2016, Vol. 36文章信息
- 康满春, 蔡永茂, 王小平, 查同刚, 朱丽平, 牛勇, 周洁, 张志强
- KANG Manchun, CAI Yongmao, WANG Xiaoping, ZHA Tonggang, ZHU Liping, NIU Yong, ZHOU Jie, ZHANG Zhiqiang.
- 表层阻力和环境因素对杨树(Populus sp.)人工林蒸散发的控制
- Control of evapotranspiration by surface resistance and environmental factors in poplar (Populus×euramericana) plantations
- 生态学报[J]. 2016, 36(17): 5508-5518
- Acta Ecologica Sinica[J]. 2016, 36(17): 5508-5518
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201502250381
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文章历史
- 收稿日期: 2015-02-25
- 网络出版日期: 2015-12-14
2. 北京市八达岭林场, 北京 102112;
3. 北京市园林绿化局, 北京 100013;
4. 北京市农业环境监测站, 北京 100029
2. Badaling Forest Farm, Beijing 102112, China;
3. Beijing Municipal Bureau of Landscape and Forestry, Beijing 100013, China;
4. Beijing Municipal Station of Agro-Environmental Monitoring, Beijing 100029, China
研究开展于北京市大兴区榆垡镇大兴林场集约栽培的欧美107杨树(Populus euramericana CV. "74/76")人工林,林分均匀整齐,株行距为2 m × 2 m,75%为2002年种植,其余为1998年、2001年和2003年种植。研究站点在2006-2009年的基本情况如表 1所示,至2009年底,平均树高(H)和胸径(DBH)分别为(16.2±1.6) m和(14.1±1.6) cm (Mean±SD)。平均叶面积指数(LAI)逐年增加。林下植被稀疏,多为一年生草本植物,优势种为灰绿藜(Chenopodium glaucum Linn.),伴生有紫花苜蓿(Medicago sativa L.),黄香草木樨(Melilotus officinalis (L.) Lam.),猪毛菜(Salsola collina Pall.)和蒺藜(Tribulus terrestris L.)等。
| 年份Year | 最低温Tmin/℃ | 最高温Tmax/℃ | 年均温Tmean/℃ | 饱和水汽压差VPD/kPa | 土壤水分含量VWC/% | 降雨量P/mm | 蒸散发ET/mm | 灌溉量I/mm | 树高H/m | 胸径DBH/cm | 叶面积指数LAI |
| 2006 | -10.6 | 29.7 | 12.5±0.7 | 1.13±0.84 | 5.5±3.7 | 482 | 599 | 86 | 11.5±1.1 | 10.8±1.5 | 1.6±0.3 |
| 2007 | -9.8 | 29.5 | 13.0±0.6 | 1.16±0.87 | 6.6±3.6 | 667 | 560 | - | 13.0±1.3 | 12.2±1.8 | 2.1±0.4 |
| 2008 | -7.4 | 28.8 | 13.3±0.5 | 1.06±0.61 | 6.4±3.3 | 662 | 653 | - | 14.8±1.2 | 13.8±1.8 | 2.2±0.7 |
| 2009 | -10.2 | 30.5 | 12.5±0.6 | 1.17±0.92 | 6.5±3.2 | 428 | 511 | 195 | 16.2±1.6 | 14.5±1.6 | 2.9±0.4 |
| 表中误差估计为标准差(SD) | |||||||||||
