全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 17 期摇 摇 2013 年 9 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
植物角质层蜡质的化学组成研究综述 曾摇 琼,刘德春,刘摇 勇 (5133)…………………………………………
中国滨海盐沼湿地碳收支与碳循环过程研究进展 曹摇 磊,宋金明,李学刚,等 (5141)…………………………
个体与基础生态
秸秆隔层对盐碱土水盐运移及食葵光合特性的影响 赵永敢,逄焕成,李玉义,等 (5153)………………………
盐地碱蓬二型性种子及其幼苗对盐渍环境的适应性 刘摇 艳,周家超,张晓东,等 (5162)………………………
不同抗旱性花生品种的根系形态发育及其对干旱胁迫的响应 丁摇 红,张智猛,戴良香,等 (5169)……………
夏季苹果新梢生理指标与抗苹果绵蚜的关系 王西存,周洪旭,于摇 毅,等 (5177)………………………………
花期海蓬子对盐胁迫的生理响应 刘伟成,郑春芳,陈摇 琛,等 (5184)……………………………………………
白蜡多年卧孔菌生物学特性及驯化栽培 鲁摇 铁,图力古尔 (5194)………………………………………………
重度火烧迹地微地形对土壤微生物特性的影响———以坡度和坡向为例
白爱芹,傅伯杰,曲来叶,等 (5201)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
秸秆还田与施肥对稻田土壤微生物生物量及固氮菌群落结构的影响 刘骁蒨,涂仕华,孙锡发,等 (5210)……
大穗型小麦叶片性状、养分含量及氮素分配特征 王丽芳,王德轩,上官周平 (5219)……………………………
复合不育剂 EP鄄1对小鼠空间记忆与焦虑行为的影响 王晓佳,秦婷婷,胡摇 霞,等 (5228)……………………
种群、群落和生态系统
小兴安岭阔叶红松混交林林隙特征 刘少冲,王敬华,段文标,等 (5234)…………………………………………
高寒矮嵩草群落退化演替系列氮、磷生态化学计量学特征 林摇 丽,李以康,张法伟,等 (5245)………………
中亚热带人工针叶林生态系统碳通量拆分差异分析 黄摇 昆,王绍强,王辉民,等 (5252)………………………
高寒山区一年生混播牧草生态位对密度的响应 赵成章,张摇 静,盛亚萍 (5266)………………………………
乳山近海大型底栖动物功能摄食类群 彭松耀,李新正 (5274)……………………………………………………
景观、区域和全球生态
采伐干扰对大兴安岭落叶松鄄苔草沼泽植被碳储量的影响 牟长城,卢慧翠,包摇 旭,等 (5286)………………
西南喀斯特地区轮作旱地土壤 CO2 通量 房摇 彬,李心清,程建中,等 (5299)…………………………………
干湿季节下基于遥感和电磁感应技术的塔里木盆地北缘绿洲土壤盐分的空间变异性
姚摇 远,丁建丽,雷摇 磊,等 (5308)
…………………………
……………………………………………………………………………
东北温带次生林和落叶松人工林土壤 CH4 吸收和 N2O排放通量 孙海龙,张彦东,吴世义 (5320)……………
新疆东部天山蝶类多样性及其垂直分布 张摇 鑫,胡红英,吕昭智 (5329)………………………………………
玉米农田空气动力学参数动态及其与影响因子的关系 蔡摇 福,周广胜,明惠青,等 (5339)……………………
天山北坡家庭牧场复合系统对极端气候的响应过程 李西良,侯向阳,丁摇 勇,等 (5353)………………………
大城市边缘区景观破碎化空间异质性———以北京市顺义区为例 李摇 灿,张凤荣,朱泰峰,等 (5363)…………
资源与产业生态
基于 GLBM模型的中国大陆阿根廷滑柔鱼鱿钓渔业 CPUE标准化 陆化杰,陈新军,曹摇 杰 (5375)…………
三峡库区古夫河水质时空分异特征 冉桂花,葛继稳,苗文杰,等 (5385)…………………………………………
城乡与社会生态
汉、藏、回族地区农户的环境影响———以甘肃省张掖市、甘南藏族自治州、临夏回族自治州为例
赵雪雁,毛笑文 (5397)
………………
…………………………………………………………………………………………
研究简报
中国近海浮游动物群落结构及季节变化 杜明敏,刘镇盛,王春生,等 (5407)……………………………………
海洋污染物对菲律宾蛤仔的免疫毒性 丁鉴锋,闫喜武,赵力强,等 (5419)………………………………………
衰亡期沉水植物对水和沉积物磷迁移的影响 王立志,王国祥 (5426)……………………………………………
伊洛河流域外来草本植物分布格局 郭屹立,丁圣彦,苏摇 思,等 (5438)…………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*316*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*32*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄09
封面图说: 帽儿山次生林林相———帽儿山属于长白山山脉的张广才岭西坡,松花江南岸支流阿什河的上游,最高海拔 805m,由
侏罗纪中酸性火山岩构成,是哈尔滨市附近的最高峰,因其貌似冠状而得名。 东北林业大学于 1958 年在此建立了
实验林场。 山上生长着松树、榆树、杨树及各种灌木等,栖息着山鸡、野兔等野生动物,在茂密的草地上还生长有各
种蘑菇。 其地带性植被为温带针阔混交林,目前状况为天然次生林。 部分地方次生林转变为落叶松人工林后,落叶
松林地的凋落物层影响了林地土壤水分的格局。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 17 期
2013年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.17
Sep.,2013
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基金项目:国家杰出青年基金项目(40625015); 国家重点基础研究发展计划(973 计划) (2010CB951303); 青年科学基金项目(31000230,
41101077, 41105064); 中央级公益性科研院所专项资金项目(2012IAE鄄CMA01)共同资助
收稿日期:2012鄄05鄄23; 摇 摇 修订日期:2013鄄07鄄29
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: gszhou@ cams.cma.gov.cn
DOI: 10.5846 / stxb201205230768
蔡福,周广胜,明惠青,李荣平.玉米农田空气动力学参数动态及其与影响因子的关系.生态学报,2013,33(17):5339鄄5352.
