亚洲典型森林生态系统水分利用效率的时空特征研究

论文总字数：16729字

目 录

1. 引言 3

2. 地点与方法 4

2.1 测定方法 4

2.2 计算方法 4

2.3 地点及仪器介绍 5

3. 结果分析 6

3.1 亚洲森林生态系统水分利用效率WUE的时间变化 6

3.1.1 WUE的总体变化特征 6

3.1.2 WUE的日变化特征 8

3.1.3 WUE的月变化特征 13

3.1.4 WUE的季节变化特征 15

3.2 亚洲森林生态系统WUE的空间分布特征 16

3.3 亚洲森林生态系统WUE的影响因素 17

4. 结论 18

参考文献 19

致谢 20

亚洲典型森林生态系统水分利用效率的时空特征研究

张旭

，China）

Abstract: Water use efficiency is an important factor of indicating the water cycle and carbon cycle of terrestrial ecosystem，The study of temporal and spatial characteristics of WUE at the ecosystem level will help to predict the impacts of climate change on water and carbon processes in ecosystems. Based on carbon dioxide flux and water vapor flux measured by eddy covariance technique from seven Asian typical forest sites, this paper analyzed the temporal and spatial characteristics of water use efficiency (WUE), as well as the relationship between WUE and meteorological factors and forest properties. The results showed that: (1) The WUE was higher in the morning than that in the afternoon，The peak value is roughly 9 h to 10h; (2) The WUE was lowest in the summe, about 0.6 μmolCO₂•mol^-1H₂O, and the WUE in the winter was higher than that in the other season, roughly 1.8 μmolCO₂•mol^-1H₂O ; (3) the higher the latitude was, the greater the WUE was; (4) The factors that influencing photosynthesis and evapotranspiration rates would influence WUE. Among all the factors, net radiation and air temperature influenced WUE mostly.

Key words：Forest ecosystem,；water use efficiency,；carbon dioxide flux； water vapor flux； eddy covariance

1. 引言

水分利用效率是被称为最具有节水潜力的性状，是反映生态系统水及C循环相互关系的主要指标，对生态系统水分利用效率的研究有助于预测气候变化对生态系统水碳过程的影响^[1]。水分利用效率是深入探索生态系统水碳循环耦合关系的重点,并且揭示生态系统水分利用效率的时空特征及相关方法可以帮助预测气候相关变化对生态系统水碳过程的作用。水分利用效率是指植物消耗单位水分所固定的CO₂的量,这个指标的意义重大，对农业牧业的发展有着广泛的运用。开始的对WUE研究多用于单体农作物的叶片水平,多用于增加土壤蓄水能力,降低蒸发力,改良植物的WUE遗传相关特性^[1]。后来经过发展，植物学家通过探索计算自然群落中植物的WUE来研究植物对环境的适应策略。近年,伴随着部分环境问题显现,如全球气候变化问题，大气污染问题，水资源短缺问题等等。人们将目光投向森林，草原，沙漠等自然生态系统,部分研究的尺度也达到冠层生态系统。随着研究的深入，水分利用效率也成为学者专家解决环境问题的一个重要指标^[2]。

水分利用效率这一指标常常与其他有关指标结合，作为评价农作物对水的利用情况。广泛应用的水分利用效率,可以作为农业水资源利用效率的评价,给不同区域发展提供合理的评价^[3]。但因为对水分利用效率的内涵及意义认识不够,及一些相关定义缺乏严格的标准和必要的统一,使WUE在实际的生产应用中出现许多问题，从而影响水分利用效率的推广^[4]。对生态系统WUE的规范及定义,和使用WUE过程中需要注意的问题事项进行详细的介绍,对未来水分利用效率这一指标的广泛应用大有好处，水分利用效率这一课题的研究必将深入下去。现在国内外有关学者对植物 WUE 进行了大量的研究，并取得了丰硕成果。从植物光合类型( C3、C4、CAM) 、叶片属性 ( 叶片面积、气孔密度、厚度) 植物特性等各个方面研究环境因子对植物个体或系统群体 WUE的影响，同时探索该影响对其他产业带来的效益^[5]。本文着重研究亚洲站点WUE的变化特征，研究该变化存在的一般规律及特殊性，进行引申拓展，研究引起WUE变化的环境因素如光照强度，CO₂浓度、湿度变化、风速影响等重要环境因子及其复合作用植物水分利用效率的影响，不同地质条件下植物 WUE变化，并且探讨研究中存在的问题及研究前景，为深入理解全球变化对森林生态系统的影响提供参考^[6] 。

