天童常綠闊葉林植被-大氣界面水碳耦合模型與機(jī)制研究.pdf

1、植被-大氣界面是水汽和CO2交換的主要場(chǎng)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(diǎn)。而冠層氣孔導(dǎo)度對(duì)于環(huán)境因子響應(yīng)敏感，對(duì)冠層水碳通量控制和調(diào)節(jié)的生態(tài)過(guò)程是非線性的，如何連續(xù)地模擬冠層的水碳通量是一個(gè)備受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。
　　 本論文選擇天童常綠闊葉林為研究對(duì)象，于2009年6月-2011年3月，對(duì)栲樹(shù)群落的樹(shù)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(jìn)行了監(jiān)測(cè)和研究，從樹(shù)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(guò)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(shù)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(shù)冠開(kāi)放度以及降雨因子具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)

3、，樹(shù)干徑流量隨樹(shù)干胸徑的增大而增加；林冠截留率與降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間、降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間、空氣相對(duì)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(jī)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(dá)到最高(

4、3.28mm min-1)。頂極群落栲樹(shù)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(shù)群落內(nèi)，單日(2009年10月6日)單樹(shù)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(shù)種之間相比，栲樹(shù)的日平均蒸騰量是木荷的2倍。反映了大小不同的樹(shù)木個(gè)體在群落中對(duì)水分利

5、用的差異、貢獻(xiàn)和在群落中的功能地位。但是同一胸徑級(jí)，木荷的樹(shù)干液流和蒸騰速率較栲樹(shù)快，因?yàn)槟竞傻臍饪妆辱鄻?shù)大。胸徑較大的樹(shù)木具有較高的整樹(shù)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(shí)，高大樹(shù)木在森林中占據(jù)空間優(yōu)勢(shì)，比其他個(gè)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(shù)木具有較高的液流量。不同氣象環(huán)境條件下，栲樹(shù)和木荷個(gè)體樹(shù)干液流變化差異很大。在晴天，栲樹(shù)和木荷的樹(shù)干液流隨太陽(yáng)輻射有規(guī)律地變化，日進(jìn)程曲線很規(guī)則，在中雨的天

6、氣條件下，栲樹(shù)和木荷的樹(shù)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(shù)和木荷的樹(shù)干液流降到0～0.5 g m-2s-1極低的水平。一年內(nèi)，栲樹(shù)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(gè)冬季，栲樹(shù)和木荷的樹(shù)干液流密度和樹(shù)冠蒸騰量維持在一個(gè)很低的水平，3月份之后，樹(shù)干液流密度開(kāi)始上升，直到7、8月份，蒸騰量達(dá)到最大值，9月份之后開(kāi)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(shù)干液流和蒸騰的主要驅(qū)動(dòng)力。
　　 4用水量平衡方法測(cè)得的蒸散與用彭曼公式計(jì)算的蒸散比較接近，栲樹(shù)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?jī)H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(shù)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(shù)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(gè)常見(jiàn)樹(shù)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(gè)樹(shù)種水分利用效率的順序?yàn)榧?xì)葉青岡>木荷>苦櫧>栲樹(shù)>石櫟>米櫧。不同演替序列優(yōu)勢(shì)樹(shù)種水分利用效率隨演替進(jìn)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(shì)，而栲樹(shù)和木荷呈升高趨勢(shì)。但是在后期演替階段，木荷水分利用效率呈減少趨勢(shì)，栲樹(shù)一直在增加，優(yōu)勢(shì)種水分利用效率隨演替進(jìn)展的變化驗(yàn)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(shù)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(shù)和木荷的水分利用效率較高。
　　 6栲樹(shù)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(shuō)在我國(guó)東部亞熱帶常綠闊葉林區(qū)也成立提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。栲樹(shù)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(shí)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(xiàng)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(dá)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(shì)，1-7月份呈上升趨勢(shì)，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(shù)群落每個(gè)冠層梯度水碳耦合模型.()，然后根據(jù)每個(gè)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(duì)冠頂、冠下4 m、冠下6 m高度的葉片光合速率進(jìn)行實(shí)測(cè)，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)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(shù)

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(shù)冠層連續(xù)的瞬時(shí)平均凈光合速率數(shù)據(jù)。以2010年8月份為例，上午8點(diǎn)之前，處于很低的水平，接近于0，上午8:00之后開(kāi)始迅速上升，10:00達(dá)到最大值，之后開(kāi)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(duì)數(shù)曲線表示?？諝馑麎禾澣迸c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(shí)，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(shí)，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(shì)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(shì)極為顯著(P<0.0001)；未來(lái)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