全 文 ：科尔沁温带草甸能量平衡的日季变化特征*
李辉东1,2 摇 关德新1**摇 袁凤辉1 摇 任摇 艳3 摇 王安志1 摇 金昌杰1 摇 吴家兵1
( 1中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室, 沈阳 110016; 2中国科学院大学, 北京 100049; 3辽宁省
建平县太平庄乡林果服务站, 辽宁建平 122405)
摘摇 要摇 利用 2011 年 9 月—2012 年 10 月涡度相关数据和气象观测资料,对科尔沁温带草甸
能量平衡的日季变化特征进行分析.结果表明: 研究区涡度相关系统全年的能量平衡闭合度
为 0. 77,不同时期能量平衡闭合度的大小顺序为:生长季>裸土期>积雪期.能量平衡各分量
日变化均呈单峰曲线形式,净辐射日变化峰值出现在 12:00 前后,其余分量的峰值出现时间
都稍有滞后.净辐射季节变化呈单峰曲线形式,年平均值为 5. 71 MJ·m-2·d-1 .潜热通量季
节变化趋势与净辐射相似,年平均值为 2. 84 MJ·m-2·d-1 .感热通量季节变化呈双峰曲线形
式,峰值分别出现在 4 月和 9 月,年平均值为 1. 87 MJ·m-2·d-1 .土壤热通量的最大值(3. 47
MJ·m-2·d-1)出现在 4 月,9 月以后开始转为负值.全年能量平衡各分量收支比例的大小顺
序为:潜热通量>感热通量>土壤热通量,潜热通量、感热通量和土壤热通量分别占净辐射的
49. 8% 、35. 8%和 3. 1% .全年波文比的季节变化近似“U冶型,平均值为 1. 61;生长季数值较小
且较为平稳,平均值为 0. 18;非生长季数值较大且波动较大,平均值为 2. 39.
关键词摇 涡度相关方法摇 能量平衡摇 净辐射摇 感热通量摇 潜热通量
文章编号摇 1001-9332(2014)01-0069-08摇 中图分类号摇 P404, P464摇 文献标识码摇 A
Diurnal and seasonal variations of energy balance over Horqin meadow. LI Hui鄄dong1,2,
GUAN De鄄xin1, YUAN Feng鄄hui1, REN Yan3, WANG An鄄zhi1, JIN Chang鄄jie1, WU Jia鄄bing1
( 1 State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of
Sciences, Shenyang 110016, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,
China; 3 Taipingzhuang Forestry By鄄product Service Station, Jianping 122405, Liaoning, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(1): 69-76.
Abstract: Based on the measurements of eddy flux and micrometeorological factors, this paper ana鄄
lyzed the diurnal and seasonal variations of energy balance over Horqin meadow. The results showed
that annual energy balance ratio (EBR) of the eddy covariance system was 0. 77, and EBR was
biggest in growing season, middle in bare soil period and smallest in snow鄄covered period. Diurnal
variations of energy components all presented bell鄄shaped curves. The peak of net radiation ap鄄
peared around 12:00 and peaks of other components slightly lagged. Seasonal variation of net radia鄄
tion presented a single鄄peak curve, and the annual average was 5. 71 MJ·m-2·d-1 . Seasonal va鄄
riation of latent heat flux was similar to that of net radiation, and the annual average was
2. 84 MJ·m-2·d-1 . Seasonal variation of sensible heat flux presented a double鄄peak curve, and
the peaks appeared in April and September, respectively. Annual averaged sensible heat flux was
1. 87 MJ·m-2·d-1 . Maximum soil heat flux (3. 47 MJ·m-2·d-1) appeared in April, and the
soil heat flux became negative after September. Annual budget ratios of energy components presen鄄
ted a decreasing order of latent heat flux, sensible heat flux and soil heat flux, which accounted for
49. 8% , 35. 8% and 3. 1% of net radiation, respectively. Seasonal variation of Bowen ratio (茁)
presented a ‘U爷 shape, and the annual average was 1. 61. 茁 was small (0. 18) and relatively sta鄄
ble in growing season, while it was large (2. 39) and fluctuated severely in non鄄growing season.
