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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 17 期摇 摇 2012 年 9 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
基于生物生态因子分析的长序榆保护策略 高建国,章摇 艺,吴玉环,等 (5287)…………………………………
闽江口芦苇沼泽湿地土壤产甲烷菌群落结构的垂直分布 佘晨兴,仝摇 川 (5299)………………………………
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 刘摇 渡,李摇 俊,于摇 强,等 (5309)………………
地下滴灌下土壤水势对毛白杨纸浆林生长及生理特性的影响 席本野,王摇 烨,邸摇 楠,等 (5318)……………
绿盲蝽危害对枣树叶片生化指标的影响 高摇 勇,门兴元,于摇 毅,等 (5330)……………………………………
湿地资源保护经济学分析———以北京野鸭湖湿地为例 王昌海,崔丽娟,马牧源,等 (5337)……………………
湿地保护区周边农户生态补偿意愿比较 王昌海,崔丽娟,毛旭锋,等 (5345)……………………………………
湿地翅碱蓬生物量遥感估算模型 傅摇 新,刘高焕,黄摇 翀,等 (5355)……………………………………………
增氮对青藏高原东缘典型高寒草甸土壤有机碳组成的影响 郑娇娇,方华军,程淑兰,等 (5363)………………
大兴安岭 2001—2010 年森林火灾碳排放的计量估算 胡海清,魏书精,孙摇 龙 (5373)…………………………
基于水分控制的切花百合生长预测模型 董永义,李摇 刚,安东升,等 (5387)……………………………………
极端干旱区增雨加速泡泡刺群落土壤碳排放 刘殿君,吴摇 波,李永华,等 (5396)………………………………
黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应 许明祥,王摇 征,张摇 金,等 (5405)……………………
小兴安岭 5 种林型土壤呼吸时空变异 史宝库,金光泽,汪兆洋 (5416)…………………………………………
疏勒河上游土壤磷和钾的分布及其影响因素 刘文杰,陈生云,胡凤祖,等 (5429)………………………………
COI1 参与茉莉酸调控拟南芥吲哚族芥子油苷生物合成过程 石摇 璐,李梦莎,王丽华,等 (5438)……………
Gash模型在黄土区人工刺槐林冠降雨截留研究中的应用 王艳萍,王摇 力,卫三平 (5445)……………………
三峡水库消落区不同海拔高度的植物群落多样性差异 刘维暐,王摇 杰,王摇 勇,等 (5454)……………………
基于 SPEI的北京低频干旱与气候指数关系 苏宏新,李广起 (5467)……………………………………………
山地枣树茎直径对不同生态因子的响应 赵摇 英,汪有科,韩立新,等 (5476)……………………………………
幼龄柠条细根的空间分布和季节动态 张摇 帆,陈建文,王孟本 (5484)…………………………………………
山西五鹿山白皮松群落乔灌层的种间分离 王丽丽,毕润成,闫摇 明,等 (5494)…………………………………
长期施肥对玉米生育期土壤微生物量碳氮及酶活性的影响 马晓霞,王莲莲,黎青慧,等 (5502)………………
基于归一化法的小麦干物质积累动态预测模型 刘摇 娟,熊淑萍,杨摇 阳,等 (5512)……………………………
上海环城林带景观美学评价及优化策略 张凯旋,凌焕然,达良俊 (5521)………………………………………
旅游风景区旅游交通系统碳足迹评估———以南岳衡山为例 窦银娣,刘云鹏,李伯华,等 (5532)………………
一种城市生态系统现状评价方法及其应用 石惠春,刘摇 伟,何摇 剑,等 (5542)…………………………………
黄海中南部细纹狮子鱼的生物学特征及资源分布的季节变化 周志鹏,金显仕,单秀娟,等 (5550)……………
蓝藻堆积和螺类牧食对苦草生长的影响 何摇 虎,何宇虹,姬娅婵,等 (5562)……………………………………
黑龙江省黄鼬冬季毛被分层结构及保温功能 柳摇 宇,张摇 伟 (5568)……………………………………………
虎纹蛙选择体温和热耐受性在个体发育过程中的变化 樊晓丽,雷焕宗,林植华 (5574)………………………
水丝蚓对太湖沉积物有机磷组成及垂向分布的影响 白秀玲,周云凯,张摇 雷 (5581)…………………………
专论与综述
城市绿地生态评价研究进展 毛齐正,罗上华,马克明,等 (5589)…………………………………………………
全球变化背景下生态学热点问题研究———第二届“国际青年生态学者论坛冶
万摇 云,许丽丽,耿其芳,等 (5601)
…………………………………
……………………………………………………………………………
研究简报
雅鲁藏布江高寒河谷流动沙地适生植物种筛选和恢复效果 沈渭寿,李海东,林乃峰,等 (5609)………………
学术信息与动态
生态系统服务时代的来临———第五届生态系统服务伙伴年会述评 吕一河,卫摇 伟,孙然好 (5619)…………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*334*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄09
封面图说: 带雏鸟的白枕鹤一家———白枕鹤是一种体型略小于丹顶鹤的优美的鹤。 体羽蓝灰色,腹部较深,背部较浅,脸颊两
侧红色,头和颈的后部及上背为白色,雌雄相似。 其虹膜暗褐色,嘴黄绿色,脚红色。 白枕鹤常常栖息于开阔平原芦
苇沼泽和水草沼泽地带,有时亦出现于农田和海湾地区,尤其是迁徙季节。 主要以植物种子、草根、嫩叶和鱼、蛙、软
体动物、昆虫等为食。 繁殖区在我国北方和西伯利亚东南部。 我国白枕鹤多在黑龙江、吉林、内蒙古繁殖,与丹顶鹤
的繁殖区几乎重叠,为国家一级保护动物。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 17 期
2012 年 9 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 17
Sep. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(31100322); 国家重点基础研究发展计划资助(2010CB428404)
收稿日期:2012鄄01鄄22; 摇 摇 修订日期:2012鄄06鄄18
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: lijun@ igsnrr. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201201220123
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.