研究区属暖温带亚湿润气候区,位于永定河洪积区,地势平坦,平均海拔30m,坡度＜5°。年平均气温为11.6℃,极端最低气温-27.4℃,极端最高温度40.6℃;平均风速2.6 m/s,夏季主东南风方向。 多年平均降雨为556mm(1990-2009 年),其中7-9月份降雨量占全年降雨总量的60%-70% (大兴气象站,116°15'07″E,39°31'50″N,1956-2000年观测数据)。土壤为冲积性沙壤土,通透性好,保肥蓄水能力差,平均土层厚度为200cm,土壤pH值为8.25-8.39,容重1.43-1.47g/cm3。2001到2009年的平均地下水位为16.5m,年平均降幅达3.9%。
1.2 试验方法该试验区面积大小约为1km × 1km,下垫面平坦均匀,符合涡度相关法观测要求。涡度相关和微气象观测设备架设在在试验区中心32m观测塔上,主要观测仪器包括: H2O/CO2红外气体分析仪(Li-7500;LI-COR,Inc.,Lincoln,NE,USA)和三维超声风速仪(SAT-3;Campbell Scientific,Inc.,CSI,UT,USA),安装高度为20m;净辐射仪(CNR-1;Kipp and Zonen,Delft,Netherlands)、日照强度计(LI200X-L,Li-Cor,NE)、光量子传感器(LI-190SB;Li-Cor,Inc.)安装高度均为26m; 气压计(CS105,CSI) 和翻斗式自动雨量计(TE525-L,Texas Electronics,USA)安装高度分别为21m和22.5m;空气温湿度传感器(HMP45C;Vaisala,Helsinki,Finland)在5、10、15、20m 高度处各安装1套; 土壤温度传感器(TCAV107,CSI)和土壤热通量板(HFT3,CSI)均置于地表以下5、10、20cm处;土壤水分观测仪TDR(CS616,CS,USA)位于地表以下20cm和50cm处。风速脉动、超声虚温、CO2和H2O浓度以10Hz的频率和所有气象资料均采用数据采集器(CR5000,CS,USA)自动记录。
1.3 数据处理及计算方法 1.3.1 数据处理及质量控制涡度相关系统(EC)观测获取的通量数据使用EC-processor 2.3[29]程序进行处理。该程序能够对通量数据进行剔除、三维坐标旋转[30-31]、WPL校正[32-33]、以及质量控制[34-35]和评价。对缺失的数据运用平均日变化(MDV)[36]法进行插补,当数据缺失时段大于2h且小于7d时使用前后7d的滑动平均进行插补,大于7d时则不进行插补。
基于国家标准关于气候干旱的界定[37],年降雨量低于多年平均年降雨量的85%即为干旱年份,4年中2007和2008年为湿润年,2006和2009年为干旱年;因为生长季中水分蒸发的驱动力(如太阳辐射、温度)和植物的生理响应更强烈,所以本文选用生长季(约从第100-300天)为研究时段;由于清晨和傍晚时太阳辐射、饱和水汽压差、冠层蒸腾的值都非常低,导致计算的表层阻力相对误差大,而且此时的阻力参数对积分通量影响很小但却对通量平均值有着重大的影响[38-40],因此采用中午时段(北京时间10:00-15:00)各阻力参数的均值来评价其日变化情况。
1.3.2 生态系统生理物理特性参数的计算运用涡度相关系统观测的潜热通量(LE)计算整个生态系统的蒸散发(ET)。通过Penman-Monteith方程来推导中午时段(北京时间10:00-15:00)生态系统的表层阻力(Rs)[41]:
(1)
其中
(2)
式中,Rs为水汽传输的表层阻力(s/m),Ri气候阻力(s/m),ρ为空气密度 (kg/m3),cp为空气比热1005 J kg-1 K-1,δe是饱和水汽压差(Pa),Δ描述饱和水汽压差随温度变化的斜率(Pa/K),γ为干湿球常数(≈67 Pa/K),A表示有效能(Rn-G),LE为涡度相关技术观测的潜热通量(W/m2),β为波文比(=H/LE);Ra 为冠层到观测高度大气层的空气动力学阻力(s/m),根据公式(3)[42-43]进行计算:
(3)
式中,ra,m动量传输的空气动力学阻力(s/m),rb为剩余阻力(s/m),μ为观测高度的平均风速(m/s),μ*为摩擦风速(m/s)。
相对土壤含水量是衡量生态系统土壤中可利用水分的良好指标[5],可由公式(4)计算
(4)
式中,VWC 为50cm土壤体积含水量(%),VWCmin和VWCmax分别为研究中土壤的凋萎湿度和田间持水量(%)。根据Granier 等人[44]的研究,当REW<0.4时,生态系统受到土壤水分胁迫的影响,当REW<0.1时,生态系统将受到严重的水分胁迫[45]。
1.3.3 能量闭合能量闭合程度是检验涡度相关技术观测数据质量的有效手段之一[46]。能量闭合比率由公式(5)[47]计算:
(5)
式中,EBR为能量平衡比率,Rn,G,H,LE分别为净辐射、土壤热通量、显热通量和潜热通量(W/m2)。
