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A study on the variations of pivotal photosynthetic active radiation parameters of a Leymus chinensis meadow-steppe in Hulunber

甸草原光合有效辐射分量变化规律分析



全 文 :书呼伦贝尔羊草草甸草原光合有效辐射
分量变化规律分析
李瑾1,2,张德罡1,张宏斌2,3,4,李刚4,杨桂霞2,3,4,李林芝1,2,辛晓平2,3,4
(1.甘肃农业大学草业学院,甘肃 兰州730070;2.呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站,北京100081;3.农业部
资源遥感与数字农业重点开放实验室,北京100081;4.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京100081)
摘要:通过实测呼伦贝尔羊草草原冠层光合有效辐射(PAR)各分量并计算冠层反射率、土壤反射率,对其季节变
化、日变化进行浅析。研究表明,在生长季6月初-9月下旬,PAR和APAR(吸收性光合有效辐射)季节变化均呈
减小趋势。PAR波动较大,在25~58mol/m2;APAR则在17~34mol/m2 波动。光合有效辐射吸收比例(FPAR)
随季节推移呈增大趋势,波动范围在0.46~0.77,最大值出现在8月下旬,可达0.77。晴天冠层入射PAR、反射
PAR、透射PAR和土壤反射PAR日变化均呈较标准正弦曲线。冠层反射率在中午12点前后最低而早晚值较高。
土壤反射率日变化6月波动较大,在0.4之内,7-9月,仅在0.08内。APAR日变化趋势和入射PAR基本一致。
6月、7月至8月中旬,晴天FPAR日变化呈较标准的余弦曲线,变动幅度为0.60,9月变动幅度仅为0.13,几乎趋
于常数。本研究在获取较准确地面实测PAR数据的同时得到FPAR,可为本地区草地FPAR的精度评估和验证
提供参考。
关键词:羊草;光合有效辐射;吸收性光合有效辐射;光合有效辐射吸收比例;呼伦贝尔
中图分类号:Q945.11;S812  文献标识码:A  文章编号:10045759(2010)04024308
  太阳辐射是地球表层上的物理、生物和化学过程的主要能量来源,也是生态系统过程模型、水文模拟模型和
生物物理模型研究中的必要参数[1,2]。太阳辐射中波长位于400~700nm,能被绿色植物利用进行光合作用的太
阳辐射能量称为光合有效辐射(photosyntheticalyactiveradiation,PAR)[3]。PAR是形成生物产量的基本能
源,控制着陆地生物光合作用的速率,直接影响植物的生长、发育、产量与产品质量[4],对地表与大气的物质与能
量交换影响重大[5]。
20世纪80-90年代,国外已对PAR进行了大量研究[6]。近年来国外有关PAR的研究主要集中在通过遥
感数据对光合有效辐射吸收比例(fractionofphotosyntheticalyactiveradiation,FPAR)进行统计模型反演[710]
及物理模型反演[1113],并据此计算植被净初级生产力(netprimaryproductivity,NPP)来研究碳平衡问题。国内
在该领域的研究起步较晚,我国有关这方面的研究,刘洪顺等[14]最早于1980年对PAR进行了测定,随后董振国
和于沪宁[15]、周允华等[16]分别对农田上的入射和反射PAR进行了测定;周晓东等[17]对夏玉米(犣犲犪犿犪狔狊)冠层
的PAR各分量和FPAR与叶面积指数之间的关系进行了研究;王培娟等[18]对冬小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)的
FPAR与各指数以及叶面积之间的关系进行了研究;刘荣高等[19]利用 MODIS数据,根据辐射传输方程对晴空下
陆地PAR进行反演。
被绿色植物冠层吸收并参与光合生物量累积的光合有效辐射部分叫做吸收性光合有效辐射(absorbedpho
tosynthesisactiveradiation,APAR)。APAR直接与光合作用、净初级生产力和碳循环相连[20],是光合潜力、净
第一生产力和作物生长模拟中不可缺少的基础数据[21]。
吸收性光合有效辐射(APAR)在光合有效辐射(PAR)中所占的比重为光合有效辐射吸收比例,即犉犘犃犚=
