全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 9 期摇 摇 2011 年 5 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
EAM会议专刊述评———气候变化下旱区农业生态系统的可持续性
李凤民, Kadambot H. M Siddique, Neil C Turner,等 ( 玉 )
……………………………………………
…………………………………………………
第二届生态系统评估与管理(EAM)国际会议综述 李朴芳,赵旭喆,程正国, 等 (2349)………………………
应对全球气候变化的干旱农业生态系统研究———第二届 EAM国际会议青年学者论坛综述
赵旭喆,李朴芳,Kadambot H. M Siddique,等 (2356)
…………………
…………………………………………………………
微集雨模式与降雨变律对燕麦大田水生态过程的影响 强生才,张恒嘉,莫摇 非,等 (2365)……………………
黑河中游春小麦需水量空间分布 王摇 瑶,赵传燕,田风霞,等 (2374)……………………………………………
祁连山区青海云杉林蒸腾耗水估算 田风霞,赵传燕,冯兆东 (2383)……………………………………………
甘肃小陇山不同针叶林凋落物量、养分储量及持水特性 常雅军,陈摇 琦,曹摇 靖,等 (2392)…………………
灌水频率对河西走廊绿洲菊芋生活史对策及产量形成的影响 张恒嘉,黄高宝,杨摇 斌 (2401)………………
玛纳斯河流域水资源可持续利用评价方法 杨摇 广,何新林,李俊峰,等 (2407)…………………………………
西北旱寒区地理、地形因素与降雨量及平均温度的相关性———以甘肃省为例
杨摇 森,孙国钧,何文莹,等 (2414)
…………………………………
……………………………………………………………………………
黑河河岸植被与环境因子间的相互作用 许莎莎,孙国钧,刘慧明,等 (2421)……………………………………
干旱胁迫对高山柳和沙棘幼苗光合生理特征的影响 蔡海霞,吴福忠,杨万勤 (2430)…………………………
树锦鸡儿、柠条锦鸡儿、小叶锦鸡儿和鹰嘴豆干旱适应能力比较 方向文,李凤民,张海娜,等 (2437)…………
胡杨异形叶叶绿素荧光特性对高温的响应 王海珍,韩摇 路,徐雅丽,等 (2444)…………………………………
柠条平茬处理后不同组织游离氨基酸含量 张海娜,方向文,蒋志荣,等 (2454)…………………………………
玛河流域扇缘带盐穗木土壤速效养分的“肥岛冶特征 涂锦娜,熊友才,张摇 霞,等 (2461)……………………
摩西球囊霉对三叶鬼针草保护酶活性的影响 宋会兴,钟章成,杨万勤,等 (2471)………………………………
燕麦属不同倍性种质资源抗旱性状评价及筛选 彭远英,颜红海,郭来春,等 (2478)……………………………
光周期对燕麦生育时期和穗分化的影响 赵宝平,张摇 娜,任长忠,等 (2492)……………………………………
水肥条件对新老两个春小麦品种竞争能力和产量关系的影响 杜京旗,魏盼盼,袁自强,等 (2501)……………
猪场沼液对蔬菜病原菌的抑制作用 尚摇 斌,陈永杏,陶秀萍,等 (2509)…………………………………………
不同夏季填闲作物种植对设施菜地土壤无机氮残留和淋洗的影响 王芝义, 郭瑞英,李凤民 (2516)…………
不同群体结构夏玉米灌浆期光合特征和产量变化 卫摇 丽,熊友才,Baoluo Ma,等 (2524)……………………
脱硫废弃物对碱胁迫下油葵幼叶细胞钙分布及 Ca2+ 鄄ATPase活性的影响
毛桂莲,许摇 兴,郑国琦,等 (2532)
………………………………………
……………………………………………………………………………
过去 30a玛纳斯河流域生态安全格局与农业生产力演变 王月健, 徐海量, 王摇 成,等 (2539)………………
基于 RS和转移矩阵的泾河流域生态承载力时空动态评价 岳东霞,杜摇 军, 刘俊艳, 等 (2550)……………
毛乌素沙地农牧生态系统能值分析与耦合关系 胡兵辉, 廖允成 (2559)………………………………………
民勤绿洲农田生态系统服务价值变化及其影响因子的回归分析 岳东霞,杜摇 军,巩摇 杰,等 (2567)…………
青岛市城市绿地生态系统的环境净化服务价值 张绪良,徐宗军,张朝晖,等 (2576)…………………………
基于 3S技术的祖厉河流域农村人均纯收入空间相关性分析 许宝泉,施为群 (2585)…………………………
专论与综述
全球变化下植物物候研究的关键问题 莫摇 非,赵摇 鸿,王建永,等 (2593)………………………………………
区域气候变化统计降尺度研究进展 朱宏伟,杨摇 森,赵旭喆,等 (2602)…………………………………………
干旱胁迫下植物根源化学信号研究进展 李冀南,李朴芳,孔海燕,等 (2610)……………………………………
山黧豆毒素 ODAP的生物合成及与抗逆性关系研究进展 张大伟,邢更妹,熊友才,等 (2621)…………………
旱地小麦理想株型研究进展 李朴芳,程正国,赵摇 鸿,等 (2631)…………………………………………………
小麦干旱诱导蛋白及相关基因研究进展 张小丰,孔海燕,李朴芳,等 (2641)……………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*306*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄05
封面图说: 覆膜鄄垄作燕麦种植———反映了雨水高效利用和农田水生态过程的优化(详见强生才 P2365)。
彩图提供: 兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室莫非摇 E鄄mail:mofei371@ 163. com
生 态 学 报 2011,31(9):2383—2391
Acta Ecologica Sinica
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(91025015, 30770387)
收稿日期:2010鄄04鄄30; 摇 摇 修订日期:2010鄄06鄄17
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: nanzhr@ lzb. ac. cn
祁连山区青海云杉林蒸腾耗水估算
田风霞1, 2,赵传燕3,*,冯兆东1
(1. 兰州大学西部环境教育部重点实验室;2. 兰州大学西部环境与气候变化研究院;
3. 兰州大学干旱与草地农业生态教育部重点实验室,兰州摇 730000)
摘要:青海云杉(Picea crassifolia)林在祁连山区水量平衡中起着重要的调节作用,合理并准确地估算其冠层蒸腾量,对于了解该
区的水分循环和水分平衡具有重大意义。 以位于祁连山中段大野口关滩森林站的青海云杉纯林为研究对象,结合研究区微气
象梯度观测塔自动记录的常规气象资料(气温、空气相对湿度、风速等)以及太阳辐射、大气中 CO2浓度、土壤热通量等,应用改
进的 Penman鄄Monteith修正式对研究区青海云杉林 2008 年生长季的冠层蒸腾量进行估算,并采用单变量敏感性分析法对模拟
结果进行分析。 结果表明:青海云杉林 2008 年生长季(5 9 月)的总蒸腾量为 148. 8 mm,平均日蒸腾量为 0. 97 mm;冠层蒸腾
量主要受太阳辐射的影响,使得日蒸腾量在典型晴天高达 2. 19 mm,而在阴雨天仅为 0. 016 mm;气温对冠层蒸腾量的作用也十
分重要,随气温的变化,日蒸腾量从 5 月开始逐渐增大,在 7 月中上旬达最大值,从 7 月下旬到生长季结束其值逐渐减小;模型
输入参数对模拟蒸腾量的影响强弱顺序为:林冠层截获的净辐射>叶面积指数>气温>风速>大气相对湿度;当模型输入参数在依
10%变动时,模拟结果的变化范围均在依10%以内,说明该模型的模拟结果比较稳定。 在积累了大量相关基础数据的条件下,
通过该改进的 Penman鄄Monteith修正式估算森林蒸腾耗水量仍是一种获得满意结果的便捷方法。
关键词:青海云杉林;冠层蒸腾;Penman鄄Monteith修正式;单变量敏感性分析
Model鄄based estimation of the canopy transpiration of Qinghai spruce (Picea
crassifolia) forest in the Qilian Mountains
