2018, Vol. 38文章信息
- 李桐, 鄢春华, 王蓓, 赵文利, 张杨, 邱国玉.
- LI Tong, YAN Chunhua, WANG Bei, ZHAO Wenli, ZHANG Yang, QIU Guoyu.
- 九寨沟针阔混交林能量平衡特征
- Characteristics of energy balance in a mixed forest in Jiuzhaigou Valley
- 生态学报. 2018, 38(22): 8098-8106
- Acta Ecologica Sinica. 2018, 38(22): 8098-8106
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201712182270
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文章历史
- 收稿日期: 2017-12-18
- 网络出版日期: 2018-08-24
能量交换对推动气候变化至关重要[1]。青藏高原地区海拔高、地区广以及下垫面复杂(林地、草地、草甸、积雪与冰川等), 是我国及东亚地区一些重要天气系统产生源地, 该地区主要是通过地气相互作用交换水分和能量过程对亚洲季风、全球大气环流及全球气候变化产生巨大的影响[2-4]。在全球变化背景下, 青藏高原对于气候变化响应更为敏感[2]。由于青藏高原对大气的热力和动力效应都是通过高原近地层与边界层逐渐影响自由大气, 探讨青藏高原地表与大气之间能量交换是剖析高原大气边界层地气相互作用的关键科学问题之一[5-7]。
青藏高原地表辐射平衡和热量平衡特征是近年来青藏高原地区的研究热点问题[3-4, 8-20]。然而, 以往开展的研究主要集中在青藏高原主体, 对青藏高原及其周边广泛分布的山谷地区的研究极为不足。山谷地区由于地形起伏大、下垫面不均一, 局地环流十分复杂。因此, 对青藏高原大气边界层的研究, 不能忽略青藏高原及其周边的山谷地区。
由于大气边界层热力结构与高原、盆地和高原平原过渡地区的差异较大, 过渡地区有着独特于高原和盆地的地表能量过程。大部分在青藏高原的能量收支研究表明季风前(冬、春季)显热通量占主导地位, 季风期和季风后(夏、秋季)潜热通量是净辐射的主要消耗项[10, 17-20], 极少数研究发现全年显热通量在净辐射的分布中占主导地位[13], 但在四川盆地, 研究发现全年潜热通量在净辐射的分布中占主导地位, 显热通量的作用和土壤热通量相当[17]。因此, 为了更好地理解从高原到盆地的能量循环机理和动力学, 研究过渡区的能量分配至关重要。
本文选择青藏高原东北边缘向四川盆地陡跌的过渡地带的亚高山河谷——九寨沟为研究区域, 以九寨沟典型针阔混交林为研究对象, 基于涡度相关系统的实测数据, 研究其能量收支各分量的分配特征, 分析其能量闭合状况, 为进一步了解青藏高原及周边地区不同区域地表能量过程及相关机理提供依据。
1 研究区概况及研究方法 1.1 研究区概况本研究在九寨沟国家自然保护区内进行, 地处青藏高原东北边缘向四川陡跌的过渡地带, 位于岷山山脉南段, 行政区划属于四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县, 地理坐标为32°53′—33°20′N, 103°46′—104°05′E。在高原季风和亚热带海洋季风的影响下, 主要表现出冷凉干燥的季风气候特征。同时由于九寨沟内高山峡谷切割分布, 垂直海拔差异大, 气候垂直分带明显。该地区多年平均气温为7.3℃, 年日照时数为1800 h左右, 多年平均降水量为762 mm, 多为700—800 mm, 降水多集中在4—10月, 占到全年降水量的70%以上, 降水年变化率比较小(10%—15%)。九寨沟植被覆盖率超过80%, 其中森林覆盖率在65%左右[21], 天然植被类型垂直分布包含针叶林、阔叶林、灌丛、草甸。本研究选取海拔2600 m以下的天然针叶林遭受自然或人为破坏后人为更新了油松的针阔叶混交林为研究对象, 主要树种有黄果冷杉(Abies ernestii)、青杄(Picea wilsonii)、油松(Pinus tabuliformis)、山杨(Populus davidiana)、白桦(Betula platyphylla)、红桦(Betula albo-sinensis)、辽东栎(Quercus wutaishansea)、茶条槭(Acer ginnala)等。