Key words: eddy covariance technique; energy balance; net radiation; sensible heat flux; latent
heat flux.
*国家重点基础研究发展计划项目(2013CB429902)和国家自然科学基金项目(40875069)资助.
**通讯作者. E鄄mail: dxguan@ iae. ac. cn
2013鄄03鄄22 收稿,2013鄄10鄄18 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 1 月摇 第 25 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2014, 25(1): 69-76
摇 摇 陆地生态系统的能量平衡特征是生态系统与大
气之间相互作用研究的重要内容[1],是影响区域气
候和水量平衡的重要因素[2],也是生态系统功能评
价的重要方面[3] . 在全球变化背景下,陆地生态系
统的结构和功能正在不断地发生变化[4],开展能量
平衡研究,有助于深化对生态系统各种变化的认识,
增强对生态系统应对全球变化能力的理解.
草地约占全球陆地生态系统总面积的 40%以
上,是人类栖息生存和畜牧业生产的重要基地.草地
生态系统生态环境脆弱,对气候变化的响应较为敏
感[5],是全球变化研究的重要对象. 科尔沁温带草
甸是内蒙古草地的重要组成部分,处于气候变化的
敏感区域,对全球变化的响应十分显著[6] . 开展科
尔沁草甸生态系统能量平衡特征研究,有助于增强
对地表过程与气候变化相互作用的认识,可为草地
的脆弱性和适应性研究提供参考.
目前,关于草地生态系统地气之间能量交换的
研究较少,之前的研究多集中于生长季,且时间尺度
较短(数日至数月) [7-9],难以反映草地生态系统能
量平衡的季节变化特征. 同时对能量平衡的两个重
要分量———潜热与感热的观测主要依赖于传统的梯
度和空气动力学方法,精度存在局限[10] . 近年来涡
度相关技术迅速发展,并以响应速度快、采样频率
高、连续性好和直接测量精度高等优势,成为国际公
认的研究生态系统与大气间水热交换的主流方
法[11],目前已广泛应用于欧亚大陆典型草原[12]、北
美大草原[13]以及青藏高原高寒草甸草原[14]等草地
生态系统地鄄气间的能量交换特征研究.
本文利用内蒙古科尔沁草甸 2011 年 9 月—
2012 年 10 月的涡度相关和气象观测资料,分析该
区能量各分量的日季节变化动态和能量收支平衡特
征,以增进对温带草甸生态系统地鄄气间水热交换机
制的理解,为深入研究草地生态系统的水分变化状
况和能量循环提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究地点位于内蒙古自治区科尔沁左翼后旗努
古斯台苏木西哈伦嘎查(43毅17忆 N, 122毅16忆 E,海拔
203 m)的温带草甸.研究区属于温带大陆性季风气
候,四季分明,雨热同期,年均温 6. 2 益,年均降水量
378. 8 mm,降雨多集中在 6—9 月,占全年降水量的
70%左右,年蒸发量 1755. 7 mm,全年总辐射 5035. 1
MJ·m-2 .土壤类型为草甸土,植物群落由同质的草
本植物组成,以芦苇 ( Phragmites australis)、羊草
( Leymus chinensis)、野大豆 ( Glycine soja )、车前
(Plantago asiatica)、小叶毛茛 ( Ranunculus micro鄄
phyllus)为主. 植被于 4 月末萌动发芽后进入生长
期,7 月末平均株高达 0. 5 m,9 月收割后留有 5 cm
左右的残茬.研究地南北长 1. 5 km、东西长 3 km,其
北部 1. 1 km和南部 3. 9 km处分布有沙丘.
1郾 2摇 试验设计
1郾 2郾 1 试验阶段划分摇 根据植被的生长发育进程和
收割时间,将全年划分为生长季和非生长季,同时根
据下垫面有无积雪覆盖为依据,将非生长季又划分
为裸土期和积雪期. 不同时期的具体定义和时间段
为:
生长季:以日均温达到植被生长的生物学下限
温度开始到人工收割为止.具体时间为 2012 年 4 月
26 日—9 月 3 日.