本研究中基于半小时和日总量能量通量数据的4年平均能量平衡比率(EBR)分别为0.85和0.87,与中国通量网(ChinaFlux)8个站点的均值(0.83)[48]和通量网(FLUXNET)173个站点的均值(0.84)[49]一致。但是涡度相关技术的观测中通常是不闭合的,除了一般常见的影响能量闭合的因素[48, 50-52],本站点下垫面上的管理活动如灌溉、除草以及局部砍伐也有可能影响闭合程度。总体来说,本站点的能量闭合程度和其他通量网站点的一致,说明本文中涡度相关法观测的数据是可靠的。
1.4 分析方法数据统计和分析、作图采用软件SPSS 20.0和Excel 2013;偏相关分析用来分析3个阻力参数(表层阻力、气候阻力和空气动力学阻力)各自对ET的实际控制作用,即分别以其中两个阻力参数作为控制变量来分析第3个阻力参数与ET的相关性。
2 结果与分析 2.1 相对土壤含水量(REW)和降雨的变化特征研究区降雨和相对土壤含水量的变化如图 1所示。相比于多年平均降雨量556mm(1990-2009),干旱年2006和2009的年降雨总量分别低于其74mm和159mm,灌溉量分别为86mm和195mm;而湿润年2007和2008年的年降雨量则高于多年均值超过100mm(表 1)。生长季的降雨量占全年降雨的90%以上,除了2008年的降雨分布较均匀外,其他3a降雨则相对集中在生长季中期,如2007年生长季前期(DOY:100-180)只有一场降雨(>50mm),而2006年和2009年生长季后期(DOY:240-300)降雨稀少。相对土壤含水量(REW)的季节变化响应于降雨量的变化,只有在降雨充沛时REW才大于0.4;基于REW划分的生长季干旱胁迫(REW<0.4)和非胁迫阶段(0.4<REW<1.0)如表 2中所示,在2006和2009年的生长季末期以及2007年和2009年的生长季初期,生态系统存在较长时段的干旱胁迫,甚至出现严重干旱胁迫(REW<0.1),而在2008年生长季中则不存在严重干旱胁迫。
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| 图 1 2006-2009年生长季日降雨量和相对土壤含水量的季节变化 Fig. 1 The seasonal variation of daily precipitation (P) and relative extractable water (REW) during growing season in 2006-2009 |
| 年份Year | 时段Periods | 水分供应Water supply/mm | 表层阻力*Rs /(s/m) | 气候阻力*Ri /(s/m) | 空气动力学阻力*Ra/(s/m) | 累积蒸散发Cumulative ET/mm |
| 2006 | 100-163 | 76.2+56 | 418.7(528.7) | 87.8(30.2) | 20.0(6.3) | 97 |
| 164-192d | 127.8 | 184.0(94.7) | 94.9(45.2) | 23.8(5.1) | 91.87 | |
| 193-230 | 219.6 | 50.4(29.9) | 51.5(16.4) | 27.8(8.6) | 125.38 | |
| 231-300d | 43 | 178.5(68.8) | 77.4(27.5) | 25.6(6.8) | 112.72 | |
| 100-143d | 61.8 | 426.9(148.8) | 96.1(29.4) | 18.1(5.4) | 73.61 | |
| 2007 | 151-200d | 146.8 | 314.1(225.6) | 91.7(42.8) | 25.3(7.1) | 131.48 |
| 200-300 | 396.8 | 74.1(27.3) | 61.1(22.7) | 30.4(9.2) | 284.29 | |
| 100-117 | 53.4 | 206.9(102.0) | 60.7(22.9) | 13.6(4.1) | 25.43 | |
| 118-155d | 15.6 | 130.8(48.6) | 81.1(32.3) | 14.7(4.2) | 121.14 | |
| 156-188 | 212.7 | 70.2(33.4) | 56.1(20.6) | 19.3(5.9) | 115.92 | |