Cai F,Zhou G S,Ming H Q,Li R P.Dynamics of aerodynamic parameters over a rainfed maize agroecosystem and their relationships with controlling factors.
Acta Ecologica Sinica,2013,33(17):5339鄄5352.
玉米农田空气动力学参数动态及其与影响因子的关系
蔡摇 福1,周广胜2,*,明惠青3,李荣平1
(1. 中国气象局沈阳大气环境研究所, 沈阳摇 110016;2. 中国气象科学研究院,北京摇 100081;
3. 辽宁省气象服务中心,沈阳摇 110016)
摘要:对锦州玉米农田生态系统生长季内的粗糙度( z0)和零平面位移(d)动态特征及其与风速、株高(h)和叶面积指数(LAI)的
关系分析表明:零平面位移(d)在玉米拔节后 10d左右,株高约 1.40m时开始出现,在抽雄前为 0.80—1.00m,抽雄后为 1.00—1.
40m;z0在抽雄前小于 0.20m,乳熟前后达到最大,约为 0.40m。 d / h和 z0 / h分别为 0.40—0.54和 0.10—0.14,在 h达到最大值前,
分别随 LAI增大而减小和增大。 d出现前,z0与风速呈负指数关系,与 LAI和 h都呈线性关系。 d出现后,风速与 z0、d之和的关
系比与各自的关系更显著;d与 LAI、h都呈显著指数正相关关系,LAI、h对 z0的影响大于 d和 z0+d,且 h的作用大于 LAI。 d出
现至 h达到最大期间,上述各种关系最为显著。 研究结果可为建立空气动力学参数的动态参数化方案及改进陆面过程模型提
供依据。
关键词:玉米农田;粗糙度;零平面位移;动态
Dynamics of aerodynamic parameters over a rainfed maize agroecosystem and
their relationships with controlling factors
CAI Fu1,ZHOU Guangsheng2,*,MING Huiqing3,LI Rongping1
1 Institute of atmospheric environment, China Meteorological Administration,Shenyang 110016,China
2 Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081,China
3 Liaoning Province Meteorological Service Center, Shenyang 110016,China
Abstract: Based on continuous observation data of 16 m gradient weather observation tower from 2006 to 2008 at Jinzhou
agricultural ecosystem research station, dynamic characteristics of aerodynamic parameters roughness ( z0) and zero鄄plane
displacement(d) over a rainfed maize agroecosystem and their relationships with controlling factors during growing seasons
are analyzed. The results showed that d appears about 10 days after jointing when plant height (h) is about 1.40 m and
increases from 0.80—1.00 m to 1.00—1.40 m after tasseling stage. z0 is smaller than 0.20 m before tasseling stage and
comes to the maximum about 0.4m before and after milk stage. d / h and z0 / h are 0.40—0.54 and 0.10—0.14, and are
decreasing and increasing with LAI, respectively, before h comes to the maximum. Before d appears, negative exponent and
positive linear relationships between z0 and wind speed at 2 m ( u2), z0 and LAI or h are found. Yet, after d appears,
relationship between u2 and z0+d is more notable than those between u2 and z0 or d. At the same time, positive exponent
relationships between z0 or d and LAI or h respectively are found. LAI and h influence more to z0 than to d and z0+d with
greater role for the latter. Those relationships are more conspicuous from d appearing to h coming to the maximum. These
research conclusions will play an important reference role for setting up aerodynamic parameterization and improving land
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surface process model.
