亞熱帶-暖溫帶過渡區(qū)天然櫟林的能量平衡特征

牛曉棟,劉曉靜,劉世榮,*,孫鵬森

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所/國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室,北京 100091 2 河南寶天曼國家級自然保護區(qū)管理局,南陽 474350

在全球氣候變化背景下,陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能正在發(fā)生一系列的變化[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡是生態(tài)系統(tǒng)與大氣間相互作用研究的重要內(nèi)容之一[2],是影響區(qū)域氣候和水量平衡的重要因素,也是生態(tài)系統(tǒng)功能評價的重要方面[3]。森林作為地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng),它對能量的再分配對區(qū)域乃至全球的氣候有著重要影響[4],同時,再分配的結(jié)果又影響著植被光合生產(chǎn)力的分布[5]。了解能量再分配后的平衡特征不僅對認識森林的生態(tài)效應(yīng)有重要意義,也為其光合生產(chǎn)力研究提供了環(huán)境參數(shù)。基于微氣象學(xué)的渦度相關(guān)技術(shù)為森林生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的研究提供了可能[6]。截至2017年底,全球不同地區(qū)已建立了900多個通量站[7](http://fluxnet.fluxdata.org/sites/site-summary/)。近年來,我國利用通量塔在熱帶[8]、亞熱帶[9]、溫帶森林[10]也開展了大量的能量通量特征和閉合度方面的研究。如劉允芬等[11]率先報道了采用該技術(shù)對亞熱帶人工林能量通量進行研究的結(jié)果；Wu等[10]通過對長白山闊葉紅松林能量平衡研究指出,感熱通量和潛熱通量占凈輻射的比例超過90%,土壤熱通量占凈輻射的比例僅為5%—10%。同小娟等[1]通過對黃河小浪底人工混交林生長季能量平衡特征研究指出,生長季,人工混交林能量分配主要以潛熱通量和感熱通量為主,且潛熱通量為感熱通量的2倍；陳云飛[12]和孫成[13]也分別對臨安雷竹林和安吉毛竹林的能量平衡特征做了報道。但需要指出的是,位于不同氣候帶的不同森林類型,其能量平衡特征往往具有顯著差異。例如,在熱帶雨林區(qū),凈輻射主要用于蒸散耗熱[14],在寒帶森林區(qū),則主要用于感熱傳輸[15]。然而,以往的利用渦度相關(guān)技術(shù)對森林能量平衡的研究大多集中于典型氣候帶下的森林生態(tài)系統(tǒng),在氣候過渡帶的典型森林利用通量塔進行能量平衡的研究還未見報道。銳齒櫟林是我國地理南北分界山脈秦嶺林區(qū)落葉闊葉林的代表類型[16],分布廣泛,主要分布于海拔800—2300 m的中山地帶,它對平衡我國北亞熱帶-暖溫帶過渡區(qū)CO2、H2O與能量收支有著重要意義。

本文以我國亞熱帶-暖溫帶過渡帶的銳齒櫟林為研究對象,利用渦度相關(guān)法的整年觀測數(shù)據(jù),結(jié)合同步微氣象資料,分析其能量平衡在不同季節(jié)的動態(tài)變化特征,探討能量閉合狀況；旨在為該地區(qū)銳齒櫟林的保護和區(qū)域模型模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并客觀評價渦度相關(guān)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及為準(zhǔn)確評估氣候過渡帶銳齒櫟林生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的物質(zhì)和能量交換提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

本研究在國家林業(yè)局河南寶天曼森林生態(tài)定位研究站進行。該站位于河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣寶天曼自然保護區(qū)(111°47′—112°04′E,33°20′—33°36′N),相對海拔高度600—1800 m,最高峰曼頂海拔1830 m。年平均氣溫15.1℃,1月平均氣溫1.5℃,7月平均氣溫27.8℃,≥10℃的年積溫為4200—4900℃。年平均降水量為791.9 mm,大多集中分布于6—8月份的雨季,年蒸發(fā)量991.6 mm。土壤垂直分布明顯,海拔 1300 m以上為山地棕壤,海拔800—1300 m為山地黃棕壤,海拔600—800 m 為山地褐土,土壤厚度20—60 cm,土壤pH值6.5左右。該地區(qū)屬于我國北亞熱帶-暖溫帶的過渡區(qū)域,植被以暖溫帶落葉闊葉林為主,兼具有亞熱帶常綠落葉闊葉林特點,櫟類是寶天曼的主要建群樹種,約占整個喬木樹種的70%[17]。 本站點也是中國通量觀測研究聯(lián)盟Chinaflux成員之一。