1.2 研究方法 1.2.1 涡度相关系统涡度相关系统(Eddy covariance, EC)主要由LI-7500A开路式CO2/H2O分析仪(LI-COR, Lincoln, NE, USA), R3-50三维超声风速风向传感器(Gill, Hampshire, UK)组成, 搭配LI-7550分析器预处理元件(LI-COR, Lincoln, NE, USA)和CR3000数据采集器(Campbell Scientific, Logan, UT, USA)进行数据预处理和存储, 安装高度距地面30 m。通过CR3000数据采集器采集存储数据, 原始数据采集频率为10 Hz, 每30 min记录1次所有观测数据和处理结果的平均值, 同时每10 min记录1次辐射通量、温湿度、降雨量基础气象数据的平均值。地表以下3 cm处安装两个土壤热通量板(HFP01, Hukseflux, Netherlands), 采用CR1000数据采集器(Campbell Scientific, Logan, UT, USA)采集土壤热通量数据, 采集数据间隔为1 min, 每10 min记录1次平均值。
1.2.2 数据处理本研究采用的涡度相关系统是一种可以直接准确观测水热垂直传输通量的微气象学方法[22]。本研究利用CR3000与LI-7550分析器预处理元件对采样频率为10 Hz的气象参数(温度、湿度、风速等)进行处理, 进而计算出潜热通量和显热通量。
由于数据处理过程中对湍流数据进行了大量筛选以及传感器状态异常等原因, 通量数据会存在许多缺失值或异常值。其中异常值主要包括少部分大于800 W/m2的极大值, 小于-100 W/m2的极小值, 极少数的大于100 W/m2夜间异常值以及H2O与CO2浓度、辐射通量超过传感器测量阈值的数据。因此为了获取完整的通量数据, 就必须对缺失的通量值进行插补。本研究中显热通量H缺失值或异常值主要是根据当地实测有效显热通量与净辐射通量的线性关系进行插值[23]。而潜热通量LE缺失值或异常值则根据Wilson和Baldochhi[24]基于Priestly-Talyor公式[22]提出的方法：
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(1) |
式中, LE为潜热通量缺失值或异常值, α为两周内有效潜热通量数据与根据30 min有效气象数据计算得到的平衡蒸散发比值的平均值。Priestley和Talyor [25]指出对于任意足够宽阔的均匀下垫面(无论水分供应是否充足), 此时下垫面上空大气趋于饱和, 此时蒸散发只包括辐射项, 并将此定义为平衡蒸散发(LEeq), 计算公式为
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(2) |
式中, Δ为饱和水汽压-气温曲线的斜率(kPa/K), γ为空气湿度常数(kPa/K), 显热通量, Rn是30 min净辐射通量(W/m2), G是30 min土壤热通量(W/m2)。
涡度相关数据处理过程如图 1所示。根据最终获得的30 min完整通量数据即可进一步计算得到蒸散发与能量收支各项的日值、月值与年度值。
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| 图 1 涡度相关系统数据处理流程 Fig. 1 Flow charts of eddy covariance data processing WPL为三个人的人名首字母, Webb E K, Pearman G I, Leuning R, 通常都写为WPL |
来自太阳辐射的能量首先经过云层和地面反射、大气吸收、海洋和陆地吸收等过程。然后, 被海洋和陆地吸收的能量又以显热通量、潜热通量和红外辐射的形式返回到大气和宇宙, 形成了能量循环。总体来说, 地球系统的能量收支基本处于一种动态平衡状态, 到达地球的能量与地球放出的能量相等。
对于某一地区或某一生态系统而言, 地表能量平衡方程一般可写成[26]
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(3) |
