全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 愿期摇 摇 圆园员源年 源月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
海洋浮游纤毛虫生长率研究进展 张武昌袁李海波袁丰美萍袁等 渊员愿怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市森林调控空气颗粒物功能研究进展 王晓磊袁王摇 成 渊员怨员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
雪地生活跳虫研究进展 张摇 兵袁倪摇 珍袁常摇 亮袁等 渊员怨圆圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
黄河三角洲贝壳堤岛叶底珠叶片光合作用对 悦韵圆浓度及土壤水分的响应
张淑勇袁夏江宝袁张光灿袁等 渊员怨猿苑冤
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米槠人促更新林与杉木人工林叶片及凋落物溶解性有机物的数量和光谱学特征
康根丽袁杨玉盛袁司友涛袁等 渊员怨源远冤
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利用不同方法测定红松人工林叶面积指数的季节动态 王宝琦袁刘志理袁戚玉娇袁等 渊员怨缘远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
环境变化对兴安落叶松氮磷化学计量特征的影响 平摇 川袁王传宽袁全先奎 渊员怨远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征 程立平袁刘文兆袁李摇 志 渊员怨苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
土壤水分胁迫对拉瑞尔小枝水分参数的影响 张香凝袁孙向阳袁王保平袁等 渊员怨愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
遮荫处理对臭柏幼苗光合特性的影响 赵摇 顺袁黄秋娴袁李玉灵袁等 渊员怨怨源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
漓江水陆交错带典型立地根系分布与土壤性质的关系 李青山袁王冬梅袁信忠保袁等 渊圆园园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
梭梭幼苗的存活与地上地下生长的关系 田摇 媛袁塔西甫拉提窑特依拜袁李摇 彦袁等 渊圆园员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
模拟酸雨对西洋杜鹃生理生态特性的影响 陶巧静袁付摇 涛袁项锡娜袁等 渊圆园圆园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
岩溶洞穴微生物沉积碳酸钙要要要以贵州石将军洞为例 蒋建建袁刘子琦袁贺秋芳袁等 渊圆园圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
桂东北稻区第七代褐飞虱迁飞规律及虫源分析 齐会会袁张云慧袁蒋春先袁等 渊圆园猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
鄱阳湖区灰鹤越冬种群数量与分布动态及其影响因素 单继红袁马建章袁李言阔袁等 渊圆园缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
雪被斑块对川西亚高山两个森林群落冬季土壤氮转化的影响 殷摇 睿袁徐振锋袁吴福忠袁等 渊圆园远员冤噎噎噎噎噎
小秦岭森林群落数量分类尧排序及多样性垂直格局 陈摇 云袁王海亮袁韩军旺袁等 渊圆园远愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园员圆年夏季挪威海和格陵兰海浮游植物群落结构的色素表征 王肖颖袁张摇 芳袁李娟英袁等 渊圆园苑远冤噎噎噎噎
云南花椒园中昆虫群落特征的海拔间差异分析 高摇 鑫袁张立敏袁张晓明袁等 渊圆园愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
人工湿地处理造纸废水后细菌群落结构变化 郭建国袁赵龙浩袁徐摇 丹袁等 渊圆园怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
极端干旱区尾闾湖生态需水估算要要要以东居延海为例 张摇 华袁张摇 兰袁赵传燕 渊圆员园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
秦岭重点保护植物丰富度空间格局与热点地区 张殷波袁郭柳琳袁王摇 伟袁等 渊圆员园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
太阳辐射对黄河小浪底人工混交林净生态系统碳交换的影响 刘摇 佳袁同小娟袁张劲松袁等 渊圆员员愿冤噎噎噎噎噎
黄土丘陵区油松人工林生态系统碳密度及其分配 杨玉姣袁陈云明袁曹摇 扬 渊圆员圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
湘潭锰矿废弃地不同林龄栾树人工林碳储量变化趋势 田大伦袁李雄华袁罗赵慧袁等 渊圆员猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
湘南某矿区蔬菜中 孕遭尧悦凿污染状况及健康风险评估 吴燕明袁吕高明袁周摇 航袁等 渊圆员源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
北京市主要建筑保温材料生命周期与环境经济效益评价 朱连滨袁孔祥荣袁吴摇 宪 渊圆员缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
城市地表硬化对银杏生境及生理生态特征的影响 宋英石袁李摇 锋袁王效科袁等 渊圆员远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆苑远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆怨鄢圆园员源鄄园源
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 冷杉红桦混交林雪要要要冷杉是松科的一属袁中国是冷杉属植物最多的国家袁约 圆圆 种 猿 个变种遥 冷杉常常在高纬度
地区至低纬度的亚高山至高山地带的阴坡尧半阴坡及谷地形成纯林袁或与性喜冷湿的云杉尧落叶松尧铁杉和某些松树
及阔叶树组成针叶混交林或针阔混交林遥 冷杉具有较强的耐阴性袁适应温凉和寒冷的气候袁土壤以山地棕壤尧暗棕
壤为主遥 川西尧滇北山区的冷杉林往往呈混交状态袁冷杉红桦混交林为其中重要的类型遥 雪被对冷杉林型冬季土壤
氮转化影响的研究对揭示高山森林对气候变化的响应及其适应机制提供重要的理论支持遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 8 期
2014年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.8
Apr.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金 (31100322); 国家林业局公益性行业项目(GYHY20110400904); 北京林业大学科技创新计划项目(YX2011鄄19)
收稿日期:2013鄄08鄄18; 摇 摇 修订日期:2014鄄03鄄20
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: tongxjsxbs@ sina.com
DOI: 10.5846 / stxb201308182105
刘佳, 同小娟, 张劲松, 孟平, 李俊, 郑宁.太阳辐射对黄河小浪底人工混交林净生态系统碳交换的影响.生态学报,2014,34(8):2118鄄2127.