犃犘犃犚/犘犃犚[22]。FPAR是植被水分、能量及碳循环平衡的重要监测指标[23],是生态系统生产力模型、气候模型、
第19卷 第4期
Vol.19,No.4
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
243-250
2010年8月
 收稿日期:20090821;改回日期:20091029
基金项目:中央级公益性科研院所专项资金,国家重点基础研究发展规划项目(2007CB106806),国家自然科学基金面上项目(30770327),国家
高技术研究发展计划项目(2007AA10Z230)和国家科技支撑计划项目(2006BAC08B0404、2007BAC03A10)资助。
作者简介:李瑾(1983),女,甘肃临洮人,在读硕士。Email:xiaohutu217@163.com.cn
通讯作者。Email:xinxp@sina.com
水文循环模型等的重要参数,因此快速准确获取FPAR意义重大[24,25]。目前对于FPAR的研究主要是建立
FPAR与植被指数的关系模型的方法和辐射传输方程的方法对FPAR进行估算[26,27],但无论是哪种方法,需对
FPAR的估算精度进行评估和验证,以提高FPAR算法的反演精度[10,28,29],FPAR的估算精度决定着陆地生态
系统中净初级生产力NPP/总初级生产力(grossprimaryproductivity,GPP)的估算精度[30,31],草地生态系统是
陆地生态系统的一个重要组成部分[32,33],目前对FPAR产品的算法改进和精度验证研究正在开展[34,35],但是针
对温性草甸草原PAR各分量的变化规律的研究还鲜见报道。
本实验以呼伦贝尔地区温性草甸草原为例,对该地区羊草(犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊)草甸草原PAR分量变化规律
进行研究。通过对羊草种群PAR分量的测量,对其日变化和季节变化及其影响因素进行浅析,在获取较准确的
地面实测PAR数据的同时得到FPAR,为草地FPAR的精度评估和验证提供参考。因此,对呼伦贝尔羊草草原
PAR分量的研究,对FPAR算法的改进和精度验证以及该地区NPP估算精度的提高都具有重要的学术价值,同
时为保持呼伦贝尔草地生态系统平衡、有效发挥草地资源的合理利用提供科学的理论依据。
1 材料与方法
图1 呼伦贝尔草地类型
犉犻犵.1 犜犺犲狋狔狆犲狅犳犵狉犪狊狊犾犪狀犱犻狀犎狌犾狌狀犫犲狉
1.1 研究区概况
研究区域设在中国农业科学院呼伦贝尔草原生
态系统国家野外科学观测研究站附近。该站地理位
置为49°19′~49°21′N,119°55′~119°58′E,海拔
638m,属温带半干旱大陆性气候,年均温-2~
-1℃,>10℃年积温1780~1820℃,年降水350~
400mm,主要集中在7-9月,代表性植被类型为温
带草甸草原。研究区域是我国温带草甸草原分布最
集中、最具代表性的地区,发育了多种类型的草甸草
原生态系统(图1)[36]。
1.2 数据来源
利用AccuPAR植物冠层分析仪测量样方冠层
PAR各分量。探杆上的80个独立传感器可测量400
~700nm 波段内的光合有效辐射,单位是μmol/
(m2·s)。
因研究区域的生长季主要集中在6月初-9月
中下旬,故选择2008年6月10日,6月25日,7月18
日,7月31日,8月10日,8月29日,9月9日,9月
16日对站内一固定羊草样方进行观测,每次观测都
持续一整天,每隔1h测量1次。测量日期大部分为
晴朗无云天气,个别天气有微云。每次测量PAR的
4个分量即冠层入射PARci、反射PARcr、透射PARgi
和土壤反射PARgr。
1.3 研究方法
到达样方冠层上方的PAR在传输过程中,一部分被冠层反射,一部分被冠层吸收,还有一部分透射过冠层
到达土壤表面;到达冠层土壤地面的PAR,一部分被土壤吸收,一部分被土壤直接反射,只有被冠层吸收的PAR
才对作物的干物质积累有贡献。因此植被吸收的光合有效辐射(犃犘犃犚)=总光合有效辐射-被反射回大气的光
合有效辐射-土壤吸收的光合有效辐射。即[37]:
犃犘犃犚=(犘犃犚犮犻-犘犃犚犮狉)-(犘犃犚犵犻-犘犃犚犵狉) (1)
犉犘犃犚=犃犘犃犚/犘犃犚犮犻 (2)
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如果狋为入射犘犃犚犮犻透射过冠层到达土壤表面的透射系数,狉为冠层对入射犘犃犚犮犻的反射率,狉犛 为土壤表面
