全 文 ：27卷第 3期 265～ 269页
2009年 5月 　　　　　　　　　　　
山　地　学　报
JOURNALOFMOUNTAINSCIENCE　　　　　　　　　　　
Vol.27, No.3pp265～ 269
may, 2009
收稿日期(Receiveddate):2008-06-30;改回日期(Accepted):2009-03-01。
基金项目(Foundationitem):中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-432-1);国家科技部支撑项目(2006BAC08B02)项目 ;
中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB2-06-01);中日合作 “温暖化影响的早期监测网络系统建设 ”项目基金项目:中科院知
识创新工程重要方向项目(KJCX2-YW-432-1);科技部支撑项目(2006BAC08B02)项目;中科院西部行动计划项目(KZCX2-XB2
-06-01)。 [ SupportedbyKnowledgeInnovationProjectofTheChineseAcademyofSciences(KJCX2-YW-432-1);NationalKeyTech-
nologyR＆DProgram(2006BAC08B02);TheCASAction-PlanforWestDevelopment(KZCX2-XB2-06-01).]
作者简介(Biography):李英年(1962-),男 ,副研究员 ,主要从事生物气象 、全球变化研究工作。 [LiYingnian(1962-), Associateprofessor, Ma-
jorresearchfieldinBiometeorology.] E-mail:ynli@nwipb.ac.cn
文章编号: 1008-2786-(2009)3-265-05
高寒金露梅灌丛草甸植被反射率特征
李英年 1 ,赵 亮 1 ,赵新全 1 ,王勤学 2 ,杜明远 3 ,张法伟 1
(1.中国科学院西北高原生物研究所 , 青海西宁 810001;2.日本国立环境研究所 , 日本筑波 3050053;
3.日本农业环境技术研究所 , 日本 筑波 3058604;4.中国科学院研究生院 , 北京 100049)
摘　要:根据祁连山海北高寒金露梅灌丛草甸 2004年观测的太阳总辐射和反射辐射资料 , 分析了高寒金露梅灌
丛草甸植被反射率(A)的变化特征。 结果表明 , 金露梅灌丛草甸 A在日间或一年间均表现出 “U”型变化规律 , 晴
天 、昙天和阴云天气状况下的早晚略有差异 , 中午前后的 A值三者无明显差异。季节不同下垫面性质不同的影响 ,
A的分布不同。海北高寒金露梅灌丛草甸 A的月平均在植物生长季内 5～ 9月为 0.15, 植物非生长季的 10月 ～翌
年 4月为 0.20,年平均 A为 0.18。
关键词:高寒金露梅灌丛草甸;反射率;植物生长季和非生长季;变化特征
中图分类号:Q948　　　　　　文献标识码:A
　　生态系统中太阳辐射能是生命活动的根本能
源 ,它通过对植物的生理生化作用 ,直接或间接影响
地球植物群落结构 、分布以及植被生产力的形成 ,是
生态系统结构 、功能基本外源驱动力。因此 ,生态
学 、微气象研究者对于太阳辐射以及反射辐射和反
射率(A)的气候变化特征研究极为重视 [ 1-6] 。通常
照射到植被冠层表面的太阳辐射一部分被反射回太
空 ,其余部分进入植物生态系统中进行转化和交换 ,
但反射强度因下垫面性质差异而不同 ,这不仅表现
在植被类型 、地理和地形分布等方面 ,同类型植被的
不同生长时期也有差异。然而 ,对于下垫面 A的研
究常见于森林 、草地 、农田等 [ 1-6] ,较少涉及青藏高
原高寒金露梅(Potentilafruticosa)灌丛草甸 。
金露梅系蔷薇科委陵菜属植物 ,是寒温带多年
生落叶灌木的典型植物之一 ,广布于我国东北 、华
北 、西北 、西南的高山地区 ,在朝鲜 、蒙古和俄罗斯的
西伯利亚亦有分布 [ 7] 。在青藏高原 ,多分布在东部
海拔 2 700 ～ 4 500 m的山地阴坡 、土壤湿度较高的
平缓滩地 ,以及地下水位较高的河谷阶地 。具有明
显的地带性分布规律。在青藏高原其分布面积仅次
于高山嵩草(Kobresiapygmaea)草甸 ,是良好的天然
