水分脅迫對楊樹蒸散日變化和能量分配的影響

蒸發(fā)是森林生態(tài)系統(tǒng)水量平衡的重要組成部分，主要受森林生態(tài)系統(tǒng)植被、氣候、土壤等因素的廣泛影響。大量的研究表明,我國北方溫帶地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)散是水量平衡的主要支出項。由于我國北方地區(qū)光照充足,降水少而集中,因此,水分及水分有效性成為限制植被生長的重要因素,也對森林生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)散和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力起著決定性的作用。研究表明,經(jīng)常處于水分脅迫狀態(tài)的森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣水分交換在一次大的降雨事件后明顯增強[15,16,17,18,19,20],蒸散量顯著增加。楊樹作為我國人工林組成面積最大的樹種,以往的研究多從其生理生態(tài)角度特別是葉片尺度入手,研究其光合特性、水分生理調(diào)節(jié)、蒸騰速率與氣孔導度、以及氣體交換特性。近年來應(yīng)用TDP熱脈沖技術(shù)測定單株樹木的樹干液流也是研究的熱點。而對于楊樹人工林以生態(tài)系統(tǒng)為尺度來探討水熱平衡則較少,且目前比較常見的幾種蒸散研究方法觀測也多為非連續(xù)性的。一般而言,森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散過程和蒸散水平,土壤蒸發(fā)和植被蒸騰對于蒸散總量的貢獻在不同的空間和時間尺度上差異較大。本文在生態(tài)系統(tǒng)尺度上對楊樹人工林不同水分環(huán)境條件下的蒸散水平、蒸散過程以及與能量分量和環(huán)境因子的關(guān)系進行了定量研究。本研究的目的:(1)確定人工林生態(tài)系統(tǒng)水分脅迫和無水分脅迫條件下蒸散過程的差異及其與環(huán)境因子的相關(guān)性,(2)確定生態(tài)系統(tǒng)能量平衡與相應(yīng)的潛熱(LE)和顯熱(Sensibleheat,Hs)能量分配特征,(3)確定生態(tài)系統(tǒng)水熱平衡動態(tài)變化規(guī)律。1降水、地下水位試驗地位于北京市南郊大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)大興林場,地處北緯39°31′50″,東經(jīng)116°15′07″,屬暖溫帶亞濕潤氣候區(qū),年平均氣溫為11.5℃,極端最低氣溫-27.4℃,極端最高氣溫40.6℃,年平均無霜期209d;年平均日照總時數(shù)2772h,太陽輻射量為564kJcm-2,平均風速2.60ms-1,風向變化顯著;年平均降雨569mm,最少年降雨量為262mm,最多年降雨量為1058mm,其中7、8、9月份降水占全年降水總量的60%~70%。大于10℃的積溫4143℃。該區(qū)是海河水系永定河洪積-沖積平原,海拔30m,土壤pH值為8.25~8.39,容重1.43~1.47gcm-3,土質(zhì)為沙壤土,通透性好,保肥蓄水能力差。地下水位2003~2005年平均為16.10m,呈逐年下降趨勢。試驗地為純楊樹人工林,林地總面積0.8km2,林木平均胸徑為9.20cm,平均樹高為8.9m,栽植密度(2m×2m)。林下植物種類較少,優(yōu)勢種為灰綠藜(Chenopodiumglaucum),伴生有紫花苜蓿(Medicagosativa),黃香草木樨(Melilotusofficinalis),豬毛菜(Salsolacollina),蒺藜(Tribulusterrestris)等。