青藏高原三江源區(qū)人工草地能量平衡的變化特征

張 翔, 劉曉琴, 張立鋒, 牛 犇, 趙 亮, 古 松,*

1 南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,天津 300071 2 中國科學(xué)院西北高原生物研究所,西寧 810008

青藏高原三江源區(qū)人工草地能量平衡的變化特征

張 翔1, 劉曉琴1, 張立鋒1, 牛 犇1, 趙 亮2, 古 松1,*

1 南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,天津 300071 2 中國科學(xué)院西北高原生物研究所,西寧 810008

為揭示建植人工草地對(duì)青藏高原三江源區(qū)能量平衡的影響,利用渦度相關(guān)和微氣象系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)定量分析了該區(qū)域人工草地能量收支及其各分量的變化特征。結(jié)果表明：太陽總輻射(Rs)和凈輻射(Rn)的日最高值分別為33.6和19.1 MJ m-2d-1,年累計(jì)值分別為6789.4和2773.3 MJ/m2；全年Rn與Rs的比值(Rn/Rs)為0.41,但生長季的Rn/Rs(0.54)明顯高于年均值；顯熱(H)與潛熱(LE)通量呈明顯的季節(jié)變化,H最低值出現(xiàn)在12月,之后隨Rs的增強(qiáng)而增加,但進(jìn)入生長季后呈下降趨勢(shì),7月中旬出現(xiàn)次低值；而LE在冬季維持較低值,3月以后迅速增加,最高值出現(xiàn)在生長旺季的7月。在能量分配上,可利用能量主要消耗于LE和H,年均LE/Rn,H/Rn,G/Rn分別為0.46,0.45和-0.13。但能量分配的季節(jié)變化差異明顯,波文比(β=H/LE)在冬季、春季、夏季和秋季的平均值分別為3.33、0.68、0.42和1.29。受植被葉面積指數(shù)(LAI)等生物因素以及土壤含水量(SWC)、飽和水汽壓差(VPD)等環(huán)境因素的共同影響,冠層導(dǎo)度(gc)和解耦系數(shù)(Ω)的年最大值均出現(xiàn)在夏季,其平均值分別為16.22 mm/s和0.70,表明在植被生長盛期LE仍受Rn的控制,其它季節(jié)Ω均值低于0.5,說明LE更多的是受VPD調(diào)控。本研究說明,雖然三江源區(qū)接收的太陽總輻射較強(qiáng),但Rn/Rs相對(duì)較低,生態(tài)系統(tǒng)能量平衡中各分項(xiàng)的變化主要受植被、土壤含水量以及凈輻射的控制,在退化草地恢復(fù)過程中,由于建植人工草地增加了植被覆蓋度,進(jìn)而改變了能量收支過程及能量平衡各分項(xiàng)。

青藏高原；反射率；波文比；能量平衡；渦度相關(guān)系統(tǒng)

陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡在區(qū)域乃至全球氣候的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用[1]。草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣的植被類型之一,約占陸地總面積的1/3[2],在陸地生態(tài)系統(tǒng)能量平衡研究中占有舉足輕重的地位,為此各國學(xué)者針對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡開展了大量研究[3- 5]。然而,草地也是最易受人類活動(dòng)的影響,特別是在全球氣候變化背景下,隨著放牧強(qiáng)度的加劇,我國草地退化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,引起了相關(guān)部門的高度關(guān)注,為此國家制定了一系列保護(hù)和恢復(fù)措施,如禁牧圍封、退耕還草、種植人工草地等。無論草地退化還是建植人工草地,均改變了草地的原有狀態(tài),植被蓋度、生物量、土壤水熱等狀況的變化必將引起草地生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的改變。

青藏高原作為地球“第三極”,平均海拔高度在4000 m以上,總面積約為2.5×106km2[6],其強(qiáng)大的動(dòng)力和熱力作用,顯著地影響著東亞氣候格局、亞洲季風(fēng)進(jìn)程和北半球大氣環(huán)流[7]。高寒草甸是青藏高原最主要的植被類型之一,在高原生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的地位。20世紀(jì)70年代以來,我國學(xué)者對(duì)青藏高原不同地區(qū)的高寒草甸與大氣之間的能量交換過程開展了一系列的研究。馬耀明等[8]研究了藏北高原那曲地區(qū)輻射和能量平衡特征,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的凈輻射通量、顯熱、潛熱及土壤熱通量與平原地區(qū)存在明顯差異。李躍清等[9]分析了青藏高原東坡高寒草甸的近地層地氣熱量交換,發(fā)現(xiàn)夏季顯熱輸送作用小,潛熱輸送占主要地位。此外,青藏高原其它地區(qū)有關(guān)地氣能量平衡的研究也大量展開[10- 11]。