对透过冠层犘犃犚犵犻的反射率,则:
狋=犘犃犚犵犻/犘犃犚犮犻 (3)
狉=犘犃犚犮狉/犘犃犚犮犻 (4)
狉犛=犘犃犚犵狉/犘犃犚犵犻 (5)
利用AccuPAR测量得到的是瞬时的PAR分量,而植被是通过每日对PAR的吸收利用才得以生长,因此,
对每日PAR、APAR和FPAR的研究更有意义。以上公式(1)、(2)为瞬时的APAR和FPAR,每日的APAR和
FPAR可用公式(6)、(7)计算,因对瞬时PAR分量从日出到日落时间进行积分,所以每日PAR、APAR的单位为
mol/m2。
犃犘犃犚(狋)=∫
狋1
狋0
{[犘犃犚犮犻(狋)-犘犃犚犮狉(狋)]-[犘犃犚犵犻(狋)-犘犃犚犵狉(狋)]}d狋 (6)
犉犘犃犚(狋)=∫
狋1
狋0
犃犘犃犚(狋)d狋

狋1
狋0
犘犃犚犮犻(狋)d狋
(7)
式中,狋0 和狋1 分别表示日出及日落时间。
2 结果与分析
2.1 PAR、APAR、FPAR的季节变化规律
随着季节的推移,PAR呈减小趋势(图2)。从6月初-7月底,PAR波动较大,为35~58mol/m2;8-9月
中旬,波动较小,为25~34mol/m2。APAR的季节变化和PAR基本一致,总体呈减小趋势,但其波动范围较
PAR要小,为17~34mol/m2。FPAR的季节变化曲线则总体呈增大趋势。因为呼伦贝尔草原生长季较短,主
要集中在6-9月,因此植物对PAR的吸收利用在这段时间比较充分。从6月下旬-8月初,FPAR出现第1个
小波峰,但波动范围较小,在0.46~0.60波动;从8月初开始,FPAR明显增大,出现第2个增长波峰,8月29日
达到0.77,然后缓慢减小。8月初-9月下旬,FPAR在0.46~0.77波动。
图2 犘犃犚、犃犘犃犚、犉犘犃犚的季节变化
犉犻犵.2 犜犺犲狊犲犪狊狅狀犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狊狅犳犘犃犚,犃犘犃犚犪狀犱犉犘犃犚
2.2 PAR的日变化规律
2.2.1 冠层入射PAR和冠层反射PAR日变化规律 虽然缺少6点以前的观测数据,冠层入射PAR从早上6
点观测时即开始升高,随着太阳高度角的增大,地面接受到的PAR也随之增大,中午12:30左右达到最大值后开
始降低,所观测到的晴天最大PAR值为1813μmol/(m
2·s)(图3)。晴天几乎无云时冠层入射PAR呈较标准
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的正弦曲线,上午和下午的曲线较对称,比较光滑。冠层反射PAR日变化规律与冠层入射PAR基本一致,因为
冠层反射PAR随入射PAR的变化而变化。
2.2.2 冠层透射PAR和土壤反射PAR日变化规律 冠层透射PAR日变化和冠层入射PAR基本一致,即从
早上6点观测时开始升高,中午12:30前后达到最大值后开始降低(图4)。但是透射PAR的日变化曲线并不是
较平滑的正弦曲线,而且其在接近中午时突然增大,这与太阳高度角和PAR入射强度有关。太阳高度是决定地
球表面获得太阳热能数量的最重要因素,随着太阳高度角的增大,入射PAR强度也增大。因为太阳天顶角和太
阳高度角成互余关系,所以当太阳高度角最大或太阳天顶角最小时,入射PAR强度也达到最大,则透过冠层的
PAR也最多。因为土壤反射PAR随透射PAR的量的变化而变化,所以土壤对透过冠层的反射PAR的日变化
与冠层透射PAR基本一致。
图3 冠层入射犘犃犚和冠层反射犘犃犚日变化
犉犻犵.3 犜犺犲犱犻狌狉狀犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狊狅犳犻狀犮犻犱犲狀狋犘犃犚犪狀犱狉犲犳犾犲犮狋犪狀犮犲犘犃犚狅犳犮犪狀狅狆狔
图4 冠层透射犘犃犚和土壤反射犘犃犚日变化
犉犻犵.4 犜犺犲犱犻狌狉狀犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狊狅犳狋狉犪狀狊犿犻狋狋犪狀犮犲犘犃犚狅犳犮犪狀狅狆狔犪狀犱狉犲犳犾犲犮狋犪狀犮犲犘犃犚狅犳狊狅犻犾
2.2.3 冠层反射率和土壤反射率日变化规律 冠层反射率呈现出从测量时随时间增大而减小,在中午12点前
后达到最小后又增大的曲线变化,这与太阳高度角和入射PAR的能量有关(图5)。冠层对散射能量的反射率比
对直射能量的大,当太阳高度角小时,入射PAR散射能量所占比例比直射能量大,随着太阳高度角的增大直射
