生态系统php探针

生态学报2010,30(3):0557—0567ActaEcologicaSinicahttp://www.
ecologica.
cn基金项目:中国科学院"百人计划"资助项目;中国科学院知识创新工程重要方向资助项目(KZCX2-YW2432);日本科学技术振兴机构"东北亚草原大气-水圈-生物圈相互作用研究实验"(RAISE)资助项目收稿日期:2008211207;修订日期:20092022063通讯作者Correspondingauthor.
E2mail:lisg@igsnrr.
ac.
cn不同降水梯度下草地生态系统地表能量交换刘帅1,2,李胜功1,3,于贵瑞1,孙晓敏1,张雷明1,杉田伦明3,李英年4,张宪洲5,王艳芬2(1.
中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室,CERN综合研究中心,北京100101;2.
中国科学院研究生院,北京100039;3.
日本筑波大学生命与环境科学大学院,筑波30528572;4.
中国科学院西北高原生物研究所,西宁810001;5.
中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)摘要:通过对不同降水梯度下的蒙古中部针茅草原(KBU)、内蒙古羊草草原(NM)、海北高寒灌丛草甸(HB)和当雄高寒草甸草原(DX)4个草地生态系统的能量通量连续4-5a的测定,分析了影响青藏高原和蒙古高原草地生态系统生长季中地表能量交换的主要因素.
研究表明:相对于KBU、NM和DX,HB高寒灌丛草甸NDVI(0.
58)和土壤含水量(28.
3%)最大,因而地表短波反射率(αk)最低(0.
12),从而获得了最大的净辐射(Rn).
KBU、NM和DX3个草地生态系统生长季中αk随着植被的生长而降低,在生长季末期,随着植被的凋落而增加;HB的αk季节变化趋势与其它生态系统相反.
从蒙古高原(KBU和NM)到青藏高原(HB和DX),随着降水量的增加,波文比(β)逐渐减小(2.
25-0.
53),即生态系统与大气的能量交换从显热(H)占主导转变为潜热(LE)占主导.
植被状况对草地生态系统与大气之间能量交换的季节动态有重要的调控作用,在NDVI较低的时候,4个生态系统H/Rn都大于LE/Rn,LE/Rn随着NDVI的增加而增加,而H/Rn呈现出与LE/Rn相反的季节变化趋势.
关键词:青藏高原;蒙古高原;草地生态系统;辐射平衡;反射率;能量分配SurfaceenergyexchangesingrasslandecosystemsalongaprecipitationgradientLIUShuai1,2,LIShenggong1,3,YUGuirui1,SUNXiaomin1,ZHANGLeiming1,SUGITAMichiaki3,LIYingnian4,ZHANGXianzhou5,WANGYanfen21SynthesisResearchCenterofChineseEcosystemResearchNetwork&KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China3GraduateSchoolofLifeandEnvironmentalSciences,UniversityofTsukuba,Tsukuba30528572,Japan4NorthwestInstituteofPlateauBiology,ChineseAcademyofSciences,Xining810001,China5InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,ChinaAbstract:ThispaperexploresurfaceenergyexchangesandtheirunderlyingmechanismsduringthegrowingseasoninfourgrasslandecosystemsinQinghai-TibetanPlateauandMongolianPlateauthroughanalyzingthe4—5-yearcontinuousfluxdataobtainedbytheeddycovariancetechnique.
ThefourecosystemsareatemperatesteppeecosystemincentralMongolia(KBU),atemperatesteppeecosysteminInnerMongolia(NM),analpineshrub-meadowecosystem(HB)andanalpinesteppemeadow(DX)inQinghai-TibetanPlateaualongaprecipitationgradient.
Theresultsshowthatthesurfacereflectivity(albedo)forshort-waveradiation(αk)waslowest(0.
12)inHBbecauseofhighestNDVI(0.
58)andvolumetricsoilwatercontent(28.
3%)comparedwiththoseofotherthreeecosystems.
