高寒草甸不同类型草地土壤养分与物种多样性——生产力关系

研究了高寒草甸不同类型草地土壤养分与多样性—生产力之间的关系,即物种多样性对生产力的效应如何受到资源供给率等因素的影响。结果表明:以莎草类为优势种的藏嵩草沼泽化草甸群落其总生物量(包括地上和地下生物量)最高(13,196.96±719.69gm-2)、小嵩草草甸和金露梅灌丛群落为中等水平(2,869.58±147.52gm-2、2,672.94±122.49gm-2)、矮嵩草草甸群落为最低(2,153.08±141.95gm-2)。在藏嵩草沼泽化草甸群落中,总生物量和物种丰富度呈显著负相关(P<0.05);地上生物量与土壤有机质、土壤含水量和群落盖度显著正相关(P<0.05);地下生物量和土壤含水量显著正相关(P<0.05)。在矮嵩草草甸、小嵩草草甸、金露梅灌丛群落中,地上生物量与土壤有机质和土壤总氮显著正相关(P<0.05)。以上结果说明生物量的分布与土壤营养和水分变化相一致。在矮嵩草草甸、小嵩草草甸和金露梅灌丛中,多样性有随土壤养分的增加而增加的趋势;在藏嵩草沼泽化草甸中,则呈现负相关的关系。     

亚高山草甸土纤维素分解过程及与环境因子的对应关系

对海北高寒草甸生态系统的矮嵩草研究表明 ,在亚高山草甸土中纤维素的分解 ,作用均在月均温度最高时达最大 ,2月份最小 ,年内表现有明显的单峰式曲线变化过程 ;非退化矮嵩草草甸的纤维素分解显著高于退化的矮嵩草草甸 ;纤维素分解除自身的季节变化规律外 ,与气象等环境因子有关 ,特别是与水热协调配合具有极显著线性正相关关系 (P <0 .0 0 1 ) .     

祁连山海北地区两种高寒草甸植被类型的土壤热通量比较

对祁连山海北地区矮嵩草(Kobresia humilis)草甸和金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛草甸两种植被类型土壤热通量观测和比较分析发现:晴天两种植被类型区土壤热通量日变化均表现为单峰型,夜间低午后高;阴雨天土壤热通量变化复杂,随降水或云层厚薄波动剧烈。金露梅灌丛草甸土壤热通量的日变化较矮嵩草草甸更为平稳。两种草甸土壤热通量的月际变化同样表现为单峰型,12月最低(矮嵩草草甸和金露梅灌丛草甸分别为-40.27MJ/m2和-16.85MJ/m2)、6月最高(矮嵩草草甸和金露梅灌丛草甸分别为20.47MJ/m2和18.98MJ/m2)。矮嵩草草甸与金露梅灌丛草甸土壤热通量的年总量差异明显,分别为-24.72MJ/m2和48.10MJ/m2。表现出前者由土壤深层向地表散热,而后者由地表向土壤深层输送热量。两种植被类型区不同时间尺度上的土壤热通量与冠层净辐射均有显著的线性相关关系。由于冠层厚度的影响,金露梅灌丛草甸土壤热通量所占净辐射的比例较小,同步性较差,反馈延时约2.5h,而矮嵩草草甸的土壤热通量与净辐射的相关性更加密切。     

若尔盖高原高寒草甸地表能量交换和蒸散研究

若尔盖高原高寒草甸生态系统是青藏高原能量和水分循环的重要组成部分,但该地区地面水热通量观测数据非常缺乏。本研究基于涡动相关法,于2013年11月1日−2014年10月31日,利用三维超声风温仪和红外开路二氧化碳/水汽分析仪在若尔盖高原一典型高寒草甸开展周年通量观测,以揭示其地表能量交换和蒸散特征及影响因素。结果表明：高寒草甸地表能量通量各组分呈显著的日变化和季节变化特征,净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年均值分别为94.5、21.0、51.8和1.2Wm−2。非生长季感热稍占优势,生长季潜热占绝对主导地位,波文比全年平均值为0.70,能量平衡闭合率年平均值为0.77。辐射是感热通量的主要气象影响因子,潜热通量则受温度、辐射和饱和水汽压差共同影响。日蒸散量变化范围为0.12～5.09mmd−1,全年平均值为1.82mmd−1。非生长季蒸散主要受土壤表面导度因子控制,生长季则由辐射主导,土壤和植被表面导度因子为次要影响因素。在季节尺度上,蒸散的变化取决于降水分布,全年降水和蒸散量分别为682.7mm和673.6mm,其中生长季分别占全年总量的84%和82%。6−7月降水匮乏抑制了蒸散,此时土壤储水成为蒸散的主要水源,从全年看,降水基本都以蒸散的方式返回大气。与青藏高原上同类观测研究相比,地表能量通量和蒸散都有相似的季节变化趋势,但观测到的年平均波文比和年蒸散量最大,气温、降水、地表植被等因素的共同作用导致这一结果。研究数据可作为地面验证资料,用于若尔盖地区陆面模式参数化方案的优化和卫星遥感反演资料的校验。     

