天童常綠闊葉林植被-大氣界面水碳耦合模型與機制研究.pdf

1、植被-大氣界面是水汽和CO2交換的主要場所，該界面交換的水汽和CO2是陸地生態(tài)系統(tǒng)水、碳通量的主要組分，而且兩者都受到冠層氣孔導(dǎo)度的控制，因此冠層氣孔導(dǎo)度成為陸地生態(tài)系統(tǒng)水碳耦合的主要節(jié)點。而冠層氣孔導(dǎo)度對于環(huán)境因子響應(yīng)敏感，對冠層水碳通量控制和調(diào)節(jié)的生態(tài)過程是非線性的，如何連續(xù)地模擬冠層的水碳通量是一個備受關(guān)注的科學(xué)問題。
　　 本論文選擇天童常綠闊葉林為研究對象，于2009年6月-2011年3月，對栲樹群落的樹干液流、氣象及

2、水文要素、冠層葉片同位素以及該林區(qū)不同演替階段的葉片碳同位素及水分利用效率進行了監(jiān)測和研究，從樹干液流與葉片碳同位素耦合的角度，建立了冠層水碳耦合模型，闡明了冠層水碳耦合過程。主要研究結(jié)果如下：
　　 12009年6月-2010年8月，林外總降雨量2316 mm，林內(nèi)穿透雨量、樹干莖流量和林冠截留量分別占總降雨量的81.7％、2.3％和16.0％。穿透雨量與冠層葉面積指數(shù)、樹冠開放度以及降雨因子具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)

3、，樹干徑流量隨樹干胸徑的增大而增加；林冠截留率與降雨量、降雨持續(xù)時間、降雨強度、降雨時間、空氣相對濕度均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而與風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。
　　 2天童常綠闊葉林植被演替，明顯提高了0～60 cm土壤深度的飽和導(dǎo)水率(Ks)。土壤容重、非毛管孔隙度、有機質(zhì)含量是影響Ks的主要因子。植被演替到灌叢階段，Ks均值已顯著高于草地，演替到中后期階段，Ks均值提高迅速，演替至頂極森林Ks均值達到最高(

4、3.28mm min-1)。頂極群落栲樹林能夠抵御10年1遇的暴雨而不產(chǎn)生地表徑流，次頂極群落木荷林能夠抵御1年1遇的暴雨，而草地、灌叢和馬尾松林等處于演替早期階段的植物群落容易引發(fā)暴雨地表徑流。
　　 3在栲樹群落內(nèi)，單日(2009年10月6日)單樹蒸騰從最小值5.07(g m-2 s-1)到最大值84.28(g m-25-1)，相差18倍，樹種之間相比，栲樹的日平均蒸騰量是木荷的2倍。反映了大小不同的樹木個體在群落中對水分利

5、用的差異、貢獻和在群落中的功能地位。但是同一胸徑級，木荷的樹干液流和蒸騰速率較栲樹快，因為木荷的氣孔比栲樹大。胸徑較大的樹木具有較高的整樹蒸騰量，很大程度上歸因于它的邊材面積大、總液流量高，同時，高大樹木在森林中占據(jù)空間優(yōu)勢，比其他個體從環(huán)境中獲得較多的光熱資源，這些條件保證了高大樹木具有較高的液流量。不同氣象環(huán)境條件下，栲樹和木荷個體樹干液流變化差異很大。在晴天，栲樹和木荷的樹干液流隨太陽輻射有規(guī)律地變化，日進程曲線很規(guī)則，在中雨的天

6、氣條件下，栲樹和木荷的樹干液流值較晴天和多云天氣迅速下降，日最大值僅為1.5 g m-2s-1；在暴雨的氣象條件下(2009年10月1日)，栲樹和木荷的樹干液流降到0～0.5 g m-2s-1極低的水平。一年內(nèi)，栲樹和木荷的蒸騰量表現(xiàn)出與季節(jié)變化吻合的規(guī)律。在11月到次年2月整個冬季，栲樹和木荷的樹干液流密度和樹冠蒸騰量維持在一個很低的水平，3月份之后，樹干液流密度開始上升，直到7、8月份，蒸騰量達到最大值，9月份之后開始下降，尤其是1

7、0月份以后下降速度非常明顯。在諸多環(huán)境因子中，光合有效輻射和空氣水蒸汽壓虧缺是樹干液流和蒸騰的主要驅(qū)動力。
　　 4用水量平衡方法測得的蒸散與用彭曼公式計算的蒸散比較接近，栲樹群落的總蒸散占總降雨量的72.1％，土壤貯水變化值占總降雨量的20.2％，徑流量僅占總降雨量的6.7％。在總蒸散中，林冠蒸騰量占總蒸散的81。4％，蒸散以林冠蒸騰為主，栲樹冠層的蒸騰量最大值為7.2 mmd-1，出現(xiàn)在8月份，最小值為0.52 mmd-1，