| 2008 | 189-212d | 26 | 59.3(27.1) | 67.4(41.1) | 27.8(6.8) | 105.41 |
| 213-239 | 173.4 | 61.5(23.7) | 55.8(14.3) | 19.3(5.2) | 108.41 | |
| 240-251d | 19.2 | 88.7(34.6) | 60.4(15.3) | 18.0(4.1) | 37.65 | |
| 252-300 | 116.2 | 72.1(17.8) | 57.3(28.9) | 18.4(4.4) | 107.81 | |
| 100-158d | 37.6+52 | 298.9(150.8) | 84.2(39.3) | 18.2(3.8) | 109.56 | |
| 2009 | 165-186d | 1.2 | 360.5(139.8) | 137.4(43.8) | 21.2(5.9) | 58.21 |
| 187-235 | 265+32 | 61.2(30.9) | 53.0(22.8) | 27.4(6.6) | 178.63 | |
| 236-300d | 20.4+20 | 208.3(194.3) | 72.3(26.5) | 26.9(10.7) | 108.42 | |
| 2006 | 生长季 | 466+86 | 231.4(338.3)a | 77.9(33.6)a | 24.0(7.4)A | 431 |
| 2007 | Growing season | 630 | 192.2(190.7)a | 75.4(34.0)a | 26.9(9.3)B | 506.1 |
| 2008 | 630 | 118.1(115.3)b | 68.3(44.9)a | 18.5(6.3)C | 629.6 | |
| 2009 | 400+195 | 248.9(273.3)a | 77.1(39.1)a | 23.8(8.5)A | 477.2 | |
| 干旱年(2006,2009)Dry year | - | 240.3(306.9)A | 77.5(36.5)a | 23.9(8.0)a | 454.1 | |
| 湿润年(2007,2008)Wet year | - | 153.1(159.7)B | 71.6(40.3)a | 22.5(8.9)a | 567.85 | |
| * 表中数据为均值(标准差);d表示水分胁迫阶段; a、b、c表示显著性为0.05,A、B、C表示显著性为0.01 | ||||||
杨树人工林蒸散发(ET)的季节变化如图 2所示。2006-2009年生长季的最大日蒸散发出现在7、8月份,分别为:5.63、6.31、6.15 mm/d和6.52 mm/d;累积蒸散发量分别为431、506、629mm和477mm(表 2),除2008年外,其他年份的都要小于同期的水分供应量(降雨与灌溉之和);干旱年份的日平均蒸散发(2.23±1.30)mm/d要显著低于湿润年份的(2.67±1.47) mm/d,P < 0.001,并且干旱年份中干旱胁迫时段的日平均蒸散发要显著低于非胁迫时段的,分别为(2.08±1.08) mm/d和(2.94±1.30) mm/d(P<0.001)。在季节尺度上,各时段的蒸散发量与水分供应量表现出显著的相关性(图 3),水分供应解释了约71%的蒸散发变化,但在干旱和湿润年份表现出不同类型的响应关系。相比于其他研究,本研究中杨树在干旱年份的日平均蒸散发量显著低于内蒙古浑善达克地区杨树人工林的(2.58mm/d[19],P < 0.01),而湿润年份的日蒸散发则与其无显著差异,这说明本研究区的杨树在同等干旱情况下,更容易受到干旱胁迫,这可能与所在区的水分供应有关,如降雨及其分布。
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| 图 2 2006-2009生长季杨树人工林日蒸散发(ET)和中午时段生理物理参数表层阻力(Rs)、气候阻力(Ri)和空气动力学阻力(Ra) Fig. 2 The seasonal variation of daily evapotranspiration (ET) and midday biophysical parameters: surface resistance (Rs),climatological resistance (Ri) and aerodynamic resistance (Ra) of poplar plantation ecosystem across growing season during 2006-2009 |