TheαkvaluesinKBU,NMandDXdecreasedwiththegrowthofplant,andincreasedastheplantsenescedduringthelategrowingseason;buttheseasonalvariationofαkinHBexhibitedanoppositetrendtothoseatotherthreesites.
TheBowenratiodecreasedfrom2.
25to0.
53http://www.
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cnfromtheMongolianPlateautoQinghai-TibetanPlateauwiththeincreaseofprecipitation,suggestingthatthereisashiftofthesensibleheatflux(H)dominatedenergypartitioningtothelatentheatflux(LE)dominatedenergypartitioning.
Vegetationgrowthplayedanimportantroleincontrollingenergyexchangebetweengrasslandecosystemsandtheatmosphere.
Theevaporativefractionofnet-radiation(LE/Rn)waslowerthanH/RnwhenNDVIwaslow;butwithanincreaseinNDVI,LE/RnincreasedwhereasH/Rndecreased.
KeyWords:Qinghai-TibetanPlateau;MongolianPlateau;grasslandecosystem;radiationbalance;albedo;energypartitioning太阳辐射是地球能量的主要来源,也是地球表层各种物理过程、生物过程的基本动力.
当太阳辐射穿过大气到达地球表面时将产生一系列的能量再分配,包括地面、大气及地-气系统的吸收、反射和二次辐射等.
陆地表层获得的净辐射主要以潜热和显热形式向大气输送水汽和热量,还有部分向土壤中传导以及储存于植物冠层中.
不同陆地生态系统由于地理位置和地形等的不同获得辐射能量也不同,加上下垫面(植被、土壤状况)的不同,导致了陆地与大气间水热交换的差异,进而对气候产生不同的影响.
青藏高原和蒙古高原是世界气候变化敏感区,青藏高原和蒙古高原气候受全球变暖影响出现了显著变化.
研究表明,自20世纪50年代中叶以来,青藏高原有变暖趋势,特别是在冬季更为明显[1];1955—1996年青藏高原气象观测台站的年平均温度和冬季平均温度每10a分别增加0.
16℃和0.
32℃,超过北半球及同纬度地区[2];蒙古高原在过去的60a中气温呈增加趋势,夏季降水却呈减少趋势[1].
在两个高原上,草地生态系统均占主导地位[3-4].
由于其独特的区域位置、地貌和气候特点导致青藏高原和蒙古高原草地生态系统和大气之间的水汽、能量交换过程对亚洲乃至全球的气候变化有重大影响.
目前,有关陆地生态系统和大气之间水汽、能量交换过程的研究有很多,从热带到北半球中高纬度囊括了森林、草地、农田及苔原等不同生态系统类型[5-9].
然而针对青藏高原和蒙古高原草地生态系统的研究还不多,已经发表的一些研究基本上都是基于1—2a的观测数据[10-12],多年连续观测资料的匮乏使人们对青藏高原和蒙古高原草地生态系统与大气之间的能量交换过程还缺乏充分的认识.
本研究依据对青藏高原和蒙古高原4个不同草地生态系统能量通量连续4—5a的测定,对不同草地生态系统生长季的辐射平衡以及可利用能量的分配进行比较,从而分析影响青藏高原和蒙古高原不同类型草地生态系统辐射平衡和地表能量交换的主要因素.
1材料和方法1.
1研究区概况本研究的4个草地生态系统分别代表了蒙古中部针茅草原(KBU)、内蒙古羊草草原(NM)、海北高寒灌丛草甸(HB)和当雄高寒草甸草原(DX)4个不同类型草地生态系统.
HB和DX处于青藏高原东部湿润半湿润地区;KBU和NM处于蒙古高原,属于半干旱草原.
KBU位于蒙古共和国Hentiy省(约在乌兰巴托东南250km),属于温带大陆性气候,年平均气温为1.
2℃,平均年降水量181mm,其中88%的降水量集中于6—9月份(1993—2002年).