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.
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
刘摇 渡1, 2, 4,李摇 俊1,2,*,于摇 强1, 2,同小娟3,欧阳竹1
(1. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京摇 100101;2. 中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室,北京摇 100101;
3. 北京林业大学林学院,北京摇 100083;4. 中国科学院研究生院,北京摇 100049)
摘要:涡度相关法被认为是测定农田蒸散量的标准方法。 然而,能量不闭合现象在涡度相关测量中普遍存在。 分析能量不闭合
对涡度相关观测的影响,对于提高涡度相关观测精度具有重要意义。 以蒸渗仪法为参照,探讨涡度相关观测的能量闭合状况对
农田蒸散测定的影响,在导致涡度相关观测能量不闭合的诸多因素中,寻找对蒸散测定有影响的因素。 结果表明:涡度相关观
测的白天能量平衡比率(EBR)呈秋冬高、春夏低的变化特征,麦季日均 EBR 范围在 0. 26—2. 84 之间,平均 1. 15;玉米季日均
EBR范围在 0. 19—2. 59 之间,平均 0. 78。 无论麦季或玉米季,涡度相关法测定的平均蒸散量(ETec)均明显低于蒸渗仪法观测
值(ETL),但两者显著相关(P < 0. 01),并有相似的季节变化。 平均蒸散比(ETec / ETL)麦季约为 0. 61,玉米季约为 0. 50。 在冬
小麦田和夏玉米田,ETec / ETL 均与 EBR显著相关(P < 0. 01)。 麦田种植密度大,下垫面较均匀,蒸散比与 EBR 成正比(P <
0郾 01),且不受叶面积指数(LAI)大小影响;反之,玉米田种植密度小,只有当 LAI > 1,下垫面变得较均匀后,蒸散比与 EBR的关
系才变得显著(P < 0. 01)。 风速小时 ETec / ETL 与 EBR 显著相关,风速增加时二者相关性减弱。 尤其在玉米田,当摩擦风速
(u*)大于 0. 3 m / s时,ETec / ETL 与 EBR的相关性不再显著。 风速小时,大气湍流微弱,湍流的涡旋较大。 在有限的观测时段
(0. 5h)内,涡度相关仪的传感器难以捕捉足够的湍涡能量,所测湍流能量偏低,导致能量不闭合。 以上结果为应用能量平衡比
率校正农田蒸散提供了可能途径。
关键词:能量平衡比率;蒸散量;涡度相关法;蒸渗仪法;农田
Energy balance closure and its effects on evapotranspiration measurements with
the eddy covariance technique in a cropland
LIU Du1, 2, 4, LI Jun1, 2,*, YU Qiang1, 2, TONG Xiaojuan3, OUYANG Zhu1
1 Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2 Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
3 College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
4 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The eddy covariance (EC) technique is generally regarded as a standard method for crop evapotranspiration
measurements. However, the imbalance of energy closure prevails in the EC observations. Evaluating the effect of energy
balance closure on EC measurement is critical for improving the accuracy of this method. In this paper, a weighting method
( the Lysimeter method ) was used as reference to evaluate the effect of energy balance ratio ( EBR ) on EC
evapotranspiration. The results revealed that daytime EBR varied seasonally in the field, where wheat and maize were
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rotated in the winter and summer, respectively. The EBR was higher in autumn and winter but lower in the spring and
summer. For the wheat field, mean daytime EBR varied from 0. 26 to 2. 84 with an average of 1. 15. As for the maize field,
EBR varied from 0. 19 to 2. 59 with a mean value of 0. 78. The evapotranspiration (ET) using EC (ETec) was clearly lower
than derived by Lysimeter (ETL). The mean ratio of ETec to ETL(ETec / ETL) was 0. 61 and 0. 50 during the wheat growing
season and the maize season, respectively. The ET observed with these two approaches significantly correlated with each
other (P < 0. 01), with their characteristics of seasonal variation performing in a similar manner. The ETec / ETL was found
to be proportional to EBR (P < 0. 01) in both the winter wheat field and the summer maize field. Furthermore, the effect of
the leaf area index (LAI) on the relationship between ET ratios and EBR was significant in the even crop field during the
entire growing season of winter wheat and the maize growing stage when the LAI was higher than 1. However, the effect was
insignificant in the uneven maize field when the LAI was less than 1. On the other hand, friction velocity (u*) exerted a
strong impact on EBR and its relationship with ET ratios. EBR was observed to be proportional to u* in both the winter
wheat field and the summer maize field. ET ratios were proportional to EBR when u* was small. Nonetheless, the
correlation between these two parameters showed recession while u* increasing, especially in summer maize field, ETec / ETL
was not significantly correlated with EBR when u* was bigger than 0. 3 m / s. Due to the weak turbulent intensity and the
large eddy under the condition of low friction velocity, the EC sensor could not catch enough turbulent energy in a limited
observation period (30 minutes), which caused lower measured turbulent fluxes and imbalanced energy closure. The results
offer a possible way to correct the underestimated ETec using EBR.