三江源位于青藏高原腹地,是長江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地,由于其海拔高,自然環(huán)境嚴(yán)酷,高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,且對(duì)氣候變化的響應(yīng)異常敏感,其生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的能量交換對(duì)我國乃至東南亞地區(qū)的氣候都將產(chǎn)生重要影響[12- 13]。近幾十年來,由于氣候變化和過度放牧等因素的影響,三江源區(qū)草地大面積退化,嚴(yán)重地區(qū)已成為“黑土灘”[14]。據(jù)統(tǒng)計(jì),三江源地區(qū)中度以上退化草地面積已達(dá)5.7×104km2,占可利用草地面積的55.4%,其中“黑土灘”型重度退化草地總面積為1.8×104km2,占退化草地面積的32.1%,對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展和區(qū)域環(huán)境帶來了巨大影響[15]。為了恢復(fù)三江源區(qū)退化草地,青海省畜牧廳、青海省科技廳、青?！叭崔k”等部門組織有關(guān)單位開展了人工草地示范工程[16- 17]。人工草地的建植將直接改變?cè)械南聣|面特征,也改變了生態(tài)系統(tǒng)的能量交換過程,進(jìn)而對(duì)區(qū)域氣候產(chǎn)生影響。然而,有關(guān)三江源區(qū)人工草地能量平衡的研究尚無報(bào)道,因此揭示人工草地能量平衡變化及其影響因子對(duì)全面闡明三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的水熱狀況具有現(xiàn)實(shí)意義。本研究利用渦度相關(guān)技術(shù)和微氣象方法對(duì)三江源區(qū)人工草地的能量平衡及其相關(guān)環(huán)境要素進(jìn)行觀測(cè),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,其目的是：(1)揭示三江源區(qū)人工草地能量收支及其各分項(xiàng)的時(shí)間變化特征；(2)闡明環(huán)境因子和植被變化對(duì)人工草地能量平衡的影響。以期為建植人工草地對(duì)三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)能量交換過程的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況和研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

圖1 2007年人工草地地上生物量和葉面積指數(shù)的季節(jié)變化 Fig.1 Seasonal variations of the green aboveground biomass (AGB) and the leaf area index (LAI) of artificial grassland in 2007

試驗(yàn)地位于青海省果洛州瑪沁縣大武鎮(zhèn)東南部25 km的格多牧場(chǎng)(34°21′ N, 100°29′ E),海拔3958 m。該區(qū)日照充足,年日照平均在2500 h以上；太陽輻射較強(qiáng),年總輻射量為5500—6800 MJ m-2；年平均氣溫在0 ℃以下,全年無絕對(duì)無霜期；年降水量為420—560 mm,其中85%的降水集中在生長季5—9月[18]。人工草地為垂穗披堿草(Elymusnutans)單播樣地,植被蓋度80%以上,平均高度80—90 cm[19]。該草地以高山草甸土和高山灌叢草甸土為主,土壤根際層厚度約20—40 cm,以砂壤土為主,而底土層厚度約20—55 cm,為粘壤或粉砂粘壤。植物從5月初開始生長,生物量和葉面積指數(shù)于7月底至8月初達(dá)最大,分別為241.1 g/m2和2.4 m2/m2,9月之后隨著植物的枯萎和凋亡而下降(圖1)。

1.2 觀測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)期間,主要觀測(cè)內(nèi)容包括太陽輻射、地表反射輻射以及地面輻射和大氣逆輻射、顯熱和潛熱通量、土壤熱通量、風(fēng)速、空氣溫濕度、土壤溫度、降雨量和土壤含水量等(表1)。其中,顯熱和潛熱通量觀測(cè)利用渦度相關(guān)法,采樣頻率為10 Hz,每15 min輸出一組平均值,其它環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)利用微氣象法。數(shù)據(jù)通過CR5000和CR23x(CSI,USA)進(jìn)行采集。本研究選取2006年12月至2007年11月全年的數(shù)據(jù)分析其生態(tài)系統(tǒng)的能量收支變化,研究地沒有明顯的四季之分,但為了研究不同生長時(shí)期植被變化對(duì)能量收支的影響,參照王萬瑞的季節(jié)劃分[20]：3—5月為春季；6—8月為夏季；9—11月為秋季；12—2月為冬季。