研究区植被为有数百年放牧历史的干草原[12],植物以C3植物为主(约占75%),如克氏针茅(Stipakrylovii)、寸草苔(Carexduriuscula)、冷蒿(Artemisiafrigida)、蒙古韭(Alliummongolicum)、羊草(Leymuschinensis)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla).
通量观测系统及微气象观测系统是在国际合作项目"东北亚草原大气-水圈-生物圈相互作用研究实验"(RAISE)的支持下于2003年3月建成并投入使用.
NM、HB和DX通量观测站都处于中国草地样带上,隶属于中国通量观测网(ChinaFLUX)[14].
其中NM位于内蒙古锡林郭勒盟锡林河流域中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站羊草样地.
根据该定位研究站的观测资料,1982—1998年平均气温为0.
57℃,年降水量在182—645.
6mm之间,多年平均为350mm,多发生在夏季.
植物群落属于温带半干旱典型草原,以C3植物羊草(Leymuschinensis)为建群种,冰草(Agropyroncristatum)、大针茅(Stipagrandis)、洽草(Koeleriacristata)、寸草苔(Carexduriuscula)(C3植物)和糙隐子草855生态学报30卷http://www.
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cn(Salsolacollina)(C4植物)为优势种.
通量观测系统及微气象观测系统于2003年4月建成并投入使用.
青藏高原植被都以C3植物为主.
其中HB位于青海省门源回族自治县境内,地处青藏高原东北隅,受高海拔环境的制约,常年气温较低,无明显四季之分.
多年平均气温为-1.
6℃,年降水量在425.
3—850.
4mm之间,多年平均为560.
0mm,植被以金露梅(Potentiiiafruticosa)灌丛为主要建群种,草本以线叶嵩草(Kobresiacapiiiifoiia)、矮嵩草(Kobresiahumiiis)、美丽风毛菊(Saussureasuperba)等为主.
通量观测系统及微气象观测系统于2002年10月建成并投入使用.
DX位于西藏拉萨市北当雄县的草原站内,地处念青唐古拉山的南缘,地形属于丘间盆地,多年平均气温1.
3℃,多年平均降水量476.
8mm.
植被以小嵩草(Kobresiaparva)、丝颖针茅(Stipacapillacea)、窄叶苔草(Carexmontis-everestii)等为主.
通量观测系统及微气象观测系统于2003年7月建成并投入使用.
1.
2实验观测与数据处理1.
2.
1通量和微气象数据的观测本研究采用广泛应用的涡度相关技术连续测定4个草地生态系统与大气间的潜热和显热通量.
由于NM、HB和DX都隶属于ChinaFLUX,因而它们采用了一致的涡度相关观测系统(开路系统),KBU站的通量观测也采用了开路涡度相关系统,但仪器配置等与其它站有所不同(如三维超声风速仪等,ChinaFLUX采用型号为ModelCSAT23(CampbellScientific,Logan,Utah,USA);而KBU为SAT2550(KaijoSonicCo.
,Tokyo,Japan)).
另外,KBU站仪器观测高度为地面以上2.
5m,其它3站观测高度为2.
2m.
在辐射测定方面,4个观测站都采用了相同型号的辐射表(ModelCNR21,Kipp&Zonen)来测定向上、向下的短波辐射和长波辐射.
在土壤热通量测定方面,NM、HB和DX利用2个土壤热通量板(HFP01,HuksefluxInc.
)测定距地表5cm处土壤热通量.
在KBU观测站,采用2个土壤热通量板(PHF21.
1REBS,Inc.
)分别测定了距地表2和10cm深度的土壤热通量.
有关更详细的通量观测和常规气象要素测定情况可参考已发表的文献[12-14].
各个站采用样方法对通量观测塔周围的样区进行叶面积指数(LAI)的测定,由于在LAI的实际测定中,有的年份存在数据缺失.
