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)大學林學院, 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，本文利用渦度相關技術測定潛熱通量和顯熱通量，使用常規(guī)氣象觀測儀器監(jiān)測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）計算能量閉合度，結果表明：興安落葉松林生長季凈輻射總量為379 MJ·m-2；顯熱通量、潛熱通量、土壤熱通量、冠層熱儲量生長季總量分別為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量占凈輻射比例較小，分別為4%和1%。生長季閉合度0.63。興安落葉松林生長季能量支出以潛熱通量為主。通過計算得出的能量閉合度表明，本站點存在不閉合現(xiàn)象，但仍處于全國通量觀測站點平均水平。

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，其分配過程對植被生長發(fā)育及森林生產(chǎn)力具有直接影響[1-5]。近年來，渦度相關技術憑借其不干擾生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)點，廣泛應用于不同樹種、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，是我國東北地區(qū)主要針葉用材樹種[12]，對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)國家野外科學觀測研究站，利用2015年連續(xù)觀測通量及氣象數(shù)據(jù)對能量通量特征、分配及閉合度進行研究，為探討興安落葉松林能量交換特征和評價渦度數(shù)據(jù)質量提供理論支持。

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)國家野外科學觀測研究站（50°54′23′′N, 121°30′6′′E），海拔約為960 m。該區(qū)屬于寒溫帶濕潤氣候區(qū)，冬長夏短，溫差較大。植被5月開始生長，9月進入生長末期。近6年（2012~2017年）的年均氣溫為-6.67 ℃，生長季（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-45.2 ℃（2013年），地表溫度為1.05 ℃?？諝鉂穸缺３衷?5%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)性凍土和常年永凍土，是我國重點的凍土觀測區(qū)域[13]。

2 研究方法

2.1 觀測設備

興安落葉松天然林內(nèi)建立觀測塔，塔高為65 m，在60 m處安裝了三維超聲風速儀（ModelCSAT-3，Campbell，USA）、開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）將在線計算的通量參數(shù)記錄在PC卡中。塔上裝有氣象觀測儀器對5 cm土壤熱通量（HFP01，HUKSEFLUX，F(xiàn)inland）、60 m凈輻射（CNR-1，Campbell，USA）進行測定，采用數(shù)據(jù)采集器（CR1000，Campbell，USA）進行每半小時獲取的數(shù)據(jù)記錄。

2.2 數(shù)據(jù)處理

通量數(shù)據(jù)觀測時會受到外界因素影響導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失和異常。需要對原始數(shù)據(jù)進行質量控制。本文數(shù)據(jù)處理主要采用二次坐標旋轉方法，密度效應校正，最后經(jīng)過相關文獻的查閱，將超出閾值、降雨時期的數(shù)據(jù)進行剔除，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）進行插補[14]。質量控制后得到的數(shù)據(jù)均處理為半小時的均值，便于后續(xù)計算。

2.3 能量平衡法

能量閉合是指湍流能量與有效能量相等，方程表達式[10]如下：---=+。

式中：為凈輻射，為土壤熱通量，為冠層熱儲量，為附加能量項的總和，為顯熱通量，為潛熱通量。

附加能量項的總和很小，通常忽略不計。目前，很多學者對能量平衡研究時會忽略冠層熱儲量。但森林生態(tài)系統(tǒng)中，冠層高度高于8 m時，冠層熱儲量不可忽略[15]。經(jīng)實測調(diào)查得到建立樣地樹木的冠層高度為10.95 m，推測該區(qū)域冠層高度大于8 m。冠層熱儲量計算公式參考部分相關文獻[15,16]。

能量平衡閉合評價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，并通過原點[8]。但目前研究[7,9,11]中均未達到這種狀態(tài)，線性關系的截距均不能通過原點。能量平衡比率法是湍流能量與有效能量的比值[17]。

3 結果與分析

3.1 興安落葉松林能量通量日變化特征

圖 1 興安落葉松林生長季能量通量日變化特征

興安落葉松林生長季中，凈輻射、潛熱通量、顯熱通量日變化趨勢基本呈現(xiàn)單峰倒“U”型分布（見圖1）。生長季不同月份凈輻射均在5:00左右開始啟動，12:00左右達到峰值，18:00左右趨于平緩，從19:00~4:00凈輻射逐漸變?yōu)樨撝?。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，導致峰值后移。顯熱通量12:00左右達到峰值，日落之后趨于平緩，且數(shù)值均為負值，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月進入雨季，水汽通量成為主要熱源，并處于主導地位。冠層熱儲量和土壤熱通量生長季變化趨勢較為平緩。冠層熱儲量波動較小，5:00~18:00為正值，其余均為負值。土壤熱通量5月在白天表現(xiàn)為正值，夜晚為負值。6~8月土壤熱通量均為正值，表現(xiàn)為熱匯，9月轉變?yōu)樨撝担蔀闊嵩础?/p>

3.2 能量分配特征

從各分量月均值變化可以看出（見圖2），土壤熱通量、潛熱通量、顯熱通量、冠層熱儲量變化趨勢均以凈輻射變化為基礎。整個生長季，凈輻射從5月開始增加，在6月達到最大值。顯熱通量在5月達到最大值。顯熱通量生長季總量為91.21 MJ·m-2，占凈輻射的24%。隨著溫度升高，樹木生長，潛熱通量在6月達到最大值，生長季總量為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)象開始發(fā)生變化，潛熱通量占凈輻射的比例逐漸上升，并超過顯熱通量所占百分比。在這四個月中，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，植物處于生長初期，植被覆蓋率較低。6~8月進入雨季，空氣溫度升高，雨熱同期，土壤蒸發(fā)速度加快，興安落葉松進入生長旺盛時期，植物生理活動加強，導致潛熱通量開始增加。9月空氣溫度降低，樹木進入生長末期，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)維持在相對較高水平，致使?jié)摕嵬咳栽谀芰糠峙渲姓贾鲗恢谩?/p>

3.3 能量閉合分析

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

圖 3 興安落葉松林生長季能量通量月累積值及閉合度

對湍流通量與有效能量進行半小時時間尺度下的線性回歸（見表1）。5、9月斜率最小，閉合程度相對較低。6~8月斜率最大，能量閉合較好。生長季截距為-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對中國通量網(wǎng)8個站點提供的觀測資料進行研究[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能板夜間供電不足。

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

4 結論

興安落葉松林生長季，凈輻射、潛熱通量、顯熱通量日變化趨勢基本呈現(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。

生長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，在生長季階段能量支出以潛熱通量為主。

生長季EBR變化趨勢平緩，能量閉合度0.63。運用最小二乘法（OLS）對能量數(shù)據(jù)進行線性回歸，生長季平均截距為-12.95，平均斜率為0.61，決定系數(shù)（2）為0.76，本站點處于全國通量觀測站點平均水平，證明數(shù)據(jù)質量可靠。但仍存在不閉合現(xiàn)象，導致這種現(xiàn)象的原因可能是由于連續(xù)陰雨天氣使儀器所用太陽能板夜間供電不足。因此，需要對數(shù)據(jù)質量進行控制，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

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC50410302);中國科學院科技服務網(wǎng)絡計劃(STS計劃)項目(KFJ-EW-STS-169)

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

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