2相關(guān)測量方法的原理和實驗方法2.1空氣湍流通量的確定渦度相關(guān)是指某種物質(zhì)的垂直通量,即這種物質(zhì)的濃度與其垂直速度的協(xié)方差。渦度相關(guān)法已經(jīng)成為直接測定大氣與植物群落氣體交換通量的通用標準方法[27,28,29,27,28,29]。該試驗區(qū)下墊面平坦均勻,符合渦度相關(guān)法觀測要求。運用渦度相關(guān)法(EC)開路系統(tǒng)直接測定潛熱通量和顯熱通量,通過用實時所測的垂直風速與水汽濃度和溫度的斜方差所得,其湍流通量的計算式可表示為:LE=ρCpw′q′ˉˉˉˉˉˉHs=ρCpw′T′ˉˉˉˉˉˉˉLE=ρCpw′q′ˉΗs=ρCpw′Τ′ˉ式中,ρ為空氣密度,Cp為空氣的定壓比熱,q′和T′分別為水汽含量和溫度的脈動量。潛熱通量和顯熱通量數(shù)據(jù)均經(jīng)過WPL(Webb-peaman-leuning)矯正和DR坐標轉(zhuǎn)換處理,通過三維坐標旋轉(zhuǎn)校正三維風速,從而使得垂直風向風速的平均值為零,水平風速方向與主導方向一致。在對該測定系統(tǒng)能量閉合(Energybalanceclosure)驗證的基礎(chǔ)上運用以下公式通過潛熱通量(LE)計算林地蒸散:ET=0.43LE(597?0.564T)EΤ=0.43LE(597-0.564Τ)式中,潛熱通量(LE)的單位為Wm-2,為水的汽化熱(×4.186Jg-1),0.43為單位轉(zhuǎn)換系數(shù),蒸散(ET)的最后輸出單位為(mm/30min)。2.2儀器和觀測方法本試驗儀器為渦度相關(guān)觀測系統(tǒng),在試驗站點中心架設(shè)一高18m的觀測塔。主要觀測儀器包括凈輻射儀(REBS,Seattle,WA)、凈輻射儀(Q7.1,REBS)、日照強度計(LI200X-L,Li-Cor,NE)、量子探頭(LI190SB-L,Li-Cor,NE),儀器安裝高度均為15m;H2O和CO2紅外氣體分析儀(LI-7500,Li-Cor,NE)安裝高度13m;三維超聲風速儀(CSAT3,CS,USA)和氣壓計(CS105,CS,USA)安裝高度均為13m,翻斗式自動雨量計(TE525-L,CS,USA)安裝高度為17m;空氣溫濕度傳感器(HMP45Cprobe,CS,USA)在2m、6m、10m、14m高度處各安置一套;土壤溫度傳感器(TCAV107,CS,USA)和土壤熱通量板(HFT3,Seattle,WA)均置于地表以下5、10、20cm處;土壤水分觀測儀TDR(CS616,CS,USA)位于地表以下15cm和20cm處。所有氣象資料均采用數(shù)據(jù)采集器(CR5000,CS,USA)每30min自動記錄一次。通量觀測從2004年10月開始一直運行至今。由于土壤濕度探頭位于地表以下20cm處,觀測深度不夠,故輔以土鉆烘干法連續(xù)測定2005年生長季林內(nèi)0~100cm范圍內(nèi)的土壤含水量(每間隔20cm為1層,分5層,每隔15d觀測1次),為了進一步研究土壤深層水分含量情況,每次取土樣時,均取一個0~200cm土層范圍的土樣,輔助分析土體含水量變化。觀測點布設(shè)在選定樣地的標準木下。由解析木分析了解到該林地林木主根系分布在地面以下30到80cm范圍內(nèi),在林地無地下水補給,研究區(qū)土壤層深厚的情況下,對于降水入滲層和林木生長耗水層來說,0~100cm土層的水分觀測,基本能夠說明林地土壤水分的動態(tài)變化過程。