刺槐和油松林蒸散特性研究

刺槐和油松林蒸散特性研究

在我国洛杉矶高原干旱半干旱地区建设保护性保护体系，首先要解决的问题是如何保持树木正常生长发育的基本水分。对现有水土处理林辐射平衡的研究是对垫层内现有照明设备的深入研究和对林分水分要求的研究的基础。1试验的基本结构和观察方法1.1林分郁闭度研究点设在山西省吉县红旗林场境内的北京林业大学教学科研试验场,海拔1320m,试验林分面积8.7hm2,其中刺槐(Robiniapseudoacacia)林占83%,郁闭度为0.6～0.7;油松(Pinustabulaeformis)林占17%,郁闭度为0.75～0.8.刺槐林常被人为打枝,林下光线充足,草被生长繁茂,个别草丛高达50cm.油松林郁闭度高,枝下高低,草被稀少.由于自然条件和经营水平较差,刺槐林的林木生长呈小老树状;油松林密度较大,生长情况随地形部位有一定差异,如表1所示.该地区土壤为普通褐土亚类,pH值7.7,土壤较肥.黄土母质覆盖山地的斜坡、粱顶和塬面等地形部位为第四季马兰黄土,厚度达数米至数十米.1.2蒸发期的确定根据吉县气象局提供的10a月平均气象资料,该地区降雨集中在6～9月,高达年降水量的70%,多年平均蒸发量为1770.6mm,集中在3～10月.全年以偏北风为主,初春风力较大,时有尘暴.10℃气温从4月21日～10月13日止,10℃有效积温为3286.2℃.基准温度在10℃以上的期间,是林木蒸腾等生理活动最为活跃的时期,故本研究确定观测时段为5～10月.1.3仪器性能观测在刺槐林和油松林试验地分别布设了气象观测塔.刺槐林内塔高11m,油松林中塔高7m.两塔中均安装了净辐射计、太阳辐射计、温湿度计、风速计和地中热流板,全部观测由记录器自动采集数据(7:00～18:00时每间隔1h一次,夜间间隔4h).具体仪器性能情况见表2所示.试验林观测塔附近布设了土壤环刀,同步进行土壤蒸发的观测.为防电源和仪器故障,经常使用阿斯曼通风温湿度计、数字化显仪式太阳辐射计(MI-110)进行补充测定和定时校订.为补充测塔数据,在试验林相邻的空旷地同步进行常规气象观测场观测.2计算的原理和方法2.1为空气的定压比热及在大气过程中的脉动风速模型在近地面大气边界层中,潜热(水汽)通量和显热通量的垂直扩散方程为:λE=ρλ¯w′q′=-ρλu*q*Η=ρCp¯w′θ′=-ρCpu*θ*(1)λE=ρλw′q′¯¯¯¯¯¯=−ρλu∗q∗H=ρCpw′θ′¯¯¯¯¯¯=−ρCpu∗θ∗(1)式中,ρ为大气密度(kg·m-3);Cp为空气的定压比热(1004J·kg-1·K-1);λ为水的汽化潜热(2.5×106J·kg-1);u*为摩擦风速(u风速);θ*为温度尺度(θ位温);q*为特征比湿(q比湿);w′,θ′和q′分别为风速的垂直脉动值以及位温和比湿的脉动值(q=0.622e/P;e:水汽压,P:大气压).由能量平衡方程式Rn=H+λE+G(2)可导出潜热转移量(蒸散)λE的基本表达式和推算方法.式中Rn为净辐射量,H为显热转移量,G为地中热流量.2.2u3000e+h波文比定义为:β=H/λE(3)在假定热量和水汽的湍流交换系数及相应的稳定度函数相等的条件下,即:Kh=Kw和ψh=ψw,(3)式可简化为:β=γΔθ/Δe(4)式中,Δθ和Δe分别为两个高度(z2,z1)上的位温差(℃)和水汽压差(hPa).