在植物生長的5—9月,每月中旬對(duì)地上生物量(AGB)和葉面積指數(shù)(LAI)進(jìn)行調(diào)查。生物量觀測(cè)采用收割法,隨機(jī)選取5個(gè)大小0.5 m × 0.5 m的樣方,將每個(gè)樣方內(nèi)綠色植物齊地面剪下后裝入取樣袋中并編號(hào),并將樣品放入65 ℃恒溫烘箱內(nèi)烘干至恒重后稱重(g/m2)。同時(shí),選取5個(gè)大小0.25 m × 0.25 m的樣方,齊地面剪下地上部植物,用葉面積儀(LI- 3100,Li-Cor)測(cè)定植物葉面積。

表1 觀測(cè)要素所使用的儀器及其設(shè)置高度

1.3 數(shù)據(jù)處理

在通量數(shù)據(jù)處理過程中,首先通過三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、溫度變換和WPL校正對(duì)渦度相關(guān)法測(cè)定的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正[21- 22]。在此基礎(chǔ)上,考慮降水、摩擦風(fēng)速等因素影響,對(duì)采集的通量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,并采用“差分法”(敏感性取值為4)進(jìn)行異常值剔除[23]。然后再通過平均晝夜變化法(MDV)和線性內(nèi)插法對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。

生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡通常用下式表示[24]：

Rn-G=H+LE

式中,Rn為凈輻射通量；H為顯熱通量；LE為潛熱通量；G為土壤熱通量。

圖2 2006年12月至2007年11月人工草地能量閉合狀況 Fig.2 Relationship between the (LE+H) measured by eddy covariance and the available energy (Rn-G) of artificial grassland from Dec. 2006 to Nov. 2007

能量閉合程度是評(píng)價(jià)渦度相關(guān)技術(shù)的方法之一,雖然能量不閉合現(xiàn)象普遍存在,但已被人們廣泛接受[25- 27]。本人工草地研究期間的能量閉合度約為0.67,即LE+H=0.67 × (Rn-G) + 18.92(r2=0.926,n=35040),其斜率(0.67)在已經(jīng)報(bào)道的0.55-0.99能量閉合度范圍之內(nèi)[5]。導(dǎo)致能量不閉合的原因非常復(fù)雜,可能的原因包括觀測(cè)系統(tǒng)的采樣誤差、儀器偏差、湍流通量觀測(cè)中的高低頻損失、平流效應(yīng)等。根據(jù)我們數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),晝間能量閉合度比夜間較高,這可能是由于研究地海拔較高,夜間的地面輻射冷卻強(qiáng)烈,底層空氣相對(duì)穩(wěn)定,致使湍流較弱。因此本研究的能量不閉合說明利用渦度相關(guān)法得到的潛熱和顯熱存在低估的可能,對(duì)于能量不閉合的詳細(xì)原因尚有待于深入研究。

為了評(píng)價(jià)植被和環(huán)境因子變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)潛熱能量交換的影響,利用以下公式計(jì)算了植被冠層導(dǎo)度(gc)和解耦系數(shù)(Ω),其中g(shù)c通過Penman-Monteith公式整理后計(jì)算得到[28]：

1/gc=ρCpVPD/ (γLE) + (βΔ/γ-1) /ga

(1)

式中,ρ為空氣密度,Cp為空氣的定壓比熱,VPD為大氣飽和水汽壓差,γ為干濕表常數(shù),β為波文比(H/LE),Δ為飽和水汽壓斜率,ga為空氣動(dòng)力學(xué)導(dǎo)度,由下式計(jì)算得到[28]：

1/ga=μ/μ*2+ 6.2μ*-0.67

(2)

式中,μ為風(fēng)速,μ*為摩擦風(fēng)速。無量綱的Ω的計(jì)算公式為[29]：

Ω=(Δ+γ) / (Δ+γ(1 +ga/gc))

(3)

晴空指數(shù)通常被用來表示云和氣溶膠對(duì)入射太陽輻射的影響,定義為到達(dá)地表的太陽總輻射(Rs)與大氣外總輻射(Ro)之間的比值(Rs/Ro)[30]。當(dāng)Rs/Ro≥ 0.7為晴天,0.7 >Rs/Ro≥ 0.3為多云,Rs/Ro< 0.3為陰天[31]。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子變化