利用NDVI数据分析不同生态系统生长季(5—9月份)的植被生长状况(NDVI的时间分辨率为10d,空间分辨率为1km,http://free.
vgt.
vito.
be/index.
php).
1.
2.
2数据处理在通量数据处理过程中,对于NM、HB和DX3个草地生态系统首先利用3次坐标旋转和WPL校正对30min原始通量数据进行校正[15-16],然后通过ChinaFLUX质量控制流程对数据进行筛选,然后再通过平均日夜变化法(MDV)和线性内插法对缺失数据进行插补.
对于KBU草地生态系统获得的通量数据处理与ChinaFLUX稍有不同,在剔除异常值后采用了线性内插和查表法进行插补,计算表明两种插补方法获得的KBU显热和潜热结果相关性非常高(显热:r=0.
96,n=153,PDX>NM>KBU,相对于同处于青藏高原的HB,DX降水主要集中在夏季(6—8月份),而HB降水的季节分配更为均匀.
KBU2003—2006生长季(5—9月份)平均降水量为143mm(最小表14个草地生态系统(KBU,NM,DX和HB)生长季(5—9月份)气象、土壤和植被信息Table1Meteorologicalconditions,soilandvegetationinformationinthegrowingseason(May—September)infourgrasslandecosystems(KBU,NM,DXandHB)站点SiteKBUNMHBDX研究时期Timeperiod2003—20062003—20072003—20072004—2007位置Location47°13′N108°44′E43°33′N116°40′E37°40′N101°20′E30°51′N91°05′E海拔Elevation/m1235118932934333降水Precipitation/mm142.
7±62.
4243.
9±99.
2433.
6±26.
6388.
9±129.
3平均气温Meanairtemperature/℃15.
515.
46.
69.
47月平均温度MeanairtemperatureinJuly/℃20.
319.
09.
111.
31月平均温度MeanairtemperatureinJanuary/℃-22.
1-19.
2-13.
5-6.
6风速Windspeed/(ms-1)3.
93.
62.
02.
7饱和水汽压差Atmosphericwatervapordeficit/kPa1.
10.
90.
330.
51土壤类型Soiltype栗钙土栗钙土黑毡土草毡土土壤体积含水量Volumetricsoilwatercontent/%6.
614.
228.
312.
9冠层高度Canopyheight/cm20455510最大叶面积指数MaximalLAI0.
61.
52.
81.
0平均植被指数AverageNDVI0.
27±0.
040.
40±0.
080.
58±0.
010.
25±0.
04管理方式Management放牧围封(从1979年)冬季放牧冬季放牧NM、HB和DX风速测定高度为2.
2m,KBU风速测定高度为2.
5m;土壤体积含水量深度均为20cm065生态学报30卷http://www.
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cn量和最大量为98mm和232mm,分别发生在2006和2003年),年际间变化较大.
NM、HB和DX生长季平均降水量分别比KBU高71%、205%和172%.
HB土壤湿度最高,而且由于降水季节分配均匀其生长季波动较小;KBU土壤湿度最小.
尽管DX降水量与HB相近,但土壤体积含水量却低于HB,这与DX砾石含量高(约30%)、土壤持水能力差以及土壤瘠薄(土壤有机质0.
9%—2.
97%,全氮0.
05%—0.
19%,全磷0.
03%—0107%)、植被盖度低(DX为40%,而HB为75%)导致地表径流大有关.
4个生态系统生长季日平均风速、饱和水汽压差(VPD)的排序均为:KBU>NM>DX>HB.
4个生态系统最大LAI排序为:HB>NM>DX>KBU,但从生长季平均NDVI来看,KBU与DX相当.
2.
2辐射平衡对于地表均一的草地生态系统而言,地表获得的净辐射由向下与向上的短波辐射和长波辐射决定,即:Rn=Kn-Ln=Kd-Ku+Ld-Lu(4)式中,K和L分别代表短波辐射和长波辐射,下标中的n分别代表向上和向下辐射之差,d和u代表向下和向上方向.