Key Words: rainfed maize agroecosystem; roughness; zero鄄plane displacement; dynamics
地表粗糙度( z0)是下垫面风速为零的高度[1]。 零平面位移( d)为下垫面开始吸收动量的高度[2],
Tajchman[3]认为它是空气块从平坦下垫面流向粗糙下垫面时向上移动的距离。 z0和 d 反映地表对风速的减
弱作用以及对风沙活动的影响[4鄄5],是描述陆地表面动量、能量和物质交换与输送的重要参数[6鄄8]。 z0和 d 可
采用根据相似理论将几个高度的风温廓线拟合的最小二乘法拟合迭代和牛顿迭代法[9]、利用一层三维超声
风速仪测定风速脉动方差的 TVM(Temperature鄄Variance鄄Method)法[10]、Martano 法[11鄄12]、质量守恒法[13]、压力
中心法[14]和阻力法[15]等方法进行求解。 虽然这些方法都能得到 z0,但是由于方法间差异及所适用大气层结
条件的不同,在同一地区得到的 z0常常差异较大,如针对生长季长白山森林下垫面,利用质量守恒法得到的 z0
为(1.60依0.25)m[16],利用牛顿迭代法求得的 z0为 0.93 m[17],利用各种大气层结条件求得的 z0为 2郾 00m[18],可
见选择合理方法求解 z0和 d非常重要。
在陆面过程模型中,z0和 d是用于计算动量和能量输送系数的重要参数,直接影响陆气通量模拟,通常认
为与地表覆盖类型相关,一般根据查表法或经验值得到,忽略了随时间的变化。 如在 BATS 中,z0通过对给出
的各种下垫面类型事先赋值来获取;LPM(Land鄄Surface Process Model)模型中,z0 = 0.10h,d = 0.70h,h 为冠层
高度[19];在通用陆面模式(CLM3.0) [20]中,z0 =hRz0m,d = hRd,Rz0m和 Rd分别为 z0和 d 与 h 的比值,通过查表获
取。 植被鄄大气相互作用模式 AVIM[21]中,z0和 d是与不同植被冠层内的风速剖面一起计算,要求经验参数很
多,形式复杂。 研究发现,通过改善模型中 z0的设置,感热和地温的模拟可得到明显改善[22],而不考虑 z0动态
变化将导致通量计算误差的增大[18,23]。 因此,建立更为合理的 z0和 d 的动态参数化方案将对陆面过程模拟
起到改进作用[24],而选择最优影响因子并明确它们之间相互关系则是必要的前提。 现有研究大多集中在下
垫面性质不变或变化很小的戈壁[5,25]、草地[8]和森林[16鄄17,26鄄27],或者生长季某一时段[28鄄30],而针对农田整个生
长季不同生育阶段 z0和 d 动态变化的研究鲜有报道[11]。 玉米农田因冠层高度和 LAI 的季节变化而使 z0和 d
不断改变,其变化规律如何,在整个生长季变化幅度多大都还未进行系统性研究。
基于此,本文利用锦州玉米农田生态系统野外观测站梯度观测资料采用最小二乘拟合迭代法对玉米生育
期 z0和 d进行计算,试图揭示其变化规律及与相关影响因子关系,这既为同类研究提供重要的资料补充,也为
改进和完善陆面过程模型中 z0和 d参数化方案进而提高陆面过程模拟准确性提供依据。
1摇 资料与方法
1.1摇 资料来源
锦州农田生态系统野外观测站位于东北玉米带,地处辽宁省锦州市太和区英屯村玉米地(41毅49忆N,121毅
12忆E,海拔 17m),属典型温带季风型气候,玉米为主要作物。 该站详细介绍参见李祎君等[31]的研究。 本研究
风温资料来自 2006—2008年 16m高的梯度观测系统,考虑资料的连续性,选定各年风温资料为:2006 年 5 月
25日—7月 23日 2.0、4.0、8.0、10.0m,9月 10—25日 4.0、8.0、10.0、16.0m;2007 年 5 月 17 日—8月 19 日 2.0、
4.0、10.0、16.0m;2008年 5月 8日—6月 19 日 1.0、1.5、2.0、4.0m,7 月 1 日—9月 23 日 2.0、4.0、10.0、16.0m。
3a资料基本可覆盖一个完整的生长季。 考虑不同风向下垫面差异对空气动力学参数的影响(表 1),选用生
长季盛行的西南风向上的资料进行研究,为提高数据的有效性,还剔除风速不随高度增加和小于 0.22 m / s的
数据,以确保风杯起转[5]。 表 2给出各年玉米主要生育期出现日期及种植密度,其中 2008年三叶至七叶间隔
较长,而到拔节期间隔较短,这一结果主要是由于 5月中下旬至 6 月中旬持续低温多雨导致玉米生育明显延
迟,随着后期气温升高,在作物生理补偿机制的作用下快速生长所致。
0435 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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表 1摇 玉米生长季(5—9月)不同风向出现几率
Table 1摇 Probability of different wind directions in maize growing season from May to September
风向 Wind direction / (毅) 0—45 45—90 90—135 135—180 180—225 225—270 270—315 315—360
出现百分比 Percentages / % 8.25 8.34 1.97 1.45 63.27 13.72 0.64 2.35
表 2摇 2006—2008年玉米种植密度及各生育期出现日期
Table 2摇 Dates of maize growth periods and its planting density from 2006 to 2008
年份
Year
密度(株 / m2)
Density
三叶
Three leaf stage
七叶
Seven leaf stage
拔节
Jointing stage
抽雄
