天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季能量通量及平衡分析

方成圆, 江　洪,2, 牛晓栋, 陈晓峰, 孙　恒

(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)



天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季能量通量及平衡分析

方成圆1, 江洪1,2, 牛晓栋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:为探讨森林生态系统的能量平衡关系，利用开路涡度相关系统和常规气象仪器的观测结果，分析了2014年天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季的能量通量变化特征，并计算了波文比及其能量闭合度.结果表明:生长季净辐射总量为1 810.2 MJ·m-2，潜热通量、显热通量和土壤热通量分别为1 033.0、727.7和53.8 MJ·m-2，潜热通量占净辐射的57%,显热通量占净辐射的40%，土壤热通量占净辐射的3%；生长季能量闭合度为1.002，月平均能量闭合度为0.99.

关键词:能量通量; 能量闭合度; 常绿、落叶阔叶混交林

森林覆盖了全球30%的陆地[1]，是最大的陆地生态系统，对水分输送、地面温度及植被的生长发育等有着重要影响,在水循环和能量再分配中发挥着至关重要的作用.能量交换作为生态系统的一个重要过程，影响气温、水分转移和植物的生长及其产量[2].因此，准确理解不同类型地表和大气之间的能量交换特征，对水循环和气候变化的研究有着重要意义[3-4].近年来，具有不干扰生态系统、时间分辨率高等优点的涡度相关技术，已被广泛应用于陆地生态系统与大气之间物质传输和能量交换的研究中[5-8].现今各类生态系统的CO2、H2O和能量通量正在全球各地的涡度相关通量观测站点进行长期观测，为全球气候变化的研究提供了可靠数据.根据热力学第一定律和涡度相关技术观测的基本假设， CO2、H2O等物质通量和能量通量的测定，有着相似的理论基础和相同的传输机制，因此理论上能量平衡闭合度可作为涡度观测系统的性能和数据质量评价的有效方法，且被人们广泛接受[9].国际通量观测网络(FLUXNET)的许多站点都将能量平衡分析作为通量数据的质量评价的一种标准程序[10-11].能量平衡问题的研究工作在国外已经大量开展，在国内起步较晚，中国通量观测网络(ChinaFLUX)于2002年建成.

广泛分布于亚热带地区的常绿、落叶阔叶混交林，是中国南部重要的森林生态系统，在森林的碳汇中表现出突出作用.能量通量的分析研究，目的在于客观评价涡度相关观测的准确性，为评估森林生态系统与大气间的物质交换和能量交换奠定基础.目前我国亚热带地区的通量观测站点主要有千烟洲人工针叶林站点[12]、 鼎湖山常绿针阔混交林站点[13]、 湖南会同人工杉木林站点[14]和安吉毛竹林站点[15]等.本文以天目山常绿、落叶阔叶混交林为研究对象，分析了2014年该生态系统生长季(4～9月份)的气象和能量观测数据.

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

浙江省临安市的天目山国家级自然保护区，地理坐标30°18′30″～30°24′55″N、119°24′47″～119°28′27″E.主峰仙人顶的海拔1 505.7 m.中亚热带向北亚热带过渡型气候，受温暖潮湿的海洋气流影响，季风强劲，四季分明，年平均气温8.8～14.8 ℃，年降水量1 390～1 870 mm，相对湿度76%～81%，年太阳辐射4 460～3 270 MJ·m-2.