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能量所占比例随之增加,但冠层对直射能量的反射率却随之减小。土壤反射率的日变化则稍有不同。因研究区
域6月初才开始进入生长季,植被低矮稀疏,故6月10日和6月25日土壤反射率一天波动较大;7-9月为主要
生长季,进入7月后,地表已基本被植被覆盖,故该段时期日变化仅在0.08内波动,几乎趋于常数。
2.2.4 冠层的吸收性光合有效辐射(APAR)和光合有效辐射吸收比例(FPAR)日变化规律 APAR的日变化
趋势和入射PAR的基本一致,说明冠层的APAR与其所接受的入射PAR有较好的线性关系,这同样也说明利
用FPAR与入射PAR求APAR是科学的(图6)。6月、7月至8月中旬,FPAR日变化呈较标准的余弦曲线,其
值早晚较高,日变化较大,变化范围在0.26~0.86,变动幅度为0.60;进入9月,日变化较小,在0.67~0.80变
动,变动幅度仅为0.13,几乎趋于常数。
图5 冠层反射率和土壤反射率日变化
犉犻犵.5 犜犺犲犱犻狌狉狀犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狉犲犳犾犲犮狋犪狀犮犲狉犪狋犻狅狅犳犮犪狀狅狆狔犪狀犱狉犲犳犾犲犮狋犪狀犮犲狉犪狋犻狅狅犳狊狅犻犾
图6 冠层的吸收性光合有效辐射(犃犘犃犚)和光合有效辐射吸收比例(犉犘犃犚)日变化
犉犻犵.6 犜犺犲犱犻狌狉狀犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳犃犘犃犚犪狀犱犉犘犃犚狅犳犮犪狀狅狆狔
3 结论与讨论
3.1 季节变化规律
在研究区域的生长季6月初-9月下旬,PAR和APAR均呈减小趋势。PAR从6月初-7月底,波动较大,
为35~58mol/m2;8-9月中旬,波动较小,为25~34mol/m2;但 APAR波动范围较PAR要小,为17~34
742第19卷第4期 草业学报2010年
mol/m2。FPAR呈增大趋势,从6月下旬-8月初,FPAR出现第1个增长小波峰,在0.46~0.60波动;从8月
初开始,出现第2个增长波峰,8月29日达到最大值0.77后缓慢减小。8月初-9月下旬,FPAR在0.46~0.77
波动。
3.2 日变化规律
1)晴天几乎无云时冠层入射PAR呈较标准正弦曲线,所观测到晴天最大PAR值为1813μmol/(m
2·s)。
冠层反射PAR日变化与入射PAR基本一致。2)冠层透射PAR的日变化和入射PAR日变化基本一致,但因太
阳高度角和PAR入射强度的影响,透射PAR日变化曲线并不是较平滑的正弦曲线。土壤反射PAR的日变化
与冠层透射PAR基本一致。3)因为太阳高度角和入射PAR能量的影响,冠层反射率呈现出从测量时随时间增
大而减小,在中午12点前后达到最小后又增大的曲线变化。6月,土壤反射率一天中波动较大,变化幅度在0.4
之内;7-9月,其一天内波动较小,仅在0.08内波动,几乎趋于常数。4)APAR的日变化和入射PAR基本一致,
6月、7月至8月中旬,FPAR日变化呈较标准余弦曲线,其值早晚较高,日变化较大,范围在0.26~0.86,变动幅
度为0.60;进入9月,FAPR日变化较小,在0.67~0.80变动,变动幅度仅为0.13。
3.3 对研究区域羊草生长季PAR分量变化规律的分析
对该地区PAR在时间尺度上的变化进行了较为深入的研究,但呼伦贝尔草原地域辽阔,具有不同的草地类
型,因植被类型、土壤类型、水热等条件的差异,不同草地类型PAR的变化可能会有所不同,因此今后对PAR空
间尺度上的变化还有待进一步研究。
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942第19卷第4期 草业学报2010年
犃狊狋狌犱狔狅狀狋犺犲狏犪狉犻犪狋犻狅狀狊狅犳狆犻狏狅狋犪犾狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮犪犮狋犻狏犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊
狅犳犪犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊犿犲犪犱狅狑狊狋犲狆狆犲犻狀犎狌犾狌狀犫犲狉
LIJin1,2,ZHANGDegang1,ZHANGHongbin2,3,4,LIGang4,YANGGuixia2,3,4,
LILinzhi1,2,XINXiaoping2,3,4