3結(jié)果與分析3.1結(jié)果驗證結(jié)果系統(tǒng)的能量平衡閉合分析是評價EC法觀測數(shù)據(jù)可靠性的主要方法之一,以研究期內(nèi)林地生態(tài)系統(tǒng)處于嚴重干旱狀態(tài)下(圖1)發(fā)生于7月23日的56.9mm的降雨事件(觀測期內(nèi)降雨量最大的雨次)為界,將雨前7月7日~7月9日水分脅迫期和雨后7月25日~7月26日無水分脅迫期每天(8:00~18:00)的潛熱通量和顯熱通量之和(LE+Hs)與可提供能量(Rn-G)進行閉合(圖2),所得回歸直線斜率為0.94,相關(guān)系數(shù)為0.92,閉合水平符合大部分文獻報道的結(jié)果范圍。該能量閉合的驗證結(jié)果說明該站點的渦度相關(guān)法觀測數(shù)據(jù)是可靠的,這對于用渦度相關(guān)法準確評估林地的蒸散水平提供了保證。對于生物體所儲熱能和植物光和作用耗能以及水平方向能量的交換量則不包括在這個簡單的能量分析中,這部分能量在研究地所處的生態(tài)環(huán)境條件下占可提供能量的比重有待進一步深入研究。圖1是2005年7月7日與7月25日土壤體積含水量隨深度變化結(jié)果,圖中同時給出了穩(wěn)定凋萎濕度隨深度變化的參考值。由于7月7日之前較長的一段時間沒有降雨,使得林內(nèi)處于嚴重干旱狀態(tài),從林地植被生長情況看,林下優(yōu)勢植物灰綠90%暫時凋萎,林內(nèi)楊樹林則由于水分嚴重脅迫而使得樹葉早黃而落,葉面積指數(shù)由6月份的1.63降至1.39。從圖中可以看出,7月7日0~20cm土層體積含水量已接近該層凋萎濕度參考值,80~100cm土層體積含水量僅為3.95%,0~100cm土層蓄水量為33.9mm,是整個生長季所測得的土體蓄水量最低的時期。而在7月23日降雨事件后,林地土壤水分狀況顯著改善,0~100cm土層蓄水量量達到78.92mm,是整個生長季所測得的土體蓄水量最高的階段。因此,將7月7日與7月25日作為典型期來研究楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)蒸散在水分脅迫和無水分脅迫條件下的變化規(guī)律是有代表性的。3.2水分脅迫對顯熱通量的影響從圖3a中可看出,嚴重水分脅迫凈輻射日變化過程為單峰曲線,全天平均凈輻射通量為116.62Wm-2,從6:00至18:00之間為正值(能量向下輸向地面,)峰值(444.0Wm-2)出現(xiàn)在12:30。土壤熱通量則從9:00到20:00期間為正值,土體從大氣吸收熱量,最高值出現(xiàn)在12:30為43.49Wm-2,全天平均土壤熱通量為7.33Wm-2,占凈輻射通量的6.28%。潛熱通量和顯熱通量日變化過程較相似均為單峰曲線,分別從早晨4:00和5:00轉(zhuǎn)為正值,顯熱通量5:00到7:00之間比潛熱通量水平高,8:00之后潛熱水平高于顯熱水平并緩慢增長至12:30達到其峰值(378.88Wm-2),之后開始迅速降低。顯熱的峰值(272.56Wm-2)則滯后于潛熱峰值出現(xiàn)在13:00。全天平均潛熱通量和顯熱通量分別為64.00Wm-2和40.42Wm-2,全天累積通量分別占凈輻射全天累積通量的54.88%和34.66%,比例較接近。說明該生態(tài)系統(tǒng)在水分脅迫條件下,用于大氣增濕(蒸散)的潛熱水平和用于大氣增溫的顯熱水平相差不大,相對于無水分脅迫條件下潛熱通量和顯熱通量的比例而言,潛熱通量所占比例偏低,這正是由于林地極為干旱,水分虧缺導致林內(nèi)蒸散水平較弱造成的。圖3b中反映的是無水分脅迫條件下各能量組成日變化過程,凈輻射通量從7:00左右轉(zhuǎn)為正值,峰值(577.28Wm-2)出現(xiàn)在12:30,全天平均凈輻射通量為147.04Wm-2。凈輻射轉(zhuǎn)為正值1h后土壤熱通量變?yōu)檎?土壤開始向下傳導熱量,全天平均土壤熱通量為5.30Wm-2,占凈輻射通量的3.6%,比水分脅迫條件下占凈輻射通量的比例要小,這是因為土壤水分含量較大,土壤吸收、傳導熱量的速度降低,使全天平均土壤熱通量值偏低,土壤水分含量和土壤熱通量成負相關(guān)。