TIAN Fengxia1,2, ZHAO Chuanyan3,*, FENG Zhaodong1
1 MOE Key Laboratory of Western China忆s Environmental Systems, Lanzhou University
2 Research School of Arid Environment and Climate Change, Lanzhou University
3 MOE Key Laboratory of Arid and Grassland Ecology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
Abstract: The canopy transpiration of forests is one of the most important components in the water balance and it is
nevertheless the least鄄understood component primarily because systematic data from field environment are unavailable and
difficult measure. Modeling thus remains to be an effective tool in estimating the canopy transpiration of forests. Qinghai
spruce (Picea crassifolia) forest plays an important role in regulating the water balance in the Qilian Mountains through its
effects on different hydrological components ( including rainfall interception, canopy transpiration, and soil infiltration) and
again the canopy transpiration of the forest is the least鄄understood component. This study aimed at estimating the canopy
transpiration of Qinghai spruce forest of the Qilian Mountains based on the meteorological and the energy influx data
observed at Guantan Forest Station (100毅15忆0. 8义 E,38毅32忆1. 3义 N) within the Qilian Mountains. Specifically, this study
simulated the canopy transpiration of the Qinghai spruce forest during the growing season of 2008 using an improved
Penman鄄Monteith equation and the univariate sensitivity analysis was performed to test the sensitivity of variables affecting
the canopy transpiration. The results indicate that the total transpiration of Qinghai spruce forest in the growing season
( from May to September) of 2008 is 148. 8 mm and the daily canopy transpiration rate ranges between 0. 016 and 2. 19 mm
with a mean daily transpiration rate is 0. 97 mm at the research station. The highest monthly canopy transpiration occurs in
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June (37. 9 mm) and the lowest in September (17. 3 mm). The modeled daily canopy transpiration increased at the
beginning of May and reached minimal value towards end of the growing season. It is noticeable that the daily canopy
transpiration reached its maximum in the middle of July, but the maximal monthly transpiration occurred in June probably
because of more rainy and cloudy days in July that effectively lowered both air temperature and solar radiation, thus lowering
the monthly canopy transpiration. Sensitivity analysis showed that among the factors affecting the canopy transpiration, the
sequential order of the importance is as follows: net radiation intercepted by canopy > leaf area index > daily air temperature
> wind speed > relative humidity. Apparently, the net radiation intercepted by canopy and the leaf area index are two most
crucial factors and thus the accuracy of the simulated results are dictated by the accuracies of these two parameters. The
instrumental error of measuring the net radiation was 依10% in the study. The leaf area index was obtained from digital
hemispherical photograph that demonstrated the best way to get the leaf area index in the forest. Our sensitivity analysis
showed that 依10% changes in the net radiation resulted in a maximal change of 依0. 22 mm (依10% ) in the daily canopy
transpiration rate. The 依 10% changes in the estimated leaf area index can result in a maximal change of 0. 16 mm
(+7郾 22% ) or -0. 15 mm (-6. 90% ) in the daily canopy transpiration rate. We consider that less than 依10% change in
the estimated daily canopy transpiration resulted from about 依10% change in any of the contributing factors and thus the
model鄄based estimation of the daily canopy transpiration is acceptable.