式中, Rn为净辐射通量, 为到达地面的总辐射减去返回大气的辐射(包括净短波辐射和净长波辐射)；H为显热通量, LE为潜热通量, 为地表与大气的热量交换；G为土壤热通量, 其值为通过地表的能量传输。此外, Ae为人工热源辐射量, 包括燃料等消耗对地表产生的能量释放；P0为植物光合成的能量消耗, 其所占比例往往很小, 在很多场合可以忽略；Ad为因空气或水的水平流动引起的能量净损失的移流项。在不考虑人类能量释放、忽略植物光合作用能量消耗以及水平方向能量输送可忽略的情况下, 地表能量平衡方程可以简化表示为：
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(4) |
当湍流能(LE+H)与有效能(Rn-G)相等时, 该系统能量闭合, 反之能量不闭合。本文采用线性回归法来分析研究区针阔混交林能量闭合状况[10, 27-30]。实验中根据土壤表层3 cm的温度和生长周期, 将全年分为萌芽期(3月)、生长期(4—9月)、生长后期(10—11月)、冻土期(12—次年2月)共4个时期。
2 结果与分析 2.1 能量收支各分量的日变化各个时期各能量平衡分量变化如图 2(图例中, LE：潜热通量, Latent heat；H:显热通量, Sensible heat；Rn：净辐射, Net radiation；G：土壤热通量, Soil heat)。九寨沟典型针阔混交林能量平衡各分量各时期的平均日变化均呈明显的单峰型曲线, 夜间波动不大, 萌芽期、生长期、生长后期峰现时间无明显差异, 均在正午12:00—13:00左右, 冻土期峰现时间有所延迟大约在15:00。各时期日均值均为晨间各分量由负值变为正值；在日落后各分量由正值变为负值。生长期各分量正值持续时间最长, 约为12 h, 8:00至20:00；冻土期各分量正值持续时间最短且各分量由负值变为正值分界点最晚, 约为6 h, 12:00至18:00；萌芽期、生长后期各分量正值持续时间约为10 h, 8:00至18:00。
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| 图 2 能量平衡分量平均日变化 Fig. 2 Daily variation of the energy component LE: Latent heat; H: Sensible heat; Rn: Net radiation; G:Soil heat |
净辐射在生长期值最大, 日均值125 W/m2, 步入冻土期后最小, 日均值为52 W/m2。正午时刻达到日最大, 但冻土期的峰值有所延迟。潜热通量与显热通量与净辐射通量有相似的日变化趋势, 峰现时间也与净辐射同步。比较同一时期内显热通量与潜热通量差异如表 1, 并对同一时期内二者进行One-Way ANOVA分析, 结果表明在萌芽期日内显热通量30 W/m2高于潜热通量28 W/m2, 但差异不显著(P=0.830, n=1488), 在进入生长期和生长后期日内潜热通量均显著高于显热通量(生长期和生长后期内P＜0.001, n=8784与2928), 进入冻土期后显热通量11 W/m2再次高于潜热通量10 W/m2, 两者差异仍然不显著(P=0.924, n=4320)。这与大部分在青藏高原进行的能量平衡研究结果一致, 冻土期显热通量高于潜热通量, 而生长期显热通量低于潜热通量[10, 17-20]。不同的是, Gu等[7]在青藏高原东北部的研究发现萌芽期、生长后期与冻土期主要能量消耗均为显热通量。岳平等[17]的研究则指出四川盆地全年潜热通量在净辐射的分布中占主导地位, 显热通量的作用和土壤热通量相当。由此可知, 由于大气边界层热力结构与高原、盆地和过渡地区的差异较大, 研究区有着独特于青藏高原和四川盆地的地表能量过程。
| 项目 Items |
非冻土期None-frozen-soil period | 冻土期 (12月—2月) Frozen-soil period (Dec to Feb) |
年值 Annual |
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| 萌芽期 (3月) Pre-growth period (March) |
生长期 (4月—9月) Growth period (Apr to Sep) |
生长后期 (10月—11月) Post-growth period (Oct to Nov) |