则:λE=(Rn-G)/(1+β)H=(Rn-G)β/(1+β)(5)2.3湍流交换系数k布德科在考虑了混合长度订正后,由(1)式得:E=ρΚ1q2-q1ln(z2/z1)Η=ρCpΚ1θ2-θ1ln(z2-z1)(6)E=ρK1q2−q1ln(z2/z1)H=ρCpK1θ2−θ1ln(z2−z1)(6)式中,K1为1m高度处的湍流交换系数.在假定Kh=Kw的条件下,根据能量平衡方程式(2)和水汽、热量的湍流交换式(1)有:Κ1=(Rn-G)ln(z2/z1)ρCpΔθ+ρλΔq(7)K1=(Rn−G)ln(z2/z1)ρCpΔθ+ρλΔq(7)3结果分析3.1实际和实际太阳辐射量实测每天到达植物群落表面太阳辐射量的多少,随天气条件的变化非常复杂,在很大程度上决定于云层的情况,实际日照时数是其特征指标之一.表3结果表明,在多云天气的6月和7月,尽管理论太阳辐射量最大,可能日照时数最长,但由于实际日照时数只有可能日照时数的37.33%和53.26%,所以实际太阳辐射量也只有理论太阳辐射量的23%～27%.晴朗的5月,实际日照时数最长,则相应实际太阳辐射量也最大.结果表明,本年度5月的日照时数比常年偏高12.4%,而在6月份又偏低34%,其他各月趋于正常.在植物生长季日平均太阳辐射量为6～24MJ·m-2,各月实测日平均水面蒸发量比实际日平均太阳辐射量有所偏大,原因在于水面蒸发数据来自县气象局,该站海拔比试验地低370m,但两者关系反映出相同趋势.3.2净辐射和清辐射的日变正演应用实测的刺槐林地和油松林地1994年5～10月期间64次全天数据资料,计算统计了各日潜热通量、显热通量的日变化过程.根据波文比法与布德科综合法潜热量结果的对比,发现波文比法结果与布德科综合法结果极为吻合,故各热收支单项计算均采用波文比法.图1为5月17～24日应用波文比法绘制的刺槐、油松林地各热收支单项的日变化过程曲线.这一期间为晴空少云天气,净辐射(Rn)在日出1h左右由负变正,白天的变化波形与太阳辐射(S)的日变程一致,呈单波型日变曲线,峰值出现在13:00左右,在日落2h前又转为负;潜热(λE)的日变程与Rn一致,但在正午前后有复杂变化,特别是刺槐林地的情况,估计与树木叶片气孔调节有关.由于5月份的空气较为干燥,潜热通量则相应较大.对照同期波文比的变化过程(图2)可以看出,两林地林冠表层的波文比日变程趋势一致,但由于刺槐林林冠表层较高,其波文比变化相对油松林较为剧烈和复杂.一般情况下,油松林地白天的波文比较小,大多在0.5以内,夜间一般多为负值并小于1;刺槐林地波文比起伏白天多数在0.5～1以内,夜间大多主要在-0.5～0.4.波文比作为下垫面上显热通量与潜热通量之比,其值愈大则表明用于显热通量的能量愈多,而用于潜热通量的能量就愈少.油松林的波文比相对刺槐要小,表明其用于蒸散的潜热较多,图2显示出油松林潜热通量的峰值略大于刺槐,则相应油松林地的蒸散也应比刺槐林地大.显热(H)在正午前后的变化比潜热(λE)更为强烈.地中热流量(G)起伏较缓,峰值出现在14:00时左右,白天贮热为负值,夜间为放热为正值.3.3不同季节油松林净辐射反射率变化的差异表4为刺槐和油松林冠表层5～10月蒸散、反射率、净辐射、潜热通量、显热通量和地中热流量日平均结果统计.结果显示,各项热量指标在各月的分布变化趋势,与各月实际太阳辐射量和实际日照时数(表3)的分布趋势相一致.森林群落对太阳辐射量的反射能力,一方面在很大程度上决定了其生态系统所能获取净辐射量的多少,同时也反映出其结构的特性.比较两林分反射率的变化范围,可以发现,在刺槐林初叶期的5,6月份平均为13.8%～14.2%,在盛叶期的7～9月平均为15.6%左右,落叶期为14%.