Key Words: Picea crassifolia forest; canopy transpiration; improved Penman鄄Monteith equation; univariate sensitivity
analysis摇
森林约占陆地面积的 30% [1],其水量平衡在陆地水循环中具有举足轻重的地位。 森林蒸散发是森林生
态系统水量平衡中的一个重要分量,影响着区域气候和全球水循环[2],其中作为森林蒸散发重要组成部分之
一的冠层蒸腾在土壤鄄植被鄄大气水分传输过程中起着重要作用。 因此,合理并准确地估算森林冠层蒸腾量,
对于了解大范围的水分循环具有重大意义。
青海云杉(Picea crassifolia)是我国青藏高原东北边缘的特有树种,主要分布在祁连山和贺兰山两大山系,
其在祁连山的分布面积占总面积的 94. 6% [3]。 目前,有关青海云杉林的生境特征[4]、空间分布格局[5鄄7]、生物
量[8鄄9]、土壤呼吸[10鄄12]和水源涵养功能[13鄄15]的研究已有较多报道,但对该群落的蒸腾耗水研究甚少。 常国梁
等[16]采用 Li鄄1600 稳态气孔计,对青海大通退耕还林混交林(其中包括青海云杉、紫果云杉、华北落叶松等)
典型天气的蒸腾进行了实测。 于洋、刘敏等[17鄄19]运用 Grainer 热扩散式探针(TDP)法对青海大通青海云杉人
工林生长季的树干茎流进行了连续观测,并分析了其影响因子。 但这些研究工作仍然停留在单株树木尺度的
蒸腾耗水上。
如何准确测定植被耗水量一直是植物学、生态学、水文学等多个学科的研究难点,国内外学者多采用蒸渗
仪法、快速称重法、整树容器法、风调室法、液流法等对植被蒸腾耗水进行观测[20鄄24]。 但在自然状态下,将植
物蒸腾和土壤蒸发分项测定有一定的技术困难,所以对林木蒸腾耗水的定量研究没有取得显著进展。 此外,
从单株树木耗水量外推到林分尺度的总耗水量仍然是一个挑战性的问题。 目前,在估算长时期林分尺度的蒸
散时多采用 Penman鄄Monteith模型,由于该模型综合考虑了影响蒸散的大气物理特性和植物生理机制,具有很
好的物理依据,能比较清楚地反映蒸散的变化过程及其影响机制,已在我国森林蒸散研究中得到成功应
用[25鄄27]。 由于 Penman鄄Monteith模型将植被冠层和土壤看成一层(常被称为“大叶模型冶或单层模型),无法将
冠层蒸腾与土壤蒸发区分开来,所以本研究首先对该模型进行修正和改进,以便将土壤蒸发部分分解出来,然
后采用其修正式对祁连山区青海云杉林 2008 年生长季(5—9 月)的蒸腾量进行估算。
祁连山区现有水源涵养林 43. 61 万 hm2,青海云杉(Picea crassifolia)是其主要的建群树种,面积占水源涵
养林总面积的 24. 74% ,占乔木林总面积的 75. 72% [28],其生态水文服务功能举足轻重。 因此,研究青海云杉
林的冠层蒸腾对青海云杉林的水量平衡甚至祁连山区水量平衡的研究具有重大意义。
4832 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区概况
祁连山地处青藏、黄土两大高原和蒙新荒漠的交汇处(97毅24忆—103毅46忆 E,36毅43忆—39毅42忆 N),试验区位
于由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在祁连山中段建立的大野口关滩森林站内(100毅15忆0. 8义 E,38毅
32忆1. 3义 N;海拔 2835 m)。 气候类型属于高寒半干旱、半湿润山地森林草原气候。 年均气温 0. 5 益,年均降水
量 368 mm,年平均水面蒸发量 1051 mm,平均相对湿度 60% (1994—2004 年) [29]。 森林站内设有一个超级样
地,样地大小为 100 m 伊 100 m,且下垫面地势平坦。 超级样地内主要生长着高约 15—20 m的青海云杉纯林,
多为中龄和近成熟林,郁闭度约为 0. 6,林地表面覆盖有厚约 10 cm的苔藓,植被生长情况良好。 土壤类型为
森林灰褐土,土壤厚度平均约 120 cm。
1. 2摇 实验设计
超级样地内立有一座 24 m高的微气象梯度观测塔,在观测塔上分别安装风、温、湿、降雨观测传感器以及
气压表和辐射四分量计,分别测定风速、气温、空气相对湿度、降雨量、气压、太阳总辐射、森林反射辐射、林内
短波辐射、林内地面反射辐射以及地面和天空的长波辐射。 在观测塔 20. 25 m高处布设有一套开路式涡动相
关系统,可以观测空气定压比热、空气密度以及大气中 CO2浓度等。 在观测塔北部 6 m处的土壤剖面上,布设
有土壤热流通量板以及土壤温度和土壤水分传感器,可分别测定土壤热通量和土壤温湿度。 具体的观测量及
所用传感器型号、生产厂家、仪器精度和架高 /埋深序列见表 1。 上述观测量均由数据采集器每 30 min自动记
录其平均值,观测时间为 2008 年 1 月 1 日至 2008 年 12 月 31 日,且所有观测量数据均来源于“中国西部环境