Key Words: energy balance ratio; evapotranspiration; eddy covariance; lysimeter; cropland
蒸散作为植被水热平衡中的重要组成部分,是反映植被水分状况的重要指标,是影响区域和全球气候的
重要因素。 准确测算地表蒸散,对作物产量模拟、农业节水研究、全球气候变化研究等方面具有重要意义。 目
前测定蒸散的方法主要有:水量平衡法、蒸渗仪法、波文比法、梯度法、涡度相关法和闪烁通量仪法等。 其中,
蒸渗仪法是直接测定生态系统蒸散量最经典的方法,曾被广泛用作校准其他方法的标准[1鄄2];涡度相关法作
为直接测定地表与大气间水汽通量的标准方法在全球水循环研究中得到了广泛应用[3]。 但涡度相关技术本
身还有许多理论和技术性问题未得到很好解决,如根据热力学第一定律和涡度相关技术的基本假设,观测的
能量闭合状况可作为评价数据可靠性的方法之一,可是现在大多数观测站点的能量都不闭合。 对 FLUXNET
和 ChinaFLUX的分析结果表明,站点的平均能量不闭合度分别为 20% [4]和 27% [5]。 还有部分学者的研究结
果超出普遍报道的 10%—30%的不闭合范围[6]。 关于能量闭合程度的季节变化特征,Li等[5]发现,从冬季到
夏季各站点的能量闭合程度不断提高。 但南方通量站情况与北方相反,如鼎湖山针阔混交林的冬季能量平衡
状况好于夏季[6]。
针对涡度相关观测能量不闭合这一难题,学者们进行了大量研究,主要集中在两方面:一是分析导致能量
不闭合的因素有哪些;二是寻找使能量达到闭合的方法。 对于第一个问题的回答可归结为:通量源面积的不
匹配[7]、高频和低频湍流通量的损失[8]、平流的影响[9]、地形的影响[6,10]、测量仪器可能产生的系统偏差[11]、
其他能量吸收项的忽略和湍流交换弱[5]等。 对于第二个问题,研究的重点从早期的提高仪器测量的精度和
订正其他能量吸收项[12鄄13]逐渐转移到对地气间的交换过程和低频大尺度涡旋等问题的探讨。 近年来,针对
单点涡度相关系统难以观测到的低频大尺度涡旋的通量贡献问题。 学者们从延长通量计算的平均时间[14]、
应用大涡模拟技术[15]、采用地面观测网的“面积平均冶方法[15鄄16]、应用大口径闪烁仪[17]等方面来寻找能量不
闭合的解决途径,但该问题至今仍未完全解决。
谱分析表明,涡度相关仪器不是湍流通量测定的限制性因素。 若所有观测仪器均经过严格标定,可不考
虑测量仪器可能产生的系统偏差[18]。 若研究区地势平坦,则可以不考虑地形起伏造成的影响。 在农田,冠层
热储量和附加能量源汇的总和的数值通常较小,一般可忽略[19]。 余下的导致能量不闭合的因素包括仪器所
0135 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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测通量源面积的不匹配、高低频通量成分的损失、平流的影响和湍流交换强度四方面。 但影响能量闭合程度
的因素不一定会影响湍流通量的测定。 本研究关注的焦点不在于使涡度相关观测的能量达到闭合,而在于探
讨能量不闭合对湍流通量的测定是否有影响;如果有影响,影响有多大;如何进行校正。
为探讨涡度相关观测的能量闭合状况对蒸散测定的影响,需要寻找其它蒸散测定方法作为参考标准。 蒸
渗仪法是直接称重获取蒸散量的,若代表性好,理当成为首选。 本研究以华北平原冬小麦 /夏玉米轮作田为
例,以大型蒸渗仪所测蒸散量为参照,探讨能量闭合状况与涡度相关蒸散测定的关系及其影响因子,在导致涡
度相关观测能量不闭合的诸多因素中找出对蒸散测定有影响的因素,对完善涡度相关技术具有重要的理论和
应用价值。
1摇 研究地点和方法
1. 1摇 研究地点概况
试验在中国科学院禹城农业综合试验站(36毅57忆N,116毅38忆E,22. 0 m)进行,试验站综合观测场地面积约
15 hm2。 该站地处黄河中下游冲积平原,地势低平,属暖温带大陆性季风气候。 该站近 40 a 平均气温 13. 2
益,1 月和 7 月平均气温分别为-2. 4 益和 26. 9 益;年平均总辐射量 5242 MJ / m2;年平均降水量 585 mm。 降
水季节分配不均,冬春干旱少雨,6—8月降水量占全年的 70%左右。 土壤母质为黄河冲积物,土壤有机质含
量约 1. 21% ,pH值 7. 9—8. 0。 作物种植制度为冬小麦 /夏玉米轮作一年两熟制。 本研究中,冬小麦和夏玉米
品种分别为科禹 13 和丹玉 86。
1. 2摇 实验观测
1. 2. 1摇 涡度相关与微气象梯度观测
开路涡度相关系统(OPEC)及小气候梯度观测系统位于大片均匀农田的中心。 OPEC 主要由 CSAT3 型
三维超声风速仪(Campbell Sci. Inc. , USA)和 LI鄄 7500 型开路红外 CO2 / H2O 分析仪(Li鄄Cor Inc. , USA)组
成。 上述仪器均与 CR5000 型数据采集器(Campbell Sci. Inc. , USA)相连,昼夜连续自动采集,原始数据采样
频率为 10 Hz,每 30 min输出一组平均值。
小气候梯度观测系统包括 2 层 AR鄄100 型 3 杯风速计(Vector Instruments, UK)和 2 层 HMP鄄 45C 型温湿
度传感器(Vaisala, Finland)。 实验中温湿度传感器平均高度为 2. 2 m和 3. 4 m,超声风速温度仪平均高度为
2. 8 m,随作物高度变化有所调整。 观测期间,风浪区长度在 200 m以上,满足微气象梯度的观测要求。 在观
测架附近株间和行间土表下 2 cm处各埋一块 HFP01 型土壤热流板(Hukseflux, the Netherlands)测定土壤热
通量。 其它观测项目还包括净辐射(Model CNR鄄 1, Kipp and Zonen)、气压(CS105, Vaisala Inc. )和降水
(Model 52203, RM Young, Inc)等。 上述仪器均与 CR23x型数据采集器(Campbell Sci. , USA)相连,每 30 min
输出一组平均值。 在作物生长旺季每周测定叶面积(Li鄄Cor 3100, USA)。 所有仪器均经过严格标定,以确保
数据的可靠性。
1. 2. 2摇 大型蒸渗仪观测
中国科学院禹城农业综合试验站的大型原状土自动称重蒸发渗漏仪(Lysimeter)始建于 1985 年,1989 年
扩建,是国内最早,也是迄今为止最大的蒸发渗漏仪。 其特点是:有良好的称重系统和高分辨率及精度,在称
重总量达 30 t的情况下,系统的感量小于 60 g,可灵敏地反映出 0. 02 mm 水分通量的变化;仪器内土体为原
状土,使器内土壤特性与大田保持一致;土柱内地下水位与大田同步变化;土柱内种植面积 3 m2、深 5 m,可保
证土柱内作物根系的正常生长;且完全置于田间环境内,管理措施与大田同步,保证土柱内作物与大田长势一