1.2 通量塔下墊面植被簡介

通量塔位于海拔1410.7 m,地理坐標(biāo)33°29′59″N,111°56′07″E。觀測林分下墊面比較平緩,坡度在5°左右。2012年在通量塔周圍建立1個1公頃樣地并做了植被調(diào)查。優(yōu)勢種為銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata),占喬木類的67%。其它伴生喬木有三椏烏藥(LauraceaeobtusilobaBl),垂枝條泡花樹(MeliosmaflexuosaPamp.),大椴(TilianobilisRehd. et Wils.),華榛(CoryluschinensisFranch)等?；盍⒛久芏葹?314株/hm2。平均喬木樹高18 m,胸徑(19.8±2.8)cm。灌木包括剛毛忍冬(LonicerahispidaPall. ex Roem. et Schult.),樺葉莢蒾(ViburnumbetulifoliumBatal.),接骨木(SambucuswilliamsiiHance) ,連翹(Forsythiasuspense),毛花繡線菊(SpiraeadasyanthaBge)和秦嶺木姜子(LitseatsinlingensisYang et P. H. Huang)等。平均高度3.8 m。

1.3 研究方法

1.3.1 實驗設(shè)計

微氣象觀測塔高40 m,開路式渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝在塔30 m(1.5倍林冠高)高處的主風(fēng)方向位置。風(fēng)速與空氣溫度脈動采用GILL三維超聲風(fēng)速儀(Gill,UK)測量,水汽濃度脈動采用Li-7500開路式CO2/H2O氣體分析儀(Li Cor Inc., USA)測量。湍流脈動信號采樣頻率為10 Hz,脈動數(shù)據(jù)通過CR3000(Campbell Inc., USA)采集。

在觀測塔22 m高處,采用CNR-1凈輻射表(Kipp&Zonen,Netherlands)測量凈輻射,同時采用HMP-45D空氣溫濕度儀(Vaisala, Finland)測量5層空氣溫、濕度。2套AV-IRT3紅外傳感器分別安裝在22 m和29 m處。4套土壤溫度傳感器(107,Campbell Inc., USA)分別埋設(shè)在距土表以下5、10、20、40 cm深度。一套土壤濕度儀(CS616, Campbell Inc., USA)埋于土下5 cm處。一套EasyAG型土壤濕度梯度儀埋設(shè)在距土表以下10、20、30、50 cm深度。在林內(nèi)10 cm和30 cm土壤深處,分別安置1個AV-FHT3土壤熱通量儀測量土壤熱通量。本站點土壤熱通量采用10 cm深度觀測數(shù)據(jù),同時,30 cm深度的數(shù)據(jù)用于插補和校正。所有常規(guī)氣象因子測量頻率為0.5 Hz,通過CR3000數(shù)據(jù)采集器(Campbell Inc., USA)每30 min自動記錄其平均值。文中的空氣溫度使用22 m高度的數(shù)據(jù),土壤溫度采用5 cm深度土壤的觀測數(shù)據(jù)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

利用LIcor公司開發(fā)的Eddypro軟件對采樣頻率為10 Hz的原始湍流數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理過程包括二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、除趨勢修正、統(tǒng)計檢驗、WPL修正、超聲虛溫修正、譜修正等[18]。同時,剔除了摩擦速度<0.1 m/s[19]的通量數(shù)據(jù),降雨時期的數(shù)據(jù),本文根據(jù)水汽和能量通量特征曲線[20]分析,確定感熱與潛熱通量域值,剔除域值外數(shù)據(jù)。利用下列方法插補被去除的數(shù)據(jù)和缺失的數(shù)據(jù)：小于2 h的缺失數(shù)據(jù)用線性內(nèi)插法插補；大于2 h的缺失數(shù)據(jù)采用平均日變化法進行插補[21]。