如圖3所示,人工草地太陽總輻射(Rs)全年呈單峰型變化,日最高和最低值分別為33.6 MJ m-2d-1(7月14日)和5.5 MJ m-2d-1(10月12日),Rs年累計(jì)值為6801.7 MJ m-2。氣溫(Ta)與5 cm深度土壤溫度(Ts-5)具有相同的變化趨勢(shì),然而土壤溫度幾乎全年高于氣溫。Ta與Ts-5最高值均出現(xiàn)在8月初,最低值都出現(xiàn)在1月。Ta日平均值變幅為-17.7—13.7 ℃,年平均為-0.6 ℃,Ts-5日平均值變幅為-9.5—15.7 ℃,年平均為3.9 ℃。年降水量為497.1 mm,土壤含水量變化主要受降水的影響,4月至10月土壤保持較高的體積含水量,特別是生長旺季的7—8月,基本維持在0.3 m3/m3上下。

圖3 2006年12月至2007年11月人工草地太陽總輻射、氣溫和5 cm深度土壤溫度、降水量和5 cm深度土壤含水量的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variations of daily-integrated solar radiation (Rs), mean daily air temperature (Ta) and soil temperature at 5 cm depth (Ts-5), precipitation and soil water content at 5 cm depth (SWC) of artificial grassland from Dec. 2006 to Nov. 2007

圖4 2006年12月至2007年11月人工草地凈輻射Rn、顯熱通量H、潛熱通量LE和土壤熱通量G日總量的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variations of daily-integrated net radiation flux (Rn), sensible heat flux (H), latent heat flux (LE) and soil heat flux (G) of artificial grassland from Dec. 2006 to Nov. 2007

2.2 能量平衡各分項(xiàng)變化

凈輻射(Rn)的季節(jié)變化(圖4)與太陽總輻射(圖3)變化趨勢(shì)相同,最高值出現(xiàn)在6月末,最低值出現(xiàn)在12月中旬；日最高和最低值分別為19.1 MJ m-2d-1(6月29日)和-1.4 MJ m-2d-1(12月14日)。但顯熱通量(H)的變化大致呈雙峰型,從2月份開始,H隨著Rn的增加而增加,在4月份達(dá)到最大值,之后H卻呈降低趨勢(shì),9月開始又逐漸升高,并達(dá)到第二個(gè)峰值；日最大和最小值分別為6.1 MJ m-2d-1(4月17日)和0.1 MJ m-2d-1(12月14日)。潛熱通量(LE)的變化與Rn的變化趨勢(shì)一致,從3月初開始,隨著輻射和溫度的升高、以及植被葉面積指數(shù)和土壤含水量的增加呈明顯上升趨勢(shì),日最大值出現(xiàn)在7月24日(10.9 MJ m-2d-1)；之后LE隨著輻射和溫度的降低、以及植被的枯死和凋落而迅速降低,日最低值為0.2 MJ m-2d-1(1月13日)。與H和LE相比,土壤熱通量(G)的季節(jié)變幅相對(duì)較小,大致在-2.0—2.0 MJ m-2d-1之間變動(dòng),最高值出現(xiàn)在7月8日(1.6 MJ m-2d-1),之后開始下降,9月初降到負(fù)值以下,最低值出現(xiàn)在11月26日(-1.8 MJ m-2d-1)。Rn、H、LE和G年累計(jì)值分別為2773.3、1000.2、1408.5、-52.1 MJ m-2。

圖5 2006年12月至2007年11月人工草地能量分配占比的季節(jié)變化(顯熱/凈輻射H/Rn,潛熱/凈輻射LE/Rn,土壤熱通量/凈輻射G/Rn)Fig.5 Seasonal variations of the ratio of energy partitioning, sensible heat flux (H), latent heat flux (LE) and soil heat flux (G) to net radiation flux (Rn) of artificial grassland from Dec. 2006 to Nov. 2007