土壤垂直分布划分为红壤(海拔600 m以下)、黄壤(海拔600～1 200 m)和棕黄壤(海拔1 200 m以上)3个土带.植被类型垂直分布划分为常绿阔叶林(海拔850 m以下)、常绿、落叶阔叶混交林(海拔850～1 140 m)、落叶阔叶林(海拔1 140～1 380 m)和落叶矮林(海拔1 380～1 506 m).常绿、落叶阔叶混交林是天目山植被的主要部分，分布于海拔850～1 140 m，常绿乔木主要有细叶青冈、石栎和交让木等，落叶乔木有青钱柳、化香、枫香、天目姜子和短柄枹等，灌木有柃木、箬竹和马银花等，另外还混有针叶林柳杉林、金钱松林和黄山松林等，组成多种较复杂的森林类型.天目山常绿、落叶阔叶混交林通量观测系统安装于幻住庵附近，保护区核心区域内(30°20′59″N、119°26′13.2″E)，海拔1 139m，下垫面坡度6.6°左右，坡向南偏西16°，群落类型为常绿、落叶阔叶混交林，林分起源140 a，郁闭度0.7.主要乔木有小叶青冈、交让木、小叶白辛树、短柄炮、青钱柳、天目槭、秀丽槭和糙叶树等，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.土壤为山地黄壤，深度约100 cm，pH 5～6，枯枝落叶层厚度达10～20 cm.

1.2观测方法

通量观测系统由位于山脚的天目山管理局供电，观测数据配备有无线传输模块，利用远程计算机加载虚拟串口，通过GPRS连接数据采集器，实时监测传感器状态.微气象观测塔的塔高40 m，于38 m的高处装配有由CSAT3型三维超声风速仪(美国Campbell公司)和开路EC150型CO2/H2O分析仪(北京天诺基业科技有限公司)组成的开路涡度相关系统探头，原始采样频率为10 Hz，由CR3000型数据采集器(美国Campbell公司)进行数据存储，同时在线计算并存储30 min的CO2通量、摩擦风速、显热通量和潜热通量等参数.

通量观测系统还配有常规气象观测系统和TRM-ZS4环境梯度气象观测系统,由锦州阳光气象科技有限公司安装，包括2、7、11、17、23、30和38 m共7层高度的EC-9S型风速仪、PTS-3型大气温湿度仪(均为锦州阳光气象科技有限公司产品)；3个PTWD-2A型土壤温度仪、3个TDR-3型土壤湿度仪(均为锦州阳光气象科技有限公司产品)，埋设深度分别为5、50和100 cm；2个土壤HF-1型热通量仪(为锦州阳光气象科技有限公司产品)，埋设深度分别为3和5 cm；2个SI-Ⅲ型红外温度仪(北京天诺基业科技有限公司产品)，分别安装于2和23 m的高度，用于采集地表和冠层的温度.数据采集器每隔30 min自动记录平均风速、环境温湿度和土壤温湿度等常规气象信息.

1.3数据处理

在实际观测过程中，受到降水和露水等各种外界因素的影响，开路涡度相关系统探头所感知的三维风速脉动值可能会出现异常，因此据此计算出的显热通量、潜热通量和CO2通量数据必须进行剔除处理.结合通量观测原理和中国通量观测网络推荐的筛选标准，剔除满足以下任意一条的30 min记录数据：(1)湍流不充分(<0.2 m·s-1)；(2)有降水出现；(3)超过仪器测量量程或合理范围的记录，CO2通量超出-2.0～2.0 mg·m-2·s-1，CO2含量超出500～800 mg·m-3，水汽含量超出0～40 g·m-3;(4)异常突出的数据(某一个数值与连续5点平均值之差的绝对值>5个点方差的2.5倍).而太阳净辐射和土壤热通量由常规气象仪器观测，不受天气影响，可以不作剔除.

进行通量计算时，认为水平方向的通量是均匀的，主要考虑垂直方向，这要求尽量确保下垫面均匀平坦、仪器完全垂直安装，实际上这样的观测条件很难得到满足，因此通过二次坐标旋转来矫正仪器不垂直、地势非均匀平坦，即首先旋转水平面使坐标系的x轴与水平风方向平行(侧向平均风为0)，然后再次旋转从而使得平均垂直风速度为0[16].用水汽矫正因热量或水汽通量输送引起的微量气体[17]密度脉动变化.对于各个能量分值的缺失值，缺失1 d以内的数据采用线性插补法进行插补，而对于缺失超过1 d的数据，则利用该能量分量与该月净辐射的回归关系进行插补.