Tasseling stage
乳熟
Milk stage
成熟
Mature stage
2006 3.91 5月 24日 6月 8日 6月 24日 7月 19日 8月 20日 9月 27日
2007 3.80 5月 17日 6月 1日 6月 20日 7月 16日 8月 15日 9月 24日
2008 3.65 5月 15日 6月 15日 6月 25日 7月 21日 8月 7日 9月 25日
LAI资料利用 LI鄄3000C台式叶面积仪分发育期(三叶、七叶、拔节、抽雄、乳熟、成熟)进行测量后换算。
3a动态 LAI和冠层高度(h)数据采用王玲等[32]所建立的相对积温方法基于玉米各生育期和日平均气温资料
求得[33](图 1)。
图 1摇 2006—2008年玉米 h和 LAI动态
Fig.1摇 Dynamics of maize plant height and leaf area index from 2006 to 2008
1.2摇 研究方法
周艳莲等[34]对各种计算 z0和 d方法在不同情况下的适用性及差异的评价结果显示,最小二乘拟合迭代
法在不同大气层结稳定性条件下与其它方法相比计算结果更为合理,因此,本研究采用该方法计算玉米农田
z0和 d。 根据 Monin鄄Obukhov相似理论,近地层风速、温度廓线可表示为:
u =
u*
k
ln( z
- d
z0
) - 鬃m(
z - d
L
é
ë
êê
ù
û
úú)
兹 =
兹*
k
ln( z
- d
zt
) - 鬃h(
z - d
L
é
ë
êê
ù
û
úú) + 兹
ì
î
í
ï
ïï
ï
ïï 0
(1)
式(1)可拟合成以下形式:
u = a1x1 + b1
兹 = a2x2 + b2
(2)
式中,u为风速,兹为位温,兹*为摩擦温度,u*为摩擦速度,zt为与 z0相类似的热力学粗糙度,k 为卡曼常熟,取
0.4,x1,x2,a1,a2,b1,b2分别表示为:
x1 = ln( z - d) - 鬃m,摇 摇 a1 = u* / k,摇 摇 b1 = - a1 伊 lnz0
x2 = ln( z - d) - 鬃h,摇 摇 a2 = 兹* / k,摇 摇 b2 = - a2 伊 lnzt + 兹0
1435摇 17期 摇 摇 摇 蔡福摇 等:玉米农田空气动力学参数动态及其与影响因子的关系 摇
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L为 Obukhov长度,表示为: L = -
u3*兹
kg w忆兹忆
=
Tu*
kg兹*
,g= 9.8m / s2为重力加速度, w忆兹忆为感热通量,在实际运
算过程中 u*和 兹*都根据 a1和 a2通过迭代来表达,并没有直接求出。
当 z / L<0时,不稳定层结:
鬃m = ln(
1 + x2
2
) + 2ln(1
+ x
2
) - 2arctgx + 仔
2
, 鬃h = 2ln(
1 + x2
2
) , x = (1 - 16 z
- d
L
) 1
4
,
当 z / L>0时,稳定层结, 鬃m = 鬃h = - 5
z - d
L
,
当 z / L= 0时,中性层结, 鬃m = 鬃h = 0。
将 d以一定步长在一定范围内变化,分别拟合风速和温度廓线,计算得到一系列 z0和拟合相关系数(R),
R最高时的 d所对应的 z0即为最终结果。 由于采用最小二乘法对 4层高度资料进行回归拟合,计算结果将出
现一些异常值,因此需要对其进行有效性筛选,采用原则如下:剔出 d 值大于最低层观测高度和小于 0 的数
据;剔出相关系数小于 0.90的计算结果。
2摇 结果分析
蔡福等[33]研究认为,玉米拔节前 d值表现出逐渐减小的趋势,与实际情况不符,可能是由该阶段玉米株
高和冠层覆盖度都很小,动量可以直接下传到地表所致,因此在风速廓线方程中可能无须考虑 d。 为证明此
判断,在拔节前分别考虑 d存在或不存在进行最小二乘回归拟合,对所求得的 u*分别与实测值建立相关关系
(图 2)。 2006年和 2007年拔节前,当不考虑 d时,求得的 u*与实测值更为接近,证明了上述判断的正确性。
图 2摇 2006和 2007年考虑 d(a)和不考虑 d(b)时求得 u*与实测值的相关关系比较
Fig.2摇 Comparison of relationships between simulated and observed u*with d(a)and without d(b) in 2006 and 2007
2435 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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2.1摇 z0和 d的日动态
由于一天中大气层结状态变化较大,z0和 d的日变化波动较剧烈,单个时刻计算结果只能反映瞬时状态,
因此利用一天中各时刻平均值来反映 z0和 d的日平均状态。 对求得的日均值分析发现,2006 年和 2007 年 d
值在拔节日期(6月 24日和 6月 20日)以后的 10d 左右仍出现异常值,可能由于拔节期需持续一段时间,玉
米群体未完全完成拔节使冠层不足以达到 d值出现密度,因此把不考虑 d存在的初始日期分别向后延至 7月
3日和 6月 28日。 经重新计算,分别得到 2006—2008年生长季 z0和 d日均值动态变化曲线(图 3)。
图 3摇 2006—2008年玉米生长季 z0和 d的日动态
Fig.3摇 Diurnal variations of z0 and d during maize growing season from 2006 to 2008
2006年玉米生长季 z0值在 0.02—0.46m 范围随玉米发育进度而逐渐增大,其中在七叶期(6 月 8 日)以
前,z0值在 0郾 10m以下波动,从七叶至拔节 z0值在 0.10—0.20m范围变化,拔节至抽雄 z0处于 0.20—0.30m,抽