能量收支各分項(xiàng)占Rn的比例同樣呈明顯的季節(jié)變化(圖5和表2),但在冬季呈現(xiàn)較大的波動(dòng),這可能與積雪有關(guān)?？傮w上,LE/Rn從3月份開始逐漸升高,7月份達(dá)到較高值,此時(shí)土壤含水量和葉面積指數(shù)均處于較高時(shí)期,之后逐漸下降,但在10月份出現(xiàn)第2個(gè)峰值,這可能是由于10月初幾次較大的降水事件,同時(shí)植被已經(jīng)凋落,導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)增加的原因。然而,H/Rn的變化與LE/Rn呈相反的趨勢(shì),在植被生長旺盛的7—8月份較低,出現(xiàn)低值0.10(7月23日),主要是由于該時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)接收的大部分太陽能用于蒸散消耗。9月之后,隨著植物的枯萎,用于蒸騰消耗的能量減少,導(dǎo)致LE/Rn逐漸減小,而H/Rn逐漸增加。在11月份,H/Rn超過LE/Rn,H重新占能量分配的主導(dǎo)作用。與LE/Rn和H/Rn相比,G/Rn的變化較小,特別是3—9月,基本維持在0.02左右,處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),但在2006年12月以及2007年1—2、10—11月,G/Rn變化幅度較大,且基本為負(fù)值,說明該時(shí)期土壤在失去熱量。

圖6 2006年12月至2007年11月各季節(jié)晴天條件下人工草地凈輻射Rn、潛熱通量LE、顯熱通量H和土壤熱通量G的日變化Fig.6 Diurnal variations in net radiation flux (Rn), latent heat flux (LE), sensible heat flux (H) and soil heat flux (G) on clear days for different seasons over an artificial grassland from Dec. 2006 to Nov. 2007

圖7 2006年12月至2007年11月人工草地反射率α和波文比β日平均值的季節(jié)變化Fig.7 Seasonal variations in daily Albedo (α) and Bowen ratios (β) of artificial grassland from Dec. 2006 to Nov. 2007

圖6是晴天條件下不同季節(jié)能量平衡各分量的日變化狀況。由圖可知,各季節(jié)之間的能量平衡各分項(xiàng)表現(xiàn)出明顯的差異。冬季,由于土壤凍結(jié),LE非常低,平均值為5.6 W m-2,日最高值為22.5 W m-2；H的變化與Rn一致,但遠(yuǎn)高于LE,平均值為30.5 W m-2,日最高值為159.7 W m-2；G平均為-9.9 W m-2,日最高值為39.2 W m-2。然而在夏季,隨著Rn的增大,降雨和植被覆蓋的增加,平均LE上升到115.0 W m-2,日最高值為344.2 W m-2；與此同時(shí)H平均值為41.9 W m-2,日最高值為136.7 W m-2,遠(yuǎn)低于LE。春季和秋季,H、LE和G介于冬季與夏季的轉(zhuǎn)換之間,春季H略高于LE,但秋季H低于LE。

2.3 反射率和波文比

如圖7所示,反射率(α)具有明顯的季節(jié)變化,且變化幅度較大。值得注意的是,由于研究地海拔較高,即使在植物生長的5—6月也偶有降雪發(fā)生,但通常降雪量不大,且迅速融化。然而,冬季的降雪融化較慢,因此積雪是影響冬季反射率變化最主要的因子。除了積雪之外,反射率變化還受植被蓋度、土壤水分以及晴空指數(shù)等因子的影響,總體上是冬季高于夏季。冬季,降雪發(fā)生時(shí),反射率驟然上升,之后逐漸降低,其平均值為0.31(表2)；但在5—10月,反射率處于較低時(shí)期(除降雪發(fā)生外),最低值出現(xiàn)在10月中旬左右,這是由于期間發(fā)生了幾次降水事件,土壤含水量增加,導(dǎo)致反射率下降。各季節(jié)平均反射率見表2。

表22006年12月至2007年11月人工草地各季節(jié)太陽輻射、能量平衡和生物氣象因子的平均值

Table2Dailymeansofsolarradiation,energybalancecomponentsandmajorbiometeorologicalfactorsineachseasonandthegrowingseasonovertheartificialgrasslandfromDec.2006toNov.2007