致,使观测数据有良好的代表性。 蒸渗仪的观测时间为每日 8: 00 和 20: 00,8: 00—20: 00 和 20: 00—8: 00
的土体重量变化分别代表白天和夜间的水汽通量。
1. 3摇 涡度相关数据处理
首先对涡度相关测定的 10 Hz原始数据进行平均,经WPL校正[20]和两次坐标旋转[21]得到水热的 30 min
平均通量。 对雨天或清晨有露水时采集的数据和其他超出正常范围(±3滓)的异常数据予以剔除。 对被剔除
1135摇 17 期 摇 摇 摇 刘渡摇 等: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 摇
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的数据和由于仪器故障、停电等原因丢失的数据采用下列方法进行插补:小于 2h的缺失数据用线性内插法插
补;大于 2h的缺失数据用平均日变化法(MDV)进行插补[22]。
1. 4 摇 能量闭合状况的评价标准
根据热力学第一定律,地表能量平衡方程可用下式描述:
姿E+H=Rn-G-S-Q (1)
式中,姿E为潜热通量,H为显热通量,Rn 为净辐射,G 为土壤热通量,S 为冠层热储量,Q 为附加能量源汇的
总和。
对裸地或植被低矮的生态系统,S和 Q的数值通常很小,能量平衡方程可简化为[19]:
姿E+H=Rn-G (2)
当湍流能量(姿E+H)与有效能量(Rn鄄G)相同时,称为能量闭合,否则称为能量不闭合。
评价能量闭合状况的常见方法有:一般最小二乘法线性回归、简化主轴法线性回归、能量平衡比率(EBR)
和能量平衡相对残差频率等[5]。 其中,能量平衡比率( EBR)是学者们最常采用的分析能量闭合程度的方法
之一[5,23鄄24]。 EBR是指在一定的观测期间内,由涡度相关仪器直接观测的湍流能量与有效能量的比值,即:
EBR=移(姿E+H)
移(Rn-G)
(3)
由于涡度相关技术主要考虑白天强对流条件下对通量测定的要求,使其在夜间的应用受到一定程度的限
制。 当夜间风速较低时,所测湍流通量偏低。 大型蒸渗仪的观测时间为 8:00 和 20:00,本研究仅对两种方法
白天(8: 00—20: 00)的观测数据进行分析。
2摇 结果分析
2. 1摇 涡度相关观测的能量闭合状况
分析白天(8: 00—20: 00)涡度相关观测的能量闭合状况,发现能量平衡比率(EBR)存在明显的季节变
化(图 1,表 1):10 月—翌年 3 月 EBR较大,且波动明显,月均 EBR大于 1。 其中 3 月份 EBR接近 1,能量闭合
程度最高。 4—9月 EBR较小,月均 EBR 范围在 0. 6—0. 8 左右,其中 6—9月 EBR 处于全年的低谷,除 7 月
外,月均 EBR < 0. 7。 全年白天平均 EBR为 0. 98。 其中麦季日均 EBR范围在 0. 26—2. 84 之间,平均为 1. 15;
玉米季日均 EBR范围在 0. 19—2. 59 之间,平均为 0. 78。
图 1摇 冬小麦 /夏玉米轮作田白天日平均能量平衡比率(EBR)季节变化(2004鄄11—2005鄄10)
Fig. 1摇 Seasonal variation of daily mean daytime energy balance ratio (EBR)
2. 2摇 两种方法测定的蒸散量状况
分析涡度相关法和蒸渗仪法所测白天(8: 00—20: 00)蒸散量(ET)状况,结果表明:两种方法所测蒸散
量季节变化吻合较好:11 月—翌年 2 月 ET较小且相对稳定;3 月以后气温升高,小麦起身、拔节,随着叶面积
指数(LAI)的增加,ET迅速增大,至 5 月中旬达到最大;6 月初麦收至玉米出苗,农田裸露,ET骤减;玉米拔节
至灌浆(7 月下旬—9月初),ET值维持在一个较高的水平;灌浆后期(9 月下旬),ET值再次迅速降低(表 1)。
2135 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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表 1摇 冬小麦 /夏玉米轮作田各月及全年白天 EBR、蒸散量(ET)和叶面积指数(LAI)状况(2004. 11—2005. 10)
Table 1摇 The monthly and annual mean daytime EBR, evapotranspiration (ET) and leaf area index (LAI) (Nov. , 2004—Oct. , 2005)
月份
Month
能量平衡
比率
EBR
涡度相关法
所测蒸散量
ETec
/ (mm / h)
蒸渗仪法所测
蒸散量 ETL
/ (mm / h)
叶面积指数
LAI
月份
Month
能量平衡
比率
EBR
涡度相关法
所测蒸散量
ETec
/ (mm / h)
蒸渗仪法所测
蒸散量 ETL
/ (mm / h)
叶面积指数
LAI
11 1. 34 0. 051 0. 070 ND 5 0. 79 0. 292 0. 529 4. 61
12 1. 28 0. 034 0. 047 ND 6 0. 67 0. 117 0. 268 ND
1 1. 67 0. 019 0. 023 0. 53 7 0. 81 0. 145 0. 248 1. 42
2 1. 17 0. 030 0. 048 0. 46 8 0. 67 0. 168 0. 375 4. 01
3 1. 06 0. 088 0. 138 1. 07 9 0. 70 0. 148 0. 263 3. 92
4 0. 84 0. 246 0. 440 4. 49 10 1. 17 0. 097 0. 146 1. 88
全年 Annual 0. 98 0. 121 0. 217 ND
从作物生长季平均看,无论是麦季、玉米季还是全年,均是涡度相关法所测蒸散量小于蒸渗仪法测定结
果。 在麦季和玉米季,涡度相关法所得蒸散分别仅相当于蒸渗仪法结果的 61%和 50% (表 2)。 将两种方法
所测白天蒸散量进行回归分析,发现它们具有显著的线性相关关系(P < 0. 01)(图 2)。
图 2摇 冬小麦田和夏玉米田涡度相关法和蒸渗仪法所测蒸散量(ETec 和 ETL)的相关关系
Fig. 2摇 Relationship between ET measured by EC and Lysimeter methods(ETec and ETL) in winter wheat and summer maize fields
**:P < 0. 01
表 2摇 涡度相关法和蒸渗仪法测定的麦季、玉米季和全年白天日 ET比较
Table 2摇 Seasonal and annual mean ET measured by EC and Lysimeter methods in the field of winter wheat / summer maize for a rotation