1.3.3 波文比的計算

波文比(β)的概念是1926年Bowen提出的。它是地表感熱通量(H)和潛熱通量(LE)之比：

式中,H為感熱通量(W/m2),LE為潛熱通量(W/m2)。

1.3.4 能量閉合狀況的評價

根據(jù)熱力學(xué)第一定律,地表能量平衡方程可表達為[22]：

LE+H=Rn-G-S-Q

式中Rn為凈輻射(W/m2),H為感熱通量(W/m2),LE為潛熱通量(W/m2),G為土壤熱通量(W/m2),S為冠層熱儲量(W/m2),Q為附加能量源匯的總和(W/m2)。當(dāng)平衡方程以日為時間尺度時,S和Q通常忽略不計,能量平衡方程可簡化為[23]：

LE+H=Rn-G

當(dāng)湍流能(LE+H)與有效能(Rn-G)相等時,稱為能量閉合,反之稱為能量不閉合。

評價能量閉合狀況的常見方法有最小二乘法(OLS)線性回歸、能量平衡比率(EBR)和能量平衡相對殘差(δ)頻率[24]等。本文采用OLS線性回歸來分析寶天曼銳齒櫟林能量閉合狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究期間氣溫、地溫及降雨量的變化

由圖1可以看出,2016年10月到2017年9月,研究區(qū)的降水量為1231.8 mm,為近幾年最高,是一個相對濕潤的年份[25]。由圖2可以看出年降雨量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化,最大值出現(xiàn)在2017年9月(235 mm),最小值為1月(9 mm)。2017年6-9月份的降雨量為796.4 mm,占全年降水量的64.65%。年平均氣溫(22 m高)為10.1℃。最高氣溫(21.54℃)與土壤5 cm溫度(18.93℃)均出現(xiàn)在7月份。最低氣溫(-0.78℃)和土壤5 cm溫度(1.33℃)均出現(xiàn)在1月份。值得注意的是,從2016年10月份開始至2017年3月份,氣溫都是低于土壤5 cm溫度的,3月份二者已非常接近；而從2017年4月至9月,氣溫都高于土壤5 cm溫度。

圖1 研究區(qū)近幾年年均降雨量Fig.1 Annual fluctuation of precipitation in experimental site

圖2 銳齒櫟林氣溫(Ta)、土壤5cm溫度(Ts-5)和降雨量(P)的月變化Fig.2 Monthly variations of air temperature(Ta),soil temperature at 5 cm and precipitation(P) in the oak natural forest

2.2 能量平衡各分量的日變化

在太陽輻射的驅(qū)動下,生態(tài)系統(tǒng)完成能量流動、物質(zhì)合成轉(zhuǎn)移和碳水循環(huán)等生理活動。不同類型生態(tài)系統(tǒng)的群落類型和下墊面不同,造成蒸發(fā)散和熱傳導(dǎo)能力的差異,因此生態(tài)系統(tǒng)獲得凈輻射能量后,能量在系統(tǒng)內(nèi)的分配變化特點各異。將典型季節(jié)性代表的1月、4月、7月、10月半小時間隔時刻下的能量通量數(shù)據(jù)作月平均處理(圖3),以表征該月的能量通量日變化進程。

圖3 不同季節(jié)銳齒櫟林能量平衡分量的日變化Fig.3 Diurnal variations of energy flux in the oak natural forest in different seasons

從4個月全天的變化趨勢來看,各能量分量均以凈輻射為基礎(chǔ),呈單峰型曲線變化,峰現(xiàn)時間春夏秋冬四季并無明顯差異,均在12：00—13：00左右。秋季,在7：30—8：00凈輻射通量轉(zhuǎn)變?yōu)檎?13:00達到最大值(約244 W/m2),至18：00轉(zhuǎn)為負值,凈輻射為正的時間長度為10 h,這一期間的平均凈輻射強度為146 W/m2。冬季,在9：00—9：30凈輻射通量變?yōu)檎?即轉(zhuǎn)變?yōu)樯帜芰康氖杖腠?13:00達到最大值(約303 W/m2),至17：30轉(zhuǎn)為負值,凈輻射為正的時間長度為8 h,這一期間的平均凈輻射強度約為195 W/m2。春季,在7：30—8：00凈輻射通量轉(zhuǎn)變?yōu)檎?12:30達到最大值(約524 W/m2),至18：30轉(zhuǎn)為負值,凈輻射為正的時間長度為10.5 h,這一期間的平均凈輻射強度為330 W/m2。夏季,在7：00—7：30凈輻射通量轉(zhuǎn)變?yōu)檎?13:00達到最大值(約545 W/m2),至19：30轉(zhuǎn)為負值,凈輻射為正的時間長度為12 h,這一期間的平均凈輻射強度為338 W/m2。需要注意的是,秋季(2016年10月)的凈輻射日峰值(244 W/m2)比冬季(2017年1月)的低,主要原因是因為2016年10月份陰雨天氣較多,有降雨的天數(shù)達到了21天,降雨量達到了120.8 mm,而2017年1月降雨量只有9 mm,這造成了2016年10月份的凈輻射值低于2017年1月份的。

