内蒙古温带荒漠草原―大气间的通量交换及其控制机制

	内蒙古温带荒漠草原―大气间的通量交换及其控制机制
其他题名	Flux exchange between Inner Mongolia temperate desert steppe and atmosphere and its controls
	阳伏林
学位类型	博士
导师	周广胜
	2011
学位授予单位	中国科学院植物研究所
关键词	温带荒漠草原地表反射率能量平衡蒸发散碳交换涡度相关数值模拟
摘要	评价陆地生态系统水碳循环及其对未来气候变化的响应，需要深入地了解不同类型生态系统―大气间物质与能量交换特征及其控制机理。草原占全球自然植被面积的32%，对陆地生态系统水碳循环过程有重要贡献。本研究以内蒙古温带荒漠草原生态系统为研究对象，应用涡度相关技术，结合气象环境因子和生物因子观测，分析了温带荒漠草原生态系统―大气间能量、水和碳通量交换动态特征及其环境控制机制。主要的研究结果如下： (1) 地表反射率日变化受太阳高度角影响，具有日出日落附近高，中午前后平稳，整体呈U形的特征。生长季地表反射率在0.20∼0.34之间变化，平均为0.25；5月较高，6月下降，7∼9月相对稳定，10月增大。地表反射率季节动态与冠层叶片的物候变化有关，同时也受到降水过程的扰动。地表反射率与环境因子(晴天资料)相关分析表明：土壤含水量(SWC)和叶面积指数(LAI)是影响地表反射率的关键因子。据此，建立了反映环境因子(SWC)和生物因子(LAI)共同作用的地表反射率模型，模型模拟值与观测值具有较好的一致性。 (2) 能量平衡各分量(净辐射，Rn；感热通量，H；潜热通量，LE；土壤热通量，G)呈单峰型日动态，白天大部分时间H/Rn > G/Rn > LE/Rn；夜间G/Rn占主导；全天LE/Rn相对较小，即使在植物生长盛期也一样。较低的LE/Rn可能与荒漠草原气候干旱及植被分布稀少有关。全年H是Rn的主要能量支出项(58%)；LE其次(26%)，年蒸散量(190.3 mm)大于年降水量(136.3 mm)，与多年平均降水量(PPT)接近(183.9 mm)；G所占比例较小(1%)，全年基本保持平衡。然而G具有白天吸收能量，夜间释放能量；夏季储存能量，冬季释放能量的特点，在能量平衡中存在类似“能量缓存”的作用，不能被忽略。降水过程显著影响内蒙古温带荒漠草原水热交换。降水后较降水前LE峰值明显增大，而H峰值降低。生长季潜热分配(LE/Rn)主要受到SWC、饱和水汽压差(VPD)及LAI共同影响。LE/Rn随SWC增大呈增加趋势，LE/Rn随VPD增大而降低，LE/Rn随LAI增大呈二次曲线变化。其中，LAI为0.2 m2 m-2是一个阈值。当LAI < 0.2 m2 m-2，SWC是LE/Rn主要驱动因子；当LAI > 0.2 m2 m-2，SWC和LAI共同驱动LE/Rn。应用退耦因子(Ω)对荒漠草原与大气间的水汽交换耦合状况分析表明，与其他草原类型相比，本研究区的Ω相对较低(生长季平均0.15)。生长盛期Ω相对较高，Rn是LE的主导因子；而生长前期和后期Ω相对较低，VPD是LE的主要控制因子。 (3) 2008年荒漠草原不同生长阶段，LE均呈现相似的单峰型日动态，LE峰值出现在正午前后。整个生长季，日中的感热通量大于潜热通量。蒸发散(ET)季节变化明显，主要与SWC和LAI的变化有关。温带荒漠草原最大的日蒸散率为3.8 mm day-1。生长季累计ET为150.9 mm，超过PPT(133.0 mm)13.4%。温带荒漠草原生长季作物系数(Kc，为涡度相关系统测得的ET和Penman-Monteith计算的参考蒸发散(ETo)的比值)呈现明显的季节变化。Kc平均值为0.17，明显低于其他草原生态系统的报道，表明荒漠草原受水分亏缺影响严重，SWC是ET的主要环境控制因子。Kc与环境因子的相关分析表明，Rn、SWC和空气相对湿度(RH)是Kc的主要影响因子。Kc随着Rn、SWC的增大均呈线性增加趋势，而随着RH的增大呈指数增加趋势。据此，构建了由Rn、SWC和RH共同驱动的Kc模型。应用此Kc模型以及Penman-Monteith参考蒸发散模型，构建了温带荒漠草原ET估算模型。采用2009年生长季资料对该模型进行验证表明，ET模型模拟值与观测值具有较好的一致性。 (4) 温带荒漠草原半小时尺度净生态系统碳交换(NEE)最大值与最小值分别为-0.14 mg CO2 m-2 s-1 和0.04 mg CO2 m-2 s-1；最大的日NEE仅有-6.0 g CO2 m-2 day-1(NEE负值表示生态系统为碳吸收)。2008年全年的碳收支为-7.2 g C m-2，表明温带荒漠草原在观测年为弱的碳汇年。生长季NEE的光响应参数较低，表观初始光能利用效率(α)和最大生态系统碳交换(NEEsat)分别为-0.004 μmol CO2 μmol-1 photons和-2.5 μmol CO2 m-2 s-1。α和NEEsat随着SWC、气温(Ta)、VPD以及植被冠层发展而变化。分段函数分析结果表明：最适日间NEE的SWC、Ta和VPD值分别为12.6%、24.3 °C和1.7 kPa；最适夜间NEE(生态系统呼吸，Reco)的SWC值为15%。Reco的表观温度敏感性指数(Q10)在不同生长阶段存在变异，整个生长季Q10为1.6。Q10显著受SWC的控制，当5% < SWC ≤ 10%时，Q10为1.7；当SWC ≤ 5%、SWC > 10%时，Q10为1.4。生长季内，NEE季节波动与LAI变化密切相关，LAI对日NEE变异的解释率为43%。
页数	97
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ibcas.ac.cn/handle/2S10CLM1/11921
专题	植被与环境变化国家重点实验室
作者单位	中国科学院植物研究所
第一作者单位	中国科学院植物研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	阳伏林. 内蒙古温带荒漠草原―大气间的通量交换及其控制机制[D]. 中国科学院植物研究所,2011.

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