冬季W(wǎng)inter春季Spring夏季Summer秋季Autumn生長季Growingseason太陽總輻射Rs/(MJm-2d-1)14．521．521．417．021．2地表反射輻射Rf/(MJm-2d-1)4．25．14．03．24．2大氣逆輻射Ld/(MJm-2d-1)15．521．126．420．825．5地面輻射Lu/(MJm-2d-1)22．928．531．527．731．0地面有效輻射Lu-Ld/(MJm-2d-1)7．57．45．07．05．5凈輻射Rn/(MJm-2d-1)2．78．512．36．811．4潛熱通量LE/(MJm-2d-1)0．84．26．93．56．2顯熱通量H/(MJm-2d-1)2．23．52．62．62．8土壤熱通量G/(MJm-2d-1)-0．70．30．4-0．50．3凈輻射/太陽總輻射Rn/Rs0．180．400．580．400．54潛熱/凈輻射LE/Rn0．290．520．560．450．54顯熱/凈輻射H/Rn0．730．350．230．490．24土壤熱通量/凈輻射G/Rn-0．430．030．02-0．150．02反射率α/(Rf/Rs)0．310．250．210．200．22波文比β(H/LE)3．330．680．421．290．455cm深度土壤溫度Ts-5/℃-6．43．512．95．611．4氣溫Ta/℃-11．50．68．00．46．9降水量Precipitation/mm6．081．7305．3104．1439．7土壤含水量SWC/(m3/m3)0．080．210．330．230．29飽和水汽壓差VPD/KPa0．160．380．320．290．35葉面積指數(shù)LAI/(m2/m2)0．61．91．81．6冠層導(dǎo)度gc/(mm/s)4．527．7716．228．0113．75解耦系數(shù)Ω0．250．450．700．430．63

波文比(β)的季節(jié)變化可以較為直觀的顯示其能量分配特征。從圖7中可以看出,β的變化范圍非常大,冬季β較高,平均值達(dá)到3.33；隨著土壤解凍,植被返青,β逐漸降低；5—9月,β穩(wěn)定在較低的狀態(tài),平均為0.45,其間7月份出現(xiàn)最低值為0.15；隨著降雨的減少以及土壤的凍結(jié),β又逐漸升高,但10月份幾次較大的降水導(dǎo)致了β短暫下降。

3 討論

3.1 能量平衡的變化特征

凈輻射與太陽總輻射比值(Rn/Rs)表示生態(tài)系統(tǒng)所獲得可利用能量的相對(duì)情況。本研究地全年的Rn/Rs為0.41,略低于海北高寒草甸(0.44)[32],但比日本的濕潤溫帶草地(0.54)[33]約低24%。與平原的草地相比,雖然青藏高原太陽輻射強(qiáng)烈,但有報(bào)道指出高寒草甸通常具有更高的反射率以及地面有效輻射[34- 35],這可能是導(dǎo)致Rn/Rs相對(duì)較低的原因之一。然而,生長季中人工草地的Rn/Rs為0.54,高于青藏高原當(dāng)雄退化高寒草甸的0.44(海拔4333 m)[36]。通過數(shù)據(jù)分析可知,主要是因?yàn)槿斯げ莸氐牡孛嬗行л椛?Lu-Ld)比當(dāng)雄退化高寒草甸低。有研究表明,地面有效輻射隨著海拔高度的增加而增大,隨著地表植被覆蓋程度的增加而減小[35, 37]。雖然當(dāng)雄高寒草甸接收的太陽總輻射略高于本研究地,但當(dāng)雄高寒草甸植被蓋度低(40%),導(dǎo)致地面有效輻射增加,這是人工草地Rn高于當(dāng)雄退化高寒草甸的主要原因之一。這意味著在退化草地上建植人工草地可以減少地面有效輻射的散失,增加生態(tài)系統(tǒng)的可利用能量。

本研究中全年的潛熱分配(LE/Rn)為0.46,高于內(nèi)蒙古的荒漠草原(0.28)[38]。生長季LE/Rn更是達(dá)到0.54,高于海北未退化天然高寒草甸(0.44)[39]。土壤含水量、飽和水汽壓差和植被LAI是影響地表能量分配的主要因素,研究表明生長季LE/Rn隨SWC增大呈增加趨勢(shì),隨VPD增大而降低,隨植被LAI增大呈二次曲線變化[38]。盡管本研究地生長季SWC(0.29 m3/m3)和植被LAI(1.6 m2/m2)都略低于海北未退化天然高寒草甸(0.40 m3/m3和2.3 m2/m2),但是VPD(0.35 kPa)比海北未退化天然高寒草甸(0.75 kPa)低約53%,這可能是造成人工草地生長季LE/Rn較高的原因之一。全年顯熱分配(H/Rn)為0.45,與海北未退化天然高寒草甸相當(dāng)(0.44)[39],低于蒙古中部典型草原(0.56)[41]。本研究整個(gè)生長季LE/Rn均高于H/Rn,說明大部分可利用能量用于水分的蒸散,而用于顯熱傳輸?shù)哪芰肯鄬?duì)較少。