感熱與潛熱通量和凈輻射通量有相似的日變化趨勢,但過程線均不如后者平滑,這是間歇性湍流傳輸?shù)囊粋€特點[26]。從潛熱通量來看,由于冬季研究區(qū)空氣溫度較低(2017年1月的平均溫-0.78℃是全年最低),地面大部分處于凍結(jié)狀態(tài),水汽傳輸非常微弱,所以2017年1月的LE峰值只有35 W/m2,約為夏季(2017年7月)的LE的峰值(346 W/m2)十分之一。從感熱通量來看,春季(2017年4月份)的H的峰值(224 W/m2)是最高的,夏季的H的峰值為152 W/m2,秋季的H的峰值為65 W/m2,冬季的H的峰值為169 W/m2。

土壤熱通量為負值表示由土壤輻射到植被-大氣,土壤為熱源；土壤熱通量為正值時表示熱量進入土壤,由植被-大氣輻射到土壤,土壤為熱匯[27]。在秋季(2016年10月)和冬季(2017年1月),土壤熱通量在全天均表現(xiàn)為向上的熱傳輸,平均通量密度分別為3.6和5.4 W/m2。春季,土壤熱通量從10:00開始至翌日1：00這一階段都為正值,表現(xiàn)為熱匯,從1:00至10：00表現(xiàn)為熱源。夏季,土壤熱通量全天均表現(xiàn)為向下的熱傳輸,平均通量密度為6.4 W/m2。

2.3 能量平衡分量的季節(jié)變化

以年為時間尺度的凈輻射Rn近似呈單峰變化,但由于受中小尺度天氣變化影響,其過程線存在著鋸齒狀波動。從圖4我們可以看到除了7月的每日平均凈輻射明顯較高外,6、8、9月份的大部分的日平均凈輻射均小于5月份。這是由于觀測期間的6—9月份降雨量較豐富,4個月降雨量依次為188.2,184,189.2 mm和235 mm,降水天數(shù)分別為22 d,13 d,15 d和18 d。所以導(dǎo)致除了7月份的平均凈輻射通量(153.9 W/m2)高于5月份(130.3 W/m2)外,6(114.7 W/m2)、8(103.2 W/m2)、9(77.9 W/m2)月份的平均凈輻射通量皆明顯小于5月份的平均凈輻射強度。觀測期間2017年生長季(5—9月)的平均凈輻射強度排名為7月>5月>6月>8月>9月。

圖4 能量平衡通量季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variations of energy balance components