Liu J, Tong X J, Zhang J S, Meng P, Li J, Zheng N.Impacts of solar radiation on net ecosystem carbon exchange in a mixed plantation in the Xiaolangdi
Area.Acta Ecologica Sinica,2014,34(8):2118鄄2127.
太阳辐射对黄河小浪底人工混交林净
生态系统碳交换的影响
刘摇 佳1, 同小娟1,*, 张劲松2, 孟摇 平2, 李摇 俊3, 郑摇 宁2
(1. 北京林业大学林学院,北京摇 100083; 2.中国林业科学研究院林业研究所 国家林业局林木培育重点实验室, 北京摇 100091;
3. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京摇 100101)
摘要:太阳辐射是影响森林生态系统与大气间净碳交换(NEE)的主要环境因子之一。 利用涡度相关系统和微气象梯度观测系
统对黄河小浪底人工混交林 CO2通量和相关气象因子进行了 3a(2006—2008年)的连续观测;以晴空指数(kt)为指标,分析了
2006—2008年生长旺季(6—8月)太阳辐射对该生态系统 NEE的影响,讨论了太阳辐射和其他环境因子协同变化对 NEE的影
响机制。 结果表明: 2006—2008年生长季,在多云天气下,生态系统最大光合速率 Pmax比晴朗天气下分别提高了 38%、58%和
55%;多云天气下的初始光能利用率 琢分别是晴天天气的 2.6、1.9和 2.2倍。 晴空指数 kt约为 0.44的中等辐射条件下,即天空
存在一定的云量时,人工混交林生态系统的净碳吸收最大。 多云天气下,散射辐射的增加与气象因素变化(气温下降、饱和差
减小)的相互作用会增加冠层光合、削弱呼吸作用,从而共同影响了净生态碳吸收的增强。 因此,在植被生长旺季,与晴朗无云
天气相比,有云层覆盖的天气条件会使人工混交林生态系统的碳吸收能力有所提高。
关键词:晴空指数;散射辐射;净碳交换;光合有效辐射;人工混交林
Impacts of solar radiation on net ecosystem carbon exchange in a mixed
plantation in the Xiaolangdi Area
LIU Jia1, TONG Xiaojuan1,*, ZHANG Jinsong2, MENG Ping2, LI Jun3, ZHENG Ning2
1 College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
2 Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration, Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing
100091, China
3 Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of
Sciences, Beijing 100101, China
Abstract: Light quantity and quality strongly influence plant growth. Solar radiation is one of the main environmental factors
driving vegetation carbon assimilation. As one of the natural climatic variables, clouds change the fraction of diffuse
radiation arriving on the land surface and can influence carbon dioxide exchange between vegetation and the atmosphere. In
this study, CO2 flux was continuously measured during the vegetative growing season (June鄄August) from 2006 to 2008 by
the eddy covariance systems in a mixed plantation in the Xiaolangdi area, Henan province. The clearness index ( k t) was
used to describe the effects of cloudiness on solar radiation. Clear mornings and afternoons were identified based on the
change of k t with solar elevation (茁) at a half鄄day scale. The impacts of cloudiness on the net ecosystem exchange of carbon
dioxide ( NEE ) were investigated to reveal the mechanism of changes in coordinate of solar radiation and other
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environmental factors on the net carbon uptake by the mixed plantation. The results showed that net CO2 uptake was higher
under cloudy skies than that under clear skies. Under cloudy sky conditions, light鄄saturated maximum photosynthetic rate
(Pmax) increased by 38%, 58% and 55% and ecosystem apparent quantum yield (琢) increased by factors of 2.6, 1.9 and
2.2 for the mid鄄growing seasons in 2006, 2007 and 2008, respectively, when compared to clear sky conditions. This work
indicates that net carbon exchange could improve in the mixed plantation under cloudy skies relative to clear skies. For a
given solar elevation angle interval, when the sky conditions changed from clear to cloudy, total solar radiation received by
the ecosystem decreased, and balance of diffuse and direct components of solar radiation received by the ecosystem changed
as well. Correspondingly, other environmental factors (Ta, VPD, etc.) also changed. Those changes can influence carbon
exchange between forest ecosystem and the atmosphere. During cloudy days, the increase in diffuse radiation received by the
ecosystem was more easily absorbed by shaded leaves for photosynthesis in forest canopy with higher leaf area index.
