辽东山区天然次生林能量平衡和蒸散

森林对能量的再分配过程是形成森林小气候的物理基础，对区域乃至全球气候具有重要影响[1, 2]，同时再分配结果决定了植被光合生产力的分布[3]。伴随全球气候变化受到广泛关注，森林的能量平衡特征也成为森林水文学研究的热点问题。蒸散是森林能量平衡与水量平衡的一个重要分量，是影响区域气候和全球水循环的重要因素[4, 5]。因此，估算森林蒸散量对认识地区乃至全球水分循环规律、正确理解陆地生态系统结构与功能的关系有着重要意义[6, 7]。 目前能量平衡与蒸散主要研究方法有：蒸渗仪法、涡动相关法、水量平衡法、波文比-能量平衡法(Bowen Ratio-Energy Balance，BREB)、彭曼联合法(Penman-Monteith法)等[8]。其中，BREB法因其方法简单、精度较高等特点，成为森林蒸散研究中最实用的方法之一[9, 10, 11, 12, 13, 14]。自1926年Bowen引入波文比概念以来，BREB法测定蒸散被广泛地应用于水文、气象等领域。国外学者利用BREB法对森林能量平衡及蒸散做了大量的研究[15, 16, 17, 18, 19]，国内学者从20世纪80年代开始对阔叶红松林[9]、油松林[20]、常绿阔叶林[21]、北方针叶林[22]、樟子松人工林[23]、落叶松人工林[7]等不同林型的能量平衡特征进行了较为系统的研究。大量的试验结果表明，BREB法测定的能量平衡及蒸散与同类实验仪器的测定结果相吻合，符合精度要求[9, 14]。然而目前对森林热量平衡和全年水汽通量的报道还相对较少[24]，特别是对我国辽东山区天然次生林的水汽交换特征认识仍很欠缺。本文以辽东山区天然次生林为研究对象，利用辽宁冰砬山森林生态系统定位研究站2012年野外气象观测数据，分析其能量平衡及蒸散变化特征，旨在为土壤-植被-大气连续体中能量、物质交换的研究奠定基础，也可为深入认识我国辽东山区天然次生林的水文和气象功能提供基础数据。 1 研究地概况与研究方法 1.1 研究地概况 研究地位于辽宁冰砬山森林生态系统定位研究站(124°45′—125°15′ E，42°20′—42°40′ N)。冰砬山为吉林哈达岭向西南延续地带，平均海拔500—600 m，最高峰870 m。气候属温带大陆性气候。根据西丰气象观测站(距研究地35 km)多年观测数据统计，该地区年均气温5.2 ℃，年均降水量684.8 mm，年均蒸发量1379.8 mm，无霜期133 d，最高温35.2 ℃，最低温-41.1 ℃，具有典型的山区气候特征。土壤以暗棕色森林土为主，其次为棕色森林土，土壤质地多为粉砂壤质、壤质，土层深厚，有机质含量高，土壤pH值为6—7。本研究在冰砬山生态站天然次生林标准地(125°03′ E，42°35′ N)内进行。标准地内主要乔木有色木槭(Acer mono Maxim.)、春榆(Ulmus propinqua Koidz.)、蒙古栎(Quercus mongolica Fisch.)、花曲柳(Fraxinus rhynchophylla Hance.)、紫椴(Ti1ia amurensis Rupr.)、怀槐(Maackia amurensis Rupr.)。林分平均高为18 m、平均胸径为15.2 cm，密度1140株/hm2，郁闭度0.9，灌木盖度0.5，草本盖度0.9。 1.2 研究方法 1.2.1 野外观测与数据采集 研究采用2012年林内微气象梯度观测系统数据和林外标准气象场观测数据。