天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统水汽通量特征

牛晓栋，江　洪，2，方成圆，陈晓峰，孙　恒（.浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，浙江临安3300；2.南京大学国际地球系统科学研究所，江苏南京20093）



天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统水汽通量特征

牛晓栋1，江洪1，2，方成圆1，陈晓峰1，孙恒1
（1.浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，浙江临安311300；2.南京大学国际地球系统科学研究所，江苏南京210093）

摘要：利用涡度相关技术研究了2013年7月至2014年6月浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统水汽通量变化特征，结合气象要素的观测，进一步分析了净辐射对水汽通量的影响。结果表明：浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统全年水汽通量基本为正值，各月水汽通量日变化趋势基本呈单峰型曲线，7月水汽通量峰值最大（0.115 g·m(-2)·s(-1)），1月最小（0.029 g·m(-2)·s(-1)）。四季的水汽通量平均日变化中，峰值的大小为夏季＞春季＞秋季＞冬季。生态系统全年蒸散量为721.25 mm,在相近纬度的不同类型森林生态系统中处于较低水平，全年蒸散量占降雨量的51.46%，各月蒸散量均小于降雨量。生态系统全年净辐射为3 305.65 MJ·m(-2)·a(-1)。季节尺度上，对生态系统水汽通量与净辐射进行回归分析，显示四季的相关性都极显著。夏季相关系数（R2）最大，为0.500，其次为春季（0.318），秋季（0.232），冬季最低（0.125）。图6表2参28

关键词：森林生态学；水汽通量；涡度相关；典型常绿落叶阔叶混交林；净辐射；天目山

水和水的循环对于生态系统具有特别重要的意义，水的主要循环路线是从地球表面通过蒸散进入大气圈，同时又不断地从大气圈通过降水而回到地球表面［1］。水汽通量是生态系统水循环过程的重要特征参数，同时又是潜热输送的载体，是能量平衡的重要影响因子以及水量平衡中的组成部分［2］。森林作为地球上最大的陆地生态系统，在全球水循环和能量再分配中都发挥着重要作用［3］。森林水汽通量主要指林下土壤表面蒸发、植被蒸腾和树冠截留水分蒸发3个部分的总和，是森林植被水分状况的重要指标,热量耗散的一种形式,同时又是影响区域和全球气候的重要因素。目前，涡度相关技术已在全球范围内广泛应用于陆地生态系统碳水通量和能量交换的观测，并取得了很好的成效。该方法已经成为国际通量观测网（FLUXNET）的标准方法［4-5］。中国陆地生态系统观测网络（ChinaFLUX）也已经利用该技术开展广泛观测［6-9］。在中国不同类型森林生态系统中也建立了多个基于涡动相关技术的通量观测站［10-14］，但是主要是开展碳通量和能量通量的观测，对于水汽通量的研究较少，对中国中亚热带地区典型常绿阔叶林的水汽交换特征的研究更鲜有报道［15-16］。浙江天目山地处中国东南沿海丘陵山区中亚热带北缘，北亚热带南缘，其气候具有中亚热带向北亚热带过渡的特征。拥有典型的中亚热带森林生态系统［17］。研究浙江天目山森林生态系统的水汽通量的特征对评价亚热带地区森林生态系统的水分循环和能量平衡具有重要意义。本研究以2013年7月到2014年6月的通量观测数据为依据，初步分析了浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统的水汽通量的动态变化特征，旨在为森林生态系统各个蒸散分量的分解研究奠定基础，并为深入认识中国中亚热带地区典型常绿落叶阔叶混交林生态系统的水文和气象功能提供基础数据［18］。