与生态科学数据中心冶(http: / / westdc. westgis. ac. cn)。
表 1摇 大野口关滩森林站观测量及所用传感器型号、生产厂家、测量精度和架高 /埋深序列
Table 1摇 The series of observables, sensor models, manufacturers, precision and setting height / depth in Guantan Forest Station
观测量
Observables
传感器
Sensor models
生产厂家
Manufacturers
测量精度
Precision
架高(埋深)
Setting height(depth) / m
气温 Air temperature HMP45C Vaisala (芬兰) 依 0. 2 益 1. 92, 9. 90, 23. 75
相对湿度 Air humidity HMP45C Vaisala (芬兰) 依 2% 1. 92, 9. 90, 23. 75
风速 Wind speeds 014A MetOne (美国) 依 0. 11 m / s 2. 24, 10. 00, 23. 80
降雨 Rainfall 52202 R. M. Young (美国) 依 1% 20. 00
气压 Atmospheric pressure CS105 Campbell (美国) 依 0. 5 mb 0. 50
土壤热通量 Soil heat flux HFP01 Campbell (美国) 依 2% 0. 05, 0. 15
土壤湿度 Soil moisture CS616 Campbell (美国) 依 2% 0. 05, 0. 10, 0. 20, 0. 40, 0. 80, 1. 20
土壤温度 Soil temperature 107 Campbell (美国) 依 0. 2 益 0. 05, 0. 10, 0. 20, 0. 40, 0. 80, 1. 20
总辐射和反射辐射
Total and reflected radiation CM3 Campbell (美国) 依 10% 1. 68, 19. 75
长波辐射 Long鄄wave radiation CG3 Campbell (美国) 依 10% 1. 68, 19. 75
风速和气温的脉动
Fluctuations of wind speeds and air temperature CSAT3 Campbell (美国) 20. 25
水汽脉动
Fluctuation of water vapor LI鄄7500 LI鄄Cor (美国) 20. 25
1. 3摇 数据处理
为了计算青海云杉林每日的冠层蒸腾耗水量,首先将每 30 min 的观测量数据转换为日平均数据。 太阳
辐射是植被蒸腾的主要能量来源,但由于夜间树木气孔的关闭和很小的辐射通量,所以本文假定当林冠层上
方的净辐射量小于或等于土壤热通量时,青海云杉林的蒸腾量为零,只计算其它时段(白天)的蒸腾量。 由于
受降雨、降雪、雾霜等不利气象条件及电源不足等影响,自动气象站和涡动相关系统所观测的数据系列在全年
连续观测期间均有不同程度的缺失。 对于缺失的日辐射数据,本文采用 Mahmood 和 Hubbard[30]所提出的方
法进行估算。 对于空气定压比热、空气密度和大气 CO2浓度,则采用数据缺失日前后两天的日平均值对其进
5832摇 9 期 摇 摇 摇 田风霞摇 等:祁连山区青海云杉林蒸腾耗水估算 摇
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行线性插值。
1. 4摇 冠层蒸腾量(ETc)的计算
本研究将青海云杉林的整个冠层看成一个大叶,忽略冠层内部复杂的反馈机制。 在假定动量、热量和水
汽输送的边界层阻力相差较小(不考虑温度层结问题)的条件下,将林冠层截获的净辐射(冠层上方的净辐射
与透过冠层到达林下地表的净辐射之差,Rnc)代替蒸散面的净辐射(Rn)并考虑气压订正,则用于计算冠层蒸
腾量的 Penman鄄Monteith修正式为[31鄄32]:
姿ETc =
P0
P 驻Rnc+籽acp(es-ea) / ra
P0
P 驻+酌(1+rc / ra)
(1)
式中,ETc 为冠层蒸腾量(mm / d);姿 为汽化潜热(2. 45 MJ / kg);驻 为饱和水汽压—温度曲线的斜率
(kPa / 益); Rnc为林冠层截获的净辐射 ( MJ·m-2·d-1 ); 籽a 为空气密度 ( kg / m3 ); cp 为空气定压比热
(MJ·kg-1·益 -1);酌为干湿球常数(kPa / 益);es 为冠层上方的饱和水汽压(kPa);ea 为冠层上方的实际水汽压
(kPa);ra 为冠层表面的空气动力学阻力(s / m);rc 为冠层气孔阻力(s / m);
P0
P为气压订正,P 为当地的实际大
气压(kPa),P0 为标准大气压(kPa)。
饱和水汽压鄄温度曲线的斜率(驻)和干湿球常数(酌)可分别通过式(2)和式(3)获得:
驻=
4098 0. 6108exp 17. 27TT+237.