Kn由地表短波反射率(αk)决定(αk=Ku/Kd).
比较4个草地生态系统生长季中向上和向下的短波、长波辐射(表2),DX接受的太阳辐射最大(约为3332MJm-2),然后为KBU、NM和HB.
然而HB的Rn最大,KBU最小(比HB少30%),NM稍高于DX.
生长季中不同草地生态系统Lu/Ld在1.
23—1.
33之间变化,其中KBU、NM和DX相差不大(1.
28—1.
33),HB最低,这可能与其较低的气温有关.
4个生态系统αk的变化范围为0.
12—0.
21,KBU>NM、DX>HB.
虽然向上和向下的长波辐射的绝对值要大于短波辐射,但净辐射的大小主要还是由Kn决定的,即αk的大小对Rn值有重要的影响.
对于HB来说,它的αk和Lu/Ld都是4个生态系统中最小的;NM的αk和DX相等,而Lu/Ld却小于DX;KBU的Lu/Ld与DX大致相当,而αk却大于DX,即4个草地生态系统Rn大小的排序与辐射反射率正好相反.
4个草地生态系统的Rn/Kd都在0.
4以上,其中HB由于αk值最低Rn/Kd达到了0.
6,表明在太阳总辐射相差不大的条件下,金露梅灌丛草甸草原可以获得比其它3个草地生态系统多10%以上的能量.
这可能与其较高的土壤体积含水量和二层的冠层结构有关,一层即为金露梅所处的灌丛高度,最高可达60cm,低层多以矮嵩草、线叶嵩草、针茅等植物组成的草甸植被,高度在30cm左右.
研究表明KBU、NM、HB和DX4个草地生态系统Lu/Ld(1.
23—1.
33)大于纬度更高的阿拉斯加苔原-森林过渡带(1.
10—1.
21)[6],这与本研究中的草地生态系统具有更高的地表温度有关.
KBU、NM和DX的αk变化范围(0.
17—0.
21)与北美灌木、苔原生态系统(0.
15—0.
19)相近[6].
其中KBU、NM与欧洲同纬度草地生态系统的αk(0.
17—0.
19)[22]及北美高草草原(0.
19—0.
23)相当[23],而HB的αk(0.
12)更接近于中高纬度森林生态系统(0.
10—0.
11)[6],与欧洲湿润亚高山草地的αk相当(8、9月份为0.
11)[24].
此外,土地利用方式以及管理方式(如火烧、放牧等)通过改变草地生态系统的冠层结构、生物量以及土壤水分状况等因素而进一步对地表辐射平衡、能量交换产生影响.
2.
3地表反射率的季节变化生长季αk的大小是生态系统地表状况(如植被的生长动态、土壤湿度等)的反映,4个草地生态系统生长季αk、表层土壤湿度和NDVI如表1和表2所示,αk随着土壤含水量的增加而减小.
4个草地生态系统生长季αk和NDVI的季节变化如图1所示,KBU、NM和DX的αk变化趋势相近,随着植被生长而降低;在生长季末期,αk随着植被的凋落而增加;3个草地生态系统αk和NDVI的季节变化趋势由于年际间降水的季节分配的不同而有所不同.
需要说明的是,NM的αk在2006年9月初异常高,这是由于在2006年9月7日—8日,内蒙古中东部赤峰、锡林郭勒两地遭受特大暴雪袭击,大雪覆盖草地导致的.
HB的αk季节变化趋势先增加后减少,与其它生态系统相反;它与LAI的关系可以用乘幂曲线来拟合(2004—2007年:αk=0.
117LAI0.
135,n=229,R2=0.
314,P0.
05;NM:r=0.
326,n=22,P>0.
05;HB:r=-0.
297,n=25,P>0.
05).
对于HB,由于降水充足,土壤体积含水量季节间波动较小,不是限制蒸散的主要因素.
而对于KBU和NM,这种相关性的不显著可能是由于其降水特点和计算的时间尺度造成的.