积雪期:以下雪后地表有积雪覆盖开始到融雪
结束为止.由于冬季大风吹雪和吹沙效应,降雪后地
表积雪很快被沙尘覆盖,变成裸土下垫面,故积雪期
不连续.具体时间为 2012 年 2 月 22 日—2 月 28 日
和 2012 年 3 月 16 日.
裸土期:生长季和积雪期以外的时间.具体时间
为 2011 年 9 月 26 日—2012 年 2 月 21 日,2012 年 2
月 29 日—3 月 5 日,2012 年 3 月 17 日—4 月 25 日
和 2012 年 9 月 4 日—10 月 17 日.
1郾 2郾 2 观测方法摇 观测点建有高 4 m 的微气象观测
塔,开路涡度相关系统(OPEC)安装在 2. 5 m 高度,
包括三维超声风速仪(CSAT3, Campbell, USA)和
CO2 / H2O 红外气体分析仪 ( Li鄄7500, Li鄄Cor Inc,
USA),脉动信号采样频率为 10 Hz,通过数据采集器
(CR3000, Campbell, USA)采集,并按 30 min 计算
通量平均值进行存储. 观测塔上安装了两层空气温
湿度传感器(HMP45C, Vaisala, Helsinki, Finland),
高度分别为 1. 5 和 3. 0 m,1. 5 m高度处还安装了一
个净辐射传感器(NR鄄LITE, Kipp & Zonen, Delft,
Netherlands). 4 个土壤温度传感器(105T and 107T,
Campbell, USA)分别安装在 0、5、10 和 20 cm,2 个
土壤含水量探头(Modell09,Campbell,USA)分别安
装在 5 和 20 cm, 2 个土壤热通量板 (HFP01 and
HFP01SC, HukseFlux, Netherlands)安装在 5 cm.
1郾 3摇 研究方法
1郾 3郾 1 能量平衡计算
1) 草地能量平衡方程:
Rn =H+LE+驻Q (1)
07 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
式中:Rn为净辐射;H 与 LE 分别为感热与潜热通
量;吟Q为储热量变化.
2) 感热与潜热计算:根据涡度相关理论,感热
和潜热可以通过下式获得:
H= 籽aCp 棕忆T忆 (2)
LE=L 棕忆籽v忆 (3)
式中:籽a为空气密度;Cp为空气定压比热,取值为
1004 J·(kg·K) -1;棕忆为垂直风速脉动值;T忆为空
气温度脉动值;L 为汽化潜热;籽v忆为水汽密度脉动
值.计算结果中正值表示水、热从草地向大气传输,
负值则相反.为消除由于水热传输产生的水汽密度
脉动效应,本文根据Webb等[15]提出的WPL修正理
论,对潜热通量进行了修正.
3) 储热量的计算:
驻Q=Sa+Sv+Ss+Sg+G (4)
式中:Sa为观测高度下的气层储热量;Sv为植被储热
量;Ss为积雪储热量;Sg为热通量板之上(5 cm 以
上)土壤储热量;G 为土壤热通量,即深层(5 cm 以
下)土壤储热量,由安装在土壤 5 cm 深处的土壤热
通量板直接测量. Sa、Sv、Ss和 Sg由于量级较小,可忽
略不计[16-17] .
1郾 3郾 2 质量控制 摇 在降水和凝露等天气条件下,落
在 OPEC系统传感器感应窗口的水滴会导致测量值
异常,需要对采集的数据进行阈值判断,并剔除超出
阀值的异常值.根据当地气候特征,本研究中各项观
测值的合理取值范围规定为:净辐射( -200,800),
土壤热通量 ( - 100,100 ),气温 ( - 30,35 ),潜热
(-100,600),显热(-100,400).