高寒矮嵩草草甸地面热源强度及与生物量关系的初步研究

在青藏高原海北高寒矮嵩草草甸地区,依据2002年涡度相关法观测的能量平衡各分量资料和6-10月植物地上、地下生物量测定值,分析了高寒矮嵩草草甸近地表热量平衡、地面热源强度的变化特征,讨论了地面热源强度与植物生物量季节变化过程中的相互关系。结果表明:在青藏高原海北高寒矮嵩草草甸地区,年内地面均为热源,热源强度季节变化明显,地面热源强度年平均为88.5 W/m2;地上生物量季节变化与热源强度具有显著的正相关关系,而地下生物量季节变化与热源强度关系不明显。     

基于集合卡尔曼滤波的地表水热通量同化研究

地表水热通量是研究地表能量转换与水文过程中的重要参数,本文借助通用陆面模式CLM3.0(Community Land Model3.0)为动力框架,利用集合卡尔曼滤波作为同化算法构建单站点的地表水热通量同化系统,并利用Ameriflux通量观测网上Chestnut Ridge、ARM SGP Main以及Tonzi Ranch三个站点的通量观测数据进行直接同化地表水热通量试验。结果表明,在三种不同下垫面下,RMSE直接同化水热通量能够很好地改善地表总水热通量的估算效果。经过同化通量观测值,模式输出的通量值的RMSE均有减小。在代表农田下垫面的ARM SGP Main站,感热通量的RMSE由67.49W/m2下降至14.07W/m2,潜热通量的RMSE由70.07W/m2下降至14.35W/m2;在代表森林下垫面的Chestnut Ridge站,感热通量的RMSE由82.56W/m2下降至48.56W/m2,潜热通量的RMSE由42.99W/m2下降至38.92W/m2;在代表草地下垫面的Tonzi Ranch站,感热通量的RMSE由62.99W/m2下降至17.85W/m2,潜热通量的RMSE由44.76W/m2下降至36.01W/m2。相对于通过同化地表温度和湿度间接改善地表水热通量预报的研究结果,直接同化地表水热通量的结果好于前者。但值得注意的是,针对集合同化方法,不同初始场误差、观测误差和大气强迫数据误差的扰动强度都会对同化结果造成影响。从同化系统对3种误差的敏感性分析结果来看:观测误差的影响最大且减小观测误差能够减小同化后的RMSE值,估计观测误差的方法是否合理会直接影响同化结果的好坏;初始场误差对同化后的RMSE值影响最小;另外,增加大气强迫数据误差和初始场误差能减小同化后的RMSE值。     

轮作稻麦田水热通量及影响因素分析

轮作稻麦田水热通量及影响因素研究可为田间灌水管理和作物高效用水提供依据。该文利用波文比能量平衡监测系统测定的轮作稻麦田的水热通量数据及通径分析方法,分析了2种不同农田的水热通量变化规律及影响因素。结果表明轮作稻麦田的水热通量呈单峰曲线日变化。能量主要被潜热通量所消耗,全生育期小麦田潜热通量占可供能量的比例为71%,而2016和2017年水稻全生育期潜热通量占可供能量的比例分别为106%和122%,表明水稻冠层吸收了感热通量以进行水分消耗。净辐射对轮作稻麦田潜热通量的影响主要为直接作用,而1.5 m高气温、饱和水汽压差和风速主要通过净辐射路径对潜热通量产生间接影响。水稻田潜热通量受净辐射的直接作用小于小麦田,而受饱和水汽压差的直接作用大于小麦田。水稻田各影响因子对潜热通量影响的间接作用比小麦田更大。     

