yàn)闆]有考慮森林儲(chǔ)熱項(xiàng),以及渦度相關(guān)系統(tǒng)與輻射系統(tǒng)觀測(cè)源區(qū)不同造成的[36]。為了進(jìn)一步分析,表1給出了12個(gè)月份的逐月線性回歸系數(shù)。

表1 觀測(cè)期間逐月線性回歸系數(shù)

可以看出,本站點(diǎn)一年中各月的截距變化范圍為8.364—27.963 W/m2,斜率變化范圍為0.446—0.85,相關(guān)系數(shù)范圍為0.754—0.902。中國(guó)通量網(wǎng)中有報(bào)道的8個(gè)站點(diǎn)[24]的回歸斜率、相關(guān)系數(shù)和截距的平均值分別為0.67(0.49—0.81)、0.82(0.52—0.94)和28(10—79.9)。國(guó)外通量研究站點(diǎn)(包括森林、草地等)的LE+H與Rn-G的回歸線斜率一般在0.55—0.99之間,截距范圍是-32.9—36.9 W/m2,相關(guān)系數(shù)范圍是0.64—0.96[37-38]?？梢姳菊军c(diǎn)觀測(cè)的12個(gè)月中除秋冬季的11,12,1月份低于0.55,其他月份的斜率均在范圍之內(nèi)；而12個(gè)月中的截距和相關(guān)系數(shù)均在國(guó)內(nèi)外其他站點(diǎn)報(bào)道的范圍之內(nèi)。11,12,1月的斜率較低的原因可能與這3個(gè)月份的風(fēng)向[39]有關(guān),造成了輻射系統(tǒng)、土壤熱通量測(cè)量?jī)x與渦度相關(guān)系統(tǒng)感應(yīng)源區(qū)的空間取樣誤差加大。

3 討論

3.1 國(guó)內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)的能量閉合度分析

基于渦度相關(guān)法獲得的能量通量通常不能平衡森林實(shí)際獲得的能量。Wilson等[40]對(duì)全球通量網(wǎng)50個(gè)站/a的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明,各觀測(cè)站普遍存在著10%—30%的能量不閉合現(xiàn)象,由渦度相關(guān)法觀測(cè)獲得的能量通量要較輻射儀偏低。一些學(xué)者[41-42]因此開始懷疑能量及其有相似傳輸機(jī)制的CO2通量測(cè)定結(jié)果,不閉合現(xiàn)象及其產(chǎn)生機(jī)制也成為湍流通量研究中的一個(gè)熱點(diǎn),備受關(guān)注。

就本站點(diǎn)而言,全年的湍流能量(LE+H)與有效能量(Rn-G)在半小時(shí)尺度上的線性回歸的斜率為0.67,其中生長(zhǎng)季(5—10月份)的斜率為0.73,非生長(zhǎng)季(11—第二年4月份)的斜率為0.53；而在鼎湖山[8]和長(zhǎng)白山[10],冬季的能量閉合度要好于其他季節(jié)；說明不同氣候條件對(duì)于各站點(diǎn)能量的閉合有一定影響。在亞熱帶地區(qū)的毛竹林[13],夏季的能量閉合度要稍高于冬季而在同屬亞熱帶地區(qū)的雷竹林[12],全年各月的閉合度無明顯差異,表明植被也影響了生態(tài)系統(tǒng)的能量閉合。另一方面,也有人[7]指出能量不閉合并不能直接表明CO2通量的數(shù)據(jù)差,它只是評(píng)價(jià)湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個(gè)方面?？偟膩碚f,由于不同通量站觀測(cè)環(huán)境與實(shí)現(xiàn)手段不同,能量的不閉合程度及其產(chǎn)生機(jī)制亦可能不同,對(duì)寶天曼通量觀測(cè)站的能量閉合問題仍有待于進(jìn)一步研究。

3.2 國(guó)內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)的能量不閉合產(chǎn)生的原因

(1)通量觀測(cè)中的采樣誤差：渦度相關(guān)儀器的通量貢獻(xiàn)區(qū)面積(Flux Footprint)與凈輻射,土壤熱通量?jī)x器的測(cè)量面積不能相同會(huì)帶來誤差。凈輻射表測(cè)量的面積是一個(gè)以凈輻射表為中心,以一定半徑(與安裝高度有關(guān))為圓的下表面面積,這個(gè)測(cè)量面積一般不隨時(shí)間和風(fēng)速風(fēng)向而變化。而渦度相關(guān)系統(tǒng)所測(cè)量的面積大致呈橢圓形,它隨著風(fēng)速和風(fēng)向的轉(zhuǎn)變而改變,并且橢圓長(zhǎng)軸偏向盛行風(fēng)方向,而且不同大氣穩(wěn)定度條件下橢圓長(zhǎng)軸有很大差異。若是渦度相關(guān)系統(tǒng)和能量?jī)x表所測(cè)的下墊面存在著很大的異質(zhì)性(開闊冠層和多組分的冠層),這種測(cè)量面積的不匹配會(huì)給能量平衡閉合帶來更大的誤差。土壤熱通量(G)的測(cè)量面積與凈輻射(Rn)表和湍流通量的測(cè)量面積存在更大差異[43],高植被(森林)站點(diǎn)冠層熱儲(chǔ)量的計(jì)算也存在著此類問題。上述講到的森林生態(tài)系統(tǒng)的不同月份的能量閉合度的較大差異可能與采樣誤差有關(guān)。