放牧草场 。本文利用祁连山海北高寒金露梅灌丛草
甸的辐射长期观测结果 ,分析其 A的基本特征 。对
该生态系统的能量流动及其物质循环过程研究提供
依据 。
1　研究地区与研究方法
.　自然概况
本研究在中国科学院海北高寒草甸生态系统定
位站(海北站)东北方 7km处的高寒金露梅灌丛草
甸实验区进行 。海北站地处青藏高原东北隅 ,祁连
山北支冷龙岭东段南麓的大通河河谷(101°19′E、
37°37′N,海拔高度约为 3 240 m)。据调查[ 7] ,该实
验区植被以 2层植物群落 ,结构简单 ,除上层金露梅
外 ,底层草本植物种类组成丰富 ,生物生产力高。金
露梅灌从株高一般在 30 ～ 40cm,最高达 60 cm。调
查地段有 47种植物组成 ,隶属 15科 37属 ,总盖度
DOI :10.16089/j.cnki.1008-2786.2009.03.001
91%,草高 8 ～ 16 cm。优势种有藏异燕麦 (Helicto-
trichontibeticum)、垂穗披碱草(Elymusnutans),次优
势种有异针茅 (Stipaaliena)、羊茅 (Festucaovina
L.)、紫羊茅(Festucarubra)、线叶嵩草(Kobresiacap-
ilifolia),伴生种有柔软紫菀(Asterflaccidus)、山地
早熟禾(Poaorinosa)、棘豆(Oxytropisochrocephala)、
瑞苓草 (Saussureanigrescens)、珠芽蓼 (Polygonum
viviparumL.)、矮火绒草(Leontopodiumnanum)、尖
叶龙胆 (Gentianaaristata)、糙毛野青茅 (Deyeuxia
arundinacea)、花苜蓿(Trigonelaruthenica)、圆萼摩
苓草(Morinachinensis)等 。
由于金露梅系寒温带多年生落叶灌木 ,故金露
梅灌丛草甸在不同季节其外表景观截然不同。春季
(4 ～ 5月)地表处于全年最干燥时期 ,底层土壤仍在
冻结 ,经冬季放牧 ,植物现存量极低 ,部分地面甚至
裸露。该时期植物进入萌动发芽初期 ,但金露梅的
发芽稍迟。夏季到秋季阶段 ,植物生长繁茂 ,土壤潮
湿 ,基本处于不放牧时期 。秋季后期到次年春季前
期为全年放牧最重(多)时期 ,放牧主要以马和牦牛
为主 ,在金露梅灌丛内因降雪时有积雪覆盖。
在长期的生物和气候综合影响下 ,发育着典型
的暗沃寒冻雏形土 ,因草本植物根系与金露梅灌丛
的木本根系交织一起 ,植物地下生物现存量高 ,土壤
有机质含量丰富 。据海北站气象观测资料 [ 8] ,区域
近 20年来多年平均气温为 -1.6℃, 降水量约
560.0mm,年日照时间可达 2 467.7 h,专用 20 cm
口径水面蒸发 1 238.0 mm,平均风速较低 ,年平均
仅为 1.7 m/s, 空气相对湿度为 67%, 平均气压
691.4 hPa。气候特点是空气稀薄 ,气温低 ,无霜期
极短 ,降水量相对丰富 ,日照充足 ,暖季湿润 、短暂 、
凉爽 ,而冷季干燥 、漫长 、寒冷。
1.2　研究资材料
辐射观测仪器由中国通量网(ChinaFlux)在海
北站东北金露梅灌丛草甸实验地投入的涡度相关观
测系统及常规气象观测仪进行。总辐射表(CM11,
Kipp＆ Zonen, USA)安装高度离植被冠面上方 1.5
m。气象要素观测了气温 、湿度 、地温 、降水等 。另
还有人工气象站观测的云量 、日照时间等。其本文
所采用的资料为 2004年 ,北京时间 ,以 0:00划分日
界。自动采集系统数据的采集频率为 10 Hz,输出
30min平均值。
2　结果与分析
.　 的日变化
图 1给出了 1 ～ 12月 A的月平均日变化 ,其中
5 ～ 9月代表植物生长季 , 1 ～ 4月和 10 ～ 12月代表
了植物非生长季。图 1看到 ,不论是植物非生长季
还是生长季 , A在日出后和日落前较高 ,而且不同月
份差异较大 ,最高可达 0.4以上 。日间太阳高度角
达到一定值后 A值比较稳定 ,如 1月平均日变化中 ,
11:00 ～ 17:00一般稳定在 0.21 ～ 0.23间 ,但早晚
可在 0.24以上。 7月 A的月平均日变化中 , 9:00 ～
17:00一般稳定在 0.12,早晚在 0.13 ～ 0.31间波
动。日间这种 “U”型分布状况主要与太阳高度角的