1郾 3郾 3 数据插值 摇 计算能量分量日总量时,对低于
2 h的异常值根据前后数据进行线性插补,对高于
2 h的异常值不计其日总量,直接将该日排除.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 科尔沁温带草甸涡度相关系统能量平衡闭合
特征
能量平衡闭合度是评价涡度相关观测数据质量
的重要依据.表 1 为科尔沁温带草甸涡度相关系统
实测的感热和潜热通量之和( LE+H)与可用能量
(Rn-G)进行回归分析的结果,从中可以看出,研究
区涡度相关系统的半小时和日总量全年闭合度分别
为 0. 77 和 0. 83,与 Wilson 等[18]的研究结果相比,
处于国际中等水平.不同时期闭合度的大小分布为:
生长季>裸土期>积雪期.
2郾 2摇 科尔沁温带草甸能量通量的日变化特征
科尔沁温带草甸能量平衡各分量均有显著的日
变化(图 1).晴好天气下,在生长季的 7 月 26 日、裸
地期的 10 月 10 日及积雪期的 2 月 25 日 3 个典型
观测日,研究区净辐射日变化均呈单峰形曲线,峰值
出现在 12:00 前后.以生长季 7 月 26 日为例,日出
后的 6:00 前后, 研究区净辐射变为正值,草地表现
为净能量输入, 在午 间 达 到 最 大 值 ( 627郾 44
W·m-2);日落后的 19:00 前后变为负值,草地通过
长波辐射向外释放能量. 一天中,日间 13 h 净辐射
表现为能量输入, 平均净辐射强度为 382郾 06
W·m-2;夜间 11 h表现为能量损失,平均净辐射强
度为 -50. 57 W·m-2, 净 辐 射 日 总 量 为 15郾 88
MJ·m-2·d-1 .裸土期的 10 月 10 日和积雪期的 2
月 25 日正午净辐射最大值分别为 333. 43 和 270. 38
W·m-2,远小于生长季;日出后正值和日落后负值
出现的时间分别较生长季延迟和提前,正值分别出
现在 7:00 和8:00前后,而负值出现在 16:00 前后;
一天中净辐射正值出现的时间分别为 9 和 7 h,平均
值为 204. 79 和 164郾 36 W·m-2,日总量分别为 3郾 77
和2. 22 MJ·m-2·d-1 .非生长季日间的净辐射能量
收入均小于生长季,而晚间的能量损失大于生长季,
使得非生长季净辐射的日总量远小于生长季,其温
度也低于生长季.
研究区感热通量日变化呈单峰型曲线.以生长
季 7 月 26 日为例,日出前感热通量呈负值,大气向
下垫面传递热量;日出后的7:00前后感热变为正
表 1摇 科尔沁温带草甸能量平衡闭合特征
Table 1摇 Energy balance closure over Horqin meadow
数据集(时间尺度)
Data set ( time鄄scale)
样本数
Number of samples
斜率
Slope
截距
Intercept
决定系数
R2
摩擦速度
u*
全年 Entire year (0. 5 h) 14785 0. 77 16. 18 0. 86 0. 22
全年 Entire year (1 d) 245 0. 83 65. 78 0. 84 0. 22
生长季 Growing season (0. 5 h) 4735 0. 80 9. 50 0. 88 0. 26
裸土期 Bare soil period (0. 5 h) 9604 0. 72 16. 83 0. 84 0. 21
积雪期 Snow鄄covered period (0. 5 h) 446 0. 68 17. 50 0. 78 0. 16
171 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李辉东等: 科尔沁温带草甸能量平衡的日季变化特征摇 摇 摇 摇 摇
图 1摇 科尔沁温带草甸能量通量的日变化
Fig. 1摇 Diurnal variation of energy fluxes over Horqin meadow.
a)生长季 Growing season (07鄄26—27); b)裸土期 Bare soil period
(10鄄10—11);c)积雪期 Snow鄄covered period (02鄄25—26). Rn: 净辐
射 Net radiation; H:感热通量 Sensible heat flux; LE:潜热通量 Latent
heat flux; G: 土壤热通量 Soil heat flux.
