1 引言

植被冠层与大气水汽通量的耦合程度概念是由Jarvis et al(1986)提出的, 用解耦系数Ω来表征, Ω值的大小反映了物质通量、能量的交换能力。由于大气与地表之间的相互作用会对全球和区域气候变化产生重要影响(阳伏林等, 2010), 因此, 准确理解不同植被、地表类型与大气之间的能量和水分交换特征及其耦合程度, 对认识区域乃至全球的气候变化与水循环有着非常重要的意义(Sellers et al, 1997; 窦军霞等, 2007)。目前, 部分学者针对植被冠层与大气耦合度进行了研究。Meinzer et al(1993, 1997)研究了热带高腰果木和其他四种树种的解耦系数, Wullschleger et al(2000)研究了美国一处高大红枫林的解耦系数, Cienciala et al(2000)研究了马来西亚沙巴州西海岸两个马占相思林的解耦系数, Magnani et al(1998)和Herbst et al(1995)分别研究了不同林龄山毛榉林的解耦系数, Kumagai et al(2004)研究了马来西亚一处龙脑香科树混交林的解耦系数, 但是在极端干旱条件下有关林木解耦系数的研究仍较缺乏。

胡杨是具有较高的生态、经济和社会效益的树种(司建华等, 2007), 也是干旱区生态系统的重要组成部分(苏里坦等, 2014)。然而, 2000年黑河分水工程实施以前, 随着额济纳绿洲生态环境的恶化, 黑河水断流、居延海干涸, 胡杨林呈衰败之势(司建华等, 2008)。与20世纪50年代相比, 胡杨林面积减少了54%(白福等, 2008)。张小由等(2006)、Si et al(2007)和苏永红等(2008, 2009)的研究结果发现, 以往有关额济纳绿洲胡杨林的研究主要集中于胡杨水分利用及生理生态学方面, 而胡杨林冠层与大气耦合度方面的研究工作尚未开展。

Ω是表征作物与周围大气水汽交换的重要参数(张永强等, 2002), 对于Ω的研究有利于了解胡杨的各项生理指标, 进而有效地保护胡杨林。基于2014年胡杨主要生长季内气象、环境、树干液流和树形结构等实际观测资料, 分析黑河下游荒漠河岸胡杨林冠层蒸腾速率、冠层气孔导度和解耦系数的日、季节变化特征, 以增进对荒漠河岸胡杨林冠层与大气间水热交换机制的理解。

2 资料选取和方法介绍 2.1 研究区概况

试验地点位于额济纳绿洲, 大致范围介于99°03′E-100°00′E, 40°30′W-42°30′W, 属阿拉善台地的一部分, 是黑河末端的大型冲积扇, 东为巴丹吉林沙漠, 西为马鬃山山地, 北到中蒙边界, 南到黑河下游上段的鼎新绿洲, 绿洲面积达3.12×10⁴ km²。由西南部剥蚀低山残丘、中东部冲积平原、湖盆洼地与南部巴丹吉林沙漠等组成, 海拔在850~1 100 m, 总地形向东北倾斜; 属极端大陆性气候, 该地区年均降水量不足40 mm, 最少降水量为7.0 mm; 蒸发量高达2 500~4 000 mm, 空气相对湿度年内变化呈先降低后升高的趋势, 最大值出现在12月份, 为49.71%;最小值出现在5月份, 为21.98%, 平均相对湿度不足35%, 空气十分干燥; 年均气温8.6 ℃, 年均风速4.4 m·s^-1, 全年8级以上大风日数平均54天, 属极端干旱区。

试验样地位于内蒙古额济纳旗达镇东南的七道桥胡杨林保护区, 共有胡杨树80株, 为天然纯胡杨林。样地内胡杨平均树高10.2 m, 平均树龄为32年, 平均胸径为24.67 cm, 平均冠幅为442 cm×450 cm。土壤体积含水量为0.35 m³·m^-3, 土壤容重为1.53 g·cm^-3。

2.2 观测材料和方法 2.2.1 树形结构及树干液流观测

试验针对该天然纯胡杨林, 于2014年胡杨的主要生长季内(5月6日至10月8日)进行。选取胡杨样树4棵, 于树干胸径(1.3 m处)用生长锥钻取木栓, 测量边材厚度, 计算边材面积, 并测定其他树形特征(表 1)。同时于向阳处在树干胸径(1.3 m处)安装热比率法茎流仪探针, 上下两端分别安装温度探针, 中间安装加热探针, 探针总长度为30 mm, 相互之间的间隔为6 mm。在温度探针上有两对温度传感器, 距离针尖的距离分别为22.5 mm和7.5 mm, 即相当于两个热偶电阻之间的距离间隔为15 mm。热比率法茎流仪的原理是通过计算一次热脉冲释放后, 通过计算等距离点的温度探针增加值的比, 进而进一步算出热脉冲速率(V_h), 计算公式如下:

$ {V_h} = \frac{k}{x}\ln\left( {\frac{{{v_1}}}{{{v_2}}}} \right) \times 3\;600\;\;\;\;, $

(1)

式中: k为生(鲜)材热扩散系数(2.5×10^-3 cm²·s^-1); x为任意一个温度探针与加热器之间的距离; v₁和v₂分别为热比率法茎流仪上端和下端等距点(x cm)的温度(初始)增加值; 加热器与任意一个温度探针的距离即为-0.6 cm和0.6 cm, 因此, x的值为0.6。计算整树冠层蒸腾速率E的公式为:

$ E = {V_h}\frac{{{A_s}}}{{{A_G}}}\;\;\;\;, $

(2)

式中: A_s为样树边材面积(单位: cm²); A_G为样树冠层的地面投影面积(单位: cm²)。

2.2.2 环境因子观测

在胡杨林保护区内安装有一套自动气象站, 用于连续观测环境因子, 测定参数包括:风速、净辐射、空气温度和相对湿度。测定频度与液流测定同步, 时间间隔均为30 min。

2.2.3 解耦系数计算

由Penman-Monteith方程可以反推出冠层气孔导度, 计算公式如下:

$ {g_c} = \frac{{{g_a}\gamma \lambda E}}{{\Delta {R_n} - \lambda E(\Delta + \gamma ) + \rho {c_p}{g_a}\left( {{e_s} - {e_a}} \right)}} \times 1\;000\;\;\;\;, $

(3)

式中: g_c为冠层气孔导度(单位: mm·s^-1); g_a为空气动力学导度(单位: mm·s^-1); γ=66.5 Pa·K^-1为湿度常数; λ=2.465 MJ·kg^-1为水蒸发潜热; Δ为水汽压与气温变化斜率(单位: Pa·K^-1); R_n为净辐射(单位: W·m^-2); ρ=1.225 kg·m^-3为干燥空气密度; c_p=1.01 J·g^-1·K^-1为空气热容量; e_s为饱和水汽压(单位:KPa); e_a为实际水汽压(单位: KPa); E为蒸腾速率(单位: g·cm^-2·d^-1)。

g_a可根据Granier et al(2000)提出的公式计算:

$ {g_a} = \frac{{{k^2}u}}{{\ln{{\left[ {\left( {z - d} \right)/{z_0}} \right]}^2}}}\;\;, $

(4)

式中: k=0.4为Karman常数; u为风速(单位: m·s^-1); d为地表面修正量(单位: m); z为相对高度(单位: m); z₀为粗糙长度(单位: m), 其余参数意义同上。

Ω可根据Jarvis et al(1986)提出的公式计算:

$ \varOmega = \frac{{(\Delta /\gamma + 1)}}{{(\Delta /\gamma + 1 + {g_a}/{g_c})}}\;\;, $

(5)

蒸腾速率E可由均衡蒸腾速率E_eq和强加蒸腾速率E_imp计算得出, 公式如下:

$ E = \varOmega {E_{eq}} + \left( {1 - \varOmega } \right){E_{imp}}\;\;, $

(6)

Ω的取值范围在0~1之间, 在决定E时反映了E_eq对于E_imp的相对重要性(Steduto et al, 1998)。当Ω的值小于0.5时, E_imp的重要性大于E_eq; 当Ω的值大于0.5时, E_eq的重要性大于E_imp; 当Ω的值等于0.5时, E_eq的重要性与E_imp相当。

3 结果与分析 3.1 环境因子生长季内变化分析

从试验期内环境因子变化(图 1)中可以看出, 净辐射在胡杨生长季内波动范围较大, 变化范围为107.34~547.54 W·m^-2, 平均值为384.85 W·m^-2。由于夏季阳光充足, 气温和水汽压在生长季内表现出先升高后降低的趋势。平均气温为24.78 ℃, 最高气温接近40 ℃, 同时, 气温的昼夜变化幅度也较大, 通常都大于15 ℃。平均水汽压为0.73 KPa, 变化范围为0.15~1.73 KPa。风速在5月份及9-10月份较大, 最大风速接近10 m·s^-1, 这主要是额济纳旗盛行春季风和秋季风所致。

3.2 胡杨冠层蒸腾速率、冠层气孔导度与解耦系数日变化分析

在胡杨生长季内, 每月选取一天晴朗的天气条件, 测定并计算胡杨冠层蒸腾速率、冠层气孔导度及解耦系数。由图 2可以看出, 冠层气孔导度与冠层蒸腾速率均呈单峰型曲线。冠层气孔导度在09:00左右达到最大值, 冠层蒸腾速率在12:00以后相继达到最大值。5月8日和10月8日的冠层气孔导度与冠层蒸腾速率均远小于其他月份各值, 原因在于5月初正值胡杨的展叶期, 叶片尚未成形, 而10月初则进入了叶变色期, 叶片即将脱落。各观测日内冠层气孔导度的均值分别为0.33, 2.07, 2.01, 1.71, 1.88和0.82 mm·s^-1, 冠层蒸腾速率的均值分别为1.25, 13.10, 13.44, 11.49, 9.21和2.77 g·cm^-2·h^-1。