雄后逐渐增大至 0.46m。 从整个时段看,z0在各个时期都有较大波动,其中 6 月 15 日出现一个极高值,7 月
7—10日出现低值,相对应的日平均风速很小,与之具有较好的负相关关系,从 d 值出现开始二者相关性减
弱,而在抽雄期前后,这种关系变得不明显。 同时,随着 d值的出现 z0有一个明显的减小过程,然后逐渐增大,
3435摇 17期 摇 摇 摇 蔡福摇 等:玉米农田空气动力学参数动态及其与影响因子的关系 摇
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这主要是当 d值出现后,z0不再从地表而是从 d高度算起的原因。 d值的变化总体上是随玉米增高而增大,变
化范围从 0.50m至 1.00m,与风速具有较明显的负相关关系。
2007年玉米七叶(6月 1日)以前 z0在 0.00—0.05m间波动增大,从七叶至拔节后 10d左右 d 值出现前这
一阶段,z0由 0.05m增大至 0.24m,d出现后,z0表现为先减小后增大,从 d 值出现至抽雄(7 月 16 日) z0平稳波
动,增大趋势不明显,而此时 d值随着植株高度的增加而明显增大,随着玉米群体抽雄的逐渐完成,z0不断增
大,从抽雄至 8月 3日,由 0.20m增大至 0.43m,然后经乳熟(8月 15日)波动减小。 z0值达到 0.30m左右的高
值阶段以后,d值随风速的波动而剧烈变化,但总体上没有表现出增高或减低趋势,这一情况可能由于抽雄后
冠层高度基本不变,LAI随着叶片的枯萎凋落而减小,d 值以受风速影响为主而引起,而 z0的减小则因 LAI 在
乳熟前几天开始减小所致。
2008年 7月 6日之前 d值有一个较明显的随 h增大而减小的过程,而且与风速没有负相关关系,这一时
段也是拔节后的 10d左右,与前两年情况类似,说明这一阶段也不需要考虑 d值的存在。 从 7月 7日至抽雄,
z0和 d都呈波动增大趋势,抽雄至乳熟,z0仍持续增大,而 d值随风速平稳波动,无明显变化,乳熟后,z0波动变
化,d值在 8月末开始波动减小,可能因 LAI减小或风速变化所引起。
从 3a情况看,d值在拔节后 10d左右开始出现,这一时期玉米株高在 1.40m左右,z0值在抽雄前一般在 0.
20m以下,在乳熟前后达到最大,约为 0.40m,d值开始出现后 z0有所减小。 d 值在抽雄前为 0.80—1郾 00m,抽
雄后为 1.00—1.40m。 郭建侠等[11]研究显示,玉米七叶期之前 z0 = 0.27m,d = 0.00m,七叶至抽雄 z0 = 0郾 16m,d
= 0.61m,抽雄至成熟 z0 = 0.21m,d= 2.20m,从量级和变化趋势上看,本研究结果与其一致,在数值上多数时期
比较接近,而抽雄至成熟阶段,本研究 d值较其明显偏小,可能是因为其研究地段附近有高大建筑物导致计算
结果偏大的缘故。 本研究中 d出现时 z0有所减小这一变化趋势也与之一致。
2.2摇 z0和 d日均值与相关影响因子的关系
2.2.1摇 z0和 d日均值与风速的关系
为了区分 d值出现前后 z0、d及 z0+d与风速关系,以 d值出现日期为界,分别讨论。
图 4摇 2006年玉米生长季 z0和 d与风速关系
Fig.4摇 Relationships between wind speed and z0, d, respectively, during maize growing season in 2006
由图 4可见,d值出现前,z0与 2m 高度风速( u2)呈显著的负指数关系(样本数 n = 36,R2 = 0.6618,P<
0郾 01),但 d值出现后关系明显减弱(样本数 n= 22,R2 = 0.2105,P<0.05),说明受 d 影响很大。 d 与风速呈较
4435 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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显著的负指数关系(R2 = 0.5512,P<0.05),而 z0+d 与风速负指数关系有所增强(R2 = 0.5539,P<0.05),表明风
速对 z0和 d各自单独影响要小于对二者之和的影响,蔡福等[33]利用半小时资料得到 z0+d 与风速呈负对数关
系,与本研究产生差异的原因一方面是时间尺度的不同,同时求算 z0方法及考虑层结状态也有所不同,但表现
的显著负相关关系是一致的。 有研究表明[17],z0和 d之间存在负相关关系,而本研究结果显示二者相关关系
不明显,说明它们之间的关系并不固定,受冠层高度、LAI和风速影响而变化。 由图 4还可以发现,因后者 LAI
大于前者,z0随风速增大而减小的速率要小于前者,表明随着 LAI的增大,z0受风速影响有所下降。
由图 5可见,d值出现前,z0与风速呈负指数关系(样本数 n= 42,R2 = 0.3890, P<0.01),d值出现后二者相
关系数有所减小(样本数 n = 54,R2 = 0.2204, P<0.01),d 与风速关系呈极显著负指数关系(R2 = 0.4133, P
<0.01),而 z0+d与风速的 R2为 0.5255,明显大于前者,表明风速对 z0和 d 的综合作用大于对各自的影响。 通
过图 5也可以发现,随着 LAI的增大,z0随风速增大而减小的速率减小。 由图 6可见,2008年 z0与风速以
图 5摇 2007年玉米生长季 z0和 d与风速关系
Fig.5摇 Relationships between wind speed and z0,d, respectively, during maize growing season in 2007
图 6摇 2008年玉米生长季 z0和 d与风速关系
Fig.6摇 Relationships between wind speed and z0,d, respectively, during maize growing season in 2008