1　研究地区与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于浙江天目山森林生态系统国家定位观测研究站（30°18′30″～30°24′55″N，119°24′47″～119° 28′27″E），面积为4 284.0 hm2。主峰仙人顶，海拔为1 506 m，其中林地面积为4 261.1 hm2，占99.5%，森林覆盖率98.1%。林地面积中乔木林3 711.3 hm2，占88.7%；竹林面积474.8 hm2，占11.3%。海拔600 m以下为红壤带，600～1 200 m为黄壤带，1 200 m以上为棕黄壤带。气候具有中亚热带向北亚热带过渡的特征，受海洋暖湿气流的影响较深，形成季风强盛，四季分明，气候温和，雨水充沛，光照适宜且复杂多变的森林生态气候。自山麓至山顶，年平均气温为14.8～8.8℃，最冷月平均气温3.4～-2.6℃，极端最低气温-13.1～-20.2℃，最热月平均气温28.1～19.9℃，极端最高气温38.2～29.1℃，无霜期235～209 d，年雨日159.2～183.1 d，年雾日64.1～255.3 d，年降水量1 390.0～1 870.0 mm，年太阳辐射4 460～3 270 MJ·m-2，相对湿度76%～81%。

常绿落叶阔叶混交林是天目山精华植被，分布于海拔850～1 140 m。常绿乔木主要有细叶青冈Cyclobalanopsis gracilis，石栎Lithocarpus glaber和交让木Daphniphyllum macropodum等，落叶乔木有青钱柳Cyclocarya paliurus，化香Platycarya strobilacea，枫香Liquidambar formosana，天目木姜子Litsea auriculata和短柄枹Quercus glandulifera等。灌木有柃木Eurya japonica，箬竹Indocalamus tessellatus和马银花Rhododendron ovatum等。另外，混有针叶林柳杉Cryptomeria fortunei林、金钱松Pseudolarix amabilis林及黄山松Pinus taiwanensis林等，组成多种较复杂的森林类型。这些森林群落大多数处于较稳定状态，达到了演替顶级［21］。土壤为山地黄壤，土层深度约100 cm，pH 5～6，枯枝落叶层厚达10～20 cm。碳通量观测塔安装在研究区的一块常绿落叶阔叶混交林样地（30°20′59″N，119°26′13.2″E）内，海拔为1 139 m，坡度6.6°左右，坡向南偏西16，主要乔木有小叶青冈Cyclobalanopsis myrsinifolia，交让木，小叶白辛树Pterostyrax corymbosus，短柄枹，青钱柳，天目槭Acer sinopurpurascens，秀丽槭Acer elegantulum，糙叶树Aphananthe aspera等，林龄为140 a，郁闭度0.7，林分密度3 125株·hm-2。林分为复层结构，分3层，15 m以上的乔木约占3.2%，第2层8～14 m的乔木约占43.2%，其余的乔木均在8 m以下。优势树种为小叶青冈、交让木和小叶白辛树等。

1.2观测仪器

观测地建有40 m高的微气象观测塔，开路涡度相关系统的探头安装在距地面38 m高度上，由三维超声风速仪（CSAT3，Campbell Inc.,美国）和开路CO2/H2O分析仪（EC150）组成，原始采样频率为10 Hz，利用数据采集器（CR3000, Campbell Inc.,美国）存储数据，同时在线计算并存储30 min的二氧化碳通量（Fc），摩擦风速（Ustar），潜热通量（LE）和显热通量（HS）等参数。常规气象观测系统，由锦州阳光气象科技有限公司安装，包括7层风速，7层大气温度和湿度。安装高度分别为2，7，11，17，23，30和38 m。土壤温度和湿度观测深度为5，50和100 cm。土壤热通量观测深度为3和5 cm。另外，有2个SI-111红外温度仪分别置于2和23 m高处，用于采集地表和冠层温度。常规气象观测系统数据采集器隔30 min自动记录平均风速、环境温度、环境湿度、土壤温度、土壤湿度等常规气象信息。

1.3研究方法

1.3.1计算公式水汽通量（E）通过实时测定的垂直风速与水汽浓度的协方差求得。公式为E=ρw′q′。其中：ρ为干空气密度，q为比湿脉动，w为垂直风速；横线表示一段时间内的平均值；撇号表示脉动。并规定若气体由大气圈进入生态系统，通量符号为负，若气体由生态系统进入大气圈，则通量符号为正［2］。

