全 文 ：第 34 卷第 17 期
2014年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.17
Sep.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学重大基金(61190114); 国家“973冶重点基础研究发展规划项目基金(2011CB302705, 2011CB302705,2010CB950702,
2010CB428503); 国家自然科学基金项目(41171324); 高等学校博士学科点专项科研基金( 20110091110028); 科技部重大国际合作项目
(20073819); 国家高技术研究发展计划项目(2009AA122001, 2009AA122005); 科技部重大基础性项目(2007FY110300鄄 04, 2007FY110300鄄
08); 浙江省重大科技专项(2008C13G2100010); 浙江省重点科技创新团队(2010R50030)
收稿日期:2013鄄01鄄05; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄05
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: jianghong_china@ hotmail.com
DOI: 10.5846 / stxb201301050025
刘玉莉,江洪,周国模,陈云飞,孙成,杨爽.安吉毛竹林水汽通量变化特征及其与环境因子的关系.生态学报,2014,34(17):4900鄄4909.
Liu Y L,Jiang H,Zhou G M,Chen Y F,Sun C,Yang S.Water vapor flux variation characteristic and the relationship with its environment factors in
phyllostachys edulis forest in Anji.Acta Ecologica Sinica,2014,34(17):4900鄄4909.
安吉毛竹林水汽通量变化特征及其与环境因子的关系
刘玉莉1,江摇 洪1,2,*,周国模1,陈云飞1,孙摇 成1,杨摇 爽1
(1. 浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室,杭州摇 311300;
2. 南京大学国际地球系统科学研究所,南京摇 210093)
摘要:以浙江省安吉县毛竹(Phyllostachys edulis)林生态系统为研究对象,利用涡度相关技术进行观测,获取 2011年毛竹林的水
汽通量数据,同时结合常规气象观测数据,分析了水汽通量全年变化。 结果表明:毛竹林全年水汽通量基本为正值,月尺度上,
水汽通量呈单峰型变化趋势,且各月的最大值均在 12:00—14:00 出现,呈现一定规律性,7 月(0.1116 g m-2 s-1)最高,12 月
(0郾 0209 g m-2 s-1)最低;季节尺度上,夏季最高(0.0873 g m-2 s-1),呈现典型单峰型变化趋势,春秋季(均为 0.0541 g m-2 s-1)次
之,变化特征与夏季相似,冬季最低(0.0221 g m-2 s-1),曲线变化复杂,波动较大。 毛竹林全年蒸散量占全年降水量 48.26%。 2、
4、5、11、12月蒸散量略大于降水量,其余月份蒸散量均小于降水量,6月份降水量与蒸散量差别最大。 季节尺度上,对毛竹林水
汽通量与净辐射进行回归关系分析,夏季最大,R2为 0.6111,秋季为 0.5295,春季为 0.2605,冬季最小 0.0455。 通过 F检验,水汽
通量与净辐射有极显著线性关系。 在植物生长期,毛竹林水汽通量随饱和水汽压差的增大而增大,植物发育成熟后,当饱和水
汽压差增大到一定程度时,其增大反而抑制了水分的蒸散。
关键词:毛竹林;涡度相关;水汽通量;净辐射;饱和水汽压差
Water vapor flux variation characteristic and the relationship with its
environment factors in phyllostachys edulis forest in Anji
LIU Yuli1,JIANG Hong1,2,*,ZHOU Guomo1,CHEN Yunfei1,SUN Cheng1,YANG Shuang1
1 Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration, Zhejiang Agriculture and Forestry University,
Hangzhou 311300, China
2 International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China
Abstract: Based on the measurements of eddy covariance ( EC), the water vapor flux of Phyllostachys edulis forest
ecosystem was analyzed from January to December of 2011 in Anji County, Zhejiang Province of the subtropical China. The
annual changes of water vapor flux and its budget, also include the responses to precipitation, net radiation (Rn) and vapor
pressure deficit (VPD) were investigated through to combined with conventional meteorological data. The results showed
that annual water vapor flux was positive value, which discovered that moso bamboo forest was the source of water vapor, as
well as the water vapor flux had distinct diurnal and seasonal variations. On a monthly curve, the diurnal changes of water
vapor flux were in a single鄄peak type, the maximum values were all at 12:00—14:00, showing a regularity pattern, the
maximum presented in July (0.1116 g m-2 s-1),the minimum (0.0209 g m-2 s-1) in December. On a seasonal scale, the
http: / / www.ecologica.cn
water vapor flux presented a single peak typically in Summer, and the maximum value was 0.0873 g m-2 s-1, the variations
of Spring and Autumn were similar to Summer, both of them were 0.0541 g m-2 s-1 . However, in Winter it varied much
more intricately, fluctuating greatly, which showed that there were some smaller peaks except a high peak. Besides, the
annual evapotranspiration of the forest was 744.72 mm, slightly lower than that of other types of woodland Korean Pine forest
and Cunninghamia lanceolata forest. The annual evapotranspiration of the moso bamboo forest was about 48.26% of the
annual precipitation, which is 1543.10 mm. Except February, April, May, November and December, evapotranspirations of
all the other months were less than precipitations. In June, the differences between evapotranspiration and precipitation
appeared obviously significant. Rn was the main driving force of evapotranspiration and was a key factor on the energy
balance. Through this study of regression relationship between water vapor flux and different net radiation analysis, there
were a high correlation between them. And the squares of correlation coefficients (R2) were 0.2605 in Spring, 0.6111 in
Summer, 0.5295 in Autumn and 0. 0455 in Winter. Therefore, this result showed that there existed significant linear
relationship between water vapor flux and net radiation at different temporal scales by F test. In addition, using the data of
VPD of the moso bamboo forest from June to September, the height of which was 1m from the ground to the canopy, and the
result suggested that before moso bamboo vegetation matured, water vapor flux was strongly linearly increased with the
increasing of VPD. But the evapotranspiration was depressed after its matured, as the increasing of VPD when it surpassed
certain extent. The research suggested that the quadratic equation fitting of correlation coefficient ( R2 from June to
September, 0.4251, 0.2955, 0.3806 and 0.2312) was much higher than the exponential fitting忆s.while the R2 were 0.3708,
0.2021, 0.2666 and 0.2137, and it also displayed that there was significant linear relationship between water vapor flux and
VPD by F test during the time series.
