太湖源雷竹林水汽通量變化及其對凈輻射的響應

藺恩杰，江 洪，2，陳云飛

(1.浙江農林大學 浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安 311300；2.南京大學國際地球系統科學研究所，江蘇 南京210093)

雷竹Phyllostachys violascens是禾本科Poaceae竹亞科Bambusoideae剛竹屬Phyllostachys竹種，由早春打雷即出筍而得名。雷竹原產于浙江臨安、安吉、余杭等地，作為高經濟效益的筍用竹現已在長江以南，南嶺以北的廣大區域推廣栽植。與一般常綠樹種相比，雷竹林全年光合能力強，采伐期短，更新代謝快。雷竹林是高效高產出的經濟林種，目前對其土壤養分、礦質元素以及土壤酶的研究相對較多[1－4]，但未見與雷竹林生態系統水汽通量相關的研究報道。水汽通量，又稱水汽輸送量，是單位時間內通過單位面積的水汽量。森林水汽通量主要指林下地表蒸發通量、植被蒸騰通量和樹冠層水分蒸發通量三者之和。水汽通量是生態系統物質循環與能量流動的重要參與者、重要環節與能量載體，是生態系統能量閉合的重要影響因子。目前，渦度相關技術已在全球范圍內廣泛應用于陸地生態系統物質和能量交換的觀測，并取得了很好的成效。該方法已成為國際通量觀測網(FLUXNET)的標準方法[5－7]。中國陸地生態通量觀測網絡(China FLUX)也已經利用該技術開展了廣泛的觀測。本研究以太湖源鎮浙江省雷竹現代示范園區人工高效雷竹林為研究對象，利用渦度相關觀測技術研究了雷竹林2010年10月到2011年9月水汽通量的動態變化特征及其與凈輻射之間的關系，以期為當地竹林的合理灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在浙江省臨安市太湖源鎮的浙江省雷竹現代示范園區內，30.18°N，119.34°E，屬于亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，雨熱同期，春多雨，夏濕熱有梅雨期，秋氣爽，冬干冷。全年降水量為1 201.7 mm，年平均氣溫16.0℃，全年日照時數1 900 h。土壤以紅壤為主，海拔185 m，坡向北偏東35°，坡度2°～3°，雷竹林建園歷史10 a。觀測塔下雷竹林群落平均高度4.5 m(鉤梢后)，平均胸徑為4 cm，以2年生竹和3年生竹為主，總蓋度為80%，立竹為1.67萬株°hm－2，林下灌木草本較少，有竹葉谷糠覆蓋，為人工經營的經濟林。

1.2 觀測儀器

觀測竹林建有高20.0 m的微氣象觀測塔，開路渦度相關系統的探頭安裝在17.0 m高度上，由三維超聲風溫儀(CAST3，Campbell Inc.，美國產)和開路CO2PH2O分析儀(Li-7500，LiCor Inc.，美國產)組成，原始采樣頻率為10 Hz，數據傳輸給數據采集器(CR1000，Campbell Inc.，美國產)進行存儲。

常規氣象觀測系統，包括3層風速(010C，met one，美國產)，3層大氣溫度和濕度(HMP45C，Vaisala，Helsinki，芬蘭產)。安裝高度分別為1，5，17 m；2個SI-111紅外溫度計分別置于1.5和5.0 m，用于采集地表和冠層溫度。凈輻射儀(CNR4，Kipp ＆ Zonen，荷蘭產)傳感器安裝高度17.0 m，用于采集上行/下行的長波/短波輻射、凈輻射的數據。此外，還有土壤熱通量(HFP01，Hukseflux，荷蘭產)的觀測深度為3和5 cm；土壤含水量(CS616，Campbell，美國產)觀測深度為5，50，100 cm；土壤溫度(109，Campbell，美國產)觀測深度為5，50，100 cm。常規氣象觀測系統數據采樣頻率為0.5 Hz，通過數據采集器(CR1000，Campbell Inc，美國產)隔30 min自動記錄平均風速、溫度、氣壓、凈輻射等常規氣象信息。雨量筒分布于試驗樣地內，記錄降水量信息。

1.3 研究方法

1.3.1 計算公式 水汽通量(E)用實時測定的垂直風速與其濃度的協方差求的。公式為:

其中:ρ為干空氣密度，q為比濕脈動，w為垂直風速；橫線為一段時間內的平均值；撇號表示脈動。氣體由大氣圈進入生態系統則通量符號為負，氣體由生態系統進入大氣圈，則通量符號為正[8]。