常绿针叶油松林各月起伏较小,平均为10%以下.两林分反射率的差异是缘于两林分树冠形状及林冠疏密程度等有关林分结构的不同和叶色的差异.刺槐林较为稀疏,光线可直达林床,油松林稠密,林下直射光斑稀少;刺槐叶色较淡,油松较深,此外,叶绿素含量、叶形叶量、林下地被物和林分所处坡向都是影响因素.不同月份反射率的变化,其主要原因在于不同季节太阳高度角的变化和叶量、叶绿素含量的差异.林分反射率的差异,直接表现为林分能够获取净辐射的多少,反射率越大则获取的净辐射越少.刺槐林的反射率比油松林大5%左右,相应日平均净辐射小1～3MJ·m-2,在多云天气的6月相差很小.5～8月两林分的净辐射均由约70%～80%的太阳辐射转换而来;秋季的转换率约为60%,油松林的转换比刺槐约大1%～5%.表5反映,刺槐林在初叶期的5,6月份,用于蒸散的潜热通量(Rn)占净辐射量(λE)的64%,在盛叶期的7,8月份占81%左右,落叶期为85%左右;油松林5,6月Rn为λE的65%,7,8月为82%左右,9,10月为86%,均比刺槐大约1%.潜热通量与净辐射的关系除了与下垫面性质有关外,还与水分供应情况有关.在湿润和降雨集中的季节,潜热通量与净辐射的比值有增大趋势,说明能量和水分的供给共同构成了对蒸散的影响.消耗于空气温度变化的显热通量所占净辐射的比,刺槐林在春夏秋三时段分别为34%,18%和13%,油松林分别为30%,13%和15%,表明刺槐林范围的气温在春夏时节略高于油松林分,这也是与实际相符合的.反观土壤热流量与净辐射的关系则比较容易,刺槐林地土壤吸收的热量在5～9月约占净辐射的1%～3%,油松林为2%～5%.尽管刺槐林比油松林稀疏,而且林下光线较好,但由于林下繁茂的草灌植物对地表的覆盖,实质上有效减弱了土壤可吸收的热量;油松林林下植被稀少,辐射热量可直达林床.两林分在10月份的土壤热量收支开始出现负亏.1994年5～10月不同季节的蒸散观测结果表明,夏季由于降雨集中,土壤贮水充足,且太阳高度角大,获得的净辐射多,使得蒸散增强,林冠和地被物所截持降水的蒸发也增大了蒸散的组成.但过多的多云阴雨天气也会使太阳辐射强度降低而减少净辐射的供应,如6,7月的结果.春季属树木生长初期,风大气温回升快,树木蒸腾和土壤蒸发剧烈,但干燥的土壤墒情会限制蒸散的增大.1994年生长季刺槐林林分蒸散量为519mm,油松林林分为597mm,相差78mm.同期降水量的411.8mm之中5月仅占1.3mm,说明能量平流较强的5月蒸散结果可能有所偏大,这与波文比法和布德科综合法的假定热量和水汽的湍流交换系数及相应的稳定度函数相等的条件有关,特别是当波文比较大或趋近于-1时,由5式可知,误差将非常之大.实质结果有待进一步研究.4林分反射率分析(1)1994年日平均实际太阳辐射量5月为24MJ·m-2,较常年偏高;夏季为10～15MJ·m-2,6月太阳辐射偏低;秋季为7MJ·m-2.夏秋季节大量的多云阴雨天气降低了到达下垫面的实际太阳辐射.(2)刺槐林林冠对太阳辐射的反射率为15%,春秋两季向下波动1%～2%.油松林的反射率在10%以下,各季节无明显变化.两林分反射率相差5%左右.反射率的差异是造成两林分净辐射收支相差1～3MJ·m-2的主要原因.(3)春夏两季林分获取的净辐射均由约70%～80%的太阳辐射转换而来;秋季的转换率约为60%,油松林的转换比刺槐约大1%～5%.(4)防护林地区每天获取的净辐射量中,消耗于蒸散的潜热通量部分,在春夏秋三季分别为65%,82%和85%