Key Words: Phyllostachys edulis forest; eddy covariance; water vapor flux; net radiation (Rn); vapor pressure difference
(VPD)
摇 摇 毛竹 phyllostachys edulis是禾本科 Poaceae 竹亚
科刚竹属竹种,单轴散生型,多年生常绿植物,根系
稠密集中,生长周期短,产量高。 毛竹林是我国重要
的森林资源之一,长江以南,分布着世界上 85%的毛
竹,且大多生长在 400—800 m 的丘陵、低山山麓地
带。 研究区安吉县更素有“毛竹之乡冶的美誉。 近年
来,对毛竹的光合生理[1鄄3]、土壤呼吸特征[4]、以及固
碳能力[5鄄6]研究的相对较多,但是,迄今为止仍未见
与毛竹林水汽通量相关的研究报道。 水汽通量是生
态系统水循环过程的一个重要特征参数,又称水汽
输送量,是单位时间内通过单位面积的水汽量。 陆
地鄄大气系统的水蒸气输送是水循环的一个环节,潜
热输送的载体,能量平衡的重要影响因子。 森林水
汽通量主要指地面或水面的蒸发通量、植被冠层截
留降水的蒸发通量和植物的蒸腾通量三者之和,是
森林植被水分状况的重要指标,生态系统能量闭合
的重要影响因素,影响区域和全球气候的重要因子。
尤其是地表植被的蒸散通量一直被作为影响全球气
候的重要因素之一[7鄄8],发展至今,随着通量观测系
统及其技术的出现,利用涡度相关技术研究蒸
散[9鄄10]日益受到学者们的广泛关注。
目前,在全球范围内,微气象学的涡度相关法已
应用在陆地生态系统物质和能量交换观测,并且取
得良好效果。 这种方法也成为通量观测网络
FLUXNET ( Ameri鄄Flux、 Euro鄄Flux、 Asia鄄Flux、 China鄄
Flux) 的标准观测方法[11鄄13]。 本研究以浙江省安吉
县山川乡毛竹林生态系统为研究对象,利用涡度相
关观测技术研究了毛竹林 2011 年全年水汽通量的
动态变化特征,分析了其与净辐射、饱和水汽压等环
境因子之间的关系,为进一步研究毛竹林生态系统
的水汽收支状况提供一定的科学依据,也为当地毛
竹经营管理的可持续发展提供一定的理论参考。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验地概况
试验区设在浙江省湖州市安吉县山川乡,地理
位置 30毅28忆34.5义N, 119毅40忆25.7义E,属于亚热带季风
气候类型。 气候特点:季风显著,四季分明,雨热同
1094摇 17期 摇 摇 摇 刘玉莉摇 等:安吉毛竹林水汽通量变化特征及其与环境因子的关系 摇
http: / / www.ecologica.cn
期,有梅雨季节,空气湿润。 年平均气温 16.6 益,年
日照时数 1613—2430 h,1 月份温度最低,平均气温
-0.4—5.5 益,7月份温度最高,平均气温 24.4—30.8
益,年降水量 761—1780 mm,月平均相对湿度在
70%以上。 安吉县山川乡森林面积为 4251 hm2,其
中竹林面积为 2155 hm2,占森林总面积的 50.7%,毛
竹林面积 1693 hm2,占竹林总面积的 78.6%。 毛竹
林通量观测塔位于海拔 380 m 处,(土壤类型为黄
壤、黄红壤,下垫面坡度 2. 5—14毅,坡向为北偏东
8毅),周围 1000 m范围之内的植物类型以毛竹为主。
试验区内的毛竹林为人工纯林,林分密度为 4500 株
/ hm2,毛竹胸径 12—18 cm,高度 13—20 m,枝下高
10—17 m,冠幅 3.0 m伊2.5 m,盖度 90%,郁闭度 0.9,
毛竹节间短,壁厚,出笋期为 3—5月,且连年出笋能
力较强,平均每年产量约为 1000—1500 kg / hm2,林
下有极少灌木和草本。
1.2摇 观测仪器
竹林中建有高 40 m的微气象观测塔,开路涡度
相关系统的探头安装在距地面 38 m的高度,主要由
三维超声风速仪(CAST3, Campbell Inc., USA) 和开
路 CO2 / H2O分析仪(Li鄄 7500, LiCor Inc., USA) 组
成,其原始采样频率为 10 Hz,数据采集器(CR1000,
Campbell Inc., USA) 存储所有数据,可在线计算并
存储 30 min的 CO2通量(carbon flux, FC)、摩擦风速
(Ustar)、潜热通量( latent heat flux, LE)和显热通量
(sensible heat flux, HS)等结果。
常规气象观测系统主要包括 3 层风速(010C,
metone, USA)、 3 层大气温度和湿度 ( HMP45C,
Vaisala, Helsinki, Finland),安装高度分别为 1 、7 m
和 38 m。 2个 SI鄄 111 红外温度分别置于 2、23 m,采
集地表和冠层的温度;安装在 38 m的高度的净辐射
仪(CNR4,Kipp&Zonen)传感器,分别用来采集上行
和下行的长波 /短波辐射以及净辐射的数据。 常规
气象观测系统的数据采样频率为 0.5 Hz,该系统通
过数据采集器(CR1000,Campbell Inc, USA) 每 30
min自动记录平均风速、气压、温度和净辐射等常规
气象信息。 试验样地内设有雨量筒,用于记录降水
量信息。
1.3摇 研究方法
1.3.1摇 计算公式
水汽通量(E) 通过实时测定的垂直风速与其浓
度的协方差来求得。 采用的公式为:
E = 籽 w忆q忆
式中,籽代表干空气密度,q 代表比湿脉动,w 代表垂
直风速;横线表示一段时间内的平均值;撇号表示脉
动。 并规定若气体由大气圈进入生态系统,通量符
号为负,若气体由生态系统进入大气圈,则通量符号