土壤熱通量整體上呈現(xiàn)了一定的季節(jié)變化趨勢,但是受個別天氣的影響,也出現(xiàn)了一些峰值。土壤熱通量年累計值為-2.6 MJ/m2,整體上表現(xiàn)為熱源。從2016年10月5日至2017年3月23日,G的日總量多為負值,表明土壤是個熱源,一直在向植被-大氣釋放熱量。從3月24日開始,隨著凈輻射的不斷增加,植被-大氣開始向土壤輸送熱量,土壤熱通量在短期內(nèi)迅速積累并在4月14日達到一年中最高值9.9 W/m2,之后G隨著Rn的增加沒有再增加,但與吳家兵[10]在長白山觀測到的G之后逐漸下降的現(xiàn)象不同,從圖4可以看到G之后一直維持在一個較高的水平,直到8月初才逐步下降,這可以從凈輻射、空氣溫度和土壤5 cm溫度以及森林物候來解釋：從圖4可以看到,土壤熱通量的季節(jié)變化總的來說是和Rn的變化保持一致的；2016年10月份隨著凈輻射強度的減少,植被-大氣間的熱量明顯減小,空氣溫度降低,而由于枯枝落葉的覆蓋作用,土壤溫度沒有像空氣溫度那樣因為凈輻射的減小迅速降低,這一期間土壤5 cm溫度要高于空氣溫度,說明土壤中存儲的熱量較多,土壤會逐漸地向儲存熱量較低的空氣釋放,在這一期間土壤是個熱源；而春季開始隨著凈輻射的迅速增加,植被-大氣間的熱量明顯增加,而土壤熱儲量相對空氣來說則變低,所以大氣的熱量開始向土壤傳輸,2017年4—9月期間,土壤一直保持吸熱狀態(tài),呈現(xiàn)一個熱匯。有趣的是,土壤熱通量在4月14日達到最高值而不是凈輻射最高的5月或7月,這可能是和森林物候造成的林內(nèi)特殊的小氣候有關(guān)[28],通過物候觀測我們發(fā)現(xiàn)4月開始一些林下植被開始萌發(fā),而大部分的喬木也開始發(fā)芽展葉,這時候潛熱通量開始轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰恐С鲎钪匾姆绞?并且迅速增大且在整個生長季期間保持高水平,而隨著植物的葉面積從5月1日至6月1日迅速增大[29],生長季期間的較密的冠層會影響太陽輻射傳到林內(nèi),對大氣到土壤的熱通量的傳輸產(chǎn)生一定影響。另一方面由于銳齒櫟林的冠層結(jié)構(gòu)沒有長白山闊葉紅松林的復(fù)雜,導(dǎo)致大部分的太陽輻射能可以傳輸至林內(nèi),使得土壤熱通量沒有像長白山觀測到的那樣從植物萌芽后開始逐漸降低,而是直到8月份都保持在相對較高的水平。觀測期間山上陰雨天氣較多造成的較多的散射輻射[30]也可能是原因之一。

感熱與潛熱日平均通量密度變化較劇烈,為了便于觀察,本研究做了一個7日平均。從圖4可以看到,從2016年10月1日到2016年11月19日,潛熱通量是高于感熱通量的,但是二者的變化趨勢不一致,潛熱在逐漸降低,感熱在逐漸增加,在11月19日交匯。這之后到2017年5月6日,感熱通量都是大于潛熱通量的,從2017年5月6日至9月30日,潛熱都大于感熱。這一觀測結(jié)果與吳家兵[9]在長白山觀測到的較一致,有一點不同的是感熱通量最大值出現(xiàn)在2017年2月,而不是2017年4月或5月。吳家兵在長白山站的觀測也發(fā)現(xiàn)在冬季的個別天氣里,感熱支出甚至超過了夏季。另外我們根據(jù)感熱與潛熱的變化趨勢預(yù)測寶天曼銳齒櫟完全落葉的時間是晚于長白山闊葉紅松林的,這一結(jié)果與我們的物候觀測結(jié)果[31]是一致的。觀測期間蒸散量為579 mm,由于觀測期間降雨量較高,這一期間的蒸散量僅為降雨量的47%,這一比例遠小于我國北方溫帶森林(80%—90%)[32],一方面可能是因為觀測期間是一個較濕潤的年份；另一方面也可能是由于處在北亞熱帶-暖溫帶氣候過渡帶,本站點的銳齒櫟林的蒸散耗水表現(xiàn)出南方熱帶森林(40%—50%)的一些特征。

圖5 波文比β的季節(jié)變化Fig.5 Seasonal variations of β

從波文比β季節(jié)變化過程(圖5)也可以看出潛熱與感熱的季節(jié)變化動態(tài)。觀測期間,波文比日平均值的變化過程比較準(zhǔn)確地刻畫出了銳齒櫟林的物候過程。從圖5我們可以看到從2016年11月中旬開始,波文比明顯增大,直到2017年的5月中旬開始才逐漸降低到1以下,這與我們物候觀測是一致的,我們觀測到2016年11月中旬銳齒櫟的葉子掉落了大部分,而2017年5月中旬正是葉面積迅速增大的時候。β值在非生長季變幅較大(-2—8.1),生長季,β值變化范圍較小,大部分在0.1—1.4之間(除卻個別極端陰雨天氣為負值)。與長白山站點觀測結(jié)果有所不同的是本地區(qū)生長季的負值較多,查詢數(shù)據(jù)得知是感熱通量的負值造成的,主要是因為觀測期間降雨量異常多,造成下墊面強的輻射冷卻所致。比如從圖5上可以發(fā)現(xiàn)8月底—9月初近半個月的β值大部分為負值,這是由于該段時間連續(xù)的陰雨天氣導(dǎo)致的。生長季的平均波文比為0.2,小于長白山觀測到的0.5,與灌區(qū)小麥0.19[33]接近。