1.4能量平衡的研究方法

根据热力学第一定律，无论通量观测站存在怎样的生态和生物气候学上的差异，生态系统内的能量都应该是守恒的.理论上显热通量(H)和潜热通量(LE)的总和应该与净辐射(Rn)减去土壤热通量(G)、植物和大气的热储量(S)以及其他来源的能量(Q)是相等的，即：H+LE=Rn-G-S-Q[16,18].式中，S通常比较小，对于一昼夜来说，几乎为0，在计算精度允许的范围内,可以忽略[19-21]；Q很小，常忽略.因此，能量平衡方程改写为：H+LE=Rn-G.式中，H+LE为涡度相关系统直接测量出的显热通量、潜热通量之和，称为湍流能量；Rn-G为有效能量.有效能量与湍流能量相等，能量平衡闭合，否则，能量平衡不闭合.

为评价能量平衡闭合度，用能量平衡比率法计算出能量平衡比率，即涡度相关系统直接测定的湍流能量与有效能量的比值.能量闭合度越接近于1，说明涡度系统能越准确地观测湍流通量；反之，能量闭合度>1或者<1，说明涡度系统高估或者低估了湍流通量.采用线性回归分析方法，根据最小二乘法原理计算回归截距和斜率，理想状况下，回归截距为0，斜率为1.线性回归方法一般有普通最小二乘法(OLS)和压轴回归分析(RMA)两种，以往的研究表明[22-23],二者没有太大区别.本文采用普通最小二乘法，该法能反映瞬时的能量闭合状况[24]；计算波文比，即显热通量与潜热通量之比，以表征大气和地表间的能量交换特征，分析能量在生态系统中的分配.

2结果与分析

2.1气象因子的变化

从图1可以看出，天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季的降雨量、气温和土壤5 cm处的温度均呈现单峰型曲线变化.整个生长季总降雨量为1121.7 mm，以7月份的降雨量最大(279.5 mm)，8月份次之(273.9 mm)，9月份的降雨量最小(115.9 mm).整个夏季(6～8月份)总降雨量为732.0 mm，占生长季总降雨量的65%，可见降雨比较集中.

气温和土壤5 cm处的温度比较接近，土壤5 cm处的温度均低于当月气温，这是因为土壤的热容量要大于空气；两者均在7月份达到最高，气温为22.6 ℃，土壤5 cm处的温度为21.3 ℃；两者的最低值均出现在4月份，气温为11.0 ℃，土壤5 cm处的温度为9.4 ℃.

2.2能量通量的日变化

生态系统在太阳辐射的驱动下，完成能量流动、物质合成和转移以及碳水循环等一系列生理活动.各个生态系统的群落和下垫面不尽相同，因此，当不同系统获得净辐射能量后，其分配变化特点也不相同.

将天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季各月份半小时间隔时刻下的能量通量数据做月平均处理，以表征能量通量的日变化特征.结果(图2)显示，各能量分量的日变化曲线均呈现明显的单峰型变化.根据微气象学符号协定，将净辐射放入生态系统，记作正值，反之，记作负值.4～9月份夜间的净辐射均为负值，基本稳定在-30 W·m-2左右，在6:00～6:30变为正值，此后逐渐增大，于11:00左右达到峰值，然后又逐渐降低，日落后，在18:00～19:00转变为负值，然后逐渐趋于平稳.净辐射最大值出现在8月份，为538.6 W·m-2，最小值出现在9月份，为218.0 W·m-2.显热通量和潜热通量的日变化特征与净辐射类似，只是变化曲线较净辐射平缓.显热通量主要是消耗于近地面层空气的湍流运动，同样是在正午前后达到最大值，可能是由于此时温度最高、风速最大，在粗糙的林冠层上方引起强烈的乱流热交换；夜间显热通量也全为负值，基本稳定在-25 W·m-2左右，最大值出现在5月份，为369.1 W·m-2.潜热通量的波动较大，这可能与间歇性湍流和夜间湍流的低估有关[25].潜热通量是重要的热量支出项，在夜间也基本全为正值，且值很小，上午随着净辐射的增加而上升，正午前后达到最大值，午后随着净辐射的减少而降低.6～8月份的潜热通量明显大于其余月份，这是由于夏季降雨充沛，温度较高，导致林地蒸发和植物蒸腾作用强烈，最大值出现在6月份，为324.0 W·m-2.