Photosynthetically active radiation (PAR) and vapor pressure deficit (VPD) were enhanced with the increase of k t, but
diffuse PAR first increased then decreased with the increase of k t . Under cloudy sky conditions, the light distribution is more
even and the diffuse radiation received by the forest ecosystem is greater, which benefits photosynthesis of the shaded
leaves. VPD is an important factor that affects stomatal conductance. Therefore, the decrease in VPD associated with cloudy
conditions can enhance canopy photosynthesis. Temperature is one of the main environmental factors controlling ecosystem
respiration. Air temperature declined with the reduction of k t .Net CO2 uptake reached its maximum when k t ranged between
0.4 and 0.5 ( the average value was 0.44) . When the value of k t was more than 0.5, net CO2 uptake decreased. It is
suggested that the increased diffuse PAR, decreased VPD and decreased air temperature under cloudy skies may improve
ecosystem photosynthesis and reduce ecosystem respiration, leading to an increase in net carbon uptake in the mixed
plantation ecosystem.
Key Words: clearness index; diffuse radiation; photosynthetically active radiation; net ecosystem exchange;
mixed plantation
摇 摇 植被鄄大气间 CO2交换研究对准确评价陆地生态
系统碳收支有重要意义[1]。 在植物生长季节,太阳
辐射作为生态系统光合作用碳吸收的驱动力,极大
地影响着植物的生长发育[2鄄3]。 太阳辐射经过大气
及云的遮挡和削弱后分为直接辐射和散射辐射,其
比例的不同会导致生态系统的气象因子发生变化,
从而影响生态系统和大气之间的碳交换过程。 太阳
辐射、温度和水分是控制陆地生态系统与大气之间
的二氧化碳交换的主要环境因子[4鄄5]。 云作为自然
的一种天气要素,强烈影响着近地面的环境状
况[6鄄7]。 云能够改变到达地面的太阳辐射中散射辐
射所占有的比例,并且导致了环境中其他因子如:饱
和差(VPD)、气温(Ta)和土壤温度的改变,进而显著
影响碳交换[8鄄10]。
研究表明,散射辐射能够提高生态系统的净碳
吸收[3,11鄄13]。 Gu等[6]对加拿大寒带白杨林和温带落
叶混交林进行了比较研究,结果显示,多云条件下,
虽然总光合有效辐射减少,但云的存在导致了散射
辐射的增加、气温的降低和水分胁迫的减少,进而减
少叶片和土壤呼吸,促进了冠层光合作用,提高了光
能利用率和净碳吸收;张弥等[14]在对长白山阔叶红
松林的研究中发现,在植被生长旺季,天空有云层覆
盖时光合能力比晴朗无云时有所提高,在受一定云
层影响的中等太阳辐射条件下有利于该生态系统的
碳吸收。 云层使得散射辐射增加,气温和湿度降低,
植物呼吸作用有所减缓,碳素同化作用增强[3,10]。
Bai等[3]在对高山草原和玉米农田的对比研究中发
现,净碳交换(NEE)对光合有效辐射(PAR)的响应
在多云天气下比晴朗天气下更加明显。
近年来,大气污染、气溶胶粒子增加等环境问题
日趋严重[15]。 云层和大气气溶胶含量的变化给地
面接收到的直接辐射和散射辐射带来很大影
响[16鄄17]。 我国华北地区的大气环境往往受到西北部