潛熱通量和顯熱通量日變化過程差異較大,潛熱通量變化過程為多峰曲線,峰值分別出現(xiàn)在11:00(444.53Wm-2)、12:30(492.75Wm-2)和14:00(484.51Wm-2),比水分脅迫條件下的潛熱峰值明顯為高。除早晨4:00~5:00潛熱通量是負值,為凝結(jié)過程外,其余時段均為正值,說明無水分脅迫時蒸散過程歷時較長,全天平均潛熱通量為123.22Wm-2,占凈輻射通量的83.80%,是全天平均顯熱通量的7.42倍。顯熱通量6:00到18:00之間為正值,最大值出現(xiàn)在13:00僅為138.15Wm-2,全天平均顯熱通量為16.61Wm-2,是水分脅迫條件下顯熱通量水平的41%,占凈輻射的11.30%。可見水分充足條件下潛熱水平顯著高于顯熱水平,能量的大部分用于蒸散。這是因為此期間林地的水分條件較好地滿足了土壤蒸發(fā)和植被蒸騰對水分的需求,使得林內(nèi)的蒸散作用十分強烈。其次是由于降雨過后,大氣溫度較低,使得顯熱水平較旱季時明顯偏低。3.3日蒸散速率和持續(xù)時間變化7月7日和7月25日的蒸散速率日變化過程反映了林地水分嚴重虧缺和水分供應(yīng)相對充足的條件下生態(tài)系統(tǒng)蒸散的變化特征。從圖4中可以看出,在水分脅迫條件下(7月7日)蒸散速率日變化過程為單峰型。清晨4:00左右出現(xiàn)蒸散,此時蒸散速率為0.003mm/30min,之后蒸散速率緩慢上升,9:00~12:00間蒸散速率變化較小,之后迅速增加,12:30前后蒸散速率出現(xiàn)峰值,為0.28mm/30min,隨后迅速下降。13:00后蒸散速率變化減緩,到21:00降低到最小值0.007mm/30min,此期間蒸散速率出現(xiàn)較小幅度的反彈回升。從夜間21:30左右之后蒸散轉(zhuǎn)為負值,呈凝結(jié)過程。全天蒸散量為2.4mm。在無水分脅迫條件下(7月25日),蒸散日變化過程呈多峰型。全天除清晨4:00~5:00左右蒸散速率為負值,其它時段均有蒸散。6:30前和22:30后蒸散速率較小且很穩(wěn)定,此期間蒸散速率平均為0.002mm/30min,7:00前后蒸散速率迅速上升,到11:00出現(xiàn)第1次峰值,為0.33mm/30min,后有所降低,然后回升至12:30出現(xiàn)第2次峰值0.37mm/30min,后再次降低、回升至14:00出現(xiàn)第3次峰值,為0.36mm/30min,后快速下降到14:30之后又小幅度反彈至16:30,之后才開始持續(xù)下降,夜間蒸散速率沒有出現(xiàn)負值。全天蒸散量為4.5mm,是水分脅迫條件下全天蒸散量的1.9倍。比較兩個典型日的蒸散速率變化過程,可以看出,無水分脅迫日的蒸散作用十分強烈,在兩個典型日的夜間,大氣溫度和風速指標無明顯差異的情況下,水分脅迫期夜間沒有蒸散發(fā)生,而水分供應(yīng)較充足的條件下,夜間仍有不同程度的蒸散作用,蒸散歷時較長。在白天時段內(nèi),水分脅迫條件下蒸散作用除在峰值出現(xiàn)前后起伏變化較大以外,其余時段變化則比較平緩;而無水分脅迫條件下,蒸散作用維持在較高水平的時間延長,且多次出現(xiàn)峰值,整個時段內(nèi)蒸散速率上升和回降的變化均較為劇烈。其次,7月7日水分脅迫條件下蒸散速率峰值僅為0.28mm/30min,而7月25日水分供應(yīng)充足條件下所出現(xiàn)的3次峰值的平均值為0.35mm(30min)-1,比水分脅迫條件下的峰值水平顯著為高?？梢?水分供應(yīng)狀況直接影響著該林地的蒸散水平和蒸散過程。3.4水分脅迫和蒸散速率的關(guān)系蒸散量(ET)的變化主要受氣候因子和下墊面條件影響,氣候因子主要包括:凈輻射(Rn)、氣溫(Tair)、風速(v)及氣壓差(VPD);下墊面因子為土壤熱通量(G)、土壤含水量(SWC)、土壤溫度(Tsoil)、土壤溫度升高值(ΔTsoil)等。