由图 3中可以看出, 解耦系数的日变化也呈单峰型曲线。解耦系数的值在早晨和傍晚时较小, 这主要是由于早晨和傍晚太阳辐射较弱, 叶片气孔开度较小, 冠层蒸腾速率和冠层气孔导度低。在中午时, 太阳辐射强, 冠层气孔导度达到全天最大值, 解耦系数也达到最大值。

3.3 胡杨冠层蒸腾速率、冠层气孔导度与解耦系数季节变化分析

从试验期内胡杨冠层蒸腾速率逐日变化(图 4)可以看出, 冠层蒸腾速率在生长季内大体上呈先迅速上升, 然后波动下降, 最后迅速降低的趋势。在生长季内的大部分时间段内(5月15日至9月30日), 冠层蒸腾速率呈波动下降的趋势。5月中旬冠层蒸腾速率迅速上升, 由月初的12.90 g·cm^-2·d^-1升至154.10 g·cm^-2·d^-1。进入10月份后, 冠层蒸腾速率迅速降低, 由142.86 g·cm^-2·d^-1降低至20.85 g·cm^-2·d^-1。主要生长季内胡杨样树冠层蒸腾速率的日均值为182.23 g·cm^-2·d^-1。

从试验期内胡杨解耦系数及冠层气孔导度的逐日变化(图 5)可以看出, 解耦系数的变化趋势与冠层气孔导度变化趋势相近, 均呈先增大后减小, 之后略有浮动增大, 最后减小的趋势。冠层气孔导度的日均值为1.83 mm·s^-1, 最大值为3.43 mm·s^-1, 最小值为0.13 mm·s^-1。解耦系数的日均值为0.034, 最大值为0.081, 最小值为0.001。

4 讨论

解耦系数对于研究植被与大气之间的耦合过程具有重要意义, 但是, 目前这方面的研究仍然较少。对荒漠河岸胡杨林解耦系数的研究结果发现, 解耦系数的日变化呈单峰型曲线。解耦系数的值在早晨和傍晚时较小, 在中午时达到最大值, 这主要是由于早晨和傍晚太阳辐射较弱, 叶片气孔开度较小, 冠层蒸腾速率和冠层气孔导度低。在中午时, 太阳辐射强, 冠层气孔导度达到全天最大值, 解耦系数也达到最大值, 这一结论与张永强等(2002)对农田冠层与大气水汽通量耦合度分析结果, 以及Steduto et al(1998)对于玉米冠层和大气耦合度分析结果相一致。在胡杨主要生长季内, 解耦系数的变化趋势与冠层气孔导度的变化趋势基本一致, 均呈先增大后减小, 之后略有浮动增大, 最后减小的趋势, 解耦系数的变化范围为0.001~0.081。对影响荒漠河岸胡杨林蒸腾的冠层与下层大气进行相关性推断, 认为影响胡杨林蒸腾的冠层与大气耦合度较高。尽管试验地处于极端干旱区, 下层大气十分干燥, 林冠层叶气界面水分散失很快, 但黑河下游荒漠河岸林供水良好。王根绪等(2002)指出, 为维持和稳定黑河下游额济纳现有绿洲规模, 狼心山断面过水流量不应小于1.84 m³·s^-1。近年来狼心山断面过水流量数据(图 6)显示, 各年份实际过水流量均远大于生态需水量。林冠层空气动力学条件相近, 使得胡杨林蒸腾主要受叶面气孔控制。这一结论与Wullschleger et al(2000)所得结论相一致, 也解释了胡杨生长季内冠层气孔导度与解耦系数变化趋势基本一致的现象。

5 结论

基于2014年胡杨主要生长季内树形特征、树干液流、环境因子的实际观测数据, 根据以往学者提出的经验公式, 计算了胡杨冠层蒸腾速率、冠层气孔导度与解耦系数的值, 分析了其日变化与季节变化特征, 得到的主要结论如下:

(1) 从日变化趋势来看, 解耦系数在早晨和傍晚时较小, 中午达到最大值, 这主要是由于早晨和傍晚时太阳辐射比较弱、作物气孔开度小, 使冠层气孔导度降低造成的; 而中午时冠层气孔导度达到全天的最大值, 解耦系数值也达到最高。

(2) 从季节变化趋势来看, 解耦系数与冠层气孔导度变化趋势相近, 在生长季内均呈先增大后减小, 之后略有浮动增大, 最后减小的趋势。本研究中, 解耦系数的值接近于0, 说明了影响胡杨林蒸腾的冠层与大气耦合度高。