华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究

准确量化分析地气之间的物质和能量交换对于水资源管理和农业可持续发展是十分重要的。能量平衡闭合是评估观测数据准确性和分析地表能量平衡的一个重要的评价指数。本研究利用开路涡度相关系统和全要素自动气象站对华北平原典型冬小麦农田生态系统2013—2014年度的能量通量及常规气象要素进行了连续观测,分析了冬小麦农田各能量通量的日变化和年变化特征,计算冬小麦在4个生育时期(出苗期、越冬期、拔节期和灌浆期)的能量闭合和波文比。结果表明:在日尺度上,选取的4个生育时期净辐射和各能量分量的日变化趋势均为单峰二次曲线,净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在12:00—13:00,土壤热通量的峰值出现在14:00—15:00。在年尺度上,净辐射和潜热通量的变化趋势较为一致,均在越冬期达到最低值114.51 W·m~(-2)和13.47 W·m~(-2),而在灌浆期达到最大值327.02 W·m~(-2)和116.56 W·m~(-2)。选取的4个生育时期的代表性观测日期能量闭合良好,能量闭合率分别为0.49、0.77、0.81和0.76。4个生育时期内波文比值日变化趋势均呈倒"U"型,出苗期波文比在14:00达到最大值2.12;越冬期、拔节期和灌浆期在10:00左右达到最大值,分别为1.48、0.31和0.58。本文的定量化结果可为华北平原农田生态系统水热通量等研究提供依据。     

三江平原稻田能量通量研究

基于三江平原稻田2005~2007年5~10月涡度相关通量观测数据, 分析了该区稻田能量通量的日变化、季节变化和能量分配特征以及能量平衡状况。结果表明: 三江平原稻田净辐射和潜热通量日变化均表现为明显的单峰特征, 感热通量日变化在水稻发育进入成熟期后才较明显, 而土壤热通量在水稻整个发育期内日变化特征都不明显。稻田净辐射季节变化特征显著, 6月下旬至7月上旬达到最大值18~20 MJ·m^-2·d^-1。潜热通量季节变化与净辐射同步, 最大值为13~19 MJ·m^-2·d^-1。相比之下感热通量较小, 观测期间变化于-3.90~ 3.94 MJ·m^-2·d^-1, 且没有明显的季节变化。5~10月土壤热通量呈下降趋势, 变化于-2.67~3.62 MJ·m^-2·d^-1。三江平原地区稻田能量分配特征明显, 潜热通量占净辐射的比例(LE/Rn) 5~10月平均值为0.67, 表明净辐射大部分以潜热通量形式所消耗, 但生长旺季LE/Rn略大于生长季初期和末期。感热通量占净辐射的比例(Hs/Rn)的季节变化特征与LE/Rn比值相反, 观测期间平均值为0.10。这导致波文比在水稻生长旺季较小而在初期和末期较大。5~10月土壤热通量占净辐射的比例(G/Rn)呈逐渐下降趋势, 其月平均值由5月的0.14下降到10月的-0.08。线性回归法和能量平衡比率均表明三江平原稻田能量明显不闭合, 2005、2006年5~10月能量不闭合度分别为22%和16%, 而2007年能量“过闭合”, 能量平衡比率平均值为1.07。     

两种高寒植被长波辐射的气候学特征及比较

地球边界层热量来源是地表吸收太阳短波辐射后再以长波辐射形式加热的结果,而边界层生物活动与近地表热量息息相关,讨论长波辐射的变化特征对生态系统的物质流动及能量交换具有重要意义。以2003年对高寒矮嵩草草甸、金露梅灌丛两种植被类型观测的资料,比较分析了两种植被类型地面长波辐射（ULR）、大气逆辐射（DLR）以及地面有效长波辐射（ELR）的变化特征。结果表明,高寒矮嵩草草甸、金露梅灌丛ULR、DLR以及ELR均具有明显的日、月变化。其中矮嵩草草甸、金露梅灌丛的ULR月平均日变化在北京时间14∶00最高,凌晨最低;DLR在16∶00-18∶00最高,凌晨最低;ELR在8∶00最低,14∶00最高。月变化中,两种植被类型区ULR、DLR的最低值出现在1-2月,较高值出现在7-9月,而ELR变化趋势比较复杂。总体而言,金露梅灌丛的DLR、ULR变化值明显比矮嵩草草甸的高。     