为正[14]。
1.3.2摇 数据处理
该试验采用的数据为通量观测的 30 min 平均
值。 数据处理采用目前普遍采用的比较成熟的方
法,主要包括 2 次坐标旋转来矫正地形以及观测仪
器的不水平,并使垂直方向的风速平均值为 0,水平
方向的风速和主导风向一致,且剔除由于恶劣天气
(有降水)、湍流不充分等导致的不合理数据,对于打
雷、仪器故障等原因导致的缺失数据采取如下方法
插补:其中臆2 h 的用平均值来插补,即用平均日变
化法(MDV)插补缺失的数据[15],对于缺失的数据采
用相邻几天相同时刻的平均值来进行插补,此方法
首先要确定平均时段的长度,另有研究表明白天取
14 d、夜间取 7 d的平均时间长度所得结果的偏差是
最小的[16];>2 h的用其与净辐射的方程插补。
2摇 结果与分析
2.1摇 全年水汽通量各月平均日变化特征
对安吉毛竹林 2011 年全年水汽通量数据进行
统计,得到逐日逐半小时的水汽通量数据,按月将每
天同时刻的水汽通量求平均值,计算当月平均日变
化,结果如图 1所示。
图 1显示,毛竹林全年水汽通量基本为正值,均
呈单峰型变化趋势,表明水汽输送方向是由毛竹林
生态系统向大气输送,毛竹林是水汽源。 各月最大
值均在 12:00—14:00 出现,呈现一定规律性,是由
于该段时间太阳辐射较强,温度较高,湍流通量较
大,植物蒸腾和地表蒸发比较旺盛;而夜间水汽通量
几乎为 0,原因是夜间温度较低,光线较弱,土壤蒸发
和叶片蒸腾极其微弱。 同时净辐射为负值,湍流通
量很小。 6:00—8:00 逐渐升高,至最高点后逐渐降
低,17:00—19:00 趋近于 0,波动较为平缓,且基本
保持稳定。 一昼夜内,生态系统的温度、热量、水分
等气象因子都发生明显变化,同时植物生理活动也
受昼夜生物节律的调节,因此植被蒸散有明显的日
2094 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
变化特征。 分析各月水汽通量的变化时刻与当时日
出、日落时间,凌晨到日出前植物生理活动很弱,稳
定地处于一天最低水平;日出后植物开始进行光合
作用,随着光照的增强,植物的生理活动越来越活
跃,叶片蒸腾作用旺盛,温度升高促进土壤蒸发,蒸
散迅速增加;午后 1—2 h蒸散达到一天中最大值;此
后开始逐步回落,到夜间蒸散处于较为稳定的低
水平。
图 1摇 2011年安吉毛竹林水汽通量各月平均日变化分布
Fig.1摇 Mean diurnal change distribution of monthly water vapor flux in phyllostachys edulis forest of Anji country (2011)
摇 摇 3—5月曲线较其他月份的波动大,日变化幅度
较大,原因是此时气候复杂多变,温度变化幅度大,
进一步影响毛竹生态系统内的地表蒸发和植被蒸
腾,从而导致生态系统的水汽通量日变化幅度较大。
2011 年各月水汽通量最大值在 0. 02—0. 12
g m-2 s-1之间,不同季节差异很明显。 峰值基本在
12:00—14:00出现。 7月水汽通量值(0.1116 g m-2
s-1)明显大于其余月份,原因是该月的光照较强,温
度较高,而降水量仅为 192.7 mm,植物生长受抑制,
蒸腾旺盛,地表植被及土壤蒸发较大。 12 月最低
(0郾 0209 g m-2 s-1),这也与当月的气候条件以及下
垫面性质相吻合。
毛竹林全年水汽通量最小值基本为-0.0024—
0郾 0166 g m-2 s-1,且均集中在夜间或凌晨,只是各月
出现的时间点不同。 6、8 月的夜间水汽通量明显大
于其它月份,其中 8月(0.0166 g m-2 s-1)最大,是由
于这两个月处于夏季,降水较多,空气湿度大,气温
高,白天云层较厚,吸收光照热量,致使毛竹林温度
变化幅度相对较小,水汽通量无明显变化;夜间云层
释放热量,致使毛竹林内部温度较其余月份稍高,夜
间水汽通量较之稍高,18:00—20:00气温下降,水汽
通量下降,趋近于 0。
2.2摇 全年水汽通量季节变化特征
通过对全年数据的统计,得到安吉毛竹林生态
系统的全年逐日逐半小时的水汽通量数据,按季节
计算平均日变化,结果如图 2所示。
图 2显示,毛竹林夏季水汽通量日变化规律性
较强,变化曲线为单峰,曲线平滑, 18: 00—次日
06:00水汽通量维持在 0.0075—0.0251 g m-2 s-1之
间,06:00—12:00逐渐升高,在 12:00 左右达到最大
3094摇 17期 摇 摇 摇 刘玉莉摇 等:安吉毛竹林水汽通量变化特征及其与环境因子的关系 摇
http: / / www.ecologica.cn
图 2摇 2011年安吉毛竹林水汽通量各季节平均日变化特征
Fig.2 摇 Mean diurnal change distribution of quarterly water
vapor flux in phyllostachys edulis forest of Anji (2011)
值后逐渐降低,在 18:00 左右趋于稳定。 秋季的变
化规律性次之,变化曲线为单峰,曲线相对平缓,变
化规律与之相似。 而冬春两季的日变化与夏秋季相
比,变化规律性较差,日变化幅度较大,表现为曲线
波动较大,不够平滑,曲线除一个顶峰以外,还有若
干小峰存在。 分析夏季水汽通量日变化规律较强的
原因是夏季为雨季,有持续阴天降水的气候现象,空
气湿度大,气温较高,较其他 3 个季节加强了地表蒸
发和植被蒸腾作用,进而导致水汽通量的增大。
由于受当地气候影响,试验区 2011 年水汽通量
季节变化特征为:夏季特征最明显,且高于其他各季
节,春秋季变化特征相似,峰值相同,冬季变化相对
较复杂,有若干个峰值,曲线波动较多。