变化有关 。太阳高度角的改变 ,可使太阳光线的入
射角和辐射光谱成分发生变化。首先 ,到达地表面
的太阳光光谱组成由于在地球大气所通过的路线长
短发生变化。另外 ,太阳光线在不同时间其入射角
不同 。当太阳高度角低时 ,太阳辐射光谱中长波部
分占有较大的比重 ,而地表对长波(红外)辐射部分
的反射能力总是很强 ,当太阳高度角低时 ,意味着到
图 1　高寒金露梅灌丛草甸植物生长季(a)和非生长季(b)地表反射率各月平均日变化
Fig.1　Theaveragediurnalvariationsofsurfacereflectivityingrowingseason(a)andnon-growingseason(b)
ofalpinePotentilafruticosashrubmeadow
266 山　地　学　报 27卷
达地表的入射角大 ,而任何表面对入射角大的光线
其反射能力就强 。因而 ,在太阳高度角低的早晚 ,地
表反射率大 。反之 ,随太阳高度角的增加 ,太阳辐射
中短波部分所占的比重增大 ,导致 A减小 ,这种影
响在太阳高度角低时更为显著 。
如果采用太阳高度角(h)进行 A的模拟 ,一般
均可用指数方程的形式 (A=aebh)来表示[ 1-4] ,只
是因地区(主要是地理纬度)的不同其指数方程的
回归系数而不同 ,这里多不论述 。但分析表明 ,一般
日间太阳高度较高时 , A与太阳高度角的指数关系
不甚明显 , 也就是说在太阳高度角高时 (一般 >
30°[ 1-4] ), A的变化不大且较为平稳 ,在太阳高度角
低时(一般 <30°), A的变化较为剧烈。
所表现的 “U”型分布状况除太阳高度角的影响
外 ,另一原因是冬季下垫面常有霜冻存在 ,夏季因地
区空气湿润 ,水汽含量高 ,在日出和日落前后 ,植被
表面易结露 ,同时由于海拔高 ,温度低 ,部分寒冷的
早晨还往往发生霜冻现象 ,导致植物表面形成一定
的 “水镜面” ,这也是导致 A提高的另一原因 。
.　反射率与天空状况的关系
图 2给出了时间相近的典型晴天 、昙天和阴天
的 A日变化过程 ,其中 7月 9日为晴间少云天(14:
30有微量云存在)、7月 7日为昙天 、7月 8日为阴
天 。可以看到 , 3类天气过程的 A均呈现 “U”形分
布特点 ,但不同天气所表现的 “U”型结构略有差异 ,
主要表现在日出日落的前后。
阴雨天气状况下 ,由于日出后和日落前阶段植
被冠面有大量的露水存在 ,天空以散射辐射为主 ,太
阳高度角的影响很小 , A明显提高;在多云天气的状
况下 ,由于云层存在 ,地表凝结水少 , A在日出后和
日落前阶段相对较低 ,晴天状况下结露仅次于有降
水时的天气状况 ,日出后和日落前阶段的 A也是较
高的 。日间 8:30到 19:00期间 , 7月 7日 、7月 8日
和 7月 9日的 A分别为 0.12、0.11和 0.12,表现出
阴雨天由于云层厚 ,太阳辐射主要为散射辐射主导 ,
导致 A的值比晴天和多云天降低 0.01。在日间的
8:30到 19:00之间 , A表现出阴天 >昙天 >晴天 ,但
在日出后的 8:30以前和日落前 17:00以后 A表现
出阴天 >晴天 >昙天。
图 2　高寒金露梅灌丛草甸晴天 、昙天 、阴天
状况下反射率的日变化比较
Fig.2　Thecomparisonsofdailyvariationsamongsunny, ful-cloudy
andcloudydaysinalpinePotentilafruticosashrubmeadow
.　 的季节变化
图 3(a)给出了金露梅灌丛 A的季节(月际)变
化。考虑到早晚日出(落)前后的时间段太阳高度
角很小 ,加之易受地面结露 、霜冻的影响 ,太阳总辐
射和反射辐射都很低 ,计算出的反射率容易出现奇
异值 ,这里也绘出了当地正午时 13:30的 A的季节
变化过程 。同时在图 3(b)给出了 2004年 A逐日平
均值年变化情况。
图 3　高寒金露梅灌丛草甸反射率的季节变化(a为逐月平均;b为逐日平均)
Fig.3　TheseasonalvariationsofreflectivityinalpinePotentilafruticosashrubmeadow(awasmonthlyaverage, andbwasdailyaverage)