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及 d与风速的关系都为负指数关系(样本数 n= 76,R2 = 0.3868和 R2 = 0.1273, P<0.01),而 z0+d与风速的负指
数关系更为显著(R2 = 0.4697, P<0.01),进一步表明风速对 z0和 d的综合作用大于对各自的影响。
总的来看,当 d值不存在时,z0与风速负指数关系更为显著,而当 d值出现后风速与 z0+d关系明显大于与
它们各自的关系。
2.2.2摇 z0和 d与 h及 LAI的关系
图 7摇 2006年玉米生长季 z0和 d与 LAI和 h关系
Fig.7摇 Relationships between LAI, h and z0,d, respectively, during maize growing season in 2006
a1:d出现前 z0与 LAI;a2:d出现前 z0与 h;b1:d出现后 z0与 LAI;b2:d出现后 z0与 h;c1:d与 LAI;c2:d与 h; d1:z0+d与 LAI;d2:z0+d与 h
图 7分别为 2006年玉米不同生长阶段 z0和 d 与 LAI 和 h 的关系,其中 d 出现前 z0分别与 LAI(n = 36,
R2 = 0.4353,P<0.01)和 h(R2 = 0.4891,P<0.01)呈显著的对数关系。 当 d 值出现以后,z0与 LAI 和 h 都呈极显
著的指数关系(n= 22,R2 = 0.6115和 R2 = 0.6911,P<0.01),这与蔡福等[33]在中性层结条件下所计算得到 z0与
LAI 和 h的关系一致,表明这一结果在 z0不同计算方法间具有普适性;d与 LAI和 h呈显著的线性和指数关系
6435 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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(R2 = 0.1783和 R2 = 0.2254,P<0.05),指数关系略显著;z0+d 与 LAI 和 h 呈极显著的线性和指数关系(R2 = 0.
4082 和 R2 = 0.4946,P<0.01),相关性明显小于 z0与 LAI和 h。 通过对上述关系比较发现,LAI和 h对 z0的影响
要大于 d和 z0+d,h对 z0和 d影响的贡献大于 LAI。 z0和 d 与 h 之比即 d / h 和 z0 / h 的平均值分别为 0.40 和
0.10。
图 8摇 2007年玉米生长季 z0和 d与 LAI和 h关系
Fig.8摇 Relationships between LAI, h and z0, d, respectively, during maize growing season in 2007
图 8分别为 2007年玉米不同生长阶段 z0和 d与 LAI和 h的关系,其中在 d 值出现之前,z0与 LAI 和 h 都
呈极显著线性正相关关系(n= 42,R2 = 0.8712和 R2 = 0.8856, P<0.01)。 d值出现后,z0与 LAI和 h都呈极显著
指数正相关关系(n= 54,R2 = 0.5220和 R2 = 0.6542, P<0.01);d与 LAI和 h都呈极显著指数正相关关系(R2 =
0.2415和 R2 = 0.4116, P<0.01);z0 +d 与 LAI 和 h 也表现出极显著指数正相关关系(R2 = 0.5049 和 R2 = 0.
7542, P<0.01)。 d / h和 z0 / h的平均值分别为 0.50和 0.12。 通过对上述关系的比较发现,d 值出现后,LAI 和
h对 z0的影响要大于 d,LAI对 z0影响略大于 z0+d,h对 z0影响明显小于 z0+d;h对 z0和 d影响的贡献大于 LAI。
由于 2008年资料时间序列较长,且主要为 d值出现以后,为了进一步细化不同生育期 h 和 LAI 对 z0和 d
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图 9摇 2008年玉米生长季 z0和 d与 LAI和 h关系
Fig.9摇 Relationships between LAI, h and z0,d, respectively, during maize growing season in 2008
的影响,选择 h和 LAI达到最大时为分界点,分别研究 h 逐渐增大对 z0和 d 的影响以及 h 达到最大后处于稳
定状态时对 z0和 d的影响。 有研究表明[32],玉米吐丝期 LAI 达到最大,在吐丝至乳熟期相对稳定,锦州地区
多年观测结果显示,一般玉米抽雄后 7—10d进入吐丝期。 因此,本研究中 2008 年玉米吐丝期为 7 月 29 日。
图 9分别给出吐丝期前后 LAI和 h与 z0和 d的相关关系。
在玉米 LAI达到最大前,z0随 LAI和 h的增大呈指数增大(n= 29,R2 = 0.8021 和 R2 = 0.8294,P<0.01),与
2007年 d值出现后的整个时段(包括吐丝后一段时间)的 R2相比明显偏大,说明 z0与 LAI 和 h 的指数关系在
吐丝前最为明显;d值随 LAI和 h的增大而线性增大(R2 = 0.1410和 R2 = 0.2005,P<0.05);z0+d与 LAI 和 h 呈
极显著指数正相关关系(R2 = 0.5707 和 R2 = 0郾 6966,P<0.01),其 R2明显小于 z0与 LAI 和 h 的 R2,表明 z0是
LAI和 h的主要影响因子。 在吐丝后,h处于稳定,z0与 LAI无明显关系,其变化可能受 LAI 和风速共同作用。
d值与 LAI呈线性正相关关系(n= 56,R2 = 0.0931,P<0.05),而 z0+d 与 LAI 线性正相关关系更为显著(R2 = 0.