1.3.2数据处理采用的数据为通量观测的30 min平均值。数据处理采用目前普遍采用的比较成熟的方法，主要包括2次坐标旋转来矫正地形以及观测仪器的不水平，并使垂直方向的风速平均值为0，水平方向的风速和主导风向一致，且剔除由于恶劣天气（有降水）、湍流不充分等导致的不合理数据，剔除后全年还有64%的有效值；对于打雷、仪器故障等原因导致的缺失数据采取如下方法插补：其中≤2 h的用平均值来插补，即用平均日变化法（mean diurnal variation, MDV）插补缺失的数据［19］，对于缺失的数据采用相邻几天相同时刻的平均值来插补。此方法首先要确定平均时段的长度，另有研究表明:白天取14 d，夜间取7 d的平均时间长度所得结果的偏差是最小的［20］；＞2 h的用水汽通量与净辐射的方程插补。

2　结果与分析

2.1常规气象因子变化

观测数据从2013年7月到2014年6月，按2014年1月，2014年2月，2014年3月，2014年4月，2014年5月，2014年6月，2013年7月，2013年8月，2013年9月，2013年10月，2013年11月，2013年12月进行排列，构成全年数据。由图1可以看出：全年平均气温为10.6℃。月平均气温最高值在7月，为23.3℃，月平均空气温度最小值在12月，为-1.2℃。全年空气相对湿度平均值为82.0%。空气相对湿度平均值最大月在7月，值为92.4%。空气相对湿度平均值最小月在1月，值为72.34%。

图1　2013-07-2014-06气象要素月变化Figure 1 Monthly variation of meteorological elements （2013-07-2014-06）

2.2水汽通量月均日变化特征

通过对全部时间段缺失数据的插补计算，得到了浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统全年逐日半小时的水汽通量数据，按月将每天同时刻的水汽通量求平均值，计算当月平均日变化，结果如图1所示。

图2显示:浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统全年水汽通量基本为正值，即从森林向大气中释放，是一个水汽源。各月水汽通量日变化趋势基本呈单峰型曲线，1月，2月，7月，8月单峰型明显，其他月份除单峰外，各有几个小峰。可能是因为冬夏季节每日温度变化比较稳定，而春秋季每日温度变化比较大，规律性不强。大部分月份的中午时段会有1个明显下降的值，如2月，5月，6月，7月，8月，10月，11月。这可能是因为中午时段温度为1 d中最高值，光照强度大，植物失水较多，导致叶片气孔关闭，蒸腾下降，而在森林生态系统中蒸散的主要形式是蒸腾［21-22］，因而水汽通量值在中午某一刻会出现突然的下降。各月的平均日变化一般为夜间较低，白天较高。这是因为夜间温度较低，光照强度也低，土壤蒸发和叶片蒸腾作用都较低，尤其在1月，11月，12月，夜间水汽通量值趋近于0。这是因为这3个月平均温度为全年最低，植物生理活动减弱，尤其是夜间更弱。而其他月份夜间温度较这3月高，植物生理活动也微弱进行，因而水汽通量值高于0，并有小峰出现。

图2　2013-07-2014-06各月水汽通量平均日变化分布Figure 2 Mean diurnal change distribution of monthly water vapor flux（2013-07-2014-06）

全年各月水汽通量最大值为0.029～0.115 g·m-2·s-1，各月差异明显。最大值出现在7月，最小值出现在1月。峰值出现时间一般在11:45-14:15时段，因为每天这一时段温度高，光照强度大，蒸腾作用明显，水汽通量值也最大。

全年水汽通量最小值为-0.000 43～0.007 90 g·m-2·s-1，各月差异明显。最大值出现在8月，最小值出现在12月。基本出现在夜间或凌晨。11月，12月，1月，2月这4个月水汽通量最小值明显低于其余月份，是因为这段时间生态系统内不仅夜间温度低，而且植物大都处于很弱的生理活动期，叶片蒸腾几乎停止。