地区沙尘的影响。 大量滞留在大气中的沙尘,成为
对流层气溶胶的主要成分之一,影响地鄄气系统辐射
能收支,从而影响区域的气候及生态环境[18]。 近 50
9112摇 8期 摇 摇 摇 刘佳摇 等:太阳辐射对黄河小浪底人工混交林净生态系统碳交换的影响 摇
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年来,我国太阳总辐射和直接辐射值以下降趋势为
主,而华北区站点下降趋势尤为明显;自 2000 年以
来,散射辐射呈上升趋势[15]。 森林是陆地生态系统
重要的碳汇。 太阳辐射是生态系统进行碳交换的驱
动因子,极大地影响着森林生态系统的碳汇大小。
研究太阳辐射变化对碳通量的影响有利于加深对碳
汇的理解,并为森林碳循环模拟和预测工作的开展
奠定了基础。 目前,有关太阳辐射对生态系统碳交
换的影响主要在温带[10,19鄄20]、亚热带森林[10,21鄄23],在
暖温带相关研究则较少。 因此,在华北地区开展太
阳辐射对森林生态系统净碳交换影响的研究具有重
要意义。
本研究利用 2006—2008 年黄河小浪底人工混
交林生长季(6—8月)的碳通量和微气象数据,探究
太阳辐射对该生态系统净碳交换(NEE)的影响,揭
示太阳辐射和其他环境因子协同变化对该生态系统
净碳吸收的影响机制,为区域人工林生态系统碳收
支模型的构建与预测提供理论依据和数据支持。
1摇 研究区概况和研究方法
1.1摇 研究区概况
本研究在国家林业局黄河小浪底森林生态系统
定位研究站站(35毅01忆N、112毅28忆E,平均海拔高度为
410 m)进行。 该站位于河南省济源市,处黄河中游
流域,紧连太行山,面积 7210 hm2。 小浪底实验区具
有典型的暖温带亚湿润季风气候特征,雨热同季,水
热资源较为丰富。 年平均气温 12.4—14.3 益,全年
日照时数为 2367.7 h,年平均降水量 641.7 mm。 受
季风气候的影响,四季气候分明,降水季节性分配不
均匀,6—8 月平均降水量为 438. 0 mm,占全年的
68郾 3%。 研 究 区 主 要 树 种 为 栓 皮 栎 ( Quercus
variabilis )、 侧 柏 ( Platycladus orientalis )、 刺 槐
(Robinia pseudoacacia),林龄分别为 32、30和 28a,平
均株高分别为 10.5、8.2 和 9.3 m。 生长季植被叶面
积指数(LAI)为 6.3。 林下灌丛主要有黑枣(Ziziphus
jujuba Mill. var. inermis ( Bunge ) Rehd.)、扁担木
(Grewia biloba var. parviflora)、荆条(Vitex negundo L.
var)、小叶鼠李(Rhamnus bungeana J.Vass.)等;草本
主要有隐子草 (Crpsis aculeata ( L.) Ait.)、狗尾草
(Setaria viridis (L.) Beauv.)。 土壤种类主要为棕壤
和石灰岩风化母质淋溶性褐土。
1.2摇 碳通量和微气象观测
开路涡度相关观测系统(OPEC)安装在通量塔
30 m处。 涡度相关系统包括红外 CO2 / H2O 气体分
析仪(Model LI鄄 7500, Li鄄Cor, Nebraska)、三维超声
风速仪 ( Model CAST3, Campbell Scientific Inc.,
Logan, Utah)。 数据采用 CR5000 型采集器自动采
集(Model CR5000, Campbell Scientific Inc., Logan,
Utah),采样频率为 10Hz,记录储存数据,每 30 min
输出一组平均值。
微气象梯度观测系统包括 7 层 AR鄄 100 风速计
(Vector Instruments,UK)和 7层 HMP鄄 45C 型温湿度
传感器(Vaisala, Finland) (安装高度分别为 7、10、
11、13、17、24、31 m)。 此外,在 27 m 高度处,安装了
CNR鄄1型净辐射表和 CM11 型总辐射表(Kipp and
Zonen)、 Li鄄 190SB 型点状光量子表 ( Li鄄Cor Inc.,
USA)、气压计 ( Model 52203 ) 和雨量计 ( Model
52203,RM Young, Inc)等。 上述仪器与 CR23x 型数
据采集器(Campbell Sci., USA)相连,每 30 min 输出
一组平均值。
1.3摇 数据处理
1.3.1摇 通量数据处理
由于天气状况、大气稳定度等自然因素和仪器
响应及供电系统故障等原因,通量观测会有异常数
据以及数据缺失的情况发生[24],因此需要对获取的
