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采用开路式涡度相关法系统(Open Path Eddy Covariance,OPEC),结合常规气象观测设施对鼎湖山针阔叶混交林生态系统的辐射通量、潜热/水汽通量、显热通量和土壤热通量及温度、相对湿度、水汽压、风速、降水等气象因子进行了系统的研究,分析了涡度相关法通量数据的可靠性和数据修正过程的影响,探讨了森林生态系统水热通量和相关气象因子的时空格局及相互关系,并就通量测算方法在山地森林的应用进行了讨论。研究结果如下:
针阔叶混交林生态系统的年入射辐射总量为16447.2MJ·m-2,其中,下行长波辐射RLd最多,占72.0%,下行短波辐射RSd仅占28.0%。全年辐射分配中,上行长波辐射RLu占了绝大部分(80.7%),其次是净辐射Rn(17.1%)和RSu(2.2%),RLu在辐射平衡中的作用远超过以往强调最多的RSu。RSd与RSu在不同季节的日均变化均呈规则的单峰曲线,而RLd和RLu则大致为波浪形。Rn与各辐射分量之间的相关性具有明显的尺度效应,在0.5h尺度上,可采用方程Rn=0.877RSd-38.769估算净辐射。2003年反射率η平均值为8.3%,月平均η与降雨量呈显著的直线回归关系。林内9m高处气温(X)最能代表系统的“真实表面温度”,可采用方程Y=5.65X-1238.1代替复杂的Stefan-Boltzmann方程作为估算RLu的简易方法。
进入生态系统的全年各层次光合有效辐射,包括冠层上方(PAR1)、乔木第一亚层(PAR2)、乔木第三亚层(PAR3)和灌木及草本层(PAR4)分别为1842.27MJ·m-2、1374.37MJ·m-2、471.38MJ·m-2和288.39MJ·m-2,分别占RSd的40.07%、29.89%、10.25%和6.27%。PAR2、PAR3、PA4的相对光量子通量密度分别为74.6%,23.6%和15.7%。随着PAR进入森林生态系统内部,PAR的强度逐渐降低,而变异程度则增加。在雨季和旱季,各层次PAR的日均变化均呈单峰曲线,旱季各层次PAR的平均值为雨季的68.99%-71.48%。PAR1与PAR2以及PAR3和PAR4的相关性最好,且相关系数分别为0.9794和0.8859。在日尺度和月尺度上PAR1与Rsd均呈极显著直线相关,而RSd的系数远小于通常的范围(0.44-0.50)。
基于EC法通量数据的能量闭合度为64.42%,旱季白昼理想时段可高达82.66%,表明鼎湖山EC法通量观测系统的通量数据是可靠的,如实反映了针阔叶混交林生态系统的通量特征。
经WPL修正、坐标旋转后的LE数据均与原值呈极显著直线回归关系,且相关系数R2>0.9329。经修正后,LE的数值均有所增加,分别是原值的110.67%和124.86%。EC法LE年总值(1497.28MJ·m-2)、旱季总值(612.44MJ·m-2),雨季总值(884.83MJ·m-2)分别是对应Rn的53.32%、64.40%和47.65%。旱季和雨季LE的日进程均为单峰曲线,旱季清晨LE开始跃升的时间比雨季延滞0.5h,达到最大值的时间提前0.5h,傍晚开始在O通量附近波动的时间要比雨季提前1.5h。BREB法和EC法LE的测算值间的直线回归关系达极显著水平,R2=0.4864,EC法实测值约占BREB法估算值的80.97%。周国逸公式估算的2003年蒸散变动范围为567.65~574.95mm,各尺度计算结果间误差小于1.3%。在日尺度和月尺度上EC法与周国逸公式测算值间均呈极显著直线回归关系,其中月尺度上R2=0.9182。2003年相对蒸散系数在0.7256-0.8064之间。
经坐标旋转后Hs通量增加为原值的104.55%,变异程度也变大。旋转前后的Hs数值呈极显著直线相关,且相关系数R2>0.9605。EC法Hs年总值为791.55MJ·m-2,其中旱季为450.96MJ·m-2,雨季为340.59MJ·m-2,分别是Rn对应值的28.19%、47.42%和18.34%。旱季和雨季Hs的平均日进程为单峰曲线,旱季清晨Hs变为正值的时间比雨季延滞th,达到最大值的时间提前0.5h,傍晚通量变为负值的时间相同。Hs月均值的最大值出现在12月,最小值出现在4月。EC法与BREB法的Hs测算值之间相关性达极显著水平,R2=0.6091,Hs的EC法实测值略小于BREB法估算值,是后者的92.34%。
2003年鼎湖山年降水量仅1341.4mm,为多年平均降水量的70.60%,是较为干旱的年份。各层次气温、相对湿度、水汽压、风速具有明显的季节性梯度变化特征,且各不相同。
全年土壤作为热源,总通量为-0.44MJ-m-2,旱季土壤为热源而雨季为热汇。月表层土壤热通量占净辐射的比例变化范围为-12.0%~3.3%,在更小的时间尺度上其比例可能更大,研究系统能量平衡时,应充分考虑土壤热通量的影响。表层土壤和5cm深度处土壤热通量的日变化均呈“S”形,后者正向和负向最大值均明显小于前者,在日变化节律上也延滞约0.5h~1h。表层土壤热通量对冠层净辐射的反馈要延滞约2.5h,而Scm深度处土壤热通量则延滞3.5h。