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| 图 3 干旱和湿润年份中各时段的蒸散发总量和水分供应量的关系 Fig. 3 esponse of the total evapotranspiration amount to the total water supply during different periods in dry and wet year |
生长季时段表层阻力(Rs)的季节性变化与其他研究中落叶林的Rs季节性变化特点相似[40, 53],在生长季初期和末期Rs值较大而且变化剧烈,在中期则比较小且平稳(图 2)。2006-2009年生长季中Rs的7d滑动平均值的变化范围分别为:34.3-1569.3 s/m,44.9-1110.9 s/m,29.7-258.2 s/m,41.1-1186.8 s/m,其中2008的叶面积指数(LAI)标准化后的Rs(即RsLAI)为45.6 s/m,显著低于其他年份(100.3 s/m,P<0.01),而干旱年份的平均RsLAI(106.8 s/m)约为湿润年份Rs的1.5倍;Rs的季节变化则响应于干旱胁迫,如2006、2007和2009年胁迫时段的Rs要远高于非胁迫时段的(表 2),这与Tchebakova等人[54]的研究一致。本研究中干旱年份杨树的RsLAI要显著高于Wilson等人[27]研究中的杨树(58.6 s/m)以及Blanken等人[55]研究中的北方白杨(51.8 s/m)。总体上气候阻力(Ri)在生长季表现出双峰趋势,分别在6月份和10月份(图 2);4年中生长季节平均Ri为68.3 s/m,均值范围为68.3-77.9 s/m,没有显著的年际差异和干湿年份间的差异(P > 0.05),但水分胁迫时段Ri要略高于非胁迫时段的(表 2)。Ri的大小体现了不同地域内大气环境对水分需求程度的差异;相比之下,本研究所在地区的Ri要远高于Wilson等人[27]研究中的各森林站点的Ri(t=5.91,df=741,P<0.001),但要低于Li等人[56]研究中处于干热气候下葡萄园的Ri值(t=-29.87,df=741, P<0.001)。在一定程度上,由于本研究所在地区大气对水分的更高的需求和水分供应的短缺,所以导致杨树Rs要显著高于其他研究。空气动力学阻力(Ra)最大值出现在7月,除了2009年在8月;2006-2009年各生长季的平均Ra存在显著差异(P<0.01),但是干湿年份间的Ra并无显著差异(表 2)。
3 讨论 3.1 相对土壤含水量(REW)对杨树人工林蒸散发(ET)的影响[ZK)]ET与REW的相关性分析结果(表 3)表明,在日尺度上,杨树人工林只有在干旱年份中REW<0.4的情况下其ET和REW才显著相关(Pearson相关系数> 0.217,P<0.01),且土壤水分胁迫越严重,REW对ET的影响越大;在其他情况下,ET与REW不存在显著相关关系(P > 0.05),REW是通过影响其他因素间接地影响ET的。这说明由降雨多寡导致的气候湿润或干旱会影响到土壤水分对杨树蒸散发的作用。研究表明土壤水分胁迫对ET有着一定的限制作用,但会因为时滞和较窄的响应范围而有时并不明显,只在达到一定程度时才显现出来[57]。因此,REW只在气候干旱且存在土壤水分胁迫的情况下对杨树人工林ET有一定的影响(< 35%),而且会随着水分胁迫程度的增加而增加。
| 土壤水分状况Soil water condition | 年份Year | 蒸散发(ET)-相对土壤含水量(REW) | 蒸散发(ET)-表层阻力(Rs) | 蒸散发(ET)-气候阻力(Ri) | 蒸散发(ET)-空气动力学阻力(Ra) | |||||
| P(sig.) | P(sig.) | SOCC(sig.) | P(sig.) | SOCC(sig.) | P(sig.) | SOCC(sig.) | ||||
| REW<0.1 | 干旱年 | 0.323(0.002) | 0.163(0.187) | 0.09(0.478) | 0.213(0.084) | 0.165(0.19) | -0.48(0.001) | -0.471(0.001) | ||
| 湿润年 | -0.258(0.223) | 0.402(0.063) | 0.634(0.003) | 0.248(0.266) | -0.552(0.012) | -0.702(0.001) | -0.543(0.013) | |||