值,地鄄气之间的能量传递方向发生改变,下垫面开
始向大气传递热量,在午间达到最大值 ( 68郾 5
W·m-2),但峰值出现在 12:30 前后,较净辐射稍有
延迟;日落后的 17:00 前后感热再次变为负值.一天
中下垫面向大气传递能量的时间有 10 h,小于净辐
射的正值时间(13 h),其平均值为 33. 54 W·m-2;
剩余时间下垫面从大气获得能量,其平均值为
-20郾 76 W·m-2,感热日总量为 0. 26 MJ·m-2·d-1 .
非生长季的感热通量日变化峰值和日总量均大于生
长季,裸土期(10 月 10 日)和积雪期(2 月 25 日)日
变化峰值分别为 192. 68 和 234 W·m-2,日总量分
别为 2. 97 和 3. 65 MJ·m-2·d-1 .
研究区潜热通量日变化也呈单峰型曲线.以生
长季 7 月 26 日为例,潜热通量日出前为负值,日出
后的 4:30 前后变为正值,下垫面通过蒸散过程开始
向大气传递热量,正午 12:30 前后潜热出现最大值
(457 W·m-2),日落后 21:30 前后潜热再次变为负
值.一天中 2 / 3 以上时间下垫面处于蒸散过程,潜热
均值为 164. 93 W·m-2,凝结过程仅有 5 h,潜热均
值为 - 5. 4 W · m-2, 潜 热 日 总 量 为 10郾 00
MJ·m-2·d-1 .非生长季潜热通量日变化峰值和日总
量均小于生长季,裸土期(10月 10日)和积雪期(2月
25日)日变化峰值分别为 112. 31 和 26郾 85 W·m-2,
日总量分别为 2. 03和 0. 50 MJ·m-2·d-1 .
尽管研究区感热通量和潜热通量日变化均呈单
峰曲线形式,但其变化曲线不如净辐射平滑,这是由
湍流通量的间歇性造成的[19] .感热通量和潜热通量
峰值出现的时间较净辐射稍有延迟. 生长季潜热交
换大于感热,非生长季则感热大于潜热,尤其在积雪
期地面低温冻结,水汽传输非常微弱,潜热通量日均
值仅为 5. 8 W·m-2,远小于夏季的 115. 8 W·m-2 .
非生长季能量平衡方程中,感热为主要支出项,感热
支出有时超过夏季.
研究区土壤热通量日变化趋势与净辐射相近,
呈单峰形式,但峰值出现的时间相对于净辐射有较
大延迟,晴天条件下生长季(7 月 26 日)、裸土期(10
月 10 日)和积雪期(2 月 25 日)分别出现在 13:30、
15:30 和 15:00,为 67. 45、22. 33 和 3. 01 W·m-2 .
土壤热通量日总量分别为 1. 55、 - 2. 25 和 - 0郾 78
MJ·m-2·d-1,生长季为正值,土壤储存能量,非生
长季为负值,土壤向外释放能量,同时积雪期小于裸
土期,说明积雪有良好的保温作用[20] .
天气变化影响草地的能量收支状况. 7 月 27 日
为阴天,净辐射表现为多峰变化,净辐射最大值为
467. 02 W·m-2,相当于晴天的 2 / 3. 相应的土壤热
通量、潜热和感热也随之减小.
2郾 3摇 科尔沁温带草甸能量通量的季节变化特征
研究区净辐射的季节变化基本呈单峰形式,受
天气变化的影响在小范围内波动(图 2). 全年平均
净辐射日总量为 5. 71 MJ·m-2·d-1,占太阳总辐射
能量的 59. 6% . 净辐射日总量峰值出现在 7 月 14
日(17. 50 MJ·m-2·d-1),最小值出现在 12 月 11
日(-3. 08 MJ·m-2·d-1).非生长季出现日总量小
于 0 的观测日的原因,一方面是太阳高度角较小,白
天获得的能量较少;另一方面由于裸土和积雪增大
了下垫面的反照率,使下垫面获得的能量较少,说明
裸土和积雪下垫面在冬季有时会成为大气的热源.