观测时期
Period
涡度相关法所测蒸散量
ETec / (mm / h)
蒸渗仪法所测蒸散量
ETL / (mm / h)
两种方法所测蒸散量之比
ETec / ETL
麦季 Wheat growing stage 0. 110依0. 111 0. 184依0. 214 0. 61
玉米季 Maize growing stage 0. 149依0. 055 0. 297依0. 144 0. 50
全年 Annual 0. 121依0. 098 0. 217依0. 199 0. 55
2. 3摇 蒸散比与 EBR的关系及其影响因子
2. 3. 1摇 蒸散比与 EBR的关系
研究发现,无论麦季还是玉米季,涡度相关法和蒸渗仪法测定的蒸散量之比(ETec / ETL)均与 EBR 存在显
著的线性相关关系(P < 0. 01)(图 3),说明能量闭合程度对涡度相关蒸散测定结果有显著影响。
3135摇 17 期 摇 摇 摇 刘渡摇 等: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 摇
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2. 3. 2摇 LAI对蒸散比与 EBR关系的影响
LAI是反映作物生长和下垫面状况的重要参数之一。 本文以 LAI 为指标,研究下垫面状况对涡度相关能
量闭合程度与蒸散比关系的影响。 结果表明:在冬小麦田,无论 LAI 大小如何,白天 ETec / ETL 与 EBR 均存在
极显著的线性相关关系(P < 0. 01);但在夏玉米田,当 LAI < 1 时,白天 ETec / ETL 与 EBR 的关系不显著,当
LAI>1 时,两者的关系变为极显著(P < 0. 01)(表 3)。 即 LAI 变化对冬小麦田的 EBR 与蒸散比关系影响不
大,但对夏玉米田的 EBR与蒸散比关系有明显影响。
图 3摇 冬小麦田和夏玉米田日蒸散比(ETec / ETL)与 EBR的相关关系(**P < 0. 01)
Fig. 3摇 Relationship between ET ratio (ETec / ETL) and EBR in winter wheat and summer maize fields
2. 3. 3摇 湍流交换对 EBR及其与蒸散比关系的影响
湍流交换的强弱可由摩擦风速(friction velocity, u*)来度量。 本文以 u*为指标,研究白天湍流交换强度
对涡度相关能量闭合程度及其与蒸散比关系的影响。 结果表明:在麦季,白天 u*平均为 0. 32 m / s,EBR与 u*
存在显著的相关关系(R=0. 198,n=148,P < 0. 05);在玉米季,白天 u*平均为 0. 22 m / s,EBR与 u*也有显著
相关关系(R=0. 274,n=62,P < 0. 05)。 说明不同季节、不同下垫面湍流交换强弱均对涡度相关观测的能量
闭合程度有显著影响。
分析白天湍流交换强度对涡度相关能量闭合程度与蒸散比关系的影响,结果表明:摩擦风速较小时(麦
田 u*< 0. 4 m / s、玉米田 u*< 0. 3 m / s),ETec / ETL 与 EBR显著相关;风速增加时,两者相关性减弱。 尤其在夏
玉米田,当 u*> 0. 3 m / s时,ETec / ETL 与 EBR的相关性不再显著(表 3)。
表 3摇 冬小麦 /夏玉米轮作田 ETec / ETL 与 EBR的相关性及叶面积指数(LAI)和摩擦风速(u*)的影响
Table 3摇 Relationship between ET ratio (ETec / ETL) and EBR, and the effects of leaf area index (LAI) and friction velosity (u*) on them
农田
Crop field
叶面积指数
LAI
相关系数
Rec,L
摩擦风速 / (m / s)
u*
相关系数
Rec, L
冬小麦田 LAI < 1 0. 3119** u*< 0. 4 0. 5458**
Winter wheat field LAI > 1 0. 7030** u*> 0. 4 0. 3913*
夏玉米田 LAI < 1 0. 3817 u*< 0. 3 0. 5832**
Summer maize field LAI > 1 0. 8136** u*> 0. 3 0. 3857
摇 摇 **P < 0. 01,*P < 0. 05
3摇 讨论
3. 1摇 涡度相关观测的能量闭合状况
观测显示,EBR冬季偏高,夏季偏低,春、秋居中(表 1,图 1)。 冬季部分地面裸露,有时有积雪覆盖,地面
反射率比暖季有植被覆盖时明显增大,净辐射减小[5],EBR 随之增大。 Wilson 等[4]和 Li 等[5]认为植被生长
4135 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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季能量闭合状况好于非生长季。 本研究发现了类似的结果。 非生长季地表裸露,反射率较高,所测净辐射较
小,EBR值较大;在主要生长季,地表完全被植被覆盖,反射率较小,所测净辐射较大,EBR 值较小。 本研究
中,3 月份麦 /玉轮作田的能量闭合状况最好(表 1)。 相比之下,稻 /麦轮作田的能量闭合状况以 5 月份
最优[25]。
本实验中,白天 EBR麦季平均为 1. 15,玉米季平均为 0. 78。 前者高于童应祥和田红[24]对麦田的测定结
果(0. 91),后者介于 Guo等[18]和李祎君等[23]对玉米田的测定结果(0. 76—0. 85)之间。 麦季的能量闭合程度
高于玉米季,除上述原因外,还可能因为小麦植株低矮,玉米植株高,忽略冠层热储存对麦田能量平衡影响小,
但对玉米田能量平衡影响较大[18,23]。 不过从全年看,本实验中冬小麦 /夏玉米轮作田的能量闭合程度较好,
白天 EBR的年均值(0. 98)与 Li等[5]之前在同一地点的观测结果(0. 95)接近,高于 Lei等[26]对同类农田的观
测结果(0. 74)。
3. 2摇 两种方法测定的蒸散量状况
本实验中,夏玉米生长季涡度相关法测定的蒸散量比蒸渗仪法观测值偏低 50% (表 2),偏低程度大于
Ding等[27]对春玉米田的测定结果(偏低 22% )。 在年尺度上,涡度相关法测定的麦 /玉轮作田蒸散量比蒸渗
仪法观测值偏低 55% (表 2),偏低程度大于戚培同等[28]对草地生态系统的研究结果(偏低 19% )。 尽管偏低
的程度有所不同,不同学者在涡度相关法测定的蒸散量偏低这一观点上是一致的。
3. 3摇 能量闭合状况对蒸散测定的影响
本研究中,蒸散比(ETec / ETL)与 EBR存在极显著的相关关系(图 3),与 Li 等[29]对干旱荒漠地区葡萄园
的研究结果类似,说明涡度相关观测的能量不闭合对蒸散测定确有影响。 研究区的蒸散和能量闭合状况在一
