黃土高原油松冠層氣孔導(dǎo)度和蒸騰變化特征與模擬

朱昊陽,李洪宇,王曉蕾,姜 婷,孫 林,羅 毅,*

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

2 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100190

黃土高原地處干旱半干旱區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴(yán)重,是我國重要的生態(tài)建設(shè)區(qū)。近年來隨著大規(guī)模退耕還林(草)和天然林保護(hù)工程的實(shí)施,黃土高原植被類型明顯轉(zhuǎn)變[1],植被覆蓋度從1999年的32%增長到了2013年的60%[2]。但植被恢復(fù)也造成了新的問題：植被覆蓋度的增加引起了黃河流域干支流徑流量的持續(xù)降低[3]；外來樹種的引進(jìn)和高密度種植引起了土壤水分下降,限制了樹木生長[4]。植物蒸騰耗水占森林生態(tài)系統(tǒng)總蒸散量的60%以上[5],有必要研究黃土高原地區(qū)造林物種的蒸騰耗水規(guī)律及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng),以實(shí)現(xiàn)人工林可持續(xù)經(jīng)營。

樹木以水分利用最優(yōu)[6]和避免空穴栓塞[7]為目標(biāo)調(diào)節(jié)氣孔行為、控制蒸騰耗水,以響應(yīng)環(huán)境變化。冠層氣孔導(dǎo)度反映了林冠層氣孔狀況[8],是蒸騰和光合等生理過程模擬的關(guān)鍵參數(shù)[9]。據(jù)此,結(jié)合氣象條件、土壤水分條件和植物生理特征[10],建立冠層氣孔導(dǎo)度與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系,闡釋環(huán)境因素對(duì)蒸騰的作用機(jī)制,是森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)研究的主要手段之一[11]。

油松(Pinustabuliformis)根系發(fā)達(dá)、耐寒抗旱,是黃土高原主要造林樹種之一[12]。已有研究在干旱半干旱區(qū)探究了油松冠層蒸騰特征及影響因子[13—15],并基于Penman-Monteith公式和Jarvis型氣孔導(dǎo)度模型模擬了其冠層蒸騰的日內(nèi)變化[16],但模型未考慮土壤水分對(duì)冠層氣孔導(dǎo)度的影響,難以準(zhǔn)確模擬水分脅迫條件下的冠層蒸騰[17]。土壤水分是黃土高原植物生長的重要限制因素[18],是冠層氣孔導(dǎo)度在長時(shí)間尺度下的主要限制因子[19]。因此,需考慮該地區(qū)油松冠層氣孔導(dǎo)度對(duì)土壤水分條件的響應(yīng),以準(zhǔn)確模擬其冠層蒸騰。

本文基于樹干液流觀測(cè)數(shù)據(jù),探究黃土高原地區(qū)油松冠層氣孔導(dǎo)度和蒸騰在不同時(shí)間尺度下的變化特征；分析冠層氣孔導(dǎo)度和蒸騰對(duì)氣象因子和土壤水分的響應(yīng)規(guī)律；結(jié)合Penman-Monteith公式與Jarvis型模型,基于冠層氣孔導(dǎo)度計(jì)算冠層蒸騰,為開展森林冠層水汽交換過程的機(jī)理性研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省扶風(fēng)縣野河山森林保護(hù)區(qū)(34°31.76′N,107°54.67′E),地處中國黃土高原南部,海拔1090 m。該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫為12.7℃,多年平均降水量為580 mm,主要集中于6—9月,約占全年降水總量的70%。研究區(qū)土壤主要由粉砂壤土組成,砂粒、粉粒和黏粒含量分別為5.8%,73.3%和20.9%,黃土層厚度超過50 m[20]。

野河山森林保護(hù)區(qū)占地10996hm2,原為公社集體耕地,自1985年居民搬遷后,封育種植刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)和側(cè)柏(Platycladusorientalis)等樹種。本研究選取于1994年種植的人工油松林作為研究對(duì)象,油松林密度為2800株/hm2,尚未撫育間伐,人為擾動(dòng)弱。喬木冠層郁閉度0.7,平均樹高7.2 m,平均胸徑11.9 cm,葉面積指數(shù)(LAI)為2.2 m2/m2,林下植被發(fā)育較差。

1.2 研究方法

1.2.1油松樹干液流觀測(cè)

