康滿春，蔡永茂，王小平，查同剛，朱麗平，牛 勇，周 潔，張志強(qiáng),*

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2 北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)，北京 102112 3 北京市園林綠化局，北京 100013 4 北京市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，北京 100029

?

表層阻力和環(huán)境因素對(duì)楊樹(Populussp.)人工林蒸散發(fā)的控制

康滿春1，蔡永茂2，王小平3，查同剛1，朱麗平1，牛 勇1，周 潔4，張志強(qiáng)1,*

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2 北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)，北京 102112 3 北京市園林綠化局，北京 100013 4 北京市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，北京 100029

在水資源短缺地區(qū)大面積栽植高耗水的人工林相比于低矮農(nóng)作物會(huì)加劇地區(qū)的水分短缺，因而其可持續(xù)性正受到越來越多的關(guān)注。但是，在不同地域復(fù)雜的水、能量和氣候條件下的人工林蒸散發(fā)的控制機(jī)制仍不清楚。基于渦度相關(guān)(EC)系統(tǒng)和微氣象系統(tǒng)對(duì)北京市大興區(qū)楊樹(PopuluseuramericanaCV. “74/76”)人工林生態(tài)系統(tǒng)與大氣間水分交換的連續(xù)監(jiān)測(cè)，(a)分析了2006—2009年生長(zhǎng)季中生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)(ET)、表層阻力(Rs)、氣候阻力(Ri)和空氣動(dòng)力學(xué)阻力(Ra)在干濕年份間的變化動(dòng)態(tài)；(b)以偏相關(guān)分析法探討了干旱和濕潤(rùn)年份中不同土壤水分條件下生物因素Rs和環(huán)境因素(Ri和Ra)對(duì)楊樹人工林ET的直接控制作用。研究結(jié)果表明：在年際尺度上，干旱年份楊樹人工林的日平均ET(2.23±1.30) mm/d低于濕潤(rùn)年份約17%，對(duì)應(yīng)地，干旱年份的表層阻力(Rs∶LAI)高于濕潤(rùn)年份(71.2 s/m)約50%，而Ri和Ra未表現(xiàn)出干濕年份間的差異。在季節(jié)尺度上，季節(jié)性的干旱脅迫顯著影響楊樹人工林的ET和Rs、Ri的變化，水分供應(yīng)(降雨量與灌溉量之和)是該尺度上影響楊樹人工林ET的主導(dǎo)因素，其解釋了ET變化的71%(P<0.01)。偏相關(guān)分析結(jié)果表明，除了在土壤水分嚴(yán)重脅迫(REW<0.1)情況外，其他土壤水分條件下表層阻力Rs是日尺度上控制ET變化的主導(dǎo)因素，其與ET呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，二階相關(guān)系數(shù)(SOCC)變化范圍為-0.518—-0.293(P<0.01)，且干旱年份中Rs對(duì)ET的控制程度高于濕潤(rùn)年份；環(huán)境因素中氣候阻力Ri和空氣動(dòng)力學(xué)阻力Ra各自對(duì)ET的控制作用遠(yuǎn)小于表層阻力Rs；相對(duì)土壤含水量(REW)只在干旱年份中干旱脅迫時(shí)段(REW<0.4)直接影響ET(Pearson相關(guān)系數(shù)為0.217—0.323,P<0.01)，其他情況下則是通過影響表層阻力Rs、氣候阻力Ri和空氣動(dòng)力學(xué)阻力Ra對(duì)ET的作用來間接影響ET的。另外，相比于偏相關(guān)分析，簡(jiǎn)單的相關(guān)性分析會(huì)對(duì)各因素對(duì)ET的控制作用造成估計(jì)偏差。

楊樹人工林；生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)；表層阻力；空氣動(dòng)力學(xué)阻力；氣候阻力