呼伦贝尔草甸草原不同显热通量观测方法比较

显热通量（sensible heat flux，H）是反映地表湍流运动的重要参数，准确获取该参数对于区域内热量交换规律的认识和农业生产及水资源的有效管理具有重要意义。涡动相关仪（eddy covariance system，EC）和大孔径闪烁仪（large aperture scintillometer，LAS）是目前生态系统水热通量的主要测量手段，但两者观测范围的空间尺度存在差异。该研究以呼伦贝尔草甸草原生态系统为对象，通过对比分析两种方法观测的显热通量（H_LAS和H_EC）变化特征，对两者之间的差异（ΔH）及产生原因进行探究，并且定量研究了不同因子对ΔH的影响程度。结果表明，在不同时间尺度内，H_LAS和H_EC的变化趋势基本一致，显热通量主要受到净辐射的驱动作用，同时ΔH与净辐射存在正相关性；对应时刻H_LAS和H_EC之间线性回归方程斜率为1.13，拟合优度R²为0.81，说明大孔径闪烁仪在草甸草原区有着很好的适用性；EC能量平衡闭合程度会影响H_LAS和H_EC之间差异，剔除能量平衡闭合率（energy balance ratio，EBR）小于0.8的数据后，H_LAS和H_EC之间线性回归方程斜率减小至1.05，说明能量平衡闭合程度越高ΔH越小；净辐射（net radiation，R_n）、风速（wind speed，WS）、波文比（Bowen ratio，Bowen）和饱和水汽压差（saturated water vapor pressure difference，VPD）与ΔH之间相关性显著，是ΔH的主要气象环境因子；ΔH单个影响因子的解释能力从高到低依次为净辐射、风速、EC能量平衡闭合率、饱和水汽压差、波文比，任意两个不同影响因子之间均呈现双因子增强作用，解释能力较高的交互影响因子为净辐射/风速和风速/波文比。研究结果有利于准确理解LAS与EC显热通量观测过程中的空间尺度效应，同时可为区域尺度扩展和遥感地面验证过程中通量数据的质量控制提供科学参考依据。     

基于MODIS遥感资料估算高原地表潜热通量

利用2014年夏季青藏高原9个观测站的实测资料,首先分析了夏季高原地区的湍流输送特征,并对MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)地表潜热产品在高原地区的适用性进行检验,进一步在潜热模型中引入MODIS昼夜地表温度来估算研究区的地表潜热,并将估算值与实测值进行对比。结果表明:下垫面以裸土/稀疏植被为主的阿里站能量输送以感热为主,其他观测站的湍流输送则以潜热输送为主;MODIS潜热产品在高原各地区的适用性存在差异,产品在高原东部偏东地区适用性较好,其他地区适用性较差,且高原西部的潜热有效数据大量缺失;而新提出的方法不仅可以弥补高原西部地表潜热的缺失,还可以提高地表潜热的估算精度,估算值与实测值之间相关系数达到0.77,均方根误差仅为29.8 W/m2,相对误差为35.59%;模型给出的高原地区地表潜热区域分布特征与高原的地表覆盖类型吻合较好,说明模型给出的高原地表潜热分布是合理的。     

不同植被类型高山草甸土呼吸作用的研究

通过对四种植被类型的高山草甸土CO₂释放量的测定,可以看出:土壤呼吸作用强度因植被类型的不同而有区别,其中以金露梅灌丛土壤的呼吸作用为最高,杂类草草甸土壤的呼吸作用为低,呼吸作用有明显的昼夜变化,白天高于夜间,并以表层土为高,随土壤深度的加深而递减.四种植被的土壤呼吸作用与土壤微生物的数量和生化活性、土壤酶活性等均有不同程度的相关性;呼吸作用与土壤中的全氮、pH、代换量、有机质、速效钾和水解氮均有显著的相关性,与全钾和氮碳比相关性不显著.