1311,P<0.01)。 总之,当 h达到稳定以后,z0和 d与 LAI 相关性有所减弱,风速对它们的贡献作用增大。 d / h
和 z0 / h的平均值分别为 0.54和 0.14。
LAI和 h在玉米不同生育期关系不同,为进一步明确 z0和 d 与它们的关系,用 h 达到最大值之前的 d / h
和 z0 / h与 LAI的关系来阐明。 从图 10可以看出,随 LAI 的增大 d / h 逐渐减小,说明 d 随 LAI 增大速度慢于
h,与赵晓松[17]等针对森林的研究结果正相反,分析原因认为,森林冠层高度是不变的,d / h 与 LAI 的关系实
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际上就是 d与 LAI的关系,而对玉米农田而言,冠层高度随 LAI的增大而不断增大,d / h与 LAI 的关系较前者
更为复杂,这也反映出多年生的森林植被冠层与一年生玉米农田植被冠层下垫面性质的差异性。 z0 / h 随 LAI
的增大而增大,表明 z0随 LAI增大速度快于 h,LAI对 z0影响大于 h,这一结果与周艳莲等[18]针对冬小麦和红
松阔叶林 LAI小于 4.0时的结论一致,说明 z0 / h与 LAI的关系在不同下垫面具有一致性。
2006 2006
图 10摇 2006—2008年当 h达到最大值以前 z0 / h和 d / h与 LAI的关系
Fig.10摇 Relationships between z0 / h,d / h and LAI before h reaches its maximum from 2006 to 2008
3摇 结论
(1)d值在玉米拔节后 10d左右,株高约为 1.40m时开始出现;z0值在抽雄前小于 0.20m,在乳熟前后达到
最大,约为 0.40m,d值开始出现后 z0有所减小。 d值在抽雄前为 0.80—1.00m,抽雄后为 1.00—1.40m。
(2)在 d值出现之前,z0与风速负指数关系显著,与 LAI 和 h 呈极显著的线性正相关关系,而当 d 值出现
后,风速与 z0+d关系明显大于与它们各自的关系。 d 与 LAI 和 h 呈显著的指数正相关关系,LAI 和 h 对 z0的
影响大于 d和 z0+d,h对 z0、d和 z0+d影响的贡献大于 LAI。 d 值出现后至 h 达到最大,上述各种关系最为显
著,之后各种关系变得不明显。
(3)d / h和 z0 / h分别为 0.40—0.54和 0.10—0.14,其中前者略小于已有研究的 0.70[35]和 0.68[36],分析原
因认为,已有研究采用风洞试验,粗糙元采用刚性材质,不会因风的作用而弯曲,而本研究中玉米植株具有一
定韧性,尤其是顶端比较纤细使得韧性更强,植株弯曲幅度随风速增大而增大,这导致一定风速条件下冠层的
基础高度要低于实际植株高度。 而本研究中的 z0 / h 在数值上与 0.10[37]和 0.08[38]比较相近。 当玉米吐丝期
后,h不再变化,这一阶段 z0 / h约为 0.12,这与 CLM3.0[20]模型相一致。
利用本研究中 z0、d与相关影响因子的动态关系可建立基于风速、h 及 LAI 的玉米农田动态参数化模型,
将有效改善现有陆面模型动力参数化方案,这种参数化方案的改进可对陆面过程模型中哪些变量的模拟产生
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影响、模拟精度改善情况如何等均需深入探讨。 本研究由于资料的不连续以及在模拟 LAI和 h时产生的误差
都将给各类关系的确定造成影响,因此,加强资料的收集,确保实测资料的连续性和准确性尤为重要。 由于空
气动力学参数与植被高度和密度关系密切[4,15],而同一类型植被 LAI 和 h 相关性极为显著,在建立参数化模
型时无法被同时考虑,因此,为实现二者真正意义上的相互独立,开展多种植被类型冠层结构参数的观测十分
必要。
致谢:周艳莲博士提供计算程序并在研究方法上给予帮助,特此致谢。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 17 Sep. ,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Frontiers and Comprehensive Review
The overview and prospect of chemical composition of plant cuticular wax ZENG Qiong, LIU Dechun, LIU Yong (5133)……………
Research progresses in carbon budget and carbon cycle of the coastal salt marshes in China
CAO Lei,SONG Jinming,LI Xuegang,et al (5141)
…………………………………………
…………………………………………………………………………………
Autecology & Fundamentals
Effects of straw interlayer on soil water and salt movement and sunflower photosynthetic characteristics in saline鄄alkali soils
ZHAO Yonggan, PANG Huancheng, LI Yuyi, et al (5153)
…………
………………………………………………………………………
Adaptations of dimorphic seeds and seedlings of Suaeda salsa to saline environments
LIU Yan, ZHOU Jiachao, ZHANG Xiaodong, et al (5162)
…………………………………………………
………………………………………………………………………
Responses of root morphology of peanut varieties differing in drought tolerance to water鄄deficient stress
DING Hong, ZHANG Zhimeng, DAI Liangxiang, et al (5169)
………………………………
……………………………………………………………………
The relationship between physiological indexes of apple cultivars and resistance to Eriosoma lanigerum in summer
WANG Xicun, ZHOU Hongxu,YU Yi, et al (5177)
……………………
………………………………………………………………………………
Physiological responses of Salicornia bigelovii to salt stress during the flowering stage
LIU Weicheng, ZHENG Chunfang, CHEN Chen, et al (5184)
…………………………………………………
……………………………………………………………………
Biological characteristics and cultivation of fruit body of wild medicinal mushroom Perenniporia fraxinea
LU Tie, BAU Tolgor (5194)
………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
The study of characteristics of soil microbial communities at high severity burned forest sites for the Great Xingan Mountains: an
example of slope and aspect BAI Aiqin,FU Bojie, QU Laiye, et al (5201)………………………………………………………
Effect of different fertilizer combinations and straw return on microbial biomass and nitrogen鄄fixing bacteria community in a paddy
soil LIU Xiaoqian, TU Shihua, SUN Xifa, et al (5210)…………………………………………………………………………
Structural characters and nutrient contents of leaves as well as nitrogen distribution among different organs of big \headed wheat
WANG Lifang, WANG Dexuan, SHANGGUAN Zhouping (5219)
……
…………………………………………………………………
Effects of EP鄄1 on spatial memory and anxiety in Mus musculus WANG Xiaojia, QIN Tingting, HU Xia, et al (5228)………………
Population, Community and Ecosystem
Gap characteristics in the mixed broad鄄leaved Korean pine forest in Xiaoxing忆an Mountains
LIU Shaochong, WANG Jinghua,DUAN Wenbiao, et al (5234)
……………………………………………
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Soil nitrogen and phosphorus stoichiometry in a degradation series of Kobresia humulis meadows in the Tibetan Plateau