定程度上取决于下垫面的性质[24]。 在冬小麦田和夏玉米田,LAI 对蒸散比与 EBR 关系的影响程度不同(表
3)。 其原因在于:冬小麦种植密度大,长势齐整,LAI大小对下垫面均匀程度影响不大。 故无论 LAI 大小,EBR
与蒸散比的相关性都很好。 夏玉米种植密度小,苗期玉米植株高参差不齐,冠层稀疏不平,下垫面不均匀,故
夏玉米 LAI较小时,蒸散比与 EBR之间关系不明显。 玉米拔节后,随着 LAI 的增加,作物快速生长,株高趋于
一致,下垫面变得均匀,故玉米 LAI较大时,蒸散比与 EBR呈显著相关。
采用涡度相关法测定湍流通量时,湍流交换过于微弱会影响所测通量的准确性,从而对能量闭合状况和
所测湍流通量产生影响[29]。 本实验中,麦季和玉米季的 EBR 日均值与下垫面 u*之间具有显著的相关关系,
与 Blanken等[12]的研究结果类似。 u*较小时,下垫面湍流交换较弱,湍流涡旋较大。 在有限的观测时间(半
小时)内,涡度相关仪的传感器难以捕捉足够的湍涡能量,所测湍流通量偏低[14],导致能量不闭合,在此情况
下,EBR对蒸散测定有显著影响。 随着 u*增大,下垫面湍流交换逐渐加强。 当 u*超过某一阈值时,湍流混合
均匀,涡度相关观测的效果较好,能量闭合度也较高,EBR 对蒸散测定已无显著影响。 本研究中麦季的 u*阈
值高于玉米季。 u*阈值的大小与研究区的下垫面状况和气象条件有关。
3. 4摇 蒸散比与 EBR关系的其他可能影响因子
在平坦均一的农田,地形起伏的影响已被排除。 在导致涡度相关能量不闭合的诸多因素中,对蒸散测定
有影响的因素除 LAI和湍流交换强度外,还有平流和高低频通量成分损失。 采用涡度相关技术测量地表水、
热通量时,理论上要求避免在水平和垂直方向上形成平流,但自然环境中,即便下垫面均匀且地势平坦(如农
田),仍有可能发生平流现象。 田间灌溉会产生绿洲效应,促进周围地表的感热向灌溉地块作平流运动。 有
研究表明,在小麦快速生长期间,感热平流对月蒸散量的促进作用可占总蒸散量的 27% [26]。 平流对蒸散比与
EBR关系的影响还有待进一步研究。 对于高低频通量成分的损失,也可理解为涡度相关仪器本身的物理限
制导致的不确定性。 虽然目前已有一些途径来评价和校正这些存在信息损失的原始湍流通量,如
Massman[30]提出的解析法,但这些方法仍存在一定缺陷。 此外,由于农田植被较低,频率衰减往往不大,故频
率衰减对农田蒸散比与 EBR关系的影响不太大。 如何对频率衰减造成的误差进行校正和评价,还有待进一
步研究。
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4摇 结论
在冬小麦 /夏玉米轮作田,涡度相关观测的白天能量平衡比率(EBR)呈秋冬高、春夏低的变化特征,麦季
日均 EBR范围在 0. 26—2. 84 之间,平均 1. 15;玉米季日均 EBR范围在 0. 19—2. 59 之间,平均 0. 78。 无论麦
季或玉米季,涡度相关法测定的平均蒸散量(ETec)均明显低于蒸渗仪法观测值(ETL),但两者显著相关(P <
0. 01),并有相似的季节变化。 涡度相关法和蒸渗仪法测定的蒸散量之比(ETec / ETL)麦季平均为 0. 61,玉米
季平均为 0. 50。
在冬小麦田和夏玉米田,ETec / ETL 均与 EBR显著相关(P < 0. 01)。 麦田种植密度大,下垫面较均匀,蒸
散比与 EBR成正比,且不受 LAI大小影响;反之,玉米田种植密度小,只有当 LAI > 1,下垫面变得较均匀后,蒸
散比与 EBR的关系才变得显著(P < 0. 01)。 风速小时 ETec / ETL 与 EBR显著相关,风速增加时两者相关性减
弱。 尤其在玉米田,当摩擦风速(u*)大于 0. 3 m / s时,ETec / ETL 与 EBR的相关性不再显著。 风速小时,大气
湍流微弱,湍流涡旋较大。 在有限的观测时段(半小时)内,涡度相关仪的传感器难以捕捉足够的湍涡能量,
所测湍流能量偏低,导致能量不闭合。 以上结果为应用能量平衡比率校正涡度相关法所测农田蒸散提供了可
能途径。
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7135摇 17 期 摇 摇 摇 刘渡摇 等: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 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 17 September,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Conservation strategies for Ulmus elongata based on the analysis of biological and ecological factors
GAO Jianguo, ZHANG Yi, WU Yuhuan, et al (5287)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Vertical distribution of methanogen community structures in Phragmites australis marsh soil in the Min River estuary
SHE Chenxing, TONG Chuan (5299)
…………………
………………………………………………………………………………………………
Energy balance closure and its effects on evapotranspiration measurements with the eddy covariance technique in a cropland
LIU Du, LI Jun, YU Qiang, TONG Xiaojuan, et al (5309)
…………
………………………………………………………………………
Effects of soil water potential on the growth and physiological characteristics of Populus tomentosa pulpwood plantation under
subsurface drip irrigation XI Benye, WANG Ye, DI Nan, et al (5318)…………………………………………………………
Physiological indices of leaves of jujube (Zizyphus jujuba) damaged by Apolygus lucorum
GAO Yong, MEN Xingyuan, YU Yi, et al (5330)
……………………………………………