1.3.2 數據處理 采用的數據為通量觀測的30 min平均值。數據處理采用目前普遍使用較成熟的方法，主要包括2次坐標旋轉矯正地形以及觀測儀器的不水平，使垂直方向的風速平均值為0，水平方向的風速與主導風向一致，剔除惡劣天氣、儀器故障等造成的不合理數據；采用平均日變化法 “MDV”插補缺失數據[9]。

2 結果與分析

2.1 全年水汽通量各月的平均日變化特征

通過對全年水汽通量數據進行統計，得到太湖源人工高效雷竹林生態系統的全年逐日逐半小時的水汽通量數據，按月將每天同時刻水汽通量求平均值計算當月平均日變化，結果如圖1所示。

圖1 2010年10月至2011年9月太湖源鎮雷竹林水汽通量各月平均日變化分布Figure 1 Mean diurnal change distribution of monthly water vapor flux in in Phyllostachys violascens forest in Taihuyuan (2010-10-2011-09)

從圖1可見:全年水汽通量基本均為正值，即水汽輸送方向是由竹林生態系統向大氣輸送，且呈現單峰變化趨勢。各月水汽通量日變化的最大值均出現在12:00到14:00，而夜間基本為0。這是由于夜間溫度較低，光照較弱，地表蒸發以及植被蒸騰都極其微弱。從6:00到8:00開始逐漸升高，至最高點后逐漸降低，17:00至19:00趨近于0，波動較為平緩，基本保持穩定。

3－5月的水汽通量日變化曲線較其他月份波動較大，主要是因為3－5月的氣候較為多變，溫度變化較大，使生態系統內的地表蒸發及植被蒸騰較為多變，導致生態系統水汽通量日變化波動較大。9月較8月和10月較為平緩，且夜間水汽通量高于其他月份。主要是因為9月天氣較為陰霾，除4－6日和13－15日晴天，其余均為陰雨天氣，雨量不大，云層較厚。白天云層吸收光照熱量，使生態系統溫度變化相對較小，水汽通量無明顯變化。夜間云層釋放白天吸收的熱量，使生態系統內部溫度較其他月份稍高，水汽通量與白天相比也無明顯變化，但比其他月份夜間水汽通量稍高。至凌晨2:00至4:00，氣溫下降，水汽通量下降，趨近于0。7月較其余月份水汽通量較高，日最大值為1.107 g°m－2°s－1。原因是7月光照條件較為充足，氣溫較高，植被冠層以及地表蒸發量均較大，植物蒸騰作用旺盛。

2.2 全年水汽通量季節變化特征

通過對全年數據的計算，得到了太湖源人工高效雷竹林生態系統的全年逐日逐半小時的水汽通量數據，按季節計算平均日變化，結果如圖2所示。從圖2可以看出:夏季水汽通量變化有極強的規律性，日變化曲線為單峰，且曲線較為平滑，20:00 至次日凌晨 6:00 維持在 0～0.01 g°m－2°s－1，6:00 至 12:00逐漸升高，至12:00左右達到最大值之后逐漸降低，到19:00至20:00趨于穩定。春秋冬季的水汽通量日變化特征與夏季相比較，變化規律類似，但規律性相對較差。曲線波動較大，不夠平滑。由于氣候條件影響，本實驗區生態系統的夏季水汽通量明顯大于春秋冬季，春秋季基本相同，略大于冬季。

2.3 降水量與蒸散量

蒸散量是生態系統內土壤蒸發和植被蒸騰的總耗水量，是全年水汽通量的總和。蒸散量主要受蒸發勢、土壤供水狀況、植被狀況等因素制約。通過雨量筒測得2011年10月至2011年9月各月降水量總和，計算各月水汽通量總和。所得結果如圖3所示。圖3中:2月、10月和12月蒸散量略大于降水量，其余月份蒸散量均小與降水量。其中6月降水量遠大于蒸散量，6月進入雨季，降水量較大，而蒸散量并未受到較大影響。

圖2 2010年10月至2011年9月太湖源鎮雷竹林水汽通量各季節平均日變化特征Figure 2 Mean diurnal change distribution of quarterly water vapor flux in Phyllostachys violascens forest in Taihuyuan (2010-10－2011-09)

圖3 2010.10月至2011年9月太湖源鎮雷竹林蒸散量與降水量對比Figure 3 Contrast between evapotranspiration and precipitation in Phyllostachys violascens forest in Taihuyuan(2010-10－2011-09)