2.4 能量平衡分量的各月累積值

圖6 銳齒櫟林能量分量的月積累 Fig.6 Monthly energy components accumulated in the oak natural forest

我們對觀測期間的各月的凈輻射、土壤熱通量、潛熱通量和感熱通量做了計算(圖6)。觀測期間年凈輻射量為2626.17 MJ/m2,7月份凈輻射累積量最高,為412.17 MJ/m2,其次為5月份(349.01 MJ/m2),6月(297.39 MJ/m2),8月(201.93 MJ/m2)；年累計量最低的為2016年12月份(90.73 MJ/m2)。土壤熱通量年累計值僅為-2.60 MJ/m2,僅占凈輻射總量的0.1%?？傮w表現(xiàn)為微弱的熱源。其中土壤熱通量在生長季2017年4—9月份均為正值,土壤表現(xiàn)為熱匯,其余月份皆為熱源。

全年來看,感熱通量全年累計867.1 MJ/m2,潛熱通量全年累計1417.25 MJ/m2,說明銳齒櫟林凈輻射主要分配給潛熱通量,占53.97%；感熱通量占33%。其中,非生長季,感熱通量占凈輻射的54.18%,潛熱通量占凈輻射的30.43%；生長季,感熱通量占凈輻射的20.86%,潛熱通量約占凈輻射的67%。銳齒櫟林全年的潛熱通量占凈輻射量的54%。這一比例稍大于長白山站點觀測的結(jié)果(52%),小于國外一些溫帶森林的報道,原因可能是渦度相關(guān)系統(tǒng)對通量的低估造成的。吳家兵[10]認為觀測期間的降水偏少也是原因之一,本研究認為這個原因需要進一步證實,因為本研究觀測期間的降水量達到1231.8 mm,為近幾年最高,但是森林的蒸散量依然較低。

2.5 能量閉合度

圖7 渦動相關(guān)系統(tǒng)30 min觀測值的能量閉合分析 Fig.7 Analysis on the energy balance closure using 30 min average fluxes measured by eddy covariance system

能量閉合度是檢驗渦度相關(guān)觀測值可靠性的重要指標(biāo),即根據(jù)能量平衡原理分析湍流能和有效能之間的閉合程度。依據(jù)2016年10月到2017年10月的一整年的數(shù)據(jù),對渦度相關(guān)系統(tǒng)測得的能量通量(LE+H)與輻射系統(tǒng)測得的可利用能量(Rn-G)進行閉合度分析,如圖7,30 min平均值的回歸方程為：LE+H=0.6727(Rn-G)+17.07 ,R2=0.8264。

本文中30 min平均值閉合度為67%,在國際同類觀測的范圍之內(nèi)(55%—99%)[34],表明本站點通量觀測的數(shù)據(jù)是可靠的。但與輻射系統(tǒng)和土壤熱通量測量儀器實測的可用能量相比,渦度相關(guān)系統(tǒng)實測的LE和H存在低估的可能。這主要是夜間湍流弱、開路渦度相關(guān)系統(tǒng)對潛熱通量的測量結(jié)果比實際偏低造成的[35]。另一方面是因為沒有考慮森林儲熱項,以及渦度相關(guān)系統(tǒng)與輻射系統(tǒng)觀測源區(qū)不同造成的[36]。為了進一步分析,表1給出了12個月份的逐月線性回歸系數(shù)。

表1 觀測期間逐月線性回歸系數(shù)