净辐射除了以潜热和显热的形式传播到大气中外，另有一部分能量向下传导至土壤中，即土壤热通量.不同月份的土壤理化性质和热导率不同，导致土壤吸热、散热在时间上存在差异，因而热汇、热源也不同[26-28].热量进入土壤中，即土壤为热汇，土壤热通量为正值；反之，土壤为热源，土壤热通量为负值.4～9月份土壤均表现为热汇，土壤热通量的数值与其他能量分量相比要小1～2个数量级，4～6月份正负值发生转换的时间要比净辐射延迟1.5～2.5 h.7和8月份土壤热通量全为正值，9月份除少数时刻外，也基本全为正值.

2.3能量分配特征及波文比

从净辐射、显热通量、潜热通量和土壤热通量的每月累积(图3)可以看出，各个能量分量的变化均以净辐射变化为基础.常绿、落叶阔叶混交林生长季显热通量为727.7 MJ·m-2，占净辐射(1 810.2 MJ·m-2)的40%，潜热通量为1 033.0 MJ·m-2，占净辐射的57%，潜热通量约为显热通量的1.4倍.4和5月份正处于生长季之初，枝叶初展，落叶阔叶林的叶面积指数相对较低，降雨量也相对较少，土壤和植被含水量较低，林冠蒸散较小，因此显热交换在辐射平衡值中所占的比重较大.6～8月份由于降雨比较充沛，气温较高，同时随着群落发育叶面积指数增大，导致潜热通量较大，6～8月份的总潜热通量(619.9 MJ·m-2)是显热通量(320.5 MJ·m-2)的1.9倍.9月份为生长季末，叶面积指数降低，且降雨量减少，但由于之前充沛的降雨，使得土壤含水量依然保持较高，且净辐射(210.9 MJ·m-2)为生长季最低，虽然温度有所降低，但仍然与6月份持平.上述因素综合作用导致了9月份的潜热通量(124.1 MJ·m-2)虽有所下降，但仍然是该月主要的支出项(占净辐射的59%).生长季土壤热通量变化不明显，4～9月份全部表现为正值，生长季总值为53.8 MJ·m-2，土壤表现为热汇.总的来说，生长季在能量分配中起主导作用的是潜热通量，这与长白山阔叶红松林的研究结果[24]相似.

波文比能够表征大气与地表之间的能量交换特征，是反映生态系统能量状况的重要参数[29].本文中，土壤热通量(53.8 MJ·m-2)仅占净辐射的3%，因此净辐射主要分配给显热通量和潜热通量，波文比的大小决定了能量在生态系统中的分配.从图4可以看出：生长季波文比的波动较大，4和5月份由于降雨较少，净辐射进入生态系统后，主要用于以显热形式加热大气和植被的耗能，湍流通量以显热通量为主；6～8月份随着降雨的增加，此时森林处于最旺盛的生长阶段，能量主要用于生态系统的蒸发耗散，潜热通量是主要的支出项，造成波文比减小；9份月虽然降雨减少，但由于净辐射较低，温度和土壤湿度依然较大，导致潜热通量占净辐射的比重仍然较大.生长季平均波文比为0.75，即潜热通量大于显热通量.