…………………………………………………………………………………
Economic analysis of wetland resource protection: a case study of Beijing Wild Duck Lake
WANG Changhai, CUI Lijuan, MA Muyuan, et al (5337)
……………………………………………
…………………………………………………………………………
Comparative studies on the farmers忆 willingness to accept eco鄄compensation in wetlands nature reserve
WANG Changhai,CUI Lijuan,MAO Xufeng, et al (5345)
………………………………
…………………………………………………………………………
Remote sensing estimation models of Suaeda salsa biomass in the coastal wetland
FU Xin,LIU Gaohuan, HUANG Chong,LIU Qingsheng (5355)
……………………………………………………
……………………………………………………………………
Effects of N addition on soil organic carbon components in an alpine meadow on the eastern Qinghai鄄Tibetan Plateau
ZHENG Jiaojiao, FANG Huajun, CHENG Shulan, et al (5363)
………………
……………………………………………………………………
Estimating carbon emissions from forest fires during 2001 to 2010 in Daxing忆anling Mountain
HU Haiqing, WEI Shujing, SUN Long (5373)
…………………………………………
………………………………………………………………………………………
Predicting the effects of soil water potential on the growth of cut lily DONG Yongyi, LI Gang, AN Dongsheng, et al (5387)………
Rain enrichment鄄accelerated carbon emissions from soil in a Nitraria sphaerocarpa community in hyperarid region
LIU Dianjun, WU Bo, LI Yonghua, et al (5396)
……………………
…………………………………………………………………………………
Response of soil organic carbon sequestration to the “Grain for Green Project冶 in the hilly Loess Plateau region
XU Mingxiang, WANG Zheng, ZHANG Jin, et al (5405)
……………………
…………………………………………………………………………
Temporal and spatial variability in soil respiration in five temperate forests in Xiaoxing忆an Mountains, China
SHI Baoku,JIN Guangze,WANG Zhaoyang (5416)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Distributions pattern of phosphorus, potassium and influencing factors in the upstream of Shule river basin
LIU Wenjie, CHEN Shengyun, HU Fengzu, et al (5429)
…………………………
…………………………………………………………………………
COI1 is involved in jasmonate鄄induced indolic glucosinolate biosynthesis in Arabidopsis thaliana
SHI Lu, LI Mengsha, WANG Lihua, et al (5438)
………………………………………
…………………………………………………………………………………
Modeling canopy rainfall interception of a replanted Robinia pseudoacacia forest in the Loess Plateau
WANG Yanping,WANG Li,WEI Sanping (5445)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
The differences of plant community diversity among the different altitudes in the Water鄄Level鄄Fluctuating Zone of the Three
Gorges Reservoir LIU Weiwei, WANG Jie, WANG Yong, et al (5454)…………………………………………………………
Low鄄frequency drought variability based on SPEI in association with climate indices in Beijing SU Hongxin, LI Guangqi (5467)……
Response of upland jujube tree trunk diameter to different ecological factors
ZHAO Ying, WANG Youke, HAN Lixin,et al (5476)
……………………………………………………………
……………………………………………………………………………
The spatial distribution and seasonal dynamics of fine roots in a young Caragana korshinskii plantation
ZHANG Fan, CHEN Jianwen, WANG Mengben (5484)
………………………………
……………………………………………………………………………