LIN Li, LI Yikang, ZHANG Fawei, DU Yangong, et al (5245)
………………
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An analysis of carbon flux partition differences of a mid鄄subtropical planted coniferous forest in southeastern China
HUANG Kun,WANG Shaoqiang,WANG Huimin, et al (5252)
…………………
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The niche of annual mixed鄄seeding meadow in response to density in alpine region of the Qilian Mountain, China
ZHAO Chengzhang, ZHANG Jing, SHENG Yaping (5266)
……………………
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Functional feeding groups of macrozoobenthos from coastal water off Rushan PENG Songyao, LI Xinzheng (5274)……………………
Landscape, Regional and Global Ecology
Effects of selective cutting on vegetation carbon storage of boreal Larix gmelinii鄄Carex schmidtii forested wetlands in Daxing忆anling,
China MU Changcheng, LU Huicui, BAO Xu, et al (5286)………………………………………………………………………
CO2 flux in the upland field with corn鄄rapeseed rotation in the karst area of southwest China
FANG Bin, LI Xinqing, CHENG Jianzhong, et al (5299)
…………………………………………
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Monitoring spatial variability of soil salinity in dry and wet seasons in the North Tarim Basin using remote sensing and electromagn鄄
etic induction instruments YAO Yuan, DING Jianli, LEI Lei, et al (5308)………………………………………………………
Methane and nitrous oxide fluxes in temperate secondary forest and larch plantation in Northeastern China
SUN Hailong, ZHANG Yandong, WU Shiyi (5320)
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Butterfly diversity and vertical distribution in eastern Tianshan Mountain in Xinjiang
ZHANG Xin, HU Hongying, L譈 Zhaozhi (5329)
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Dynamics of aerodynamic parameters over a rainfed maize agroecosystem and their relationships with controlling factors
CAI Fu,ZHOU Guangsheng,MING Huiqing,et al (5339)
………………
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The response process to extreme climate events of the household compound system in the northern slope of Tianshan Mountain
LI Xiliang, HOU Xiangyang, DING Yong,et al (5353)
………
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Analysis on spatial鄄temporal heterogeneities of landscape fragmentation in urban fringe area: a case study in Shunyi district of
Beijing LI Can, ZHANG Fengrong, ZHU Taifeng, et al (5363)…………………………………………………………………
Resource and Industrial Ecology
CPUE Standardization of Illex argentinus for Chinese Mainland squid鄄jigging fishery based on generalized linear Bayesian models
LU Huajie, CHEN Xinjun, CAO Jie (5375)
……
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Spatial鄄temporal differentiation of water quality in Gufu River of Three Gorges Reservoir
RAN Guihua, GE Jiwen, MIAO Wenjie, et al (5385)
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Urban, Rural and Social Ecology
Comparison environmental impact of the peasant household in han, zang and hui nationality region:case of zhangye,Gannan and
Linxia in Gansu Province ZHAO Xueyan, MAO Xiaowen (5397)…………………………………………………………………
Research Notes
The seasonal variation and community structure of zooplankton in China sea
DU Mingmin,LIU Zhensheng, WANG Chunsheng,et al (5407)
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Immunotoxicity of marine pollutants on the clam Ruditapes philippinarum
DING Jianfeng, YAN Xiwu, ZHAO Liqiang, et al (5419)
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Influence of submerged macrophytes on phosphorus transference between sediment and overlying water in decomposition period
WANG Lizhi, WANG Guoxiang (5426)
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Distribution patterns of alien herbs in the Yiluo River basin GUO Yili, DING Shengyan, SU Si, et al (5438)………………………
8445 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、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,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索生态学奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,
促进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》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。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
国内邮发代号:82鄄7,国外邮发代号:M670
标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 摇 CN 11鄄2031 / Q
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 17 期摇 (2013 年 9 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
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Vol郾 33摇 No郾 17 (September, 2013)
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