Granier[21]提出TDP測(cè)量方法能長期、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地獲取樹干液流數(shù)據(jù),已被廣泛地應(yīng)用于植物蒸騰耗水及冠層氣孔導(dǎo)度的研究中。按照樹木生長良好、樹干通直的基本原則,選取多株油松作為典型樣樹,在2015年至2018年生長季內(nèi)(4—10月)進(jìn)行樹干液流測(cè)定(表1)。樹干液流采用SF插針式液流測(cè)量系統(tǒng)(Campbell Scientific Inc. Logan,Utah,USA)測(cè)定,將探針統(tǒng)一安裝在樹干南向離地面高1.3 m處,安裝時(shí)去除油松表面硬化樹皮,用鋁箔和防雨裝置覆蓋探頭以避免太陽輻射和雨水的影響。數(shù)據(jù)采用 CR1000(Campbell Scientific Inc. Logan,Utah,USA)數(shù)據(jù)采集器記錄,數(shù)據(jù)測(cè)定和存儲(chǔ)時(shí)間間隔為10 min。

表1 樣木基本情況表

1.2.2環(huán)境因子觀測(cè)

氣象數(shù)據(jù)由自動(dòng)氣象觀測(cè)裝置同步監(jiān)測(cè)。降水量(P,mm)觀測(cè)裝置為T- 200B (Geonor,Norway)型雨雪量計(jì),布設(shè)于無遮蔽林間空地內(nèi)。其他氣象傳感器位于架設(shè)在樣地附近的16 m高塔上：太陽輻射(Rad,W/m2)傳感器型號(hào)為 CNR4 (Kippzonen,Netherlands),空氣相對(duì)濕度(RH,%)和氣溫 (T,℃) 傳感器型號(hào)為HMP155A (Vaisala,Finland),風(fēng)速觀測(cè)裝置為CSAT3 (Campbell Scientific Inc. Logan, UT, USA) 型三維超聲風(fēng)速儀。數(shù)據(jù)采集器為CR3000 (Campbell Scientific Inc. Logan, UT, USA),所有氣象因子測(cè)定和存儲(chǔ)時(shí)間間隔均為 10 min。

土壤體積含水量(θ,cm3/cm3)測(cè)定傳感器型號(hào)為HydraProbe Ⅱ(Stevens,USA),測(cè)定深度設(shè)定為5,15,35,50,80,110,140,180 cm和230 cm,其中樣地土壤230 cm深處存在漿石層。數(shù)據(jù)采集器為CR1000 (Campbell Scientific Inc. Logan,UT,USA),數(shù)據(jù)測(cè)定和存儲(chǔ)時(shí)間間隔為10 min。利用環(huán)刀取原狀土樣,使用離心機(jī)法(CR21G)測(cè)定土壤水分特征曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1環(huán)境因子預(yù)處理

冠層飽和水汽壓虧缺(VPD,kPa)計(jì)算采用公式：

(1)

式中,RH為空氣相對(duì)濕度(%),T為氣溫(℃)。

考慮到油松根系在不同深度土層內(nèi)分布的差異,采用根區(qū)土壤有效含水率(Relative Extractable Water,REW)表征土壤水的可利用程度：

(2)

式中,θi為i層土壤含水量(cm3/cm3)；θci為i層田間持水量(cm3/cm3),根據(jù)所測(cè)得土壤水分特征曲線,取土壤水勢(shì)為-33 kPa時(shí)的土壤含水量；θwi為i層萎蔫含水量(cm3/cm3),取土壤水勢(shì)為-1500 kPa時(shí)的土壤含水量；RD(i)為i層土層的細(xì)根生物量密度(Fine Root Biomass Density,FRB),取值參考黃土高原地區(qū)油松根系分布的相關(guān)研究[22]。

1.3.2林分冠層蒸騰計(jì)算

采用Granier[21]提出的公式及參數(shù)值計(jì)算油松小時(shí)液流速率：

(3)

式中,Fd為液流速率(g cm-2h-1)；ΔT為兩探針之間的實(shí)測(cè)溫差(℃)；ΔTmax為兩探針之間的日最大溫差(℃)。

分別將不同時(shí)滯(15,30,60 min)的樹干液流速率與太陽輻射和VPD進(jìn)行相關(guān)分析并比較相關(guān)系數(shù),結(jié)果表明油松樹干液流并無明顯時(shí)滯。將太陽輻射低于5 W/m2時(shí)產(chǎn)生的液流定義為夜間液流[23],發(fā)現(xiàn)樣地油松夜間液流僅占3.5%,低于Chen等[24]計(jì)算的油松夜間液流占比(12.3%—13.1%)。因此,忽略夜間液流對(duì)油松蒸騰計(jì)算的影響。