2.3摇 降水量与蒸散量
蒸散作用是指地表蒸发作用与植物蒸腾作用的
总和,为地表到大气的能量转移贡献了 75%,大气中
的垂直水交换主要由太阳能通过蒸散作用来驱动,
换言之,蒸散作用是水循环的一个重要因子,地球能
量收支中的一个非常重要过程[17]。 蒸散量是生态
系统内土壤蒸发和植被蒸腾的总耗水量,是全年水
汽通量的总和。 主要受蒸发势、土壤供水状况、植被
状况等因素影响。
通过雨量筒测得 2011 年各月降水量,计算各月
水汽通量的总和(图 3)。
图 3摇 2011年安吉毛竹林蒸散量与降水量对比
Fig.3摇 The contrast between evapotranspiration and
Precipitation in phyllostachys edulis forest of AnJi (2011)
图 3显示,毛竹林 2、4、5 月和 11 月的蒸散量稍
大于降水量,12月二者相差不大,其余各月蒸散量均
小于降水量,6月降水量远远大于蒸散量,是由于在
蒸散量相对稳定的情况下,进入夏季,6 月份已是梅
雨期,降水大幅度增多。 各季节降水量、蒸散量及其
占全年的比例如表 1所示。
表 1摇 毛竹林各季度降水量与蒸散量及其占全年降水量与蒸散量的比重
Table 1摇 Contrast between Evapotranspiration and Precipitation in phyllostachys edulis forest at every quarter
季节
Season
月份
Month
降水 Precipitation
降水量 / mm
Precipitation
比例 / %
Proportion
蒸散 Evapotranspiration
蒸散量 / mm
Evapotranspiration
比例 / %
Proportion
冬季 Winter 12,1,2 93.00 6.04 81.20 10.91
春季 Spring 3,4,5 174.70 11.32 185.67 24.93
夏季 Summer 6,7,8 1062.20 68.84 315.55 42.37
秋季 Autumn 9,10,11 213.20 13.80 162.31 21.79
全年 All the year 1543.10 744.73
摇 摇 毛竹林夏季的降水量为 1062.20 mm,占全年总
降水量(1543.10 mm)的 68.84%。 春秋季降水量相
差不大,春季占全年的 11.32%,秋季占 13.80%,冬季
最少,仅占 6. 04%。 蒸散量方面,夏季最大 315. 55
mm,占全年蒸散量(744.73 mm)的 42.37%,春季占
24.93%,秋季占 21.79%,冬季最小,占 10.91%。 季
4094 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
节尺度上,二者存在较强响应关系。 毛竹林全年蒸
散量(744. 73 mm)占全年降水量(1543. 10 mm)的
48.26%,略低于实际情况,原因可能是夜间降水或露
水对水汽通量的观测有较大影响,易导致低估通量
值[18鄄19],另外处理数据时采用的方法也可能是导致
结果低于实际观测值的原因之一[14]。
表 2为目前中国通量观测系统(China鄄Flux)的
部分站点,亚热带同气候类型,降水量大体相同,不
同林型的生态系统进行比较,千烟洲人工针叶林
(Coniferous forest),主要树种有马尾松(P.massoniana) 、
湿地松( Pinusell iottii ) 、杉木(Cunninghamia lanceolata)
2004年全年蒸散量占全年降水量 55郾 60%;广东鼎湖
山针阔混交林优势树种为荷木(Schima superba)、锥
栗(Castanopsis chinensis)和马尾松,年均蒸散量占同
期降水量的 58.68%;湖南会同杉木林多年年均蒸散
量占同期降水量的 70郾 50%;长江滩地抑螺防病林
2006年蒸散量占同期降水量的 48.45%;云南哀牢山
亚热带季雨林年均蒸散量为 1369.4 kg / m2;江苏常
熟农田年均蒸散量为 705.00 kg / m2;各生态系统全
年蒸散量关系为:云南哀牢山季雨林最大,鼎湖山针
阔混交林其次,湖南会同杉木林较之略小,都大于毛
竹林,其余都小于毛竹林。 表明不同植被类型之间
蒸散量差异很大。 一般而言,不同生态系统年蒸散
量关系为森林>农田>草地。 而森林中,高大的乔木
林>亚乔木林>灌木林[23]。
表 2摇 不同生态系统植被蒸散量对比
Table 2摇 Contrast of evapotranspiration between different type plants in Ecosystems
站点
Site
生态系统
Ecosystem
气候类型
Climate type
观测时间
Observation
time
年降水量 / mm
Annual
precipitation
年蒸散量 / mm
Annual
evapotran
Xspiration
数据来源
Data sources
江西千烟洲 人工针叶林 亚热带季风气候 2004 1323.60 736.10 [14]
广东鼎湖山 针阔混交林 南亚热带湿润季风气候 — 1900(年均) 1115 (年均) [20]
湖南会同 杉木林 中亚热带湿润季风气候 1990—2005 1488(年均) 1049(年均) [21]
长江滩地 抑螺防病林 亚热带湿润季风气候 2006 1500.63 727.06 [22]
云南哀牢山 季雨林 亚热带季风气候 — — 1369.4(年均) [23]
浙江 毛竹林 亚热带季风气候 2011 1543.10 744.73 本文