|||
| 净辐射, Net radiation, Rn/ (W/m2) | 91 | 125 | 72 | 52 | 95 |
| 潜热通量, Latent heat, LE/ (W/m2) | 28 | 86 | 40 | 10 | 54 |
| 显热通量, Sensible heat, H/ (W/m2) | 30 | 23 | 17 | 11 | 20 |
| 土壤热通量, Soil heat, G/ (W/m2) | 1 | 2 | -3 | -4 | 0 |
| 降水量, Total precipitation, P/mm | 61 | 795 | 129 | 18 | 1003 |
图 3所示, 净辐射在年尺度上也近似呈单峰变化, 峰值出现在7—8月, 净辐射主要受太阳高度角影响, 夏至前后太阳直射北回归线, 北回归线的太阳高度在正午达到一年中的最大值90°, 因而北半球夏季净辐射为全年最大。过程线存在着锯齿状波动, 这是由于小尺度天气变化的影响, 该地区年均降水量513—1003 mm, 尤其在雨水充沛的生长季波动格外显著[31]。
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| 图 3 研究区净辐射通量(Rn), 土壤热通量(G), 潜热通量(LE)与显热通量(H)变化特征 Fig. 3 Daily mean values of net radiation (Rn), soil heat flux (G), latent heat flux (LE) and sensible heat flux (H) for the study site |
潜热通量与显热通量在年尺度的变化规律基本与净辐射一致, 也存在锯齿波动。显热通量和潜热通量的能量分配随着新叶长出和老叶掉落呈现明显的变化。显热通量的峰现时间早于其他分量, 出现在4月前后, 随后逐渐降低, 并远小于潜热通量。潜热通量峰值也出现在7、8月间, 至9月末已开始出现显著下降趋势, 这是因为植被进入生长后期生理活动减弱。11月基本落叶, 至次年4月长出新叶, 此阶段蒸腾大幅减少, 潜热通量分量占比下降, 显热通量与潜热通量接近, 冬季数值持续较低, 回春发芽后潜热通量、净辐射逐渐上升而显热通量下降, 待新叶完全长出后显热通量维持较稳定数值约23 W/m2, 而植被生理活动旺盛使得潜热通量再次成为能量平衡的主要支出项, 生长季日均值86 W/m2, 远高出显热通量, 因此显热通量在冻土解冻期间、植被生出新叶前出现峰值。
表 2表示的是研究区2014和2015年全年与生长季能量收支情况。由表 2可知, 2014与2015年全年潜热通量占净辐射比值为0.57、0.60, 在生长期甚至可高达0.69、0.75。说明在生长过程(4—11月)能量分配主要以潜热通量为主, 即净辐射大多由蒸散发消耗。这是因为期间雨水充沛, 温度较高, 日照长, 植物生长旺盛, 蒸发及蒸腾更强烈。Yan等[28]研究发现, 研究区多年平均潜在蒸散发(759 mm)略低于平均降水量(762 mm)。基于Budyko假设的研究认为, 当ETp≤P时年ET与潜在可蒸散量有关, 而ET > P时ET与降水量有关[32-34]。因此, 九寨沟的蒸散发主要是受有效能控制, 而不是降水(植物可利用水)。值得注意的是, 在青藏高原的研究发现即使在生长期, 潜热通量占净辐射比例也小于0.5[10, 13, 35], 其主要是受到土壤水分的限制。
| 时间 Time |
净辐射 Net radiation Rn/ (W/m2) |
潜热通量 Latent heat, LE/ (W/m2) |
显热通量 Sensible heat H/(W/m2) |
土壤热通量 Soil heat G/ (W/m2) |
LE/Rn | H/Rn | |
| 2014 | 全年Whole year | 95 | 54 | 20 | 0 | 0.57 | 0.21 |
| 生长季Growth period | 125 | 86 | 23 | 2 | 0.69 | 0.18 | |
| 2015 | 全年Whole year | 98 | 59 | 19 | -2 | 0.60 | 0.20 |
| 生长季Growth period | 121 | 91 | 23 | -1 | 0.75 | 0.19 |