可以看出,本站點一年中各月的截距變化范圍為8.364—27.963 W/m2,斜率變化范圍為0.446—0.85,相關(guān)系數(shù)范圍為0.754—0.902。中國通量網(wǎng)中有報道的8個站點[24]的回歸斜率、相關(guān)系數(shù)和截距的平均值分別為0.67(0.49—0.81)、0.82(0.52—0.94)和28(10—79.9)。國外通量研究站點(包括森林、草地等)的LE+H與Rn-G的回歸線斜率一般在0.55—0.99之間,截距范圍是-32.9—36.9 W/m2,相關(guān)系數(shù)范圍是0.64—0.96[37-38]?？梢姳菊军c觀測的12個月中除秋冬季的11,12,1月份低于0.55,其他月份的斜率均在范圍之內(nèi)；而12個月中的截距和相關(guān)系數(shù)均在國內(nèi)外其他站點報道的范圍之內(nèi)。11,12,1月的斜率較低的原因可能與這3個月份的風(fēng)向[39]有關(guān),造成了輻射系統(tǒng)、土壤熱通量測量儀與渦度相關(guān)系統(tǒng)感應(yīng)源區(qū)的空間取樣誤差加大。

3 討論

3.1 國內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)的能量閉合度分析

基于渦度相關(guān)法獲得的能量通量通常不能平衡森林實際獲得的能量。Wilson等[40]對全球通量網(wǎng)50個站/a的觀測數(shù)據(jù)分析表明,各觀測站普遍存在著10%—30%的能量不閉合現(xiàn)象,由渦度相關(guān)法觀測獲得的能量通量要較輻射儀偏低。一些學(xué)者[41-42]因此開始懷疑能量及其有相似傳輸機制的CO2通量測定結(jié)果,不閉合現(xiàn)象及其產(chǎn)生機制也成為湍流通量研究中的一個熱點,備受關(guān)注。

就本站點而言,全年的湍流能量(LE+H)與有效能量(Rn-G)在半小時尺度上的線性回歸的斜率為0.67,其中生長季(5—10月份)的斜率為0.73,非生長季(11—第二年4月份)的斜率為0.53；而在鼎湖山[8]和長白山[10],冬季的能量閉合度要好于其他季節(jié)；說明不同氣候條件對于各站點能量的閉合有一定影響。在亞熱帶地區(qū)的毛竹林[13],夏季的能量閉合度要稍高于冬季而在同屬亞熱帶地區(qū)的雷竹林[12],全年各月的閉合度無明顯差異,表明植被也影響了生態(tài)系統(tǒng)的能量閉合。另一方面,也有人[7]指出能量不閉合并不能直接表明CO2通量的數(shù)據(jù)差,它只是評價湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個方面?？偟膩碚f,由于不同通量站觀測環(huán)境與實現(xiàn)手段不同,能量的不閉合程度及其產(chǎn)生機制亦可能不同,對寶天曼通量觀測站的能量閉合問題仍有待于進一步研究。

3.2 國內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)的能量不閉合產(chǎn)生的原因

(1)通量觀測中的采樣誤差：渦度相關(guān)儀器的通量貢獻區(qū)面積(Flux Footprint)與凈輻射,土壤熱通量儀器的測量面積不能相同會帶來誤差。凈輻射表測量的面積是一個以凈輻射表為中心,以一定半徑(與安裝高度有關(guān))為圓的下表面面積,這個測量面積一般不隨時間和風(fēng)速風(fēng)向而變化。而渦度相關(guān)系統(tǒng)所測量的面積大致呈橢圓形,它隨著風(fēng)速和風(fēng)向的轉(zhuǎn)變而改變,并且橢圓長軸偏向盛行風(fēng)方向,而且不同大氣穩(wěn)定度條件下橢圓長軸有很大差異。若是渦度相關(guān)系統(tǒng)和能量儀表所測的下墊面存在著很大的異質(zhì)性(開闊冠層和多組分的冠層),這種測量面積的不匹配會給能量平衡閉合帶來更大的誤差。土壤熱通量(G)的測量面積與凈輻射(Rn)表和湍流通量的測量面積存在更大差異[43],高植被(森林)站點冠層熱儲量的計算也存在著此類問題。上述講到的森林生態(tài)系統(tǒng)的不同月份的能量閉合度的較大差異可能與采樣誤差有關(guān)。

(2)儀器測量可能產(chǎn)生的系統(tǒng)偏差：儀器的不準(zhǔn)確標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的不規(guī)范會影響能量平衡閉合程度,對儀器的經(jīng)常性的標(biāo)定可能會減少能量平衡閉合的不確定性[44]。