æ
è
ç
ö
ø
÷
é
ë
êê
ù
û
úú3
(T+237. 3) 2
(2)
酌=
cpP
着姿 (3)
式中,T为一天中最高温和最低温的平均值(益);着 为水汽与干空气分子比,0. 622。 冠层上方的饱和水
汽压(es)和实际水汽压(ea)的计算如下:
es =
es(Tmax)+es(Tmin)
2 (4)
ea =
es(Tmin)
RHmax
100 +es(Tmax)
RHmin
100
2 (5)
式中,es(Tmax)为一天中最高温时的饱和水汽压(kPa),es(Tmax)= 0. 6108exp
17. 257Tmax
Tmax+237.
æ
è
ç
ö
ø
÷
3 ;es(Tmin)为一天
中最低温时的饱和水气压(kPa),es(Tmin)= 0. 6108exp
17. 257Tmin
Tmin+237.
æ
è
ç
ö
ø
÷
3 ;RHmax和 RHmin分别为一天中空气相对湿
度的最高值和最低值(% );Tmax和 Tmin分别为一天中的最高和最低气温(益)。
Penman鄄Monteith 模型假定大气为中性层结,故用于计算冠层表面空气动力学阻力( ra)的公式可表
示为[33]:
ra =
4. 72 ln z-dz
æ
è
ç
ö
ø
÷
é
ë
êê
ù
û
úú
0
2
1+0. 54uz
(6)
式中,z为冠层上方测量风速的高度(23. 8 m);d为零平面位移,经计算分析知 d=12. 75m;z0 为林冠层粗
糙度(m),z0 =0. 075H,H为平均树高(18 m);uz 为 z高度处的风速(m / s)。
由于把青海云杉林的整个冠层看成一个大叶,则其冠层气孔阻力( rc)可表示为[34]:
rc =
rmin
LAIactive 1. 4-0. 4
籽(CO2)æ
è
ç
ö
ø
÷
330
=
rmin
0. 5LAI 1. 4-0. 4
籽(CO2)æ
è
ç
ö
ø
÷
330
(7)
6832 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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式中,rmin为植被单叶最小有效气孔阻力,在充分供水条件下,其值为 100 s / m;LAI 为叶面积指数,作者采
用半球摄影技术求得研究区超级样地内 LAI 的平均值为 2. 97;籽(CO2)为青海云杉林内平均大气 CO2浓度
(mg / m3)。 摇
2摇 结果分析
2. 1摇 生长季林冠日蒸腾量的变化特征
根据用于计算冠层蒸腾的 Penman鄄Monteith修正式,估算研究区青海云杉林 2008 年生长季内的日蒸腾量
(ETc),经计算知整个生长季的总蒸腾量为 148. 8 mm。 同时,在 Excel 中作出研究期间内日蒸腾量和日降雨
量的变化图,并添加日蒸腾量的变化趋势线(图 1)。
图 1摇 生长季内青海云杉林的日蒸腾量变化及日降雨量
Fig. 1摇 Daily canopy transpiration changes of Qinghai spruce forest and daily rainfall during the growing season of 2008
从图 1 可以看出,在 2008 年的整个生长季内,青海云杉林的日蒸腾量变化不大,基本在 1. 0 mm 上下波
动,最高可达 2. 19 mm / d,最低可为 0. 016 mm / d,平均日蒸腾量为 0. 97 mm。 由日蒸腾量的变化趋势线可知,
生长季开始后(5 月初),青海云杉林的日蒸腾量逐渐增大,在 7 月中上旬达最大值,从 7 月下旬到生长季结束
其日蒸腾量逐渐减小。
这是因为从 5 月开始,研究区内气温不断升高、降雨量逐渐增多,青海云杉生长迅速,故其蒸腾量逐渐增
大。 而 7 月下旬降雨量大且集中,致使太阳辐射减少、气温降低,进而抑制青海云杉的蒸腾作用。 加之,8 月
份气温开始回落,青海云杉的生长受到限制,所以其蒸腾作用亦随之逐渐减弱。 另外,在气温升高的同时,研
究区内的太阳辐射也在增强,而光照对植物的蒸腾作用起着关键作用,不仅可以提高叶片温度使其高于大气
温度,增大叶内外的蒸汽压差,而且促使植物气孔开放,减少内部阻力,从而增强蒸腾作用,故使得典型晴天青
海云杉林的日蒸腾量最大可达 2. 19 mm。 当阴天降雨时,不仅太阳辐射弱且气温较低,不利于树木蒸腾,致使
青海云杉林的日蒸腾量仅为 0. 016 mm。 除此之外,阴雨天森林内的空气相对湿度较大,在一定气孔开度条件
下,叶片和大气之间的水汽压差较小,也遏止树木的蒸腾作用。 所以,虽然研究区内 7 月份的日均温和日平均
太阳辐射强度均高于 6 月,但由于 7 月份的阴雨天较多(月降雨量为 128. 7 mm),致使 7 月份青海云杉林的林
冠蒸腾量为 35. 8 mm,低于 6 月份的蒸腾量(37. 9 mm)。
2. 2摇 模拟结果的敏感性分析
植物的蒸腾强度不仅取决于叶量、叶的构造特点和生理功能,还受环境中许多生态因子的综合影响,其中
7832摇 9 期 摇 摇 摇 田风霞摇 等:祁连山区青海云杉林蒸腾耗水估算 摇
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最重要而又很容易发生变化的是气象因子,主要有太阳辐射、空气湿度、大气水汽压差、大气温度、风速等。 本
研究用于计算冠层蒸腾的 Penman鄄Monteith修正式,其模型输入参数主要有林冠层截获的净辐射(Rnc)、气温
(T)、空气相对湿度(RH)、冠层上方的风速(uz)以及青海云杉林的叶面积指数(LAI)。 为验证上述因子对青
海云杉林冠层模拟蒸腾量的影响程度,本研究采用单变量(其他参数不变)敏感性分析法,即当单个模型输入
参数在一定范围内变化时,分析模型模拟结果的变化幅度,对当模型输入参数变化依10%后模拟结果的变化
幅度作了分析,结果见表 2。
表 2摇 模型对各输入参数变化的敏感性分析
Table 2摇 Analysis of the model忆s sensitivity to inputting parameters
模型中各输入参数增加 10% Inputting parameters increased by 10%
T /
益
uz /
(m / s)
Rnc /
(MJ·m-2·d-1)
RH / % LAI
模拟蒸腾量的变化幅度 / %
Change rates of simulated transpiration 6. 02 -4. 31 10. 0 -0. 005 7. 55
模型中各输入参数减小 10% Inputting parameters decreased by 10%
T /
益
uz /
(m / s)
Rnc /
(MJ·m-2·d-1)
RH / % LAI
模拟蒸腾量的变化幅度 / %
Change rates of simulated transpiration -5. 79 4. 73 -10. 0 0. 005 -7. 17
摇 摇 T为日平均气温;uz 为冠层上方风速;Rnc为林冠层截获的净辐射;RH为空气相对湿度;LAI为叶面积指数
表 2 中的分析结果表明,林冠层截获的净辐射以及反映森林下垫面特征的叶面积指数对模拟结果的影响
最大,是决定模型模拟值的主要参数。 当林冠层截获的净辐射增加 10%时,总模拟蒸腾量增大 10% ,反之,总
模拟蒸腾量减小 10% ,而叶面积指数则是通过改变冠层的气孔阻力来影响模拟值,叶面积指数增大意味着森
林冠层的气孔阻力减小(公式(7)),所以模拟蒸腾量增大。 气温和风速对模拟结果的影响次之,当其参数值
变动依10%时,模拟蒸腾量的变化幅度分别为依6%和依5%左右,其中气温升高增大了叶片与周围空气的水汽