摇 摇 研究区潜热通量的季节变化趋势明显,与净辐
射相近,全年呈单峰形式,但局部出现剧烈波动(图
2),这与中小尺度天气变化和湍流的不稳定性密切
27 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 2摇 科尔沁温带草甸能量通量的季节变化
Fig. 2摇 Seasonal variation of energy fluxes over Horqin meadow.
相关.全年平均潜热日总量为 2. 84 MJ·m-2·d-1,
最大 值 出 现 在 生 长 季 的 6 月 27 日 ( 14郾 26
MJ·m-2·d-1),基本和净辐射最大值出现的时间接
近,9 月由于人工割草,出现较大程度的降低,潜热
日总量最小值出现在积雪期的 2 月 23 日 (0. 20
MJ·m-2·d-1).
研究区感热通量的季节变化趋势较为明显,全
年呈双峰形式 (图 2 ), 年 均 日 总 量 为 1郾 97
MJ·m-2·d-1,峰值分别出现在 4 月和 9 月,为
2郾 77 和 3. 51 MJ·m-2·d-1 . 4 月由于净辐射迅速增
加,而地表植被未开始生长,裸土下垫面比热较大,
白天升温较快,感热增大较快而出现一个峰值.随后
植被逐渐生长,改变了下垫面的热力性质,潜热逐渐
升高而感热通量逐渐减小. 9 月由于人为收割的原
因,下垫面成为近似裸土下垫面,使感热在能量平衡
收支中的比例增大,而且此时净辐射仍然较大,所以
感热再次出现峰值.
波文比的季节变化动态过程反映了感热和潜热
通量的能量分配比例大小.由图 3 可以看出,研究区
全年波文比近似“U冶型变化,平均值为 1. 61,且生
长季和非生长季界限明显. 非生长季波文比的波动
较大,在-1. 5 ~ 11. 87 之间,平均值为 2. 39,平均感
热通量明显大于潜热通量,说明非生长季净辐射主
要分配给感热通量. 生长季的波文比平均值仅为
0郾 18,潜热通量成为净辐射的主要分配项.同时生长
季波文比波动较小,主要集中在-0. 01 ~ 0. 38 范围
内. 9 月中旬,波文比有一个较小的峰值,这是由于
人工割草改变了下垫面的热力性质,导致感热增大、
潜热减小,与图 2 表现的变化趋势一致.
研究区土壤热通量的季节变化较为明显,呈单
峰形式(图 2).在融雪(土壤温度迅速上升阶段)之
前,土壤热通量日总量始终为负值,即草地土壤损失
能量.在 4 月上旬,随着积雪的融化,土壤开始迅速
向下传递热量,至 4 月末土壤热通量日总量迅速达
到全年的最大值(3. 47 MJ·m-2·d-1). 之后,随着
净辐射的增加土壤热通量反而减弱. 这可能是由于
进入生长季后,草地植被开始迅速生长,植被叶面积
增大,降低了土壤净辐射能量的分配.生长季土壤热
通量作为支出项,约占净辐射的12. 7% . 9月中旬,
图 3摇 科尔沁温带草甸波文比的季节变化
Fig. 3摇 Seasonal variation of Bowen ratio over Horqin meadow.
371 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李辉东等: 科尔沁温带草甸能量平衡的日季变化特征摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 科尔沁温带草甸能量平衡分量收支比例
Table 2 摇 Budget ratio of energy components over Horqin
meadow (%)
时期
Period
潜热通量
Latent
heat flux
感热通量
Sensible
heat flux
土壤热通量
Soil heat
flux
全年 Entire year 49. 8 35. 8 3. 1
生长季 Growing season 65. 2 12. 7 12. 3
裸土期 Bare soil period 35. 8 50. 3 1. 7
积雪期 Snow鄄covered period 28. 6 42. 4 -1. 6
土壤热通量变为负值,与 5 cm土壤温度变为最大值
在时间上一致,表征土壤再次转为大气的热源.非生
长季,土壤热通量为能量平衡的收入项,12 月出现
最小值(-1. 58 MJ·m-2·d-1).从全年来看,虽然土
壤热通量在能量平衡中所占比例很小,但由于土壤
生长季储存热量、冬季释放热量的特点,土壤热通量
对全年能量收支平衡起到了“缓存冶作用[21],因而不
能忽略.