林内微气象梯度观测系统安装于30 m高观测塔上，距地面20、25 m高度处安装空气温湿度传感器(HMP45C，Vaisala，Helsinki，Finland)，25 m高度安装净辐射传感器(CNR1，Kipp & Zonen，Netherlands)，土壤5 cm深度安装土壤热通量板(HFP-01，HukseFlux，Netherlands)，采样频率为2 Hz，通过数据采集器(CR1000，Campbell，USA)采集并存储每分钟数据。林外标准气象场利用ENVIS自动气象站测量降水(52202，R.M.Young，USA)、气压(CS105,Vaisala,Helsinki,Finland)、总辐射(CMP3，Kipp & Zonen，Netherlands)、净辐射(NR-LITE，Kipp & Zonen，Netherlands)和空气温湿度(HMP45C，Vaisala，Helsinki，Finland)。 1.2.2 数据处理方法 研究方法采用波文比-能量平衡法(BREB)。森林能量平衡方程可表示为[25, 26]： 式中， Rn为净辐射；G为土壤热通量；S为冠层储热变化；Rn-G-S表示森林有效能量；H为感热通量；LE为潜热通量；L为水的汽化潜热系数，L=(2500.78-2.360T)J/g；E为森林蒸散。 波文比(β)定义为某一界面上H与LE的比值，为垂直方向上温度梯度和湿度梯度的函数。用公式表示为[27]： 式中，ρ为空气密度；Cp为空气定压比热；Kh和Kw分别为热量湍流交换系数和水汽湍流交换系数；ΔT、Δe、Δq和Δz分别为两个高度的温度差、水汽压差、比湿差和高度差；γ为干湿表常数。根据相似性原理，在假定Kw和Kh相等的条件下，即Kh=Kw，可得： 针对海拔较高的高山和高原地区，H和LE的计算需要作气压和密度的高度订正才可使用[1, 7]。S是温度变化的函数[25]，由于半小时内温度变化不大，S很小，一些研究将S忽略[1, 7, 26, 27]。因此本研究中使用的BREB法公式为： 式中,p和p0分别为观测地气压和海平面气压。 2 结果与分析 2.1 能量平衡各分量的日变化特征 森林能量平衡各分量具有明显的日变化规律(图 1)。1月份(14—17日)和8月份(14—17日)内连续4个晴朗日的Rn、H、LE呈现单峰型日变化，而G在8月份呈现单峰型，1月份的日变化动态则呈现水平直线型(图 1)。 1月份和8月份Rn变化规律相同，峰值均出现在12:00前后；1月份日出后0.5 h(7:30)至日落前1.5 h(15:30)，Rn为正值，历时10 h，森林平均获得Rn为77 W/m2，其余时间Rn为负值，平均值为 -25 W/m2；8月份日出后0.5 h(5:30)至日落前1.5 h(17:30)，Rn为正值，平均值为275 W/m2，其它时间Rn为负值，平均值为-44 W/m2(图 1)。 1月份和8月份G日变化规律有所不同。1月份G几乎没有变化，呈水平直线型，全天向上传输能量强度为2.1 W/m2。而8月份G呈单峰型日变化趋势，6:30至22:30为正值，平均强度为3.9 W/m2，峰值出现在16:00左右，滞后于Rn峰值出现时间约4 h；22:30至次日6:30为负值，平均强度为-2.8 W/m2(图 1)。 H在1月份和8月份呈现相同的变化规律，白天为正值，夜间为负值，表明白天森林向林冠上大气层输送热量，夜间林冠上大气层向森林输送热量，且其绝对值白天大于夜间。1月份峰值为66 W/m2，8月份峰值为129 W/m2(图 1)。LE是森林生态系统中重要的热量支出分量，8月份其日最大值为408 W/m2，平均值为86 W/m2，1月份日最大值为120 W/m2，平均值为9.9 W/m2(图 1)。 2.2 能量平衡分量的季节变化特征 森林能量平衡各分量具有明显的季节变化规律(图 2)。