由图 3可知, 土壤热通量也表现出与净辐射相似的季节特征。从3月中旬至整个夏季, 土壤作为能量汇。4月至7月间出现最大日均土壤热通量值(小于8 W/m2), 日均正午土壤热通量达10—15 W/m2且全天土壤热通量占净辐射不足5%。至9月末土壤热通量改变传输方向且日均值最小约-6 W/m2。小时尺度上土壤热通量通常小于植被冠层热储量；一般在温暖季节从上午至午后, 土壤热通量不到净辐射10%, 在冬季夜间, 相当一部分土壤热通量为负净辐射。总体而言, 土壤热通量是在昼夜和季节时间尺度上是重要的, 但土壤热通量比其他能量分量小1—2个数量级, 各阶段土壤热通量都较为微弱, 尤其是年尺度上土壤热通量占净辐射不足1%, 基本可忽略[24]。因此, 净辐射的支出项主要为显热通量和潜热通量, 土壤热通量占净辐射的比重很小, 年尺度基本可忽略(表 2)。
2.3 能量闭合分析Wilson等通过分析全球通量网FLUXNET站点能量平衡的闭合状况, 发现通量观测中普遍存在10%—30%的不闭合[36]。本文对九寨沟典型针阔混交林的能量闭合度进行了分析, 将涡度相关法获得的湍流能量通量(LE+H)和森林有效能量通量(Rn-G)做线性回归统计[24], 用能量闭合状况评价涡度相关观测值。如图 4所示两年回归方程斜率均小于1且截距大于0。年尺度上看(LE+H)约占净辐射70%, 即涡度相关法测定的显热通量与潜通量之和小于有效能量, 研究区域存在能量不平衡现象。2014年和2015年能量闭合度分别为0.75和0.71, 与相关研究结果0.55—0.99一致[28, 30, 36]。能量平衡闭合分析表明研究区域通量数据比较可靠。
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| 图 4 2014与2015年涡度相关观测结果能量闭合分析(n=364) Fig. 4 Analysis on energy balance closure of EC measurement in 2014 and 2015 (n=364) |
本研究中造成能量不闭合的原因可能有：(1)土壤热通量板埋放在地下3 cm处, 测量了地下3 cm部分的土壤热通量, 而忽略了埋深以上的部分。在锦州玉米农田的能量平衡研究发现未考虑0—5 cm土层土壤热储量与忽略冠层储热以及涡度相关系统本身对水热通量的低估, 大约造成18%的能量损失[37]。(2)忽略了植被的热量变化和光合作用消耗的能量。植被冠层储热量有时作为重要能量来源, 日均值为2—3 W/m2, 尽管在年尺度上可忽略不计, 但其昼夜变化极大[24]。(3)涡度相关系统测量理论上要求下垫面均一且地势平坦, 以避免在水平和垂直方向上形成平流, 而九寨沟地区植被茂密, 地势陡峭多变, 不能忽略森林内部空气流动的影响[38]。类似的研究还有鼎湖山森林生态系统, 对其能量平衡分析的研究表明该地区能量不闭合度为33%—7%[39], 略高于普遍研究结果10%—30%。(4)仪器造成的误差, 各分量测定方法存在空间取样误差[40]。(5)高频和低频湍流通量的损失, 显热通量和潜热通量测量系统的通量损失通常为5%到10%[41]。
3 结论本研究基于2014年与2015年两年的涡度相关系统观测数据, 分析了九寨沟典型针阔混交林能量收支各分量的日变化、季变化特征, 并分析了其能量闭合。结果表明：
(1) 九寨沟典型针阔混交林能量平衡各分量日变化与季变化均呈现单峰型二次曲线, 与净辐射的日变化、季变化同步, 峰现时间也较一致, 冻土期峰现时间延迟。
(2) 冬季和春季显热通量为能量主要支出项, 而夏季和秋季则以潜热通量为主, 年尺度上土壤热通量不到净辐射的1%。显热通量在冻土解冻期间、植被生出新叶前出现峰值, 潜热通量在盛夏时节出现峰值。
(3) 观测期两年间研究区域生长季LE/Rn分别为0.69、0.75, 高于青藏高原等地的类似研究, 原因是该地区蒸散发主要受该地区有效能的控制而不是受可利用水分的控制, 较高的潜热通量占比可能是森林恢复过程蒸散发较高导致的。
(4) 研究区域能量观测闭合度两年分别为0.75、0.71, 表明该地存在能量不闭合, 这与相关研究结果一致, 研究区域通量数据比较可靠。
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