江苏常熟 农田 亚热带季风气候 — — 705.00(年均) [24]
2.4摇 净辐射全年的季节变化特征
通过对毛竹林 2011 年全年净辐射的数据分析,
选取各季节典型月份(1、4、7 月和 10 月)的逐日逐
半小时净辐射的数据,按月将每天同时刻的净辐射
求平均值来计算当月平均日变化,结果如图 4所示。
毛竹林 1、4、7 月和 10 月的净辐射日变化表现
为单峰型,日出后,净辐射向正值转变,在转折瞬间
净辐射为 0,之后不断增大,12:00 左右达到一天的
最大值后逐渐下降,日落净辐射由正值转为负值,转
折瞬间为 0,夜间太阳辐射为 0,而地表温度较高,致
使向外的辐射输出远大于收入,夜间净辐射就表现
为负值。 对比可知,7月份的峰型与其余 3个月份不
同,表现为 12:00左右出现下降趋势,这与 7 月份的
特殊天气有关,7月份为雨季,白天太阳辐射比较强,
大气对流强烈,易在午后形成积雨云,有雷阵雨,从
而引起净辐射的变化。 这也解释了图 1 中 7 月份水
图 4摇 净辐射的日均变化
Fig.4摇 Diurnal variation of mean value of net radiation
汽通量日变化曲线中在 12:00 左右出现下降趋势的
现象。
5094摇 17期 摇 摇 摇 刘玉莉摇 等:安吉毛竹林水汽通量变化特征及其与环境因子的关系 摇
http: / / www.ecologica.cn
2.5摇 净辐射与水汽通量在季节尺度上的相关性
毛竹林全年净辐射为 2604.821 MJ m-2 a-1,季节
尺度上水汽通量对净辐射的响应见图 5。
图 5摇 各季度水汽通量对净辐射的响应拟合曲线
Fig.5摇 The quarterly response of water vapor flux to net radiation (Rn)
摇 摇 生态系统的净辐射是驱动植被下垫面温度变
化、显热和潜热交换的能量来源,从根本上说,这些
变化所需的能量皆由辐射平衡的能量转化而来[25],
可见净辐射也是蒸散的驱动力。 一般情况下,净辐
射是白天水分蒸散的主要能量来源,因此,白天的蒸
散量与净辐射是密切相关的[26]。 净辐射 Rn 在不同
季节变化不同,但水汽通量都对其有良好的响应。
图 4 显示(通过 F 检验),夏季相关系数最大,R2为
0郾 6111,相关度最高,秋季 R2为 0郾 5295,春季 R2为
0郾 2605,冬季 R2为 0郾 0455。 但相关系数最大时,R2
为 0郾 6111,在拟合方程均为一元二次多项式时,略高
于千烟洲人工林晴天的 R2(0郾 55) [14],小于长江滩地
抑螺防病林晴天时拟合方程( y = 0郾 0002x+ 0郾 026)
的 R2(0郾 82) [22],小于同时期植物生长季内三江平原
典型沼泽湿地蒸散量拟合方程(y = 0郾 379x+11郾 679)
的 R2(0郾 841) [27],表明毛竹林夏、秋季净辐射 Rn 和
水汽通量线性关系较好;在植物生长期内,净辐射增
大致使气温升高,水分蒸发速率增大。 在强烈的太
阳辐射作用下(太阳辐射与净辐射高度正相关),叶
温升高,增大叶片水汽扩散梯度,有利于植物水分蒸
腾;太阳辐射能够促使气孔导度增加,气孔开放,蒸
腾作用加强,这是夏季净辐射对毛竹林水汽通量影
响明显的根本原因。
R2大小说明影响水汽通量的因素是多方面的。
通过 F检验(P<0郾 01),水汽通量和净辐射的相关性
极显著,水汽通量对净辐射有良好的响应性。 与千
烟洲人工针叶林、长江滩地抑螺防病林和三江平原
的沼泽湿地的研究结果一致。 而各季节相关系数的
大小关系说明了各季节气候条件对其影响。 春季气
候相对复杂,天气变化多样,温度变幅较大,对水汽
通量有一定的影响,图上各点比较分散、不集中,与
吉喜斌等[28]的研究相符。 冬季水汽通量普遍较低,
且毛竹林冬季降水量较少,几乎与蒸散量持平,温度
较低,有人为钩梢、冬笋出土,也一定程度影响植被
蒸腾和地表蒸发量,故冬季水汽通量与净辐射相关
性较小。
2.6摇 饱和水汽压差对水汽通量的影响
蒸散发生在土壤、植被与大气间的水汽交换过
6094 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
程,土壤-大气之间和植被-大气之间的水汽浓度都
为植被蒸散提供驱动力,因此水分状况直接影响蒸
散过程。 而表征大气水分状况的指标主要有水汽浓
度、湿度、水汽压、相对湿度和饱和水汽压差,其中最
能体现水汽密度差异指标的是饱和水汽压差
(VPD),可代表性的反映大气对水分的“需求冶,代
表植被蒸散的驱动力[23]。
根据全年蒸散量情况,选取 6—9月毛竹主要生
长期的逐日逐半小时的、高度为林冠距地面 1 m 的
饱和水汽压差的数据,图 6 为对应时刻水汽通量对
饱和水汽压差的响应。
图 6摇 2011年 6月—9月安吉毛竹林饱和水汽压(VPD)对水汽通量的影响
Fig.6摇 The influence of vapor pressure difference on water vapor flux in Phyllostachys edulis forest of AnJi (2011鄄06—09)
摇 摇 图 6 表明 6—9月毛竹林水汽通量与 VPD 正相
关性明显。 主要原因:一毛竹叶片蒸腾作用与气孔
开度和外界的空气水汽压差成正比关系,进一步与
空气饱和水汽压差成正比关系[29];二水分蒸发也受
饱和水汽压差影响,空气饱和水汽压差越大,蒸发作
用越强。
图 6显示出水汽通量在不同月份对 VPD 的响
应程度不相同。 线性拟合程度上,一元二次方程拟
合比指数拟合相关系数要高,通过 F 检验 ( P <
0郾 01),水汽通量与 VPD有极显著的相关性。 6、7月
