兴安落叶松林能量通量变化特征及闭合度研究

刘璇,王飞,张秋良,田原,任建华

兴安落叶松林能量通量变化特征及闭合度研究

刘璇,王飞*,张秋良,田原,任建华

内蒙古农业大学林学院, 内蒙古 呼和浩特 010019

为系统研究大兴安岭地区兴安落叶松（）林能量通量变化特征及能量闭合度，本文利用涡度相关技术测定潜热通量和显热通量，使用常规气象观测仪器监测净辐射和土壤热通量，采用最小二乘法（Ordinary Least Squares，OLS）和能量平衡比率法（Energy Balance Ratio，EBR）计算能量闭合度，结果表明：兴安落叶松林生长季净辐射总量为379 MJ·m-2；显热通量、潜热通量、土壤热通量、冠层热储量生长季总量分别为91.21 MJ·m-2、140.64 MJ·m-2、16.9 MJ·m-2、5.53 MJ·m-2；显热通量占净辐射的24%，潜热通量占净辐射的37%，土壤热通量及冠层热储量占净辐射比例较小，分别为4%和1%。生长季闭合度0.63。兴安落叶松林生长季能量支出以潜热通量为主。通过计算得出的能量闭合度表明，本站点存在不闭合现象，但仍处于全国通量观测站点平均水平。

兴安落叶松; 能量通量; 闭合度

森林能量通量是湍流通量与有效能量的总称，其分配过程对植被生长发育及森林生产力具有直接影响[1-5]。近年来，涡度相关技术凭借其不干扰生态系统的优点，广泛应用于不同树种、不同林型的森林能量分配研究，并取得大量成果[6-11]。兴安落叶松林具有林分面积大，蓄积量多等特点，是我国东北地区主要针叶用材树种[12]，对其能量通量研究具有重要意义。本文依托内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站，利用2015年连续观测通量及气象数据对能量通量特征、分配及闭合度进行研究，为探讨兴安落叶松林能量交换特征和评价涡度数据质量提供理论支持。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站（50°54′23′′N, 121°30′6′′E），海拔约为960 m。该区属于寒温带湿润气候区，冬长夏短，温差较大。植被5月开始生长，9月进入生长末期。近6年（2012~2017年）的年均气温为-6.67 ℃，生长季（5~9月）平均气温为14.74 ℃，极端最高温度为32 ℃（2015年），极端最低温度可达-45.2 ℃（2013年），地表温度为1.05 ℃。空气湿度保持在65%以上。年均降雨量500 mm，主要集中在7~9月。该区森林覆盖率较高，建群种为兴安落叶松()[12]。该区分布有季节性冻土和常年永冻土，是我国重点的冻土观测区域[13]。

2 研究方法

2.1 观测设备

兴安落叶松天然林内建立观测塔，塔高为65 m，在60 m处安装了三维超声风速仪（ModelCSAT-3，Campbell，USA）、开路式红外线气体分析仪（ModelLI-7500，Li-Cor，USA），利用数据采集器（CR3000，Campbell，USA）将在线计算的通量参数记录在PC卡中。塔上装有气象观测仪器对5 cm土壤热通量（HFP01，HUKSEFLUX，Finland）、60 m净辐射（CNR-1，Campbell，USA）进行测定，采用数据采集器（CR1000，Campbell，USA）进行每半小时获取的数据记录。

2.2 数据处理

通量数据观测时会受到外界因素影响导致数据出现缺失和异常。需要对原始数据进行质量控制。本文数据处理主要采用二次坐标旋转方法，密度效应校正，最后经过相关文献的查阅，将超出阈值、降雨时期的数据进行剔除，为了保证数据连续和有效，缺失数据采用平均日变化法（Mean Diurnal Variation，MDV）进行插补[14]。质量控制后得到的数据均处理为半小时的均值，便于后续计算。

2.3 能量平衡法

能量闭合是指湍流能量与有效能量相等，方程表达式[10]如下：---=+。

式中：为净辐射，为土壤热通量，为冠层热储量，为附加能量项的总和，为显热通量，为潜热通量。

附加能量项的总和很小，通常忽略不计。目前，很多学者对能量平衡研究时会忽略冠层热储量。但森林生态系统中，冠层高度高于8 m时，冠层热储量不可忽略[15]。经实测调查得到建立样地树木的冠层高度为10.95 m，推测该区域冠层高度大于8 m。冠层热储量计算公式参考部分相关文献[15,16]。

能量平衡闭合评价方法主要选取了两种，分别是最小二乘法（OLS）和能量平衡比率法（EBR）。最小二乘法是运用最为普遍的一种方法，最为理想的状态下有效能量和湍流能量的回归直线的斜率为1，并通过原点[8]。但目前研究[7,9,11]中均未达到这种状态，线性关系的截距均不能通过原点。能量平衡比率法是湍流能量与有效能量的比值[17]。

3 结果与分析

3.1 兴安落叶松林能量通量日变化特征

图 1 兴安落叶松林生长季能量通量日变化特征

兴安落叶松林生长季中，净辐射、潜热通量、显热通量日变化趋势基本呈现单峰倒“U”型分布（见图1）。生长季不同月份净辐射均在5:00左右开始启动，12:00左右达到峰值，18:00左右趋于平缓，从19:00~4:00净辐射逐渐变为负值。净辐射最大值出现在7月，造成这种现象原因可能是由于太阳高度角的不同。5~9月潜热通量最大值出现在午后，但峰值出现时间不尽相同，8月的峰值比其他月份约晚1 h，可能由于8月雨水较多，空气湿度较大，导致峰值后移。显热通量12:00左右达到峰值，日落之后趋于平缓，且数值均为负值，5月显热通量数值较大，6~9月均小于潜热通量。可能由于6~9月进入雨季，水汽通量成为主要热源，并处于主导地位。冠层热储量和土壤热通量生长季变化趋势较为平缓。冠层热储量波动较小，5:00~18:00为正值，其余均为负值。土壤热通量5月在白天表现为正值，夜晚为负值。6~8月土壤热通量均为正值，表现为热汇，9月转变为负值，成为热源。