2.3全年水汽通量季节变化特征

通过对全部时间段缺失数据的插补计算，得到浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统的全年逐日半小时的水汽通量数据，按季节计算平均日变化。结果如图3所示。由图3可见：四季的水汽通量日变化趋势一致，夜间水汽通量值低，变化小，白天水汽通量值大，变化较大。一般从早晨6:15-8:15开始，水汽通量开始明显变大，到中午11:45-14:15水汽通量值达到1 d中最大，而后开始明显下降，在17: 45-19:15达到1 d中最小值，而后开始趋于平缓。夏冬季节这种变化最为明显，白天有明显的峰值。春秋季节天气变化无常，白天水汽通量往往有几个小峰。四季的水汽通量值的平均日变化中，夜间水汽通量值相差不大。白天的通量值差异较大，具体表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季。这是因为夏季的温度较高，光照强烈，植物生理活动活跃，叶片蒸腾和土壤蒸发都为1 a中最强，水汽通量值也最大，夏季白天水汽通量日变化值为0.021～0.082 g·m-2·s-1，最大值出现在12:45，达到0.082 g·m-2·s-1。

图3　2013-07-2014-06水汽通量各季节平均日变化特征Figure 3 Mean diurnal change distribution of quarterly water vapor flux（2013-07-2014-06）

春季和秋季的平均温度相似，光照强度也差距不大，但是由于春季是1 a中植物生长开始的时期，植物生理活动较强，叶片蒸腾作用较强，水汽通量值也较大。而秋季植物生长开始减缓，叶片蒸腾作用降低，水汽通量值和春季相比较小。其中春季白天水汽通量日变化值为0.019～0.064 g·m-2·s-1，秋季白天水汽通量日变化值为0.024～0.052 g·m-2·s-1。冬季温度为1 a中最低，植物生长也几乎停止，叶片蒸腾作用极低，水汽通量值为全年最低，白天水汽通量日变化值为0.015～0.029 g·m-2·s-1。

2.4降水量与蒸散量

计算全年水汽通量总和可以得到微气象塔观测范围内蒸散情况。图4是逐月蒸散量和降水量对比图。

图4　蒸散量与降水量的季节变化Figure 4　Seasonal variation of evapotranspiration and precipitation（2013-07-2014-06）

由图4可见：浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统蒸散量1 a的季节变化大致呈单峰曲线，并且和气温的季节变化基本吻合（图1），8月蒸散量最高，为102.2 mm，1月最低，为23.2 mm。1 a中降水量季节变化也大致呈单峰曲线，7月降水量最高，为279.5 mm，11月降水量最低，为31.9 mm。全年各月蒸散量均小于降水量。一般来讲，月降水量较大时，下月的蒸散量也会升高，这可能是因为降水量大，土壤含水量较高，蒸腾作用从土壤中吸水也较多，蒸散量也变大。

表1为生态系统各季节降水量、蒸散量以及占全年的比例。浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统观测期间年降水量为1 401.7 mm，夏季降水量最大，为581.7 mm，占全年降水量41.47%，春季降水量次之，占比26.83%，和夏季相比差距较大，这是因为浙江地区夏季有梅雨期。秋季降水量占比16.94%，冬季降水量最低，仅占全年降水量的14.76%。蒸散量方面，研究地全年蒸散量为721.25 mm；夏季蒸散量最大，为267.0 mm，占比37.01%；春季次之，为207.8 mm，占比28.82%；秋季占比22.57%，冬季占比11.6%。生态系统全年蒸散量占全年降水量的51.46%，与WEI等［23］指出的南方热带林蒸散耗水占降水量40%～50%接近。

表1　各季度降水量与蒸散量及其占全年降水量与蒸散量的比例Table 1 Contrast between evapotranspiration and precipitation at every quarter