30 min CO2通量数据进行预处理。
本研究采用以下步骤处理和插补每 30 min的通
量数据:(1)两次坐标旋转;(2)WPL 校正因热量和
水汽的变化造成空气密度改变的通量数据[25];(3)
异常、不合理数据的剔除;(4)对以上经过初步筛选
的数据计算出月平均值和方差,与平均值相差超过 3
倍方差的数值也要剔除掉;(5)利用下列方法插补被
去除的数据和缺失的数据:小于 2 h的缺失数据用线
性内插法插补;白天大于 2 h的缺失数据采用平均日
变化法(MDV)进行插补[24]。
1.3.2摇 晴空指数的定义
生态系统所接收的散射辐射与云密切相关[26]。
通常用晴空指数(kt)来表征云的厚薄[27]。 晴空指数
kt是云量多少的重要标识。 它不仅能反映到达地面
的太阳辐射照度,还能反映太阳辐射穿越大气时的
状况和太阳辐射受到的影响。 当 kt接近于 0 时,代
表太阳辐射弱,云层完全覆盖;当 kt接近于 1 时,表
0212 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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示太阳辐射较强,晴朗无云[14]。 kt对太阳辐射影响
的研究中已被广泛应用[28鄄30]。 地球水平面上接收的
太阳总辐射(S)与地球大气层上方平行于地表面上
接收的总太阳辐射(Se)的比率被定义为晴空指数:
kt =
S
Se
(1)
Se = Ssc 1 + 0.033cos 360td /( )[ ]365 sin茁 (2)
sin茁 = sin渍·sin啄 + cos渍cos啄cos棕 (3)
式中,Ssc为太阳常数(1370 W / m2),td为日序数,茁 为
太阳高度角,渍为纬度,啄为太阳赤纬,棕为时角。
1.3.3摇 晴、阴天的界定
要确定云量对 NEE 的影响,就需要界定和辨别
晴朗天气。 黄河小浪底人工混交林在 6—8 月处于
生长旺季,该时期对应的气候是炎热多雨,完整一天
都是晴朗无云天气的情况较少。 因此,本文以半天
为基础,利用研究期间内晴空指数随太阳高度角的
变化及与其正弦值的关系分别对晴朗的上午和下午
进行判断[6]。
晴朗的上午或下午的区分主要基于 3 点: 1)绘
制晴空指数随太阳高度角变化的曲线;2)选出晴空
指数高于 0.45(kt)并随太阳高度角 茁 平滑上升的上
午或者下午;3)根据前两步得到的数据,绘制 kt随太
阳高度角正弦值 ( sin茁)的变化图,选择晴空指数
(kt)和 sin茁的曲线能够形成集中散点图的数据,将
偏离主要变化趋势的数据排除,确定出晴朗上午或
下午[10]。
图 1 显示了在晴朗天气条件下,kt和 sin茁 之间
的关系。 由图 1 可以看出,晴朗的上午和下午的关
系存在一种不对称的现象,这和 Zhang 等[10]在对长
白山站点的研究结果类似。 下午的曲线位于上午曲
线的上方,说明下午晴空指数受太阳高度角正弦的
影响更为明显。 这可能是由于早晨大气中的水汽和
颗粒物较多,影响了晴空指数随太阳高度角的变化。
1.3.4摇 光合有效辐射中散射辐射(PARdif)的计算
光合有效辐射中的散射辐射可根据晴空指数 kt
和太阳高度角 茁的值计算得出[6,31]:
PARdif = PAR
1 + 0.3 1 - q( )[ ]2 q
1 + (1 - q) cos2 90 -( )茁 cos3茁
(4)
q =
Sf
Se
/ kt (5)
当 0 臆 kt 臆 0.3, Sf / Se 臆 kt 时,
图 1摇 晴朗天气条件下,晴空指数与太阳高度角正弦的关系
(2006年 6—8月)
Fig.1摇 Relationship between the clearness index ( kt ) and sine
of solar elevation angles under clear sky conditions from June to
August in 2006
Sf / Se = kt 1.020 - 0.254kt + 0.0123sin( )茁 (6)
当 0.3 臆 kt 臆 0.78, 0.1kt 臆 Sf / Se 臆 0.97kt 时,
Sf / Se = kt 1.400 - 1.749kt + 0.177sin( )茁 (7)
当 0.78 臆 kt , 0.1 臆 kt 臆 Sf / Se 时,
Sf / Se = kt 0.486kt - 0.182sin( )茁 (8)
式中,PAR是总光合有效辐射,PARdif是光合有效辐
射中的散射辐射,Sf是地球表面接收的总散射辐射
(W / m2)。
2摇 结果分析与讨论
2.1摇 不同天气条件下 NEE对 PAR的响应