份毛竹生长旺盛,需水量大,蒸腾作用强烈,对环境
因子的耐受范围较大,水汽通量随着 VPD 的增大而
增大,与张新建等[9]研究结论一致;8 月毛竹发育进
入成熟期,各种生理活动主要用来维持自身新陈代
谢,当 VPD 增大到一定程度后,明显开始受到水分
胁迫,叶片气孔更多的开始表现为闭合,通过降低蒸
腾作用来保持自身水分平衡,水汽通量开始随 VPD
的增大而减小,结果与 Takagi 等[30]的一致。 9 月毛
竹叶片开始枯萎,各种生理活动开始减弱,气孔闭合
对水分蒸腾的限制作用增强,在一定范围内,水汽通
量随 VPD的增大而减小,表现为负相关关系。
3摇 结论
安吉毛竹林 2011 年水汽通量特征的观测结果
表明,全年各月各时刻的水汽通量基本均为正值,说
明毛竹林是水汽源,月尺度上,各月日均变化呈单峰
型,6:00—8:00 开始逐渐升高,在 12:00—14:00 左
右至最高点后逐渐降低,17:00—19:00 趋近于 0,波
动较为平缓,基本保持稳定,呈现一定的规律性。 7
月全年最高,12月最低。
季节尺度上,不同季节水汽通量日变化特征不
同。 夏季日变化特征为典型单峰型,规律性较强,春
秋季与之相似,冬季虽为单峰,但有若干小峰存在,
规律性稍差,曲线波动大。
毛竹林全年蒸散量占全年降水量的 48. 26%。
2、4、5、11月的蒸散量稍大于降水量,12 月二者相差
7094摇 17期 摇 摇 摇 刘玉莉摇 等:安吉毛竹林水汽通量变化特征及其与环境因子的关系 摇
http: / / www.ecologica.cn
不大,其余各月蒸散量均小于降水量,6 月降水量远
大于蒸散量。
毛竹林全年净辐射为 2604.821 MJ m-2 a-1,净辐
射作为影响水汽通量的最主要因子,其大小直接影
响当地毛竹林生态系统的水汽通量收支情况,毛竹
林水汽通量状况与当地净辐射表现出较好的正相
关性。
6—9月毛竹主要生长期内探讨水汽通量对饱和
水汽压差的响应情况。 在毛竹生长阶段,水汽通量
随饱和水汽压差的增大而增大;发育成熟后,一定范
围内,水汽通量随饱和水汽压的增大而增大,超过一
定范围,饱和水汽压差的增大反而抑制了水分的
蒸散。
水汽通量是生态系统水循环过程的重要特征参
数,水循环的环节,潜热输送的载体,能量平衡的重
要影响因子,因而一直是气象学、水文学以及生态学
等重点学科的研究热点。 由于涡度相关法的出现,
极大促进了该项研究的进展,但其也有局限性,如数
据的检验和修正等,本文只是对安吉毛竹林 2011 年
全年的水汽通量以及净辐射数据进行的分析,数据
只有 1a,由于夜间水汽通量的校正方法以及适合全
天数据缺失的插补方法等因素,对于研究区域水汽
通量还存在一定的偶然性、局限性,因此需要进一步
的研究来分析和验证。
References:
[ 1 ]摇 Wen G S, Zhang L Y, Zhang R M, Wang D J, Zhang J. Climate
change response using a simulation study of photosynthetic
physiology on Phyllostachys pubescens. Journal of Zhejiang A&F
University, 2011, 28(4): 555鄄561.
[ 2 ] 摇 Zhang L Y, Wen G S, Wang S J, Liu Z L. Four light鄄response
models to estimate photosynthesis of Phyllostachys pubescens.
Journal of Zhejiang A&F University, 2011, 28(2):188鄄193.
[ 3 ] 摇 Shi J M, Guo Q R, Yang G Y. Study on the photosynthetic
dynamic variation of Phyllostachys edulis. Forest Research, 2005,
18(5): 551鄄555.
[ 4 ] 摇 Yuan H Y, Liu Y Y, Zhou G M, Yu S Q. Soil respiration and its
regulating factors in the Phyllostachys edulis forest of west Tianmu
Mountain. China. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30 ( 17 ):
4590鄄4597.
[ 5 ] 摇 Xiao F M, Fan S H, Wang S L, Guan F Y, Yu X J, Shen Z Q.
Estimation of the carbon balance in Moso Bamboo and Chinese Fir
plantation ecosystem. Scientla Silvae Sinicae, 2010, 46 ( 11):
59鄄64.
[ 6 ] 摇 Zhou G M. Carbon storage, fixation and distribution in mao
bamboo ( Phyllostachys Pubescens ) stands ecosystem [ D ].
Zhejiang: Zhejiang University, 2006.
[ 7 ] 摇 Shukla J, Mintz Y. Influence of land鄄surface evapotranspiration on
the Earth忆s Climate. Science, 1982, 215 (4539):1498鄄1501.