研究区不同季节能量收支比例特征有很大不
同.从表 2 可以看出,全年能量平衡收支比例大小关
系为:潜热通量>感热通量>土壤热通量,潜热通量
是最主要的能量支出项,占净辐射的 49. 8% . 这种
关系在生长季尤为明显,潜热通量占到净辐射的
65. 2% ,是感热通量的 5 倍.而在非生长季,潜热和
感热通量的大小关系正好相反,裸土期和积雪期感
热通量均大于潜热通量,积雪期这种大小关系更加
明显,感热通量占到净辐射的 42. 4% .
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 涡度相关系统能量平衡闭合
涡度相关系统能量平衡不闭合问题普遍存在.
Wilson 等[18]对全球通量网络(FLUXNET)各测站的
涡度相关系统能量闭合状况进行了系统分析,发现
能量不闭合程度介于 10% ~ 30% 之间. Li 等[22]对
中国通量网络(ChinaFLUX)草地生态系统各测站的
涡度相关系统能量闭合状况进行综合评价,认为草
地的闭合度范围在 53% ~ 81% ,平均值仅为 68% .
从科尔沁温带草甸能量平衡闭合状况的分析结果可
以看出,该地同样存在不闭合问题,半小时和日总量
不闭合程度分别为 23%和 17% ,半小时大于日总
量,这主要是因为基于日总量的能量收支平衡中储
存项约为 0,日尺度上降低了其对能量平衡闭合度
的影响.
受湍流强弱的影响,不同季节能量平衡闭合度
同样存在差异(表 1).当湍流发展较弱时,涡度相关
系统趋于对湍流交换的低估,造成能量平衡的低估.
通常用摩擦速度(u*)来表征湍流发展的强弱程度,
大的 u*表观相对强烈的湍流,对应高的能量平衡闭
合度[23] .研究区不同季节平均 u*大小表现为:生长
季>裸土期>积雪期,对应不同季节能量闭合度大小
也表现为:生长季>裸土期>积雪期,与高寒草甸的
研究结果一致[24] .
涡度相关观测系统空间取样误差、对高频信号
响应不足及复杂地形平流影响等都能造成能量平衡
不闭合,如何降低不闭合问题,提高涡度相关系统在
该研究区域的能量闭合程度,需要进一步研究探索.
3郾 2摇 不同生态系统能量平衡分量收支比例
不同陆地生态系统的能量平衡收支比例特征有
很大不同[25] . Rost和 Mayer[26]对德国西南部红松林
和临近草地能量收支平衡特征的研究发现,红松林
的净辐射比草地高 24% ,主要与下垫面的反射率有
关,全年能量收支平衡中感热通量分别占净辐射的
38%和 47% ,潜热通量分别占净辐射的 62% 和
53% ,全年波文比均值分别为 0. 61 和 0. 89. Kim 和
Verma[27]对美国曼哈顿地区的研究表明,高杆草地
生长季的潜热通量占净辐射的 69% ,波文比为
0郾 25. Wu 等[24]研究发现,在我国长白山阔叶红松
林,全年能量收支平衡中潜热通量占净辐射的
52% ,非生长季感热通量为主要支出项,约占净辐射
的 72% ;生长季主要支出项为潜热通量,约占净辐
射的 60% .阳伏林和周广胜[21]对内蒙古荒漠草原
研究发现,全年能量收支平衡中感热通量为主要支
出项,占净辐射的 58% ,潜热仅占 26% . 而马伟强
等[9]在青藏高原那曲草甸发现,不同季节能量收支
平衡特征显著不同, 7—9 月能量支出以潜热通量
为主,11 月至次年 5 月以感热通量为主,6 月和 10
月的潜热和感热通量则大小相当.李英年等[28]对海
北高寒草甸的研究发现,生长季潜热通量、感热通量
和土壤热通量占净辐射的比例变化差异较大,6—9
月的 4 个晴天三者的平均值分别为 28. 6% 、68. 0%
和 3. 4% .