結(jié)合胸徑-邊材面積關(guān)系式與平均液流速率計(jì)算林分小時(shí)冠層蒸騰速率：

(4)

(5)

式中,Fd,i為第i棵樹液流速率(g cm-2h-1)；Ac,i為第i棵樹的邊材面積；Tr為林分冠層蒸騰(mm/h)；Fd,av為平均液流速率(g cm-2h-1)；Ac,t為林分邊材總面積(m2)；AG為林分面積(m2)。將林分小時(shí)冠層蒸騰速率在日內(nèi)合計(jì)得到林分日冠層蒸騰速率。

1.3.3冠層平均氣孔導(dǎo)度計(jì)算

本文采用Monteith等[25]基于Penman-Monteith公式提出的簡(jiǎn)化公式計(jì)算冠層平均氣孔導(dǎo)度：

(6)

式中,gc為冠層平均氣孔導(dǎo)度(mm/s)；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)；λ為汽化潛熱(MJ/kg)；ρ為常溫下平均大氣密度(kg/m3)；cp為定壓比熱容(MJ kg-1℃-1)；VPD為飽和水汽壓差(kPa)。該公式適用于冠層與林下通風(fēng)條件較好,且冠層表面空氣動(dòng)力學(xué)導(dǎo)度遠(yuǎn)大于冠層平均氣孔導(dǎo)度的情況。

1.4 模型構(gòu)建

1.4.1冠層氣孔導(dǎo)度與冠層蒸騰模型

Jarvis型模型假設(shè)各環(huán)境因子對(duì)葉片氣孔的影響相互獨(dú)立,將氣孔導(dǎo)度表示為與環(huán)境因子相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)方程的連乘,可直觀反映植物葉片氣孔導(dǎo)度與輻射、飽和水汽壓差和土壤含水量等環(huán)境因子的關(guān)系。本文采用Jarvis型模型模擬冠層平均氣孔導(dǎo)度：

(7)

gc對(duì)Rad的響應(yīng)方程選取了Stewart[11]提出的驅(qū)動(dòng)方程形式：

(8)

式中,Rm為最大太陽輻射,通常設(shè)定為1000 W/m2。

gc對(duì)VPD的響應(yīng)方程形式有多種,常用的指數(shù)或雙曲線函數(shù)形式難以確定氣孔導(dǎo)度最大值,因此選取對(duì)數(shù)函數(shù)形式[26]：

f(VPD)=g0-kVPD·ln(VPD)

(9)

式中,g0為參比冠層平均氣孔導(dǎo)度(VPD=1 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的氣孔導(dǎo)度)。

土壤水分對(duì)植物氣孔導(dǎo)度的脅迫作用通常存在閾值[27],故選取S型函數(shù)形式土壤水分脅迫方程[28]：

(10)

式中,REW0為1/2最大氣孔導(dǎo)度時(shí)的根區(qū)土壤有效含水量,即f(REW0)=0.5；土壤水分脅迫閾值點(diǎn)(REWt)定義為f(REWt)=0.95。

根據(jù)公式(6)可得,由氣孔導(dǎo)度計(jì)算冠層蒸騰計(jì)算公式：

(11)

1.4.2模型率定與檢驗(yàn)

將觀測(cè)數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)集A(2015、2016年數(shù)據(jù),n=7759)和數(shù)據(jù)集B(2017、2018年數(shù)據(jù),n=10207)：利用數(shù)據(jù)集A分析gc和各環(huán)境因子之間的關(guān)系并擬合響應(yīng)方程,率定模型參數(shù)；利用數(shù)據(jù)集B檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?并使用納什效率系數(shù)(NSE)、均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)三個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型模擬效果。

NSE常被用來評(píng)定模型模擬的精度,取值范圍從負(fù)無窮到1,其值越接近1表明模型擬合度越高,模擬效果越好[29]。其計(jì)算公式如下：

(12)