全年G/Rn為-0.13,遠(yuǎn)低于內(nèi)蒙古荒漠草原(0.01)[38]。其中生長季G/Rn為0.02,低于當(dāng)雄退化高寒草甸(0.04)[36]。G是由地表土壤所吸收輻射的多少來決定的,受植被覆蓋程度的影響,研究指出G/Rn隨著地上LAI增加而減小[42]。生長季植被LAI高于當(dāng)雄退化高寒草甸(最大LAI僅為1.0),可能是人工草地G/Rn相對(duì)較低的原因之一。另外,由于2006年12月至2007年1月較頻繁地出現(xiàn)降雪事件,使得到達(dá)土壤表面的輻射減少,降低了G/Rn,因此積雪覆蓋可能是導(dǎo)致全年G/Rn為負(fù)的主要原因之一。

3.2 反射率和波文比

反射率是表征地面吸收太陽輻射強(qiáng)弱的物理量,是影響能量平衡的重要因子[43]。本研究地生長季α為0.22,低于內(nèi)蒙古溫帶荒漠草原(0.25)[44]。植被狀況是影響地表反射率變化的重要因素之一,鞏遠(yuǎn)發(fā)等[45]研究指出,隨著植被LAI增加,α逐漸減小。本研究地生長季LAI為1.6,而內(nèi)蒙古溫帶荒漠草原植被稀疏,LAI僅為0.16。另外,土壤含水量對(duì)反射率的影響同樣重要,SWC增加將導(dǎo)致α減小[46]。本研究地生長季降水頻繁,SWC達(dá)0.29 m3/m3,內(nèi)蒙古溫帶荒漠草原生長季降水量僅為132 mm,SWC在0.10 m3/m3左右。

波文比是表征顯熱與潛熱對(duì)凈輻射貢獻(xiàn)的參數(shù),β越高說明用于顯熱的能量越多。在熱帶海洋和雨林地區(qū)β可低于0.2,而在干旱地區(qū)可超過3.8[47]。本研究觀測(cè)期間,β變化范圍為0.15—8.37(圖7)。冬季β非常高,甚至高于某些半干旱地區(qū)(2—6)[48]。這可能是因?yàn)槎? cm深度土壤溫度處于零下(-6.4 ℃),致使上層土壤凍結(jié),從而阻礙土壤中過多的水分通過地表進(jìn)入大氣。在植被生長盛期的7—8月份,β平均為0.46,遠(yuǎn)低于內(nèi)蒙古溫帶荒漠草原(1.49)[38]以及典型草原(1.19)[41],說明該時(shí)期LE在能量分配中占主導(dǎo),更多的可利用能量以LE的形式向大氣輸送水分,與Shang研究結(jié)果一致[40]。

3.3 生物和環(huán)境因子對(duì)能量平衡的影響

冠層導(dǎo)度(gc)是影響LE的重要因子,通常LE隨gc的增加而增大。gc主要受植被LAI及SWC、VPD等因子控制[4, 49]。由各季節(jié)晴天條件下gc的日變化可以看出(圖8),夏季明顯高于其它季節(jié),說明夏季具有較多的LE用于驅(qū)動(dòng)水分進(jìn)入大氣。這可能是由于夏季植被生長旺盛,加之土壤濕度較大(表2),致使水分大量蒸散造成的。夏季gc日變化最大值出現(xiàn)在中午前后,然而冬季、春季和夏季大多出現(xiàn)在8:00—10:00,與Gu等研究結(jié)果一致[39]。生長季gc為13.75 mm/s,高于加拿大的溫帶草原[4],可能是因?yàn)楸狙芯康豓PD較小,Law等研究結(jié)果表明[49]：隨著VPD的減小,gc有增大的趨勢(shì)。但是,gc低于日本的濕潤溫帶草原[33],這可能是由于后者植被具有較高的LAI。

很多研究利用解耦系數(shù)Ω分析和評(píng)價(jià)地表與大氣之間水熱交換的耦合狀況[29, 50]。Ω值在0—1之間變化,當(dāng)Ω值趨近1時(shí),表示冠層的水熱交換與大氣耦合較差,LE主要是受Rn主導(dǎo)；當(dāng)Ω值接近0時(shí),表示冠層的水熱交換與大氣耦合較好,LE主要受VPD的控制。圖8為各季節(jié)晴天條件下Ω值的日變化,從圖中可以看出,夏季Ω值接近于1,表明LE在植被生長盛期主要受Rn的控制；冬季、春季和秋季Ω大部分低于0.5,說明LE主要受VPD的調(diào)控,與Gu等報(bào)道的高寒草甸結(jié)果一致[39]。各季節(jié)Ω最大值出現(xiàn)在上午或中午前后,但是下午都逐漸降低,說明冠層與大氣耦合逐漸增加,即LE受VPD的影響增大。生長季Ω平均為0.63,接近日本的濕潤溫帶草原[33],高于加拿大的溫帶草原[4]。