太阳辐射是光合作用的驱动力。 本文首先对晴
天和多云天气下 NEE 对 PAR 的响应进行了研究。
NEE对光的响应方程为[32鄄35]:
NEE =-
琢PARPmax
琢PAR + Pmax
+ Re (9)
式中,PAR是光合有效辐射(滋mol·m-2·s-1),琢 是生
态系统的初始量子效率(mgCO2 / 滋mol),Pmax为达到
光饱和时的最大光合速率(mgCO2·m
-2·s-1),Re为白
天生态系统的呼吸速率(mgCO2·m
-2·s-1)。 琢 与 Pmax
是生态系统植物光合作用特性的两个重要的生理参
数。 琢表示植被对光量子的利用能力,反映了植物
对弱光的利用效率[36],Pmax表示植被潜在光合能
力[14]。 本文中,当 NEE 是负值时,表示生态系统净
吸收 CO2,反之为净释放 CO2。
1212摇 8期 摇 摇 摇 刘佳摇 等:太阳辐射对黄河小浪底人工混交林净生态系统碳交换的影响 摇
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云层增加会减少直接辐射,增加散射辐射。 与
晴天条件相比,多云天气下植被的 Pmax比较大[4,37]。
对晴朗天气和多云天气条件下黄河小浪底人工混交
林的 NEE光响应曲线进行拟合后发现,晴朗天气下
NEE的值大于多云天气下的值(图 2)。 2006—2008
年植物生长旺季,多云天气下的 琢 分别是晴天天气
的 2.6、1.9 和 2.2 倍;Pmax在多云天气比晴空天气下
分别提高了 38%、58%和 55%(表 1)。 这说明天空
有云层覆盖时,人工混交林生态系统对弱光的利用
效率增强,其光合能力有所提高。
图 2摇 2006—2008年 6—8月人工混交林晴朗天气和多云天气下的光响应曲线
Fig.2摇 Light response curves of the mixed plantation in clear and cloudy skies from June to August in the years from 2006 to 2008
表 1摇 黄河小浪底人工混交林生态系统 2006—2008年 6—8月晴朗与多云天气下光响应参数
Table 1摇 Light response parameters of the mixed plantation in the Xiaolangdi area under clear and cloudy skies from June to August in the years
2006—2008
2006
多云天气 晴朗天气
2007
多云天气 晴朗天气
2008
多云天气 晴朗天气
初始量子效率 琢 / (滋mol / 滋mol) 0.031 0.012 0.019 0.010 0.022 0.010
最大光合作用速率 Pmax /
(mgCO2·m-2·s-1)
-1.270 -0.918 -1.895 -1.197 -0.822 -0.531
生态系统呼吸 Re / (mgCO2·m-2·s-1) 0.100 0.089 0.080 0.053 0.051 0.052
2.2摇 不同晴空指数 kt下 NEE的变化
为了进一步探讨多云对黄河小浪底人工混交林
生态系统 NEE的影响,本文对 NEE随晴空指数的变
化进行了分析。 晴空指数通常范围是 0. 05—
0郾 85[3]。 本研究选择 30毅—70毅区间的太阳高度角并
以 5毅为间隔将数据进行分组,分别分析太阳辐射对
NEE的影响,以消除太阳辐射随太阳高度角变化而
对 NEE对 kt响应的效果[3,14]。
NEE随 kt的变化曲线能够反映出由于云层不同
而变化的太阳辐射对森林生态系统净碳交换的影
响[14]。 在人工混交林生长季,当 kt小于 0.4 时,NEE
随 kt增加而增加;当 kt在 0.4—0.5 时,NEE 达到最
大;当 kt大于 0.5 时,NEE 随 kt增大而减小(图 3)。
从表 2 中可以看出,2006—2008 年人工混交林生态
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系统生长季 NEE达到最大的 kt平均值为 0.44。 这一
结果表明,相对于太阳辐射较强的晴朗天气,有一定
云层覆盖的中等太阳辐射条件有利于该生态系统对
碳的吸收。 这一发现与以往的研究一致:在多云条
件下,晴空指数 kt在 0.4—0.7 之间时,温带森林生态
系统的 NEE 最大[6,38鄄39];在阿柔草地,当 kt落在 0.4
和 0.7 之间时,NEE 达到其最大值,而盈科玉米农
田,kt在 0.5—0.7 之间时达到最大值[3];Zhang 等[10]
在云量对长白山和鼎湖山森林生态系统净碳交换影