压差,因此促进了青海云杉林蒸腾速率的提高,而大风不仅通过降低叶温使蒸腾减弱,也促使叶片迅速失水导
致气孔关闭使蒸腾减弱。 空气相对湿度对模拟结果的影响最小,几乎不影响模拟蒸腾量的变化,这表明研究
区生长季内,林地长期处于湿润状态,树木生长一般不存在水分不足的问题,能够满足 Penman鄄Monteith 方程
构建时的前提假设(下垫面水分充分供应)。
2. 3摇 Rnc和 LAI对林冠蒸腾量的影响
由于敏感性分析结果已表明,林冠层截获的净辐射(Rnc)以及反映森林下垫面特征的叶面积指数(LAI)是
决定 Penman鄄Monteith修正式模拟蒸腾量的主要参数,对 Rnc和 LAI 变动依10%时的模拟蒸腾量作了分析,图 2
和图 3 分别展现了 Rnc和 LAI变动依10%时日蒸腾量的增减量变化。
由图 2 可知,当林冠层截获的净辐射(Rnc)增加 10%时,模拟蒸腾量随之增大,当 Rnc减小 10%时,模拟蒸
腾量亦随之减小,并且日蒸腾量的增减量大小相同。 结合图 1 和图 2 可知,在整个生长季内,Rnc变动依10%前
后的日蒸腾量的变化趋势基本一致。 Rnc变动前,晴天的日蒸腾量远高于阴雨天的日蒸腾量,而当 Rnc变动依
10%时,日蒸腾量的增减量也是晴天(依0. 22 mm)大于阴雨天(依0. 0015 mm),且增减量占日蒸腾量的 10% 。
由图 3 不难看出,当青海云杉林的叶面积指数(LAI)变动依10%时,模拟蒸腾量随 LAI 的增大而增大,随
LAI的减小而减小,模拟蒸腾量在晴天的增减量大于阴雨天,且增减量的变化趋势与 LAI变动前的日蒸腾量的
变化趋势一致。 模拟蒸腾量虽然随 LAI的增大(减小)而增大(减小),但当 LAI增大 10%时,日蒸腾量最大可
增加 0. 16 mm,生长季的总模拟蒸腾量增加 11. 2 mm (7. 55% ),而当 LAI 减小 10%时,日蒸腾量最大可减小
0. 15 mm,生长季总模拟蒸腾量减小 10. 7 mm (7. 17% )。 这表明虽然 LAI 也是影响模拟蒸腾量的重要因子,
但当其在一定幅度变动时并不能引起蒸腾量同等程度的变化。
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图 2摇 Rnc变动依10%时青海云杉林日蒸腾量的变化
摇 Fig. 2 摇 Changes of daily transpiration of Qinghai spruce forest
when Rnc increased or decreased by 10%
图 3摇 LAI变动依10%时青海云杉林日蒸腾量的变化
摇 Fig. 3 摇 Changes of daily transpiration of Qinghai spruce forest
when LAI increased or decreased by 10%
3摇 结论与讨论
本文采用改进的 Penman鄄Monteith修正式,估算祁连山区青海云杉林 2008 年生长季的日蒸腾量。 模拟结
果表明,太阳辐射对树木的蒸腾作用起着关键作用,不仅可以通过改变叶内外的蒸汽压差,而且可以通过控制
植物气孔的开放程度,使得青海云杉林典型晴天的日蒸腾量(2. 19 mm)远高于阴天降雨时的日蒸腾量(0. 016
mm)。 由于研究区研究期间内的阴雨天比较多(67d),占整个生长季天数的 43. 8% ,进而抑制了青海云杉林
的蒸腾作用。 加之,研究区位于高海拔的山区,气温相对较低,不利于树木蒸腾耗水,故整个生长季的蒸腾耗
水量仅为 148. 8 mm,低于刘敏等[18]在青海省大通县的测定值。
采用单变量敏感性分析法对模型模拟蒸腾量的分析表明,林冠层截获的净辐射和林地叶面积指数对模拟
结果的影响最大,其次是气温和风速,而空气相对湿度的影响最小。 当模型输入参数在依10%变动时,模拟蒸
腾量的变化幅度均臆10% ,说明该模型的模拟结果比较稳定。 加之,研究区内的林冠层截获的净辐射、气温、
空气相对湿度、冠层上方风速均可通过仪器观测准确获得。 本文采用 Penman鄄Monteith 修正式估算的青海云
杉林生长季的蒸腾量有很大的可信性。 此外,本文中叶面积指数的测定是采用半球摄影技术获得的,而该技
术已被证明是针叶林分中观测冠层结构比较理想的手段[35],所以叶面积指数测定的准确性也能够保证。 但
是对于特定的研究区,LAI 测点的疏密程度则影响着 LAI 的测定精度,故今后还需开展对 LAI 的加密观测
工作。
正如数据处理小节中所提到的,本文在采用 Penman鄄Monteith 修正式估算青海云杉林生长季的日蒸腾量
时,首先假定当林冠层上方的净辐射量小于或等于土壤热通量时其蒸腾量为零,而实际上该时段内的蒸腾量
并不为零。 所以,应用 Penman鄄Monteith 修正式,在缺乏树木蒸腾量实测资料的情况下,仅靠常规气象数据无
法连续估算森林的夜间蒸腾量。 以后的工作还需要结合其它途径的蒸腾观测来建立青海云杉林夜间蒸腾量
估算的计算关系,比如目前国际上多采用的液流法。 总之,在积累了大量相关基础数据的条件下,通过该模型
估算森林蒸腾耗水量仍是一种获得满意结果的便捷方法。
致谢:本文所用数据来源于“中国西部环境与生态科学数据中心冶 (http: / / westdc. westgis. ac. cn)
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 9 May,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Guest Editorial from EAM Workshop———Sustainability of agricultural ecosystems in arid regions in response to climate change
LI Fengmin, Kadambot H. M Siddique, Neil C Turner, et al ( 玉 )
……
………………………………………………………………
Overview on the 2nd international workshop on ecosystem assessment and management (EAM)
LI Pufang, ZHAO Xuzhe,CHENG Zhengguo, et al (2349)
…………………………………………
…………………………………………………………………………
Arid agricultural ecology in response to global change: Overview on Young Scholar Forum of the 2nd International Workshop on
EAM ZHAO Xuzhe, LI Pufang, Kadambot H. M Siddique, et al (2356)…………………………………………………………
The effects of micro鄄rainwater harvesting pattern and rainfall variability onwater ecological stoichiometry in oat (Avena sativa L. )
field QIANG Shengcai, ZHANG Hengjia, MO Fei, et al (2365)…………………………………………………………………
Spatial variation of water requirement for spring wheat in the middle reaches of Heihe River basin