RMSE和MAE能夠反應(yīng)模擬的誤差情況,當(dāng)RMSE和MAE小于測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的一半則可認(rèn)為模擬效果較好[29]。其計(jì)算公式如下：

(13)

(14)

2 結(jié)果與分析

2.1 冠層平均氣孔導(dǎo)度與冠層蒸騰變化特征

2015—2018年生長季內(nèi)(4—10月),油松日均gc為2.02 mm/s,日均Tr為1.25 mm/d,樣地油松日均單株耗水量為4.44 kg d-1株-1；生長季總蒸騰耗水量均值為195.47 mm。

Rad和VPD為gc日內(nèi)變化的主要影響因子,偏相關(guān)系數(shù)分別為0.65和-0.41(表2)。晴天典型日過程顯示(圖1),gc和Tr日內(nèi)呈單峰型變化,與Rad基本同步,其日變化可以分為三個(gè)階段：自6：00開始,gc和Tr隨Rad的上升迅速升高,在10:00 達(dá)到峰值,此時(shí)Tr為0.23 mm/h,gc為7.06 mm/s；此后,Tr相對(duì)穩(wěn)定,而gc隨VPD的增加顯著減少；17:00之后,gc和Tr隨Rad與VPD迅速下降。

表2 不同環(huán)境因子與冠層平均氣孔導(dǎo)度的偏相關(guān)系數(shù)

圖1 黃土高原油松冠層平均氣孔導(dǎo)度、冠層蒸騰及環(huán)境因子晴天典型日變化特征(2015年7月26日到30日)

REW為gc年內(nèi)變化的主要控制因子,偏相關(guān)系數(shù)為0.46(表2)。以2015—2018年生長季實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例分析gc年內(nèi)變化過程,由圖2可知：gc與REW在晴天同步降低,這是由于REW隨著植被蒸騰耗水持續(xù)減少,植被調(diào)節(jié)氣孔控制水分散失以適應(yīng)水分脅迫；當(dāng)REW受降水補(bǔ)給增加后,gc也同步增加。4—6月土壤水分較低時(shí),gc和Tr與REW變化趨勢(shì)一致,在5月共同到達(dá)生長季最低點(diǎn)。7—10月土壤水分充足時(shí),gc保持穩(wěn)定,Tr在7月達(dá)到峰值(42.67 mm)后隨Rad和VPD的下降而減少。

圖2 黃土高原油松冠層平均氣孔導(dǎo)度、冠層蒸騰及環(huán)境因子典型(2016) 與多年平均年內(nèi)變化

2.2 冠層平均氣孔導(dǎo)度模擬

基于實(shí)測(cè)環(huán)境因子與gc擬合響應(yīng)方程(表3,圖3),在參數(shù)率定階段,NSE=0.81,RMSE=1.14,MAE=0.85。

圖3 冠層平均氣孔導(dǎo)度對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

表3 冠層平均氣孔導(dǎo)度模型參數(shù)

gc隨Rad的升高而增加。在Rad較小時(shí)gc對(duì)Rad更加敏感,Rad超過300 W/m2后,gc隨太陽輻射增加趨于飽和。

gc隨VPD的增加而減少。利用對(duì)數(shù)函數(shù)能較好的描述gc與VPD的關(guān)系,g0擬合值為7.40 mm/s。

gc對(duì)REW的響應(yīng)存在閾值(REWt= 0.45)。閾值點(diǎn)之前,gc隨REW的減少迅速下降,二者相關(guān)性較高,REW0為0.30；在REW達(dá)到0.45之后二者相關(guān)性較低。

利用數(shù)據(jù)集B的實(shí)測(cè)環(huán)境因子數(shù)據(jù)檢驗(yàn)gc模擬效果,結(jié)果表明擬合較好(NSE=0.80),能準(zhǔn)確模擬gc日內(nèi)變化(圖4)。

圖4 小時(shí)冠層平均氣孔導(dǎo)度(DOY 174- 187)測(cè)量值與模擬值比較

2.3 冠層蒸騰模擬

結(jié)合Jarvis型冠層氣孔導(dǎo)度模型和Penman-Monteith公式構(gòu)建冠層蒸騰模型,利用數(shù)據(jù)集B進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明,冠層小時(shí)與日蒸騰量模擬效果較好,NSE分別為0.78和0.76(圖5)?；?015—2018年氣象和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)模擬冠層蒸騰,求得生長季內(nèi)林分蒸騰耗水總量均值為197.05 mm,占同期降雨量的39.11%。