Rn月平均值呈单峰型变化，峰值出现在5月份(101.73 W/m2)，6—8月份Rn月平均值在88—91 W/m2之间，变化极小，最小值出现在12月份(-2.38 W/m2)(图 2)。生长季(5—9月份)Rn总量为1.15×109J/m2，约占全年Rn总量(1.63×109J/m2)的71%。 LE也呈现出单峰型的季节变化趋势，7月份出现最大值(68.24 W/m2)，12月份出现最小值(0.82 W/m2)，5—8月份稳定在65—68 W/m2之间(图 2)。H呈双峰型变化，峰值出现在4月份(39.59 W/m2)，次峰值出现在9月份(28.50 W/m2)(图 2)。 G的季节变化幅度较小，全年在-3.58—5.60 W/m2范围内变化。4—8月份G为正值，土壤吸收热量峰值出现在4月份，达6.2 W/m2。其它月份G为负值，土壤向上传送热量。非生长季，随着Rn的减小，G对有效能量的贡献逐渐增加，约占有效能量的6.8%；生长季，G约占有效能量的2.5%(图 2)。 β具有明显的季节变化趋势，综合反映了H与LE的季节变化动态。以日为步长的β全年变化动态近似呈“U”型；非生长季β值(-0.1—6.6)变幅较大，平均值为1.50，即非生长季H占有效能量的60%；生长季β值(0.2—0.8)变幅相对较小，平均值为0.43，即生长季LE占有效能量的70%，为主要的能量支出分量(图 3)。 2.3 蒸散特征 日蒸散总量(E)呈现单峰季节动态特征(图 4)，日总量及月总量最大值均出现在7月份，分别为5.8 mm/d和92.7 mm/m。全年E总量为541.8 mm，占同期降水总量(771 mm)的70.3%。森林E主要集中在生长季(398.3 mm)，占全年E的73.5%，是同期降雨总量(644.4 mm)的61.8%。由于受中小尺度天气变化影响，E日总量的季节变化存在着锯齿状波动，生长季E日总量在0.1—5.8 mm/d之间，其变化范围大于非生长季的变化范围(0—2.56 mm/d)。 3 讨论 辽东山区天然次生林能量平衡各分量均有明显的日变化特征(图 1)，1和8月连续晴好天气的Rn、LE 和 H均呈现出一致的日变化单峰曲线，这与其他学者的研究结果[1, 24, 26, 29]相一致。G日变化规律有所不同，虽然在8月份也呈单峰变化，但在1月份连续4d保持在-2.1 W/m2的水平，显示出热量由土壤传送到植被-大气，土壤为热源。李亮等[30]对不同土壤类型的土壤热通量研究提出土壤热通量的日较差主要取决于土壤的导热率、热容量和土壤温湿度，不同季节的土壤理化性质、土壤热导率不同，直接影响到土壤吸热散热在延迟时间上的差异。当入射能量通过冠层进入土壤后，由于土壤比热远大于空气，土壤温度的升降也滞后于空气温度的变化。由于研究区天然次生林1月份冰雪覆盖致使土壤温度高于气温，从而导致G为负值并持续不变，这与陈云飞等[31]的研究结果相一致。 受森林物候和气象条件的影响，辽东山区天然次生林的Rn、G、LE 和 H均存在着明显的季节变化特征，最大值出现在生长季，最小值出现在非生长季。森林生态系统获得Rn后，由于不同森林群落类型的下垫面特征不同，造成蒸散和热传导能力的差异，从而导致Rn在系统内的分配各不相同。此外，降水量的多少间接地影响下垫面接受的辐射量。2012年全年研究区天然次生林Rn总量为1.63×109J/m2，与林外ENVIS自动气象站测得的Rn总量1.61×109J/m2相近，是吴家兵等[26]对东北阔叶红松林Rn测量值(2.3×109J/m2)的70.9%。