圖5分別是2005年7月7日和7月25日各影響因子與蒸散日變化過程的影響曲線,表1和表2為采用SPSS軟件對蒸散速率日變化與各環(huán)境因子觀測數(shù)據(jù)進行曲線估計擬合,選擇相關(guān)系數(shù)最大者所得到的最佳模型?？梢钥闯?7月7日水分脅迫條件下蒸散速率與各環(huán)境因子的相關(guān)性均低于7月25日無水分脅迫條件下蒸散速率與環(huán)境因子的相關(guān)性。水分脅迫條件下,在7個關(guān)系模型中,顯著的只有3個,蒸散速率主要與凈輻射、土壤溫度升高值及土壤熱通量關(guān)系顯著,而與其它氣象因子的相關(guān)性較小;7月25日無水分脅迫條件下,蒸散速率與各因子的相關(guān)性均較為顯著,蒸散速率與凈輻射、土壤溫度升高值、及土壤熱通量的關(guān)系最顯著,其次與下墊面和各氣象因子也表現(xiàn)出較強的相關(guān)性。從圖中看,兩個典型日中凈輻射、土壤熱通量、土壤溫度升高值的變化過程與蒸散速率的變化趨勢大體一致,說明在此沙質(zhì)土壤條件下,無論有無水分脅迫,凈輻射和土壤熱通量與林地蒸散水平的相關(guān)性均最強。蒸散速率與土壤水分的變化關(guān)系在兩個典型日不同水分環(huán)境條件下有明顯差異,7月25日無水分脅迫條件下,從蒸散速率與土壤含水量的關(guān)系模型中可知,二者相關(guān)性較顯著,土壤含水量隨蒸散水平的加強而穩(wěn)定降低,土壤體積含水量每半小時降低0.1個百分點,可知土壤蒸發(fā)量很大。而7月7日水分脅迫條件下,從蒸散速率與土壤含水量的關(guān)系模型中可知,二者沒有相關(guān)性。這是因為該土層(0~20cm)土壤體積含水量太低,以致沒有多余水可供蒸發(fā)之用了,故幾乎不發(fā)生土壤蒸發(fā)。氣象因子中,水分脅迫條件下蒸散速率與大氣溫度、水汽壓差和風速的相關(guān)性均不顯著,這些氣象因子除影響林木蒸騰以外,也是影響土壤表土層蒸發(fā)水平的重要因子,但由于土壤表土層水分含量太低,以致這些因子對于土壤蒸發(fā)也幾乎沒有作用了。無水分脅迫條件下的氣象因子,除凈輻射外,風速與蒸散速率的相關(guān)性最顯著,水汽壓差和大氣溫度與蒸散速率也有較強的相關(guān)性,這同樣是由于土壤表層水分含量大,土壤蒸發(fā)容易受風速、水汽壓差及大氣溫度的影響,故對蒸散水平的變化有一定作用。蒸散速率與環(huán)境因子的綜合模型以蒸散速率為應(yīng)變量,各環(huán)境因子為自變量,采用SPSS軟件進行多元線性逐步回歸分析中自后淘汰變量法,得到綜合關(guān)系模型,水分脅迫條件下為:ET=0.165ΔTsoil+1.86×10?4Rn+0.029,R2=0.817EΤ=0.165ΔΤsoil+1.86×10-4Rn+0.029,R2=0.817無水分脅迫條件下為:ET=3.22×10?4Rn+1.74×10?3G+0.037?R2=0.897EΤ=3.22×10-4Rn+1.74×10-3G+0.037?R2=0.897以上兩個方程反映出在土壤水分低的條件下,森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散除受凈輻射影響外,還與土壤溫度增量(ΔTsoil)相關(guān);在土壤水分條件較好的情況下,森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散則主要與凈輻射和土壤熱通量(G)有關(guān),而土壤溫度增量和土壤熱通量密切相關(guān),且均以凈輻射為能量來源,但由于濕潤的土壤對于土壤增溫發(fā)應(yīng)不明顯,所以土壤溫度升高值在水分充足條件下的模型中沒有體現(xiàn)