[ 8 ] 摇 Irmak S, Asce M. Dynamics of nocturnal, daytime, and sum鄄of鄄
hourly evapotranspiration and other surface energy fluxes over
Nonstressed maize canopy. Journal of Irrigation and Drainage
Engineering, 2011, 137(8):475鄄490.
[ 9 ] 摇 Zhang X J, Jin C J, Guan D X, Wang A Z, Wu J B, Yuan F H.
Long鄄Term eddy covariance monitoring of evapotranspiration and
its environmental factors in a temperate mixed forest in Northeast
China. Journal of Hydrologic Engineering, 2012, 17 ( 9 ):
965鄄974.
[10] 摇 Liu D, Li J, Yu Q, Tong X J, Ouyang Z. Energy balance closure
and its effects on evapotranspiration measurements with the eddy
covariance technique in a cropland. Acta Ecologica Sinica, 2012,
32(17): 5309鄄5317.
[11] 摇 Baldocchid D, Valentini R, Running S, Oechel W, Dahlman R.
Strategies for measuring and modeling carbon dioxide and water
vapour fluxes over terrestrial ecosystems. Global Change Biology,
1996, 2(3): 159鄄168.
[12] 摇 LEE X H. On micrometeorological observation of surface鄄air
exchange over tall vegetation. Agriculture and Forest Meteorology,
1998, 91(1 / 2): 39鄄49.
[13] 摇 Falge E, Baldocchi D, Olson R, Anthoni P, Aubinet M,
Bernhofer C, Burba G, Ceulemans R, Dolman H, Granier A,
Gross Pa, Gr俟nwald T, Hollinger D, Jensen N O, Katul G,
Keronen P, Kowalski A, Ta L C, Law B E, Meyers T, Moncrieff
J, Moors E, Munger J W, Pilegaard K, Rannik 譈, Rebmann C,
Suyker A, Tenhunen J, Tu K, Verma S, Vesala T, Wilson K,
Wofsy S. Gap filling strategies for long term energy flux data sets.
Agriculture and Forest Meteorology, 2001, 107(1):71鄄77.
[14] 摇 Li J, Liu Y F, Yang X G, Li J. Studies on water vapor flux
characteristic and the relationship with environment factors over a
planted coniferous forest in Qianyanzhou station. Acta Ecologica
Sinica, 2006, 26(8):2449鄄2456.
[15] 摇 Yu G R, Sun X M. Flux Measurement and Research in Terrestrial
Ecosystem in China.Beijing: Science Press, 2008:174鄄175.
[16] 摇 Falge E, Baldocchi D, Olson R, Anthoni P, Aubinet M,
Bernhofer C, Burba G, Ceulemans R, Clement R, Dolman H,
Granier A, Gross P, Gr俟nwald T, Hollinger D, Jensen N O,
Katul G, Keronen P, Kowalski A, Lai C T, Law B E, Meyers T,
Moncrieff J, Moors E, Munger J W, Pilegaard K, Rannik 譈,
Rebmann C, Suyker A, Tenhunen J, Tu K, Verma S, Vesala T,
Wilson K, Wofsy S. Gap filling strategies for defensible annual
sums of net ecosystem exchange. Agricultural and Forest
Meteorology, 2001, 107(1):43鄄69.
[17] 摇 Huang Z Y, Dong X J, Jiang G M, Yuan W P. Primary studies on
the daily dynamic changes of photo鄄synthesis and transpiration of
Salix psammophila. Acta Botannica Boreali鄄 Occidentalia Sinica,
2002, 22 (4): 817鄄823.
[18] 摇 Chapin S F 芋,Matson P A, Mooney H A. Principles of Terrestrial
Ecosystem Ecology / / Li B, Zhao B, Peng R H, Lu J Z, Jiang L
F, Liao C Z, Li C G, Yang X M, Ma T, Wu X W, Ma Z J
translations. Beijing: Advanced Education Press, 2005:61鄄62.
[19] 摇 Berbigier P, Bonnefond J M, Mellmann P. CO2 and water vapor
fluxes for 2 years above Euro flux forest site. Agricultural and
Forest Meteorology, 2001, 108(3): 183鄄197.
8094 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
[20]摇 Wang X, Wang C L, Zhou G Y, Yan J H, Sun G, Wang C L.
Dry season energy balance of a coniferous and broad鄄leaved mixed
forest at Dinghushan mountain, Southern China. Journal of
Tropical and Subtropical Botany, 2005, 13(3):205鄄210.
[21] 摇 Zhao M F, Xiang W H, Tian D L, Zhao Z H,Yan W D,Fang X.
The evapotranspiration estimation of planted Chinese fir in Huitong
of Hunan Province based on the 3鄄PG model. Hunan Agricultural
Science, 2008(3):158鄄162.
[22] 摇 Wang Z Y. Energy balance and Water Vapor Flux of Snail Control
and Schistosomiasis Prevention Forests Ecosystem in Yangtze River
Beach Land [ D]. Beijing: Chinese Forestry Research, 2008。
70鄄72.
[23] 摇 Yu G R, Wang Q F, Mi N. Ecophysiology of Plant
Photosynthesis, Transpiration, and Water Use. Beijing: Science
Press, 2010:351鄄352.
[24] 摇 Guo R P, Mo X G. Differences of evapotranspiration on forest,
grassland and farmland. Chinese Journal of Applied Ecology,
2007, 18(8):1751鄄1757.
[25] 摇 Yu G R, Niu D, Wang S Q, Wang Q F, Fu Y L, Liu X A, Ren
C Y, Mi N, Sun X M,Li Z Q, Li Q K, He H L, Song X, Zhang
L M, Zhao F H, Gao L P, Wen X F. Principles of Flux
Measurement in Terrestrial Ecosystems. Beijing: Advanced
Education Press, 2006:33鄄34.