(3)其他能量吸收項的忽略：在計算能量平衡時,冠層熱儲量(S)經(jīng)常被忽略,這會給有效能量的估算帶入一些誤差,尤其對于植被較高的森林生態(tài)系統(tǒng)而言；吳家兵在長白山站的研究中也指出若考慮冠層儲熱項S(S≈7%可用能量),閉合度會有一定提高。本站點的計算中未考慮這一項,因此也會帶來一些誤差。

(4)高頻與低頻湍流通量損失：渦度相關(guān)技術(shù)通常定義的平均通量是指在一定的響應(yīng)時間內(nèi)通過指定的采樣頻率對某種強度范圍內(nèi)的通量數(shù)據(jù)進行測定,這樣湍流通量就會由于低通濾波(高頻損失)的作用和高通濾波(低頻損失)的作用往往被低測[45]。

(5)平流的影響：渦度相關(guān)法通量觀測的基本假設(shè)是地表均一、水平平流項可以忽略、垂直平流可以通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)使得垂直風(fēng)速為零從而予以忽略[46],然而垂直風(fēng)速不為零的現(xiàn)象已經(jīng)被許多觀測事實所證實。下墊面水平異質(zhì)性可以導(dǎo)致大尺度的局地環(huán)流和垂直移動,即使在較為平坦的地區(qū),當(dāng)大氣層結(jié)具有很強的穩(wěn)定性時也會在近地面引起夜間泄流和平流現(xiàn)象發(fā)生,從而影響能量平衡的閉合程度,在地形有較大起伏的地區(qū)、在夜間尤其是當(dāng)摩擦風(fēng)速很小并伴隨著熱量和水汽向低洼地方流動時,能量平衡閉合程度會很差。溫學(xué)發(fā)等[39]認為非湍流過程如冷泄流等可能是限制復(fù)雜地形條件下高大植被生態(tài)系統(tǒng)通量測定的主要原因。

4 結(jié)論

(1)位于北亞熱帶-暖溫帶過渡帶的河南寶天曼銳齒櫟林全年凈輻射量為2626.17 MJ/m2,2017年7月份凈輻射累計量最大為412.17 MJ/m2,2016年12月份累計凈輻射量最小為90.73 MJ/m2。以年為時間尺度進行分析,我們發(fā)現(xiàn)銳齒櫟林的能量收入季節(jié)動態(tài)除了主要受太陽高度角變化的驅(qū)動之外,每日的天氣狀況最終也會影響月總量的積累。

(2)土壤熱通量年累計量為-2.60 MJ/m2,僅占凈輻射總量的0.1%,總體表現(xiàn)為微弱的熱源。其中在生長季2017年4—9月份為正值,表現(xiàn)為熱匯,其余月份皆為熱源。變化過程主要受凈輻射的調(diào)控,森林物候?qū)ζ湟灿幸欢ㄓ绊憽?/p>

(3)全年來看,感熱通量全年累計867.1 MJ/m2,潛熱通量全年累計1417.25 MJ/m2,說明銳齒櫟林凈輻射主要分配給潛熱通量,占53.97%,感熱通量占33%。非生長季,銳齒櫟林的能量主要分配給感熱通量,占凈輻射的54.18%；感熱通量日平均值在森林剛剛萌芽的4月29日達到最大,月累計值4月最大。生長季,能量主要分配給潛熱通量,占凈輻射的67.48%。潛熱通量日平均值在7月份達到最大,月累計量也在7月份達到最大值。觀測期間森林蒸散量為579 mm,僅為同期降雨量的47%。波文比日平均值的變化過程比較準(zhǔn)確地刻畫出了銳齒櫟林的物候過程。β值在非生長季變幅較大(-2—8.1),生長季的β值變化范圍較小,大部分在0.1—1.4之間。

(4)位于氣候過渡帶的河南寶天曼銳齒櫟森林通量觀測站能量平衡收支閉合度為67%,在國際同類觀測站的范圍之內(nèi),說明本站點的通量觀測的數(shù)據(jù)是可靠的。在計算能量閉合度時,未能考慮森林儲熱項,輻射系統(tǒng)、渦度相關(guān)系統(tǒng)空間取樣范圍不一致,冬季風(fēng)向變化等都可能是造成本站點能量不能完全閉合的原因,接下來我們會繼續(xù)觀測進一步地研究分析。