响的研究中发现,kt在 0.4—0.6 之间时,两个生态系
统的 NEE达到最大。
图 3摇 不同太阳高度角下 NEE与晴空指数 kt 的关系(以 2006年 6—8月为例)
Fig.3摇 Relationship between NEE and the clearness index (kt) for different intervals of solar elevation angles from June to August in 2006
2.3摇 NEE对云量变化的响应
对 2006—2008年 6—8月黄河小浪底人工混交
林生态系统的研究中发现,当 kt约为 0.44 时,NEE
达到最大(图 3)。 这表明,在有云层覆盖的天气条
件下,黄河小浪底人工混交林生态系统净碳吸收
最高。
在人工混交林生态系统旺盛生长季(6—8月),
由太阳高度角 茁 大于 20毅时 kt的频率分布直方图可
以看出,该站晴空指数 kt出现频率较高的值为 0郾 3—
0.5,并在 0.5 出现的频率最大(图 4)。 而使该生态
系统 NEE达到最大的晴空指数 kt在 0.4—0.5 之间
(图 3)。 因此,在植物生长季,该地区的多云天气条
件促进了人工混交林生态系统的净碳吸收。
2.4 摇 环境因子对云量变化的响应及其对 NEE 的
影响
光照是控制 NEE 的主要因素[21]。 温度和饱和
图 4摇 2006—2008年 6—8月晴空指数 kt 的频率变化分布
Fig.4摇 Frequency distributions of the variation of the clearness
index (kt) from June to August in the years 2006 to 2008
差也共同影响着 NEE[21]。 赵仲辉等[21]在对湖南会
同杉木人工林生态系统的研究中发现 NEE与 PAR、
3212摇 8期 摇 摇 摇 刘佳摇 等:太阳辐射对黄河小浪底人工混交林净生态系统碳交换的影响 摇
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表 2摇 不同太阳高度角范围内使 NEE达到最大的 kt值
Table 2摇 Values of kt when NEE reaches its maximum for different
intervals of solar elevation angles from June to August in the years
2006—2008
太阳高度角 / ( 毅)
Solar elevation angle (茁)
晴空指数 Clearness index (kt)
2006 2007 2008
30—35 0.49 0.42 0.42
35—40 0.40 0.41 0.39
40—45 0.45 0.48 0.40
45—50 0.43 0.41 0.46
50—55 0.45 0.53 0.43
55—60 0.45 0.44 0.39
60—65 0.40 0.44 0.50
65—70 0.42 0.51 0.38
平均 Average 0.44 0.46 0.42
温度等气象因子存在明显的相关性。 在一定太阳高
度角下,由于晴阴天的变化,生态系统接收的太阳辐
射以及生态系统所接受的散射辐射和直接辐射之间
的平衡情况会发生改变。 相应地,其他环境因素(如
饱和差、气温)也会有所改变。 于是,这些变化会影
响森林生态系统与大气之间的碳交换过程。 研究表
明,天空云量增多导致太阳辐射减弱,此时散射辐射
在总辐射中所占的比例增加,这样会使更多的光穿
过冠层上部达到下部[38],叶片之间光分布更加平
衡,提高了下层遮阴叶片的光合作用能力,进而增加
了生态系统净碳吸收[6,10,40]。
图 5显示了研究站点总光合有效辐射(PAR)以
及光合有效辐射中的散射辐射(PARdif)和晴空指数
(kt)的关系。 总光合有效辐射随晴空指数的升高几
乎成直线增加。 然而,光合有效辐射中的散射辐射
与晴空指数的关系却是非线性的。 光合有效辐射中
的散射辐射一般是先随晴空指数的增加而增加,当
晴空指数在 0.4—0.5 之间的时候达到最大值,这与
该站点 NEE达到最大时,生态系统所接收的散射有
效辐射的范围相一致(图 3,图 5)。 这一结果表明,
在多云天气下,黄河小浪底人工混交林生态系统的
净碳吸收随着散射辐射的增加而增加。
图 5摇 在选定的太阳高度角范围内,2006年 6-8月总光合有效辐射(PAR)和光合有效辐射散射辐射(PARdif)随晴空指数 kt 的变化
Fig.5摇 Changes in total PAR and diffuse PAR with the clearness index ( kt ) for selected intervals of solar elevation angle from June to