過去50年，土地利用變化和氣候變化導(dǎo)致中國(guó)北方地區(qū)的土地退化、升溫、頻繁干旱以及地下水位急劇下降[1- 3]。楊樹由于其生長(zhǎng)迅速、擁有較高的生產(chǎn)力和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛用于木材生產(chǎn)、生物燃料、城市綠化和碳匯造林等方面[4- 5]，是我國(guó)北方地區(qū)的主要人工林樹種[6- 8]。截止2007年，我國(guó)楊樹人工林造林面積達(dá)700多萬hm2[9]。我國(guó)北方地區(qū)多為干旱、半干旱區(qū)，水資源缺乏，而蒸散發(fā)是缺水地區(qū)水分消耗的主要部分[10]，楊樹由于蒸騰和截留作用而消耗著大量的水分。因此在降水短缺的我國(guó)北方地區(qū)大面積造林可能增大環(huán)境退化的風(fēng)險(xiǎn)，影響區(qū)域的土壤水分狀況、水文循環(huán)以及植被覆蓋[11]。因而有必要認(rèn)識(shí)楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)蒸散及其控制機(jī)制。

蒸散發(fā)(ET)作為生態(tài)系統(tǒng)水量和能量平衡的重要組分，影響區(qū)域氣候和水分循環(huán)[12]，了解ET在氣候變化背景下的生物和環(huán)境控制機(jī)制是近年來的研究熱點(diǎn)之一[13]。以往研究中楊樹生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)變化范圍在0.88—8.5 mm/d之間[14]，如意大利中心北部的楊樹(Populusdeltoides)ET為2.40—5.40 mm/d[15]，美國(guó)新墨西哥州平均直徑為2.57cm的楊樹(Populustremuloides)的ET為3.69 mm/d[16]，而加拿大薩斯喀徹溫省的楊樹(Populussp.)ET為1.15—1.41 mm/d[17]，美國(guó)猶他州的楊樹(Populustremuloides)ET為3.60 mm/d[18]，中國(guó)內(nèi)蒙古渾善達(dá)克地區(qū)楊樹人工林的ET為2.58mm/d[19]，北京延慶的小葉楊(Populussimonii)ET為1.33 mm/d[20]，可以看出不同站點(diǎn)中楊樹生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)(ET)因各自環(huán)境條件和品種的不同而差異大。森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)受一系列環(huán)境因子(如太陽輻射，空氣溫度，飽和水汽壓差和土壤水分含量等)和生物過程(如展葉、葉片生長(zhǎng)以及氣孔開閉等)交互作用的影響[21-22]，但是各環(huán)境要素對(duì)ET的影響因站點(diǎn)而異[12]；影響楊樹生態(tài)系統(tǒng)ET的主導(dǎo)因素隨地域不同而有所差異， 如土壤水分是影響位于西北干旱、半干旱地區(qū)的84k楊樹(Populussp.)ET的主導(dǎo)因素[23]，位于暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)如山東省的一些無性系楊樹，太陽輻射為影響ET變化的主要環(huán)境因子[24]，而位于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)如安徽的無性系楊樹如南林895、I- 69楊樹等，空氣溫度是影響生長(zhǎng)季ET的主要因子[25]。雖然通過一些參數(shù)(如冠層分離指數(shù)、作物系數(shù))能夠定性地判斷生物和環(huán)境因素對(duì)ET的相對(duì)影響程度，但缺乏各因子對(duì)ET影響作用的定量性研究。而掌握生物和非生物對(duì)ET定量的控制作用，有助于認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)與氣候的相互作用關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳水交換的影響[12]，能夠在氣候變化過程中更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)地方、區(qū)域和全球尺度上的碳水收支[26]。通過“大葉”模型，可以用較少的參數(shù)組合來描述生態(tài)系統(tǒng)的宏觀特征，簡(jiǎn)化各控制生態(tài)系統(tǒng)表層通量變化的過程，進(jìn)而量化控制生態(tài)系統(tǒng)碳水交換的環(huán)境和生物因子[27]。研究表明表層阻力Rs(表層導(dǎo)度Gs的倒數(shù))可以表征森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)ET的生物控制作用[28]，氣候阻力Ri(與凈輻射和VPD有關(guān))在一定程度上綜合了環(huán)境因子的影響，表示大氣環(huán)境對(duì)水分交換的控制；而空氣動(dòng)力學(xué)阻力Ra與表層的空氣動(dòng)力學(xué)特性及風(fēng)速有關(guān)，表示冠層高度至觀測(cè)高度的大氣狀況對(duì)水汽傳輸?shù)挠绊慬27]。