8、出現(xiàn)在2月。光輻射和空氣水蒸汽壓虧缺是影響冠層蒸騰的重要環(huán)境因子。栲樹群落作為頂極群落具有巨大的攔蓄降雨和調(diào)節(jié)徑流的作用。
　　 5常綠闊葉林木荷群落內(nèi)6個常見樹種葉片的δ13Cl值的范圍在-28.45‰--32.49‰之間，水分利用效率在3.5～4.7 mmolCO2·mol-1，6個樹種水分利用效率的順序為細(xì)葉青岡>木荷>苦櫧>栲樹>石櫟>米櫧。不同演替序列優(yōu)勢樹種水分利用效率隨演替進展表現(xiàn)出明顯的協(xié)同變化規(guī)律，石櫟的水分利

9、用效率呈降低趨勢，而栲樹和木荷呈升高趨勢。但是在后期演替階段，木荷水分利用效率呈減少趨勢，栲樹一直在增加，優(yōu)勢種水分利用效率隨演替進展的變化驗證了天童植被演替序列的合理性。水分利用效率與生境有關(guān)，在山脊特殊生境，云山青岡水分利用效率最高，栲樹和木荷較低，在灌叢生境，石櫟水分利用效率最高，在水分條件較好的常綠闊葉林生境，栲樹和木荷的水分利用效率較高。
　　 6栲樹冠層沿8 m高度梯度自上而下葉片δ13C范圍在-27.57‰到-31

10、.96‰之間，自上而下逐漸降低，存在Martinelli“冠層貧化效應(yīng)”，下降值為.3.1‰，與Martinelli其提出的溫帶和熱帶冠層冠層葉片δ13C下降值-3.6‰非常吻合，為“冠層貧化效應(yīng)”假說在我國東部亞熱帶常綠闊葉林區(qū)也成立提供了實驗依據(jù)。栲樹冠層WUE的均值范圍在3.29到5.25mmolCO2 mol-1之間，水分利用效率WUE表現(xiàn)為冠層頂部>中部>底部的規(guī)律，在時間尺度上，5月份冠層上部的WUE最高，為5.25 mmo

11、lCO2 mol-1。在冠層梯度上，凈光合速率Pn和Nmass均存在顯著差異(p<0.01)。冠項凈光合速率顯著高于冠下，從1月到7月Pn逐月上升，在7月份冠頂達到最高值15.4μmolCO2 m-2 s-1，9月份以后，Pn依次下降。Nmass也表現(xiàn)出與Pn相同的變化趨勢，1-7月份呈上升趨勢，9月份之后顯著下降，最大值2.8％也出現(xiàn)在7月份。11月份到次年1月份比較低。在冠層梯度上，δ13C、WUE、Pn和Nmass之間均存在正相關(guān)

12、的關(guān)系。
　　 7基于sap flow與冠層葉片13C的甄別率值△13C，首先建立栲樹群落每個冠層梯度水碳耦合模型.()，然后根據(jù)每個冠層梯度的葉面積指數(shù)建立冠層整體平均水碳耦合模型：()。利用Li-6400對冠頂、冠下4 m、冠下6 m高度的葉片光合速率進行實測，對模型進行驗證，結(jié)果表明實測值與預(yù)測比較接近，所建模型精度很高(R=0.90，F(xiàn)=46.84，P<0.0001)，具有可靠性。
　　 把冠層葉片δ13C值、樹

13、干液流值以及葉面積指數(shù)代入建立的模型，獲取得了栲樹冠層連續(xù)的瞬時平均凈光合速率數(shù)據(jù)。以2010年8月份為例，上午8點之前，處于很低的水平，接近于0，上午8:00之后開始迅速上升，10:00達到最大值，之后開始下降，下午18:00以后，又恢復(fù)到0值附近。氣溫和光合有效輻射與冠層凈光合速率也極為相關(guān)，可以用對數(shù)曲線表示。空氣水汽壓虧缺與冠層凈光合速率呈正線性正相關(guān)。當(dāng)冠層蒸騰量小于200 g m-2s-1時，冠層光合速率隨蒸騰速率的增加而增

14、加，當(dāng)冠層蒸騰量大于200 g m-2s-1時，冠層光合速率隨蒸騰速率的增加而減小。
　　 8近60年，天童地區(qū)月平均氣溫、降雨量和月參考蒸散量(ET0)在7、8月份明顯增加，年平均氣溫、降雨量和ET0增加趨勢十分顯著(P<0.001)；天童地區(qū)常綠闊葉林56年NPP的平均值為12.196 t·hm-2·a-1，近60年升高趨勢極為顯著(P<0.0001)；未來溫度升高2℃，降水量增加20％的情景下，該地區(qū)常綠闊葉林的NPP將升