各季度降水量與蒸散量，及其占全年降水量與蒸發散量的比例如表1所示。夏季降水量為632.2 mm，占全年降水量(1 201.7 mm)的50%以上，春秋季降水量基本相同，各占20%左右，以冬季最低，僅占全年降水量的不到10%。夏季蒸散量亦為全年最高，約占42%，春秋季次之，各占22%，冬季最低，占13%。可見:蒸散量同降水量在季節尺度上的變化情況有極強的響應關系。全年蒸散量(669.8 mm)占全年降水量(1 201.7 mm)的55.74%，比實際情況略低，主要由于夜間降水或露水對水汽通量的觀測有較大影響，易導致低估通量值[10]，處理數據時，對缺失數據進行人為插補也可能導致最終所得的蒸散量較實際情況略小。

表1 各季度降水量與蒸散量，以及其占全年降水量與蒸發散量的比例Table 1 Contrast between evapotranspiration and precipitation at every quarter

千煙洲人工針葉林全年蒸發散量為736.10 mm°hm－2°a－1[4]。遼東山區后樓水庫集水區鄰域范圍內的年蒸發散量分別是落葉松 Larix gmelinii幼齡林為 720.00 mm°hm－2°a－1，落葉松中齡林 751.00 mm°hm－2°a－1，紅松 Pinus koraiensis 幼齡林 762.00 mm°hm－2°a－1，紅松中齡林 826.00 mm°hm－2°a－1，柞樹 Xylosma racemosum 林 677.0 mm°hm－2°a－1，雜木林 741.00 mm°hm－2°a－1[11]。湖南會同杉木 Cunninghamia lanceolata 林多年的年均蒸散量為 1 049 mm°hm－2°a－1[12]。而雷竹林全年蒸散量僅為 669.84 mm°hm－2°a－1。

2.4 凈輻射與水汽通量在季節尺度上的相關性

雷竹林全年凈輻射為2 928.924 MJ°m－2°a－1，其各季度水汽通量對凈輻射的響應如圖4所示。

圖4 各季度水汽通量對凈輻射的響應擬合曲線Figure 4 Quarterly response of water vapor flux to Rn

從圖4的擬合曲線中，可以直觀地看出夏季水汽通量對凈輻射的響應最為明顯，相關性系數較大，為0.603 9，秋季稍次之，相關性系數為0.557 4。冬季和春季相關性系數均較小。春季為0.259 1，因為春季氣候多變，天氣變幻無常，氣溫波動較大，對水汽通量有一定的影響，故從圖中反映出各點較為分散，但仍表現出一定的正相關性。與吉喜斌等的研究相符[13]。冬季相關性系數最小，為0.017 8，因冬季水汽通量普遍較低，但當地雷竹林經營模式為冬季覆蓋谷糠，為地表層人為保溫，可提高提早第2年筍產量，覆蓋谷糠前人為澆水，使地表層大量儲水升溫，影響正常情況下的地表蒸發量，表現出冬季水汽通量與凈輻射相關性較小。通過相關性的顯著性檢驗，水汽通量與凈輻射之間有極顯著相關性。

3 小結

全年水汽通量基本為正值，夏季明顯大于春秋冬季，春秋季變化特征相似，冬季最低。全年最高月份為7月，全年最低月份為1月。

季節尺度上，夏季水汽通量明顯大于春秋冬季，春秋季基本相同，略大于冬季。夏季平均日變化曲線呈單峰型，規律性較強。春秋冬季則略有波動。

各月水汽通量日變化的最大值均出現在12:00到14:00，而夜間基本為0。從6:00到8:00開始逐漸升高，至最高點后逐漸降低，17:00至19:00趨近于0，基本保持穩定。

雷竹林全年蒸散量為 669.84 mm°hm－2°a－1，較其他林型低。全年降水量為 1 201.72 mm°hm－2°a－1，全年蒸散量占全年降水量的55.74%。2月、10月和12月蒸散量略大于降水量，其余月份蒸散量均小于當月降水量，以6月差別最大。水汽通量與凈輻射之間有極顯著的相關性。雷竹林全年凈輻射為2 928.924 MJ°m－2°a－1，凈輻射作為影響水汽通量的最主要因子，其大小直接影響當地雷竹林生態系統的水汽通量情況，雷竹林生態系統的水汽通量狀況與當地凈輻射表現出較好的正相關性。相關系數為0.600～0.017。

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