2.4能量平衡分析

根据天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季数据，用能量平衡比率法对湍流能量和有效能量进行闭合度分析.结果(图5)显示，闭合度的的月变化并不明显，最大值出现在5月份，为1.07，最小值出现在9月份，为0.86，生长季月平均闭合度为0.99，总闭合度为1.002，即仅有0.002%的过闭合现象，能量闭合情况比较理想.

半小时间隔时刻下，对生长季湍流能量和有效能量进行逐月线性回归分析得出，生长季截距为0.44～6.27 W·m-2，斜率为0.57～0.69，相关系数为0.79～0.86，平均截距为3.99 W·m-2，平均斜率为0.62，平均相关系数为0.83(表1)；黄土高原干旱草地的平均截距、斜率和相关系数分别为17.22 W·m-2、0.69和0.95[30]；中国通量观测网络8个站点的平均截距、斜率和相关系数分别为28 W·m-2(10～79.9 W·m-2)、0.67(0.49～0.81)和0.82(0.52～0.94)[23]；国际通量观测网络站点的斜率为0.55～0.99，相关系数为0.64～0.96[22].相比之下，天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季的能量平衡情况处于平均水平，需进一步提高数据的质量，以提高能量闭合度.

表1　生长季能量逐月线性回归系数

3结论

天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季的净辐射为1 810.2 MJ·m-2，显热通量、潜热通量和土壤热通量分别为727.7、1 033.0和53.8 MJ·m-2，显热通量占净辐射的57%,潜热通量占净辐射的40%，土壤热通量仅占净辐射的3%；潜热通量是主要的能量支出项，土壤表现为热汇，可能与生长季土壤呼吸加强有关；各个能量分量的日变化曲线均呈单峰型，但由于湍流传输的间歇性，净辐射变化曲线较显热通量和潜热通量平滑；净辐射、显热通量和潜热通量最大值分别出现在8、5和6月份.

天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季各月份能量平衡比率波动不大，为0.86～1.07，9月份最小，5月份最大；生长季总能量闭合度为1.002，月平均闭合度0.99；波文比为0.40～1.43，生长季平均波文比为0.75，潜热通量大于显热通量.

对天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季能量进行逐月线性回归分析得到，平均截距为3.99 W·m-2，平均斜率为0.62，平均相关系数为0.82，处于通量观测站点的平均水平.

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(责任编辑:施晓棠)

收稿日期：2015-07-16修回日期：2016-03-13

基金项目:国家自然科学基金资助项目(6190114；41171324)；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项目(2010R2010R0)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20110091110028).

作者简介:方成圆(1990-)，女，硕士研究生.研究方向：森林生态系统碳水通量.Email：451149901@qq.com.通讯作者江洪(1955-)，男，教授，博士.研究方向：全球气候变化、生态模拟、大气遥感、定量环境遥感、碳氮循环、生态水文.Email:jianghong_china@hotmail.com.

中图分类号:S718.55+4.1

文献标识码:A

文章编号:1671-5470(2016)04-0391-07

DOI:10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.04.005

Energy flux and balance analysis of evergreen and deciduous broad-leaved mixed forest in Tianmu Mountain during growing season

FANG Chengyuan1, JIANG Hong1,2, NIU Xiaodong1, CHEN Xiaofeng1, SUN Heng1

(1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestratiion, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Lin′an, Zhejiang 311300, China; 2.International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210093, China)

Abstract:To understand the energy balance closure of forest system, open-path eddy covariance system and meteorological instruments were used to depict the features of energy flux in an evergreen and deciduous mixed hardwood forest in Tianmu Mountain during growing season in 2014. Bowen ratio and energy balance closure were also evaluated. Results showed that total net radiation of Timu Mountain in growing season was 1 810.2 MJ·m-2. Latent heat, sensible heat and soil heat fluxes were 1 033.0, 727.7 and 53.8 MJ·m-2, respectively, accounting for 57%, 40% and 3% of the net radiation. The energy balance closure was 1.002 in the growing season in 2014, with monthly average being 0.99.

Key words:energy flux; energy balance closure; evergreen and deciduous mixed forest