(2)儀器測(cè)量可能產(chǎn)生的系統(tǒng)偏差：儀器的不準(zhǔn)確標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的不規(guī)范會(huì)影響能量平衡閉合程度,對(duì)儀器的經(jīng)常性的標(biāo)定可能會(huì)減少能量平衡閉合的不確定性[44]。

(3)其他能量吸收項(xiàng)的忽略：在計(jì)算能量平衡時(shí),冠層熱儲(chǔ)量(S)經(jīng)常被忽略,這會(huì)給有效能量的估算帶入一些誤差,尤其對(duì)于植被較高的森林生態(tài)系統(tǒng)而言；吳家兵在長(zhǎng)白山站的研究中也指出若考慮冠層儲(chǔ)熱項(xiàng)S(S≈7%可用能量),閉合度會(huì)有一定提高。本站點(diǎn)的計(jì)算中未考慮這一項(xiàng),因此也會(huì)帶來一些誤差。

(4)高頻與低頻湍流通量損失：渦度相關(guān)技術(shù)通常定義的平均通量是指在一定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)通過指定的采樣頻率對(duì)某種強(qiáng)度范圍內(nèi)的通量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定,這樣湍流通量就會(huì)由于低通濾波(高頻損失)的作用和高通濾波(低頻損失)的作用往往被低測(cè)[45]。

(5)平流的影響：渦度相關(guān)法通量觀測(cè)的基本假設(shè)是地表均一、水平平流項(xiàng)可以忽略、垂直平流可以通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)使得垂直風(fēng)速為零從而予以忽略[46],然而垂直風(fēng)速不為零的現(xiàn)象已經(jīng)被許多觀測(cè)事實(shí)所證實(shí)。下墊面水平異質(zhì)性可以導(dǎo)致大尺度的局地環(huán)流和垂直移動(dòng),即使在較為平坦的地區(qū),當(dāng)大氣層結(jié)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性時(shí)也會(huì)在近地面引起夜間泄流和平流現(xiàn)象發(fā)生,從而影響能量平衡的閉合程度,在地形有較大起伏的地區(qū)、在夜間尤其是當(dāng)摩擦風(fēng)速很小并伴隨著熱量和水汽向低洼地方流動(dòng)時(shí),能量平衡閉合程度會(huì)很差。溫學(xué)發(fā)等[39]認(rèn)為非湍流過程如冷泄流等可能是限制復(fù)雜地形條件下高大植被生態(tài)系統(tǒng)通量測(cè)定的主要原因。

4 結(jié)論

(1)位于北亞熱帶-暖溫帶過渡帶的河南寶天曼銳齒櫟林全年凈輻射量為2626.17 MJ/m2,2017年7月份凈輻射累計(jì)量最大為412.17 MJ/m2,2016年12月份累計(jì)凈輻射量最小為90.73 MJ/m2。以年為時(shí)間尺度進(jìn)行分析,我們發(fā)現(xiàn)銳齒櫟林的能量收入季節(jié)動(dòng)態(tài)除了主要受太陽高度角變化的驅(qū)動(dòng)之外,每日的天氣狀況最終也會(huì)影響月總量的積累。

(2)土壤熱通量年累計(jì)量為-2.60 MJ/m2,僅占凈輻射總量的0.1%,總體表現(xiàn)為微弱的熱源。其中在生長(zhǎng)季2017年4—9月份為正值,表現(xiàn)為熱匯,其余月份皆為熱源。變化過程主要受凈輻射的調(diào)控,森林物候?qū)ζ湟灿幸欢ㄓ绊憽?/p>

(3)全年來看,感熱通量全年累計(jì)867.1 MJ/m2,潛熱通量全年累計(jì)1417.25 MJ/m2,說明銳齒櫟林凈輻射主要分配給潛熱通量,占53.97%,感熱通量占33%。非生長(zhǎng)季,銳齒櫟林的能量主要分配給感熱通量,占凈輻射的54.18%；感熱通量日平均值在森林剛剛萌芽的4月29日達(dá)到最大,月累計(jì)值4月最大。生長(zhǎng)季,能量主要分配給潛熱通量,占凈輻射的67.48%。潛熱通量日平均值在7月份達(dá)到最大,月累計(jì)量也在7月份達(dá)到最大值。觀測(cè)期間森林蒸散量為579 mm,僅為同期降雨量的47%。波文比日平均值的變化過程比較準(zhǔn)確地刻畫出了銳齒櫟林的物候過程。β值在非生長(zhǎng)季變幅較大(-2—8.1),生長(zhǎng)季的β值變化范圍較小,大部分在0.1—1.4之間。

(4)位于氣候過渡帶的河南寶天曼銳齒櫟森林通量觀測(cè)站能量平衡收支閉合度為67%,在國(guó)際同類觀測(cè)站的范圍之內(nèi),說明本站點(diǎn)的通量觀測(cè)的數(shù)據(jù)是可靠的。在計(jì)算能量閉合度時(shí),未能考慮森林儲(chǔ)熱項(xiàng),輻射系統(tǒng)、渦度相關(guān)系統(tǒng)空間取樣范圍不一致,冬季風(fēng)向變化等都可能是造成本站點(diǎn)能量不能完全閉合的原因,接下來我們會(huì)繼續(xù)觀測(cè)進(jìn)一步地研究分析。