圖5 黃土高原油松小時(shí)、日冠層蒸騰量模擬結(jié)果

3 討論

3.1 油松冠層氣孔導(dǎo)度和蒸騰對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

油松gc和Tr日內(nèi)變化主要受Rad和VPD影響(圖1,表2)。Rad能調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞的離子吸收和有機(jī)質(zhì)積累,從而改變其滲透壓,控制氣孔；另外,Rad也可以促進(jìn)葉片光合作用,使細(xì)胞間二氧化碳濃度減少,從而刺激保衛(wèi)細(xì)胞,影響氣孔開閉[30]。這種響應(yīng)機(jī)制可以確保氣孔僅在能夠進(jìn)行光合作用時(shí)張開,以提高光合水分利用效率[6]。因此,油松gc和Tr日內(nèi)變化的上升(6：00—10：00)和下降(15：00之后)階段,Rad控制效果明顯(圖1)。VPD能從影響氣孔和改變水汽擴(kuò)散速率兩方面控制蒸騰[10]。因此在圖1中,10:00之后,隨VPD升高,盡管gc開始下降,但由于水勢(shì)梯度的增加,Tr仍保持穩(wěn)定。受氣象因子調(diào)控,樣地油松gc和Tr在日內(nèi)呈現(xiàn)單峰曲線。與栓皮櫟[31]、側(cè)柏[8]、樟子松[32]等Tr日內(nèi)呈現(xiàn)雙峰型的樹種相比,油松傾向于采用等水調(diào)節(jié)策略[33],更能適應(yīng)長期的干旱脅迫[12]。

油松gc和Tr年內(nèi)變化主要受土壤水分控制(圖2,表2)。土壤水分虧缺會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)脫落酸濃度升高,葉片保衛(wèi)細(xì)胞膨壓降低,促使氣孔關(guān)閉[30]。這種響應(yīng)機(jī)制使得植物蒸騰耗水不會(huì)超過土壤可供水量[7],可以避免由葉片—根系水勢(shì)差過大導(dǎo)致的木質(zhì)部栓塞。因此,gc和Tr的年內(nèi)變化與REW同步(圖2),與陳勝楠等[15]和Jian等[14]對(duì)油松的研究結(jié)果一致。在4—5月份,樣地日降雨量均小于5 mm,難以有效補(bǔ)充土壤水分,所以gc和Tr隨REW在5月共同達(dá)到生長季最低點(diǎn)(圖2)。

3.2 油松冠層氣孔導(dǎo)度模擬

通過模擬油松gc,能夠得到反映油松用水策略的特征參數(shù)。Oren等[34]指出,植被對(duì)VPD的敏感度隨g0的增加而提高,且kVPD與g0存在線性關(guān)系,斜率約為0.6。樣地油松g0為7.40 mm/s,與美洲山楊[35]、桉樹[36]等樹種相近,高于馬占相思[37]、荷木[19]等樹種(表4)。樣地油松kVPD與g0的比值為0.71,與陳勝楠等[15](0.74)對(duì)油松的研究結(jié)果相近,均高于0.6(圖6)。因此,與同等g0的樹種相比,油松kVPD更大。這表明隨VPD的升高,油松gc降低更為迅速,能夠通過調(diào)節(jié)氣孔避免高VPD引起的過度蒸騰,對(duì)環(huán)境水分變化較敏感。kREW與REWt分別代表了植被對(duì)土壤水分變化的敏感性和土壤水分對(duì)油松產(chǎn)生脅迫的關(guān)鍵閾值。樣地油松kREW(7.00)與黃土高原地區(qū)華北落葉松相似[18],REWt(0.45)與檸條相同[42]。kR代表油松對(duì)太陽輻射的敏感性,與白柏松(257.99)相似[10]。本研究得到的模型參數(shù)值符合油松耐旱的基本特征,能夠?yàn)樵u(píng)估黃土高原油松冠層氣孔導(dǎo)度和蒸騰變化特征提供重要參考。

表4 不同樹種冠層氣孔導(dǎo)度對(duì)VPD增高的敏感度(kVPD)與參比冠層氣孔導(dǎo)度(g0)