| 0.1<REW<0.4 | 干旱年 | 0.217(0.006) | -0.394(0.001) | -0.445(0.001) | 0.023(0.786) | 0.11(0.192) | -0.069(0.413) | -0.02(0.018) | ||
| 湿润年 | -0.1(0.199) | -0.386(0.001) | -0.293(0.001) | -0.304(0.001) | 0.191(0.017) | 0.122(0.127) | 0.108(0.179) | |||
| 0.4<REW<1.0 | 干旱年 | 0.048(0.58) | -0.527(0.001) | -0.518(0.001) | -0.179(0.04) | -0.165(0.061) | 0.156(0.074) | 0.033(0.71) | ||
| 湿润年 | 0.004(0.958) | -0.37(0.001) | -0.389(0.001) | -0.163(0.018) | 0.067(0.337) | -0.073(0.296) | -0.217(0.002) | |||
| 相关系数(显著性程度),包括Pearson相关系数和偏相关系数SOCC | ||||||||||
Ra对ET的控制森林生态系统的蒸散发受生物和环境因素的共同影响[21-22],表层阻力Rs可以描述生物因素对ET的控制[28],而环境因素对ET的控制可以借助气候阻力Ri和动气动力学Ra来评价[27],但各影响因素间存在相互作用,因此为了进一步分清生物和环境因子各自对ET的实际控制作用,本文采用偏相关分析,结果如表 3所示。
ET和Rs、Ri及Ra的偏相关系数表明表层阻力Rs是控制ET的主导因素,这与其他研究结论一致[26, 58],且Rs对ET的影响受土壤水分状况的影响;而Ri和Ra只有在特定的情况下对ET有影响;其中在湿润年份中REW<0.1时ET与三者都具有十分显著的相关性。表层阻力Rs与ET的关系表现为:除了在严重水分胁迫条件(REW<0.1)下以外,ET与Rs均呈负相关关系(SOCC变化范围:-0.293--0.518,P<0.001),ET随着Rs的增大而减小[26];而且无论在干旱还是湿润年份,Rs与ET的相关性在REW > 0.4时要高于0.1<REW<0.4时,说明随着土壤水分状况的改善,Rs对ET的控制作用会增强,这是由于水分胁迫情况下的Rs要远大于无胁迫时的(表 2),而且随着水分胁迫程度增加Rs变幅更大[59],对应的ET在Rs很大时变化较小,因而两者的相关性相对较弱;在同等的REW条件下,干旱年份中Rs对ET的控制作用要高于湿润年份时的,可能与干旱年份中较大的表层阻力Rs有关(表 2),因为干旱与湿润年份间空气动力学阻力Ra并无差异,因而在干旱年份中,由于较大的表层阻力Rs导致植被冠层和大气耦合程度更大[60],使得Rs对ET的限制程度更强[61]。而气候阻力Ri在湿润年份中存在土壤水分胁迫时(REW<0.4)对ET有一定的控制作用,但在不同水分胁迫程度下其作用有差异;空气动力学阻力Ra则只在REW <0.1时和湿润年份中REW > 0.4时才对ET有显著影响(P<0.05),且均为负相关。另外,相对于偏相关分析,通过简单的相关性分析来评价不同因子对ET的控制作用,都存在或高或低的估计偏差,甚至得出完全相反的分析结果。
4 结论杨树人工林生态系统生长季的蒸散发(ET)和表层阻力(Rs)响应于气候干旱而表现出显著的干湿年份差异,其中干旱年份的日平均ET低于湿润年份约17%,对应地,干旱年份的表层阻力(RsLAI)高于湿润年份约50%,而气候阻力(Ri)和空气动力学阻力(Ra)的年际变化并未表现出显著的干湿年份差异。在季节尺度上,季节性干旱对该生态系统的蒸散发(ET)、表层阻力(Rs)、气候阻力(Ri)有着显著的影响,水分供应(降雨量与灌溉量之和)是该尺度上影响ET变化的主要因素,两者的相关程度约为71%;在日尺度上,干湿年份中不同土壤水分条件下Rs、Ri、Ra三个因素对ET的影响程度有所差异;除了REW<0.1情况外,生物因素Rs是控制ET变化的主导因素,两者间均呈现负相关关系,Rs对ET变化的解释程度为29.3%-51.8%,且干旱年份中Rs对ET的控制程度高于湿润年份。土壤水分只在干旱年份中干旱胁迫时段(REW<0.4)对ET有直接影响;不同土壤水分条件下气候因子Ri和空气动力学阻力Ra对杨树人工林ET的控制作用小于表层阻力Rs的且并未表现一致性。另外,简单的相关性分析不能准确评价生物和环境因子对ET的控制作用,存在估计偏差,甚至得出完全相反的分析结果。
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