267第 3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　李英年 ,等:高寒金露梅灌丛草甸植被反射率特征
　　图 3a看出 , 2004年 A的日平均自 1月的 0.24
开始下降 , 6月最低 ,为 0.13,以后又逐渐增加 ,到
12月为 0.23,表现为 “U”分布型 。这种变化除受冬
季太阳高度角低的影响外 ,还受到不同季节下垫面
差异的影响 。冬季下垫面干燥 ,加上在降水过程时
易在地表产生积雪 ,增大了反射辐射 , A较大;植物
生长季的 6月金露梅刚展叶 ,底层草本植物呈深绿
色 ,并形成了一定的叶面积 ,植株茂密 ,夏季土壤湿
润 ,将导致反射辐射的降低 。数据分析表明 , 6月 A
最低。 7月以后金露梅开花 ,底层部分草本植物也
出现开花阶段 ,植层冠面颜色稍浅 ,提高了 A值 ,以
后随植物成熟 ,植被冠面颜色变得越来越浅 , A逐渐
增大。正午时 13:30的 A的季节变化具有相同变化
规律 ,只是因在太阳高度角高的正午 ,其值将比日平
均低 0.02 ～ 0.05。
以逐日平均值的时间进程来看(图 3b),生长季
内 A比较稳定 , 5 ～ 8月中旬变化于 0.13 ～ 0.16。但
在冬季及其季节交换时期的秋 ～冬季和冬 ～春过渡
季节 ,由于高寒金露梅灌丛草甸分布地区温度低 ,降
水以降雪为主 ,在 4月或 9月末 ,虽然日间温度高 ,
但夜间温度下降明显 ,早晨常降到 0℃以下 ,这种条
件下常会出现日间降雨 ,早晨降雪 ,地面积雪导致 A
的提高 。如图 3(b)所示 ,冬季 12月 22 ～ 28日 ,冬
～春过渡季的 4月 14日和 15日 ,秋 ～冬过渡季节
的 9月 21日 A的急剧升高均与当日上午或前日因
降雪导致地面有积雪有关 。冬季 12月 22日前近 1
个月时间未产生降雪 , A维持在 0.14 ～ 0.16之间 ,
从 22日开始到 26日期间降水 1.6 mm,虽然降水量
不高 ,但冬季严寒 ,地面积雪不易融化 ,维持时间长 ,
A值大于 0.35以上的高值达 16 d,维持到 2005-01
-05,最高的 12月 22日达 0.64;在春 -夏过渡季的
4月 14日和 15日 ,日间温度较高 ,早晚很低 ,日间
降雨 ,到夜间转变为降雪 ,因降水比冬季明显大 ,地
表积雪深厚 , 导致该 2日的 A增高明显 , 分别为
0.68和 0.66,但无降雪太阳照射下积雪融化很快 , A
值迅速下降 ,如 17 ～ 19日分别下降到 0.24、0.12和
0.11;与春夏季节交换不同的时 ,在夏秋季节交换时
期 ,土壤温度很高 ,同样在日间降雨夜间温度下降转
为降雪的情景下 , A在降雪后急剧升高 ,但次日随地
面积雪的融化 A急剧降低 ,如 9月 20日上午开始有
降水产生 ,但以降雨为主 ,约在 17:20开始转为雨加
雪 ,夜间为降雪 ,至 21日 9:00降水停止 ,使 21日 A
的值高达 0.51,到 22日因土壤温度较高积雪融化
后又下降至 0.21,到 22日为 0.12。值得说明的是 ,
季节转化期在有降水到下次降水过程前的时段中 ,
A的日平均变化常出现一种普遍想象:降水产生当
日(前期为降雨 ,后期为降雪)光照弱 ,日平均 A为
低 ,到第 2日降水停止 ,天空放晴 , A的日平均随之
升高 ,以后的几天内 ,随积雪融化 ,土壤潮湿 , A的日
平均值甚至低于 6 ～ 7月植物旺盛生长时期 ,说明土
壤湿度的增大使 A值下降明显 。
总的来看 ,生长季内海北高寒金露梅灌丛草甸
的 A比较稳定 , 5 ～ 9月 A的月平均在 0.13 ～ 0.16, 5
个月平均为 0.15。低于同地区的矮嵩草草甸[ 9] ,与
同地区的藏嵩草沼泽化草甸基本相同 [ 10] 。非生长
季的 10月至翌年 4月 A的月平均变化在 0.17 ～
0.24之间 , 7个月平均为 0.20,低于同地区的矮嵩
草草甸和藏嵩草沼泽化草甸 ,特别是比藏嵩草沼泽
化草甸低很多 。其原因在于藏嵩草沼泽化草甸冬季
下垫面为积雪和冰面所覆盖 ,导致 A明显高 ,矮嵩
草草甸地势平坦 ,下垫面均一 ,而金露梅灌丛草甸由
于灌丛斑块生长结构的影响 ,冠面结构显得相对粗
糙 ,致使 A值降低显著 。全年来看 ,海北高寒金露
梅灌丛草甸的年 A为 0.18。
3　结语
1.受太阳高度角影响 ,加之高寒金露梅灌丛草
甸早晚多受较强露水和霜影响 ,导致日落日出前后
A的日值较高 ,中午较低 。