Interspecific segregation of species in tree and shrub layers of the Pinus bungeana Zucc. ex Endl. community in the Wulu
Mountains, Shanxi Province, China WANG Lili, BI Runcheng, YAN Ming, et al (5494)………………………………………
Effects of long鄄term fertilization on soil microbial biomass carbon and nitrogen and enzyme activities during maize growing season
MA Xiaoxia, WANG Lianlian, LI Qinghui, et al (5502)
…
…………………………………………………………………………
A model to predict dry matter accumulation dynamics in wheat based on the normalized method
LIU Juan, XIONG Shuping, YANG Yang, et al (5512)
………………………………………
……………………………………………………………………………
Optimization strategies and an aesthetic evaluation of typical plant communities in the Shanghai Green Belt
ZHANG Kaixuan, LING Huanran, DA Liangjun (5521)
…………………………
……………………………………………………………………………
Carbon footprint evaluation research on the tourism transportation system at tourist attractions: a case study in Hengshan
DOU Yindi, LIU Yunpeng, LI Bohua, et al (5532)
……………
………………………………………………………………………………
An urban ecosystem assessment method and its application SHI Huichun, LIU Wei, HE Jian, et al (5542)…………………………
Seasonal variations in distribution and biological characteristics of snailfish Liparis tanakae in the central and southern Yellow Sea
ZHOU Zhipeng, JIN Xianshi, SHAN Xiujuan,et al (5550)
…
…………………………………………………………………………
Effects of cyanobacterial accumulation and snail grazing on the growth of vallisneria natans
HE Hu, HE Yuhong,JI Yachan,et al (5562)
……………………………………………
………………………………………………………………………………………
The structure and thermal insulation capability of Mustela sibirica manchurica winter pelage in Heilongjiang Province
LIU Yu,ZHANG Wei (5568)
………………
………………………………………………………………………………………………………
Ontogenetic shifts in selected body temperature and thermal tolerance of the tiger frog, Hoplobatrachus chinensis
FAN Xiaoli, LEI Huanzong, LIN Zhihua (5574)
……………………
……………………………………………………………………………………
The influence of tubificid worms bioturbation on organic phosphorus components and their vertical distribution in sediment of
Lake Taihu BAI Xiuling, ZHOU Yunkai, ZHANG Lei (5581)……………………………………………………………………
Review and Monograph
Research advances in ecological assessment of urban greenspace MAO Qizheng, LUO Shanghua, MA Keming, et al (5589)………
Ecological hot topics in global change on the 2nd International Young Ecologist Forum
WAN Yun, XU Lili, GENG Qifang,et al (5601)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Scientific Note
Screening trial for the suitable plant species growing on sand dunes in the alpine valley and its recovery status in the Yarlung
Zangbo River basin of Tibet, China SHEN Weishou, LI Haidong, LIN Naifeng, et al (5609)…………………………………
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究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;新书评介和学术、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 32 卷摇 第 17 期摇 (2012 年 9 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 32摇 No郾 17 (September, 2012)
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