3郾 3摇 能量平衡的影响因素
研究表明,下垫面能量平衡除了受气候条
件[29-30]和下垫面植被类型[23,25,31]影响以外,人工管
理、植被燃烧和降雪事件等均对其有一定的影响.
Bremer和 Ham[32]研究发现,在美国曼哈顿地区,春
季草地植被燃烧会影响地表反射率和冠层导度,对
能量平衡产生影响:燃烧区反射率比非燃烧区低
43% ,导致燃烧区的可用能量比非燃烧区高 8. 6% ;
47 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
燃烧区的冠层导度是非燃烧区的 3 倍,导致燃烧区
蒸散比非燃烧区高 23. 3% ;燃烧区和非燃烧区的波
文比分别为 2. 89 和 0. 79;由于植被的生长,燃烧区
和非燃烧区的能量平衡差异直到燃烧结束 182 d 以
后才逐渐消失. Rosse 等[33]研究发现, 高山地区人
工管理的草地和荒废草地的植被覆盖有明显差异,
其地表辐射性质和地鄄气间的能量交换也有显著不
同;生长初期荒废草地的凋落物对净辐射的影响较
小,随着植被生长,这种影响逐渐增大,荒废草地反
射率较小而净辐射较大,在生长中期尤为明显;荒废
草地和人工管理草地的冠层结构不同,前者的蒸散
小于后者,荒废草地的波文比较高. Li 等[34]对内蒙
古草原的研究发现,放牧程度可以通过影响地表植
被总量来影响地表反射率和粗糙度,放牧密度越大,
植被总量越小,地表反射率越大,净辐射越小,潜热
通量也越小;同时,由于风速的增大和下垫面温度的
升高,感热通量也相应增大. Chen 等[7]研究发现,在
内蒙古草原,冬季积雪强烈地改变地表反射率和热
力性质,对能量平衡产生重要影响,融雪过后感热通
量增加迅速,潜热通量和土壤热通量则增幅较慢,融
雪期间波文比较大,融雪过后波文比则减小.
下垫面能量平衡一直是陆地生态系统研究的重
要方面.近年来涡度相关系统的出现极大地促进了
相关研究的深入.但是该系统存在明显的能量平衡
不闭合问题,今后的研究中需要重点解决.全球变化
背景下,生态系统结构和功能的改变,以及人类活动
对能量平衡的显著影响,也是今后研究中需要重点
关注的方面.
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作者简介摇 李辉东,男,1989 年生,硕士研究生.主要从事生
态系统与大气间的物质能量交换研究. E鄄mail: sdlihuidong@
126. com
责任编辑摇 李凤琴
封 面 说 明
图片由浙江大学生命科学学院于明坚教授 2013 年 7 月 24 日摄于千岛湖梅峰.千岛湖(新安江
水库)位于浙江省杭州市西南部的淳安县及建德市境内,是 1959 年中国第一座自行设计建造的大
型水电站———新安江水电站大坝建成后蓄水形成的大型水库.水库水域面积约 573 km2,当水位高
程 108 m时,湖中布列面积 2500 m2 以上的岛屿 1078 个,因此得名千岛湖.湖中岛上森林覆盖率为
88. 5% ,主要为天然马尾松林. 水库大坝建设形成的陆桥岛屿,被认为是进行生境片段化研究的
“实验性冶野外研究地,而拥有 1000 多个岛屿的千岛湖更是全球罕见的理想研究平台.浙江大学生
态研究所与淳安县新安江开发总公司合作,于 2009 年在千岛湖共建了科学研究基地,旨在对生境
片段化效应、岛屿生物地理学、食物网结构、生物多样性与生态系统功能等进行长期研究.
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