WANG Yao, ZHAO Chuanyan, TIAN Fengxia, et al (2374)
……………………………………
………………………………………………………………………
Model鄄based estimation of the canopy transpiration of Qinghai spruce (Picea crassifolia) forest in the Qilian Mountains
TIAN Fengxia, ZHAO Chuanyan, FENG Zhaodong (2383)
……………
…………………………………………………………………………
Litter amount and its nutrient storage and water holding characteristics under different coniferous forest types in Xiaolong Mountain,
Gansu Province CHANG Yajun,CHEN Qi,CAO Jing,et al (2392)………………………………………………………………
Effect of irrigationfrequency on life history strategy and yield formation in Jerusalem artichoke(Helianthus tuberosus. L) in oasis
of Hexi Corridor ZHANG Hengjia, HUANG Gaobao, YANG Bin (2401)…………………………………………………………
The evaluation method of water resources sustainable utilization in Manas River Basin
YANG Guang, HE Xinlin, LI Junfeng, et al (2407)
…………………………………………………
………………………………………………………………………………
Correlation of topographic factors with precipitation and surface temperature in arid and cold region of Northwest China: a case
study in Gansu Province YANG Sen, SUN Guojun, HE Wenying, et al (2414)…………………………………………………
The relationship between riparian vegetation and environmental factors in Heihe River Basin
XU Shasha, SUN Guojun, LIU Huiming, et al (2421)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
Effects of drought stress on the photosynthesis of Salix paraqplesia and Hippophae rhamnoides seedlings
CAI Haixia, WU Fuzhong, YANG Wanqin (2430)
………………………………
…………………………………………………………………………………
The comparation of drought resistance between Caragana species (Caragana arborescens, C. korshinskii, C. microphylla) and two
chickpea (Cicer arietinum L. ) cultivars FANG Xiangwen,LI Fengmin, ZHANG Haina, et al (2437)……………………………
Response of chlorophyll fluorescence characteristics of Populus euphratica heteromorphic Leaves to high temperature
WANG Haizhen, HAN Lu, XU Yali,et al (2444)
…………………
…………………………………………………………………………………
Free amino acid content in different tissues of Caragana korshinskii following all shoot removal
ZHANG Haina, FANG Xiangwen, JIANG Zhirong, et al (2454)
………………………………………
…………………………………………………………………
“Fertile Island冶 features of soil available nutrients around Halostachys caspica shrub in the alluvial fan area of Manas River watershed
TU Jinna, XIONG Youcai, ZHANG Xia, et al (2461)
……
……………………………………………………………………………
Analysis of the activities of protective enzymes in Bidens pilosa L. inoculated with Glomus mosseae under drought stress
SONG Huixing, ZHONG Zhangcheng, YANG Wanqin,et al (2471)
……………
………………………………………………………………
Evaluation and selectionon drought鄄resistance of germplasm resources of Avena species with different types of ploidy
PENG Yuanying, YAN Honghai,GUO Laichun, et al (2478)
…………………
………………………………………………………………………
Ecophysiological mechanism of photoperiod affecting phenological period and spike differentiation in oat (Avena nuda L. )
ZHAO Baoping, ZHANG Na, REN Changzhong, et al (2492)
…………
……………………………………………………………………
Effects of water and fertilization on relationship between competitive ability and seed yield of modern and old spring wheat varieties
DU Jingqi, WEI Panpan, YUAN Ziqiang, et al (2501)
………
……………………………………………………………………………
Inhibitory effect of biogas slurry from swine farm on some vegetable pathogen