不同尺度下，WUE的计算方法也存在着许多不同。例如，在叶片的尺度下，WUE是根据 CO₂吸收量与叶片蒸腾量的比值算出^[7]。而在立地尺度下，WUE是依据生物量与蒸散发的比值计算,但是在生态系统尺度下，一般采取总初级生产力或净初级生产力与蒸散发的比值来衡量。对于区域尺度，可以用降水利用效率来衡量WUE的水平.由于渗漏水及径流水不能够被植被利用，所以降水利用效率并不能用来准确地衡量WUE^[8]。此外，遥感数据由于在长时间、大范围信息数据搜集方面的优势，可以作为区域的WUE动态变化监测的有效工具之一^[9]。 数据产品作为长期对地观测的主要数据源已有包括 GPP（gross primary productivity）以及 ET（evapotranspiration）等许多种数据产品，并在区域及生态系统相关的研究中得到普遍的应用^[10]。中国作为农业大国，研究地区WUE的作用机理与影响因素，对提高农作物的产量，未来农业的可持续发展都有极大的作用。

目前，国内对水分利用效率的研究相当重视，出现了一批对水分利用效率课题的相关研究，有徐晓桃等对黄河源区生产力及WUE的时空特征分析，有闫巍等对青藏高原地区高寒草甸生态系统CO₂通量及WUE的研究，有张良侠等对区域生态系统WUE时空变异特征分析的研究，有张正斌等对未来农业关键问题的研究，有张秀娟等对亚热带常绿叶林光能和WUE的研究，有仇宽彪对中国植被总初级生产力，蒸散发和WUE的估算及时空分布研究等等，这些研究对于解开水分利用效率这一指标的神秘面纱有着重要的意义，本文是对亚洲森林生态系统的研究，研究森林生态系统中的碳循环和水循环，了解它们之间的相互影响、相互作用及密切的联系。然而生态系统中的水碳耦合关系在系统变化中的响应机理、适应方式和以后变化的趋势现在还不能弄明白^[10]。深入探索其过程机制，可望对全球变化科学体系形成有效的补充，并有助于预测地球生态系统未来的进化方向^[11]。

1. 地点与方法

2.1 森林生态系统WUE的测定方法

通过WUE的定义可得,测定森林生态系统的WUE实际上是测定耗水量与固碳量,而伴随着生态、水文、植物生理学等的发展,这几项指标的测定方法也在不断改进,当前各种测定方法也日益走向成熟,其应用也相当的广泛。下面对测定生态系统WUE的涡度相关技术方法进行简要的说明：涡度相关技术是通过测量空气CO₂浓度和水汽浓度的脉动,然后计算出森林生态系统在秒这个时间尺度上的水碳通量特征的相关量^[12]。这种方法成功实现了分析森林生态系统WUE在年、月、周、日、小时,秒等时间尺度上的变化特征，以前研究生态系统的水碳通量往往基于生物量调查法来估算生态系统的初级生产力和水分平衡法来估算蒸散量 ，以前的方法不仅耗时耗力，而且无法研究短时间尺度，造成生态系统WUE的研究很难开展。涡度相关系统的测量值为水碳通量的净交换量，即二氧化碳通量和水汽通量。很多研究直接利用这两个通量的比值(即NEE/ET)作为森林生态系统的WUE。然而NEE是生态系统总光合作用(GPP)与生态系统呼吸作用(Re)共同作用的结果,应当对NEE进行拆分,在算出GPP之后再求算生态系统的WUE。此外,若能够将蒸散进一步拆分为土壤蒸发量及植被蒸腾,则能更深入地认识生态系统WUE的变化过程^[13]。

2.2计算方法

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