表2是相近纬度的不同类型森林生态系统的年蒸散量，由于森林生态系统的气象因素年际差异较大，每年蒸散量也有一定差异。由表2可以看出，浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统年蒸散量仅高于广东鼎湖山常绿针阔混交林［24］，浙江临安雷竹Phyllostachys violascens林［26］，稍低于江西千烟洲人工针叶林［24］，浙江安吉毛竹Phyllostachys edulis林［16］，远低于西双版纳热带季雨林［24］和湖南会同人工杉木Cunninghamia lanceolata林［25］。

站点　　蒸散量/mm　　森林类型　　纬度鼎湖山［25］641.20常绿针阔混交林　23°17′N西双版纳［25］1 369.40热带季雨林　26°56′N千烟洲［25］748.30人工针叶林　26°75′N会同［26］1 049.00杉木Cunninghamia lanceolata林　26°50′N安吉［17］744.73毛竹Phyllostachys edulis林　30°28′N临安［27］669.84雷竹Phyllostachys violascens林　30.18°N天目山　721.25常绿落叶阔叶混交林　30°20′N

2.5净辐射季节变化特征

通过对浙江天目山常绿落叶阔叶混交林全年净辐射的数据分析，选取各季节典型月份（1月、4月、7月和10月）的逐日逐半小时净辐射数据，得出净辐射的4个典型月平均日变化。结果如图5所示。

图5　净辐射的日均变化Figure 5 Diurnal variation of mean value of net radiation

1，4，7，10月净辐射的日变化呈单峰型，和水汽通量变化比较一致，净辐射夜间值比较低，曲线平缓，白天值变化大，值也比较大。一般从早晨6:15-8:15，净辐射值开始由负变正，即能量开始由大气进入生态系统，然后逐渐升高，到正午11:15-13:15，净辐射值达到最高值，然后开始下降，在17:15-18:45降为最低，趋于平缓。各月的净辐射值由正变负和由负变正的时间不一致，7月由负转正时间最早，由正转负时间最迟，1月则正好相反。这和水汽通量的变化比较一致，很多研究也表明水汽通量和净辐射之间具有很强的相关性［28］。

2.6净辐射与水汽通量的季节相关性

浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统全年净辐射为3 305.65 MJ·m-2·a-1，季节尺度上水汽通量对净辐射的响应见图6。

图6　各季度水汽通量对净辐射的拟合曲线Figure 6 Quarterly response of water vapor flux to net radiation

通过对白天的净辐射与水汽通量进行拟合和相关性分析，可以看出4个季节的水汽通量和净辐射的相关性都达极显著。但是4个季节的相关性系数（R2）差距较大，春夏秋冬四季的拟合的R2值分别为0.318，0.500，0.232，0.125。夏季最高，说明就单因子来讲，夏季净辐射对水汽通量影响也是很大，净辐射增大，温度升高，土壤蒸发变大，气孔导度变高，蒸腾作用强烈，水汽通量增加。冬季的净辐射与水汽通量的相关性最低，因为冬季植物生理活动减弱，温度也较低，土壤蒸发和蒸腾作用都较弱，净辐射对于蒸散的作用不是很明显。

3　结论

对浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统2013年7月至2014年6月水汽通量分布特征的观测结果表明：全年各月各时刻的水汽通量基本为正值，是一个水汽源。各月的平均日变化一般为夜间较低，白天较高。各月水汽通量日变化趋势基本呈单峰型曲线，1月，2月，7月，8月单峰型明显，其他月份除单峰外，各有几个小峰。大部分月份的中午时段会有1个明显下降的值。全年各月水汽通量峰值最大值出现在7月，最小值出现在1月。

四季的水汽通量日变化趋势一致，夜间水汽通量值低，变化小，白天水汽通量值大，变化较大。一般从早晨6:15-8:15开始，水汽通量开始明显变大，到中午11:45-14:15水汽通量值达到1 d中最大，而后开始明显下降，在17:45-19:15达到1 d中最小值，而后开始趋于平缓。四季的水汽通量平均日变化中，峰值的大小为夏季＞春季＞秋季＞冬季。

浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统全年蒸散量为721.3 mm，在相近纬度的不同类型森林生态系统中，仅高于广东鼎湖山常绿针阔混交林［24］，浙江临安雷竹林［26］，稍低于江西千烟洲人工针叶林［24］，浙江安吉毛竹林［16］，远低于西双版纳热带季雨林［24］和湖南会同人工杉木林［25］。全年降水量为1 401.7 mm,全年蒸散量占降水量的51.46%，与WEI等［23］指出的南方热带林蒸散耗水占降水量40%～50%接近。

浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统全年净辐射为3 305.65 MJ·m-2·a-1，净辐射作为影响水汽通量的最主要因子，其大小直接影响了生态系统的水汽通量的大小，作为单因子对它与水汽通量拟合，表现出很好的相关性。

应用涡度相关技术对浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统的水汽通量变化特征的初步研究表明，与其他地区同类研究相比［28］，研究结果具有较好的代表性，然而本研究只用了1 a的观测数据，分析时间较短，深入了解天目山森林生态系统水分循环规律及其森林水文功能还需要长时间的观测及进一步的分析。

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Water vapor flux features of an evergreen and deciduous broadleaf mixed forest in Mount Tianmu area

NIU Xiaodong1, JIANG Hong1,2, FANG Chengyuan1, CHEN Xiaofeng1, SUN Heng1
（1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, Zhejiang, China; 2.International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210093, Jiangsu, China）

Abstract:Evapotranspiration（ET）is an important component of ecosystem water and energy balances, and subtropical evergreen and deciduous broadleaf forests play an important role in regional water cycles and budgets.To enhance prediction of climate change impact on the terrestrial ecosystem an improved understanding of the water and energy fluxes between vegetation and the atmosphere is needed.In Mount Tianmu area of Zhejiang Province, a subtropical evergreen and deciduous broadleaf mixed forest observation tower was set up in December 2012 with a three dimensional ultrasonic anemometer, a H2O/CO2infrared analyzer, and conventional meteorological instruments for measuring a multi-layer gradient of temperature and humidity, windspeed, and radiation.Based on data observed from July 2013 to June 2014, water vapor flux features of the ecosystem were analyzed, and the net radiation responses to water vapor flux were determined.Results showed that annual water vapor flux was positive with distinct diurnal and seasonal variations.The maximum monthly water vapor flux occurred in July with a maximum daily 0.115 g·m(-2)·s(-1); the lowest was in January with a maximum of onlybook=217,ebook=380.029 g·m(-2)·s(-1).The maximum quarterly water vapor flux occurred in summer, and the lowest was in January.The annual total ET was 721.25 mm（about 51.5% of the annual precipitation）.The annual net radiation （Rn）for this ecosystem was 3 305.65 MJ·m(-2).Also, Rnwas the main driving force of ET and was a key factor in energy balance.Thus, water vapor flux being positive meant that the ecosystem was the source of water vapor.［Ch, 6 fig.2 tab.28 ref.］

Key words:forest ecology; water vapor flux; eddy covariance; typical evergreen and deciduous broadleaf mixed forest; net radiation; Mount Tianmu

作者简介：牛晓栋，从事生态系统碳水通量及大气水汽稳定同位素观测研究。E-mail: 764854761@qq.com。通信作者：江洪，教授，博士生导师，从事全球变化生态、生态系统碳-氮-水循环等研究。E-mail: jianghong_china@hotmail.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61190114，41171324）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20110091110028）；科技部国家科技基础条件平台项目（2005DKA32300）；浙江省重点科技创新团队资助项目（2010R50030）

收稿日期：2015-01-13；修回日期：2015-04-23

doi:10.11833/j.issn.2095-0756.2016.02.005

中图分类号：S718.51

文献标志码：A

文章编号：2095-0756（2016）02-0216-09