圖8 2006年12月至2007年11月人工草地各季節(jié)晴天條件下冠層導(dǎo)度gc和解耦系數(shù)Ω的日變化Fig.8 Diurnal pattern of canopy conductance (gc) and decoupling coefficient (Ω) on clear days in each season over the artificial grassland from Dec. 2006 to Nov. 2007

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,雖然能量收支及其各分項(xiàng)的變化趨勢(shì)與其它草地生態(tài)系統(tǒng)相同,但青藏高原三江源區(qū)建植人工草地在數(shù)值上改變了地表能量平衡各分項(xiàng)及其比例,特別是對(duì)潛熱和顯熱通量的調(diào)節(jié)作用尤為顯著,生長季LE/Rn顯著高于H/Rn,分別為0.54、0.24。與退化草地生態(tài)系統(tǒng)相比,由于人工草地植被覆蓋度的增大,導(dǎo)致地面有效輻射減少,使凈輻射占太陽總輻射的比例增加,其中生長季Rn/Rs達(dá)到0.54。因此,建植人工草地一方面恢復(fù)了退化的草地生態(tài)系統(tǒng),同時(shí)增加了生態(tài)系統(tǒng)對(duì)能量的吸收利用。

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EnergybalanceofanartificialgrasslandintheThree-RiverSourceRegionoftheQinghai-TibetPlateau

ZHANG Xiang1, LIU Xiaoqin1, ZHANG Lifeng1, NIU Ben1, ZHAO Liang2, GU Song1,*

1CollegeofLifeSciences,NankaiUniversity,Tianjin300071,China2NorthwestPlateauInstituteofBiology,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,China

To reveal the influence of planting artificial grassland on the energy balance of the Three-River Source Region on the Qinghai-Tibet Plateau, the variation of the energy budget and its components of an artificial grassland were studied using eddy covariance and micrometeorological methods. The results showed that the highest daily solar radiation (Rs) and net radiation (Rn) were 33.6 and 19.1 MJ m-2d-1, with annual accumulated values of 6789.4 and 2773.3 MJ m-2, respectively; the radiation efficiency (Rn/Rs) annually averaged 0.41, with a higher value of 0.54 in the growing season from May to September. The sensible heat (H) and latent heat flux (LE) displayed obvious seasonal variations. H was the lowest in December and increased with an increase ofRs, but decreased in the growing season, appearing the sub-low value in mid July.LEremained relatively low in winter, and increased rapidly in early March, reaching a peak in July. The energy partitioning (average annualLE/Rn,H/Rn, and G/Rnwere 0.46, 0.45, and -0.13, respectively) was mainly composed ofLEandH. There were obviously different patterns of seasonal variations ofLEandH, with Bowen ratio (β=H/LE) averages for winter, spring, summer, and autumn of 3.33, 0.68, 0.42, and 1.29, respectively. Affected by the vegetation leaf area index (LAI), the soil water content (SWC) and vapor pressure difference (VPD), and annual maximum values of both the canopy conductance (gc) and decoupling coefficient (Ω) averaged 16.22 mm/s and 0.70, respectively, in summer, suggesting thatLEwas controlled byRnduring the growing season of plants. The average values of Ω were <0.5 in other seasons, indicating thatLEwas strongly regulated by VPD. The present study suggests that 1)Rn/Rswas relatively low despite the high incident solar radiation in the Three-River Source Region; 2) the energy balance component variations were mainly controlled byRn, LAI, and SWC; and 3) the increased artificial grassland coverage changed the processes and components of energy balance.

Qinghai-Tibet Plateau; Surface albedo; Bowen ratio; Energy balance; Eddy covariance

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31570478)

2016- 04- 27; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201604270796

*通訊作者Corresponding author.E-mail: songgu@nankai.edu.cn

張翔, 劉曉琴, 張立鋒, 牛犇, 趙亮, 古松.青藏高原三江源區(qū)人工草地能量平衡的變化特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(15):4973- 4983.

Zhang X, Liu X Q, Zhang L F, Niu B, Zhao L, Gu S.Energy balance of an artificial grassland in the Three-River Source Region of the Qinghai-Tibet Plateau.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):4973- 4983.