[26] 摇 Mahrt L, Vickers D. Relationship of area鄄averaged carbon dioxide
and water vapour fluxes to atmospheric variables. Agricultural and
Forest Meteorology, 2002, 112(3 / 4): 195鄄202.
[27] 摇 Jia Zh J, Song Ch Ch, Wang Y S, Huang Y, Shi L Q. Studies on
Evapotranspiration over Mire in the Sanjiang Plain. Climatic and
Environmental Research, 2007, 12(4):496鄄502.
[28] 摇 Ji X B, Kang E S, Zhao W Z, Chen R S, Jin B W, Zhang Z H.
Simulation of the evapotranspiration from irrigational farmlands in
the Oases of the Heihe River Basin. Journal of Glacialogy and
Geocryology, 2004, 26(6):713鄄719.
[29] 摇 Anthoni P M, Law B E, Unsworth M H. Carbon and water vapor
exchange of an open鄄canopied ponderosa pine ecosystem.
Agricultural and Forest Meteorology, 1999, 95(3): 151鄄168.
[30] 摇 Takagi K, Tsuboya T, Takahashi H. Diurnal hystereses of stomatal
and bulk surface conductances in relation to vapor pressure deficit
in a cool鄄temperature wetland. Agricultural and Forest
Meteorology, 1998, 91(3 / 4): 177 鄄191.
参考文献:
[ 1 ]摇 温国胜, 张利阳, 张汝民, 王电杰, 张俊. 毛竹光合生理对气
候变化的短期响应模拟. 浙江农林大学学报,2011,28(4):
555鄄561.
[ 2 ] 摇 张利阳, 温国胜, 王圣杰, 刘兆玲.毛竹光响应模型适用性分
析. 浙江农林大学学报,2011,28(2):188鄄193.
[ 3 ] 摇 施建敏, 郭起荣, 杨光耀. 毛竹光合动态研究.林业科学研究,
2005,18(5):551鄄555.
[ 4 ] 摇 李雅红, 江洪, 原焕英, 刘源月, 周国模, 余树全. 西天目山
毛竹林土壤呼吸特征及其影响因子.生态学报, 2010, 30
(17): 4590鄄4597.
[ 5 ] 摇 肖复明, 范少辉, 汪思龙, 官凤英, 于小军, 申正其. 毛竹、杉
木人工林生态系统碳平衡估算. 林业科学, 2010, 46 (11):
59鄄64.
[ 6 ] 摇 周国模.毛竹林生态系统中碳储量、固定及其分配与分布的研
究 [D]. 浙江:浙江大学,2006.
[10] 摇 刘渡, 李俊, 于强, 同小娟, 欧阳竹.涡度相关观测的能量闭
合状况及其对农田蒸散测定的影响.生态学报,2012,32(17):
5309鄄5317.
[14] 摇 李菊, 刘允芬, 杨晓光, 李俊. 千烟洲人工林水汽通量特征及
其与环境因子的关系.生态学报,2006,26(8):2449鄄2456.
[15] 摇 于贵瑞, 孙晓敏. 中国陆地生态系统碳通量观测技术及时空
变化特征. 北京:科学出版社,2008:174鄄175.
[17] 摇 黄振英, 董学军, 蒋高明, 袁文平. 沙柳光合作用和蒸腾作用
日动态变化的初步研究. 西北植物学报, 2002, 22 ( 4):
817鄄823.
[18] 摇 蔡平, 马特森, 穆尼著. 陆地生态系统生态学原理 / /李博, 赵
斌, 彭容豪, 陆建忠, 姜丽芬, 廖成章, 杨晓明, 马涛, 吴晓
雯, 马志军, 李晨光译.北京:高等教育出版社,2005:61鄄62.
[20] 摇 王旭, 王春林, 周国逸, 闫俊华, Sun G, 王春林. 鼎湖山针阔
混交林旱季能量平衡研究. 热带亚热带植物学报, 2005, 13
(3):205鄄210.
[21] 摇 赵梅芳, 项文化, 田大伦, 赵仲辉, 闫文德, 方晰. 基于 3鄄PG
模型的湖南会同杉木人工林蒸发散估算. 湖南农业科学,
2008(3):158鄄162.
[22] 摇 王昭艳. 长江滩地抑螺防病林生态系统能量平衡与水汽通量
研究 [D]. 北京:中国林业科学研究院,2008. 70鄄72.
[23] 摇 于贵瑞, 王秋凤, 米娜. 植物光合、蒸腾与水分利用的生理生
态学.北京: 科学出版社,2010:350鄄360.
[24] 摇 郭瑞萍,莫兴国.森林、草地和农田典型植被蒸散量的差异. 应
用生态学报,2007:18(8):1751鄄1757.
[25] 摇 于贵瑞, 牛栋, 王绍强, 王秋凤, 付玉玲, 刘新安, 任传友,
米娜, 孙晓敏, 李正泉, 李庆康, 何洪林, 宋霞, 张雷明, 赵
风华, 高鲁鹏, 温学发. 陆地生态系统通量观测的原理与方
法.北京:高等教育出版社, 2006:33鄄34.
[27] 摇 贾志军, 宋长春, 王跃思, 黄耀, 石立庆. 三江平原典型沼泽
湿地蒸散量研究.气候与环境研究,2007:12(4):496鄄502.
[28] 摇 吉喜斌, 康尔泗, 赵文智, 陈仁升, 金博文, 张智慧. 黑河流
域山前绿洲灌溉农田蒸散发模拟研究.冰川冻土,2004, 26
(6):713鄄719.
9094摇 17期 摇 摇 摇 刘玉莉摇 等:安吉毛竹林水汽通量变化特征及其与环境因子的关系 摇