SHANG Bin, CHEN Yongxing,TAO Xiuping, et al (2509)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Effects of different summer catch crops planting on soil inorganic N residue and leaching in greenhouse vegetable cropping system
WANG Zhiyi, GUO Ruiying, LI Fengmin (2516)
……
…………………………………………………………………………………
Photosyntheticcharacterization and yield of summer corn (Zea mays L. ) during grain filling stage under different planting pattern
and population densities WEI Li, XIONG Youcai, Baoluo Ma, et al (2524)……………………………………………………
Effects of desulfurization waste treatment on calcium distribution and calcium ATPase activity in oil鄄sunflower seedlings under
alkaline stress MAO Guilian, XU Xing, ZHENG Guoqi, et al (2532)……………………………………………………………
The evolution between ecological security pattern and agricultural productive force in Manas River Basin for the past 30 years
WANG Yuejian, XU Hailiang, WANG Cheng, et al (2539)
………
………………………………………………………………………
Spatio鄄temporal analysis of ecological carrying capacity in Jinghe Watershed based on Remote Sensing and Transfer Matrix
YUE Dongxia, DU Jun, LIU Junyan, et al (2550)
…………
…………………………………………………………………………………
The coupling relationship and emergy analysis of farming and grazing ecosystems in Mu Us sandland
HU Binghui, LIAO Yuncheng (2559)
…………………………………
………………………………………………………………………………………………
Dynamic analysis of farmland ecosystem service value and multiple regression analysis of the influence factors in Minqin Oasis
YUE Dongxia,DU Jun,GONG Jie,et al (2567)
………
……………………………………………………………………………………
Environment purification service value of urban green space ecosystem in Qingdao City
ZHANG Xuliang, XU Zongjun, ZHANG Zhaohui, et al (2576)
………………………………………………
……………………………………………………………………
The spatial relationship analysis of rural per capital revenue based on GIS in Zulihe River basin, Gansu Province
XU Baoquan,SHI Weiqun (2585)
……………………
……………………………………………………………………………………………………
Review and Monograph
The key issues on plant phenology under global change MO Fei, ZHAO Hong, WANG Jianyong, et al (2593)………………………
Recent advances on regional climate change by statistical downscaling methods
ZHU Hongwei, YANG Sen, ZHAO Xuzhe, et al (2602)
…………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Current progress in eco鄄physiology of root鄄sourced chemical signal in plant under drought stress
LI Jinan, LI Pufang, KONG Haiyan, et al (2610)
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ODAP biosynthesis: recent developments and its response to plant stress in grass pea (Lathyrus sativus L. )
ZHANG Dawei, XING Gengmei, XIONG Youcai, et al (2621)
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Currentprogress in plant ideotype research of dryland wheat (Triticum aestivum L. )
LI Pufang, CHENG Zhengguo, ZHAO Hong, et al (2631)
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Recent advances in research on drought鄄induced proteins and the related genes in wheat (Triticum aestivu L. )
ZHANG Xiaofeng, KONG Haiyan, LI Pufang, et al (2641)
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2654 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
摇 摇 客座编辑 Guest Editors摇 LI Fengmin摇 XIONG Youcai摇 Neil Turner摇 Kadambot Siddique
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 9 期摇 (2011 年 5 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 9摇 2011
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