(1.ColegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;2.Hulunber
StateStationofGrasslandEcosystemFieldObservationandScientificResearch,Beijing100081,
China;3.KeyLaboratoryofResourcesRemoteSensingandDigitalAgriculture,Ministryof
Agriculture,Beijing100081,China;4.InstituteofAgriculturalResourcesandRegional
PlanningofChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thediurnalandseasonalvariationsofphotosyntheticactiveradiation(PAR)parameters,thecalcula
tionofreflectanceofcanopyandtransmittanceofsoilina犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊meadowsteppeinHulunberwere
studied.TheseasonalvariationsofbothPARandabsorbedphotosynthesisactiveradiation(APAR)tendedto
decreaseinthegrowthperiodfromearlyJunetolateSeptember.PARfluctuatedoverawiderrange(25and58
mol/m2)thanAPAR(17and34mol/m2).However,thefractionofphotosyntheticactiveradiation(FPAR)
tendedtoincreaseduringtheseason.Itfluctuatedbetween0.46and0.77withthehighestFPARvalueof0.77
inthelasttendaysofAugust.ChangesofincidentPAR,reflectancePAR,andtransmittancePARofthecano
pyandthesoilreflectancePARduringcleardayswerestandardsinecurves.Thediurnalvariationofcanopyre
flectanceratiowashighestinthemorningandeveningbutlowestaround12:00noon.Thediurnalchange
(0.4)ofthereflectanceratioofsoilvariedoverawiderrangeinJunethaninJulyandSeptember(0.08).The
diurnalvariationofAPARwasidenticalwiththeincidentPAR.ThediurnalFPARvariationwasacurveofco
sineoncleardaysinJune,July,andthemiddleofAugust,withavariationof0.60,comparedwithavariation
ofonly0.13inSeptember.TherelativecorrectPARdatawereobtainedbymeasuringonthegroundaswelas
FPARanditprovidedareferencefortheevaluationofprecisionandvalidationofFPARingrassland.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊;photosyntheticactiveradiation;absorbedphotosynthesisactiveradiation;frac
tionofphotosyntheticactiveradiation;Hulunber
052 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.4