分析这2种类型森林Rn存在较大差异的原因主要有以下两个方面：一是与降水有关，研究区全年降水量771 mm，是长白山地区当年降水量的1.38倍，一般认为降水量越大降水天气过程就越长，下垫面获得的总辐射就越小，Rn随之降低；二是与植被类型有关，冬季长白山阔叶红松林中红松不落叶，净辐射收到的反射辐射很大一部分来自红松绿色树叶对短波的反射，而研究区天然次生林为落叶乔木林、冬季落叶，净辐射收到的反射辐射大部分来自地面的积雪对短波的反射，冬季研究区天然次生林比长白山阔叶红松林的反射率大。 生长季G为能量的支出项，约占有效能量的2.5%，非生长季G表现为能量平衡的收入项，约占有效能量的6.8%。长白山阔叶红松林[26]生长季G占有效能量(4%)高于本研究，而非生长季G占有效能量(5%)低于本研究。这主要与生长季辽东山区天然次生林具有较高的郁闭度(0.9)致使到达地表的辐射能较少和非生长季该森林的净辐射值较低有关，具体原因还需对土壤热属性、土壤水分、地被物的差异作进一步分析研究。 LE和H主要受辐射、气温、大气饱和水汽压差、土壤湿度等因素的影响[26]。本研究中生长季主要的能量支出项为LE，占有效能量的70%；非生长季主要的能量支出项为H，占有效能量的60%，这与北方大多数的研究结果相一致[7, 9, 26]。在植物生长旺盛的5—8月份，LE均显著的高于H，至9月份植被尚未落叶，然而LE已呈显著降低趋势，这与植被在生长后期生理活动减弱有关。 波文比能够表征大气-地表能量交换特征，多用于能量平衡计算，波文比的大小决定能量在生态系统中的分配[31]。本研究以日为时间尺度的β全年近似呈“U”字型变化，呈现显著的季节变化趋势。非生长季大于生长季，这与吴家兵等[26]、张新建等[24]对长白山阔叶红松林的研究结果相同。非生长季β均值为1.50，即H占有效能量的60%。生长季β均值为0.43，小于落叶松林(0.77)、草地(0.57)[7]，大于水稻(0.06)、灌区小麦(0.19)[27]。因为水稻、灌区小麦水分条件充足，蒸散耗能较多，所以β值较小。这也表明生态系统能量的再分配受气候、土壤水分与植被特征多因素的共同作用。 本研究中天然次生林年蒸散量为541.8 mm，占同期降水总量的70.3%。对比东北地区不同研究地点不同林型的蒸散量和降水量(表 1)，发现研究区森林的蒸散量占降水量的70%—76%，低于长白山阔叶红松林(83%—87%)，表明蒸散耗水是东北地区温带森林生态系统最主要的水分支出项。蒸散量和降水量的比值与降水量之间具有显著的负相关关系(P<0.05)，蒸散量受到降水量的制约。此外，蒸散与下垫面的粗糙程度、土壤的温湿度、蒸汽压差[24]以及地被物[32]、林分郁闭度[33]等因子都具有比较密切的关系，其多因子间互作机制还需开展进一步的研究。 4 结论 (1)Rn年总量为1.63×109 J/m2，其中生长季Rn占71%。Rn月均值呈单峰状季节变化，5月份Rn最大，达101.73 W/m2，12月份最小，仅为-2.38 W/m2。晴朗天气，Rn呈单峰型日变化，峰值出现在12:00前后，日出后0.5 h至日落前1.5 h Rn通量为正值，其它时间为负值。 (2)LE、H在晴朗天气下呈单峰型日变化规律。LE呈单峰型季节变化，7月份最大。H呈双峰型季节变化，峰值出现在4月份，次峰值出现在9月份。以日为时间尺度的β全年近似呈“U”字型变化，非生长季β均值为1.50，即H占有效能量的60%，生长季β均值为0.43，即LE占有效能量的70%。 (3)生长季G为能量支出项，约占有效能量的2.5%，晴朗天气条件下呈单峰型日变化。非生长季G为能量平衡方程的收入项，约占有效能量的6.8%，1月份几乎没有日变化。 (4)辽东山区天然次生林全年E总量为541.8 mm，占全年降水总量的70.3%。生长季E总量为398.3 mm，占全年E总量的73.5%，占同期降雨总量的61.8%。