2.金露梅灌丛草甸 A与天空状况有很密切的
关系 ,虽然各类天气状况下 (晴天 、昙天和阴云天
气)反射率日变化曲线呈 “U”形分布 ,但 3类天气状
况下在早晨和傍晚 A的变化差异明显 ,日间太阳高
度角达一定高度时其变化性质基本一致 ,中午前后
A值三者无明显差异。
3.5月下旬至 9月初是高寒植物生长的最佳时
期 ,故在年内该期间 A值最低 ,但由于高寒各种植
物生理生态的差异 ,其完成整个生长过程的时间较
不一致 ,在金露梅尚未开花但枝叶展开 ,其下层草本
植物生长达一定叶面积 ,以及土壤比较潮湿时的 6
月低 。以后依次随金露梅以及其他部分植物开花 ,
下垫面颜色变浅 , 7 ～ 9月逐渐升高。但在 5月处于
与 7月相同的 A值 ,这是由于 5月地表较潮湿所致 ,
说明土壤湿润状况也是影响 A的重要环境条件之
一。 10月以后植被枯黄 ,降雪导致地面积雪 ,到次
年的 4月 A均表现出较高的水平。
4.海北高寒金露梅灌丛草甸植物生长季内 5 ～
9月 A的月平均为 0.15,植物非生长季的 10月 ～翌
年 4月 A的月平均为 0.20,年平均 A为 0.18。由于
268 山　地　学　报 27卷
灌丛生长斑块结构 ,冠面相对粗糙 ,其 A与同地区
下垫面均一的矮嵩草草甸和冬季冰雪覆盖的藏嵩草
沼泽化草甸相比明显不同 。
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TheDynamicFeaturesofAlpinePotentilafruticosaShrub
MeadowVegetationReflectivity
LIYingnian1 , ZHAOXinquan1 , WANGQinxue2 , ZHAOLiang1 , DUMingyuan3 , ZHANGFawei1, 4
(1.NorthwestInstituteofPlateauBiology, ChineseAcademyofSciences, Xining810001, China;
2.NationalInstituteforEnvironmentalStudies, 3050053Japan;3.NationalInstituteforAgro-EnvironmentalScience,
3058604 Japan;4.GraduateUniversityoftheChineseAcademyofSciences, Beijing100049, China)
Abstract:UsingthedataofthesolartotalradiationandreflectivitymeasuredinHaibeialpinePotentilafruticosa
shrubmeadowin2005, weanalyzedthedynamicsofthevegetationreflectivity(A).TheresultsshowedthattheA
changesindayoryearalhad“U” sharpinalpineshrubmeadow.TherewereafewdiferencesinAvaluesof
dawnandduskamongthesunny, ful-cloudyandcloudydayswhilenosignificantdiferencesbeforenoonandafter
noon.Becauseoftheplantvegetationdiferenceswithclimatechanges, theAwasdynamicinyear.Theannual
meanAwas0.18 with0.15 inplantgrowingseasonfromMaytoSeptemberand0.20innon-growingseasonfrom
OctobertofolowingAprilinalpinePotentilafruticosashrubmeadow.
Keywords:alpinePotentilafruticosashrubmeadow;reflectivity;plantgrowingandnon-growingseason;dynamics
269第 3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　李英年 ,等:高寒金露梅灌丛草甸植被反射率特征