油松gc和Tr在不同土壤水分條件下對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)存在顯著差異[33],因此本研究構(gòu)建Jarvis型模型時(shí)考慮了REW對(duì)gc和Tr的影響。然而部分研究指出冠層氣孔導(dǎo)度或植物耗水與土壤水分之間關(guān)系較弱[14, 43],在構(gòu)建Jarvis模型時(shí)未考慮REW,其可能原因是：(1)在較小時(shí)間尺度(小時(shí)尺度)gc主要受氣象因子的影響,與REW關(guān)系較弱[37];(2)土壤水分充足時(shí)REW的限制作用不明顯[44]；(3)植物根系較深時(shí),深根吸水對(duì)蒸騰貢獻(xiàn)更大[45—46],僅考慮淺層土壤(如表層20 cm)計(jì)算的REW與gc關(guān)系不明顯[17]。本研究開展于黃土高原,水分是該地區(qū)植物生長的主要限制因素[47],研究時(shí)段內(nèi)REW低于脅迫閾值的時(shí)間占比為68%。此外,樣地土層深厚,油松根系發(fā)達(dá)[22],深層土壤吸水對(duì)其蒸騰有重要貢獻(xiàn)[45—46]。通過對(duì)比考慮REW前后gc和Tr的模擬效果(圖7),可以發(fā)現(xiàn)：在土壤水分脅迫發(fā)生時(shí),gc和Tr隨REW減少持續(xù)下降,而不考慮REW的模擬結(jié)果未出明顯變化,對(duì)gc和Tr產(chǎn)生了高估。因此,為準(zhǔn)確模擬黃土高原地區(qū)人工林的蒸騰耗水,在構(gòu)建Jarvis型氣孔導(dǎo)度模型時(shí)需要考慮REW。

圖6 不同樹種冠層氣孔導(dǎo)度對(duì)水汽壓虧缺增高的敏感度(kVPD) 與參比冠層氣孔導(dǎo)度(g0) 的關(guān)系

圖7 根區(qū)土壤有效含水率對(duì)冠層氣孔平均導(dǎo)度和冠層蒸騰模擬的影響

氣溫對(duì)于gc有顯著影響[48],但是由于VPD與氣溫通常高度相關(guān)[49],同時(shí)考慮VPD與氣溫對(duì)gc的影響不符合Jarvis模型的基本假設(shè),將會(huì)導(dǎo)致gc的低估[50],降低模擬效果[10]。因此,本研究構(gòu)建Jarvis型模型時(shí)并未考慮氣溫的影響。

3.3 油松冠層蒸騰特征

研究區(qū)油松日均單株耗水量為4.44 kg d-1株-1,與韓磊[16]計(jì)算結(jié)果相近,遠(yuǎn)低于闊葉樹種如橡樹(10 kg d-1株-1)[51]和楊樹(> 6.4 kg d-1株-1)[52],也低于同為耐旱樹種的樟子松(> 5.31 kg d-1株-1)[32]和刺槐(6.61 kg d-1株-1)[20]。結(jié)果表明,油松單株耗水更少,更適合黃土高原水分限制區(qū)的植被恢復(fù)。

4 結(jié)論

本文基于黃土高原實(shí)測(cè)油松液流和環(huán)境因子數(shù)據(jù),分析了油松gc和Tr的變化特征和影響因素,以準(zhǔn)確模擬黃土高原地區(qū)油松冠層氣孔導(dǎo)度和蒸騰耗水,得到以下結(jié)論：

(1)油松gc和Tr存在明顯的日內(nèi)和年內(nèi)變化,gc日均值為2.02 mm/s,Tr日均值為1.25 mm/d,日均單株耗水量為4.44 kg d-1株-1；油松耗水量在7月份達(dá)到峰值(42.67 mm),生長季(4—10月)總蒸騰耗水量年均值為195.47 mm。

(2)油松gc的主要影響因素在不同時(shí)間尺度存在差異：小時(shí)尺度,Rad為gc的主要驅(qū)動(dòng)因子,當(dāng)Rad高于300 W/m2時(shí),驅(qū)動(dòng)作用減弱,VPD為gc的主要控制因子,參比冠層平均氣孔導(dǎo)度為7.40 mm/s；日尺度,REW為gc的主要限制因子,當(dāng)REW低于0.45時(shí)限制作用明顯。

(3)結(jié)合Penman-Monteith公式和Jarvis型氣孔導(dǎo)度模型能夠有效模擬油松gc和Tr。