August in 2006
摇 摇 VPD是影响陆地生态系统与大气间碳交换的重
要因子之一[3,41]。 VPD通过影响气孔导度来影响生
态系统与大气间碳和能量的交换过程[42鄄43]。 VPD的
降低可诱导气孔开放,从而提高叶片光合作用[44]。
通常,植物的光合速率会随着饱和差的升高而下
降[45]。 因此,多云天气条件下较小的 VPD提高了生
态系统的光合作用[46],促进了人工混交林的净碳吸
收 (图 2和图 6)。
温度是控制生态系统呼吸过程的主要因素之
一[47鄄49]。 在一定的太阳高度角范围内,人工混交林
生态系统出现了气温(Ta)随着晴空指数 kt降低而下
降的情况(图 6)。 这表明多云天气情况下气温下降
会导致该生态系统呼吸作用的减少。
3摇 结论
本研究利用涡度相关法研究了太阳辐射对黄河
小浪底人工混交林净生态系统碳交换 NEE 的影响,
得出的主要结论为:
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图 6摇 在一定的太阳高度角范围内(50毅—55毅),饱和差(VPD)、气温(Ta)与 kt 的关系(以 2008年 6—8月为例)
Fig.6摇 Changes in vapor pressure deficit (VPD) and air temperature with the clearness index (kt) for selected intervals of solar elevation
angle (50毅—55毅) in the mixed plantation from June to August in 2008
摇 摇 (1) 与晴朗天气相比,人工混交林生态系统在
多云天气条件下净碳交换会增加。 主要是由于:多
云天气条件下,PARdif的增加。 由于散射辐射在林冠
中具有更强的透射性,对冠层内叶下的光合作用有
促进作用。 此外,晴天天气条件下,强烈的直接辐射
会使得植被光合作用出现光饱和现象,从而抑制了
光合速率的提升。
(2) kt小于 0.44 时,人工混交林生态系统净碳
交换量一开始随着晴空指数增加。 当 kt大于 0.44
时,净碳交换量则随 kt的增加而下降。 多云条件下,
气温和饱和差的下降促进了冠层光合作用,减少了
呼吸作用。 因此,在有云覆盖的天气条件下,VPD 和
气温的降低是黄河小浪底人工混交林生态系统净碳
交换增加的另一个主要原因。
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子. 中国科学, 2006, 36(增刊 I): 194鄄203.
7212摇 8期 摇 摇 摇 刘佳摇 等:太阳辐射对黄河小浪底人工混交林净生态系统碳交换的影响 摇
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蚤泽造葬灶凿泽 蚤灶 贼澡藻 再藻造造燥憎 砸蚤增藻则 阅藻造贼葬袁 悦澡蚤灶葬 在匀粤晕郧 杂澡怎赠燥灶早袁 载陨粤 允蚤葬灶早遭葬燥袁 在匀粤晕郧 郧怎葬灶早糟葬灶袁 藻贼 葬造 渊员怨猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
国内邮发代号院愿圆鄄苑袁国外邮发代号院酝远苑园
标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
全国各地邮局均可订阅袁也可直接与编辑部联系购买遥 欢迎广大科技工作者尧科研单位尧高等院校尧图书
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
耘鄄皂葬蚤造院 泽澡藻灶早贼葬蚤曾怎藻遭葬燥岳 则糟藻藻泽援葬糟援糟灶摇 网摇 摇 址院 憎憎憎援藻糟燥造燥早蚤糟葬援糟灶
本期责任副主编摇 杨永兴摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 愿期摇 渊圆园员源年 源月冤
粤悦栽粤 耘悦韵蕴韵郧陨悦粤 杂陨晕陨悦粤摇渊杂藻皂蚤皂燥灶贼澡造赠袁杂贼葬则贼藻凿 蚤灶 员怨愿员冤摇灾燥造郾 猿源摇 晕燥郾 愿 渊粤责则蚤造袁 圆园员源冤
编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
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悦燥则责燥则葬贼蚤燥灶
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