3.2 能量分配特征

从各分量月均值变化可以看出（见图2），土壤热通量、潜热通量、显热通量、冠层热储量变化趋势均以净辐射变化为基础。整个生长季，净辐射从5月开始增加，在6月达到最大值。显热通量在5月达到最大值。显热通量生长季总量为91.21 MJ·m-2，占净辐射的24%。随着温度升高，树木生长，潜热通量在6月达到最大值，生长季总量为140.64 MJ·m-2，占净辐射的37%。土壤热通量及冠层热储量占净辐射比例较小，分别为4%和1%。

图 2 兴安落叶松林生长季能量分量月均值变化特征

从各月份可以看出，5月显热通量占净辐射的比例明显大于潜热通量所占比例，6~9月这种现象开始发生变化，潜热通量占净辐射的比例逐渐上升，并超过显热通量所占百分比。在这四个月中，6~8月潜热通量与显热通量差值较大，9月差值缩小并趋于接近。5月大兴安岭地区雨水较少，植物处于生长初期，植被覆盖率较低。6~8月进入雨季，空气温度升高，雨热同期，土壤蒸发速度加快，兴安落叶松进入生长旺盛时期，植物生理活动加强，导致潜热通量开始增加。9月空气温度降低，树木进入生长末期，落叶松叶片凋落、蒸腾速率减弱，灌木、草本覆盖率下降，潜热通量有所降低，但较高的土壤含水量使得土壤蒸发维持在相对较高水平，致使潜热通量仍在能量分配中占主导位置。

3.3 能量闭合分析

生长季湍流能量与有效能量的比值EBR变化幅度较为平缓(见图3)，7月达到最低值(闭合度为0.55)。9月达到最高值(闭合度为0.75)。生长季闭合度0.63。

图 3 兴安落叶松林生长季能量通量月累积值及闭合度

对湍流通量与有效能量进行半小时时间尺度下的线性回归（见表1）。5、9月斜率最小，闭合程度相对较低。6~8月斜率最大，能量闭合较好。生长季截距为-21.72~0.41，斜率为0.54~0.64，决定系数（2）为0.75~0.77。生长季平均截距为-12.95，平均斜率为0.61，决定系数（2）为0.76。LI对中国通量网8个站点提供的观测资料进行研究[18]，发现斜率范围为0.49~0.81，决定系数（2）范围为0.52~0.94。与此相比，本研究的涡度数据具有可靠性，处于中等水平。但仍存在不闭合现象，导致这种现象的原因可能是由于连续阴雨天气造成仪器所使用太阳能板夜间供电不足。

表 1 兴安落叶松林生长季能量平衡的线性回归参数及决定系数

4 结论

兴安落叶松林生长季，净辐射、潜热通量、显热通量日变化趋势基本呈现单峰倒“U”型分布。但潜热通量和显热通量变化曲线不如净辐射变化曲线平滑，主要由于湍流数据具有间歇性的特点。

生长季各能量分量占净辐射比例不尽相同，潜热辐射最大，显热通量次之，土壤热通量和冠层热通量较小。由此可见，在生长季阶段能量支出以潜热通量为主。

生长季EBR变化趋势平缓，能量闭合度0.63。运用最小二乘法（OLS）对能量数据进行线性回归，生长季平均截距为-12.95，平均斜率为0.61，决定系数（2）为0.76，本站点处于全国通量观测站点平均水平，证明数据质量可靠。但仍存在不闭合现象，导致这种现象的原因可能是由于连续阴雨天气使仪器所用太阳能板夜间供电不足。因此，需要对数据质量进行控制，以提高能量闭合度。

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Energy Flux Variation Characteristics and Closure Degree in Larch Forest

LIU Xuan, WANG Fei*, ZHANG Qiu-liang, TIAN Yuan, REN Jian-hua

,010019,

In order to systematically study characteristics of energy flux and energy balance closure in Larch forest in Greater Khingan Mountains. By using measurement of the the eddy covariance technique and micro-climate instruments, latent heat flux, sensitive heat flux, net radiation and soil heat flux were conducted. According to Ordinary Least Squares and energy balance ratio calculate energy balance closure. The total net radiation of the Larch forest was 379 MJ·m-2in growing season. The sensible heat flux, latent heat flux, soil heat flux and canopy heat storage reserve were 91.21 MJ·m-2, 140.64 MJ·m-2, 16.9 MJ·m-2and 5.53 MJ·m-2; the sensible heat flux accounted for 24% of net radiation; the latent heat flux accounted for 37%; soil heat flux and canopy heat storage accounted for a small proportion, which is 4% and 1%. The Energy balance closure was 0.63. In the growing season, energy expenditure was mainly latent heat flux. The energy balance closure results showed that the site still has an incomplete phenomenon in Larch forest, but it was an average level of national flux stations.

; energy flux; closure degree

S718.5

A

1000-2324(2019)04-0546-04

2018-05-24

2018-06-15

国家重点研发计划项目(2017YFC50410302);中国科学院科技服务网络计划(STS计划)项目(KFJ-EW-STS-169)

刘璇(1994-),女,硕士研究生,研究方向:森林经理学. E-mail:984706126@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wangfeinihao2003@aliyun.com