本文運(yùn)用4a(2006—2009)渦度相關(guān)系統(tǒng)的觀測(cè)資料，選取生長(zhǎng)季的水汽通量和微氣象數(shù)據(jù)對(duì)不同土壤水分條件下的楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的ET和其控制因子進(jìn)行研究，主要目的在于：(1)了解楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)和生理物理特性參數(shù)的季節(jié)和年際變化特征；(2)探討不同年份中不同水分條件下生物和環(huán)境因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的直接調(diào)控作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究開展于北京市大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)大興林場(chǎng)集約栽培的歐美107楊樹(PopuluseuramericanaCV. “74/76”)人工林，林分均勻整齊, 株行距為2 m × 2 m， 75%為2002年種植，其余為1998年、2001年和2003年種植。研究站點(diǎn)在2006—2009年的基本情況如表1所示，至2009年底，平均樹高(H)和胸徑(DBH)分別為(16.2±1.6) m和(14.1±1.6) cm (Mean±SD)。平均葉面積指數(shù)(LAI)逐年增加。林下植被稀疏，多為一年生草本植物，優(yōu)勢(shì)種為灰綠藜(ChenopodiumglaucumLinn.)，伴生有紫花苜蓿(MedicagosativaL.),黃香草木樨(Melilotusofficinalis(L.)Lam.)，豬毛菜(SalsolacollinaPall.)和蒺藜(TribulusterrestrisL.)等。

研究區(qū)屬暖溫帶亞濕潤(rùn)氣候區(qū)，位于永定河洪積區(qū)，地勢(shì)平坦，平均海拔30m，坡度<5°。年平均氣溫為11.6℃，極端最低氣溫-27.4℃，極端最高溫度40.6℃;平均風(fēng)速2.6 m/s，夏季主東南風(fēng)方向。 多年平均降雨為556mm(1990—2009 年)，其中7—9月份降雨量占全年降雨總量的60%—70% (大興氣象站，116°15′07″E， 39°31′50″N，1956—2000年觀測(cè)數(shù)據(jù))。土壤為沖積性沙壤土，通透性好，保肥蓄水能力差，平均土層厚度為200cm, 土壤pH值為8.25—8.39，容重1.43—1.47g/cm3。2001到2009年的平均地下水位為16.5m，年平均降幅達(dá)3.9%。

表1 2006—2009年研究區(qū)的環(huán)境因子和楊樹人工林林分特征

表中誤差估計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)差(SD)

1.2 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)區(qū)面積大小約為1km × 1km，下墊面平坦均勻，符合渦度相關(guān)法觀測(cè)要求。渦度相關(guān)和微氣象觀測(cè)設(shè)備架設(shè)在在試驗(yàn)區(qū)中心32m觀測(cè)塔上，主要觀測(cè)儀器包括: H2O/CO2紅外氣體分析儀(Li- 7500；LI-COR，Inc.，Lincoln，NE，USA)和三維超聲風(fēng)速儀(SAT- 3；Campbell Scientific，Inc.，CSI，UT，USA)，安裝高度為20m；凈輻射儀(CNR- 1；Kipp and Zonen，Delft，Netherlands)、日照強(qiáng)度計(jì)(LI200X-L，Li-Cor，NE)、光量子傳感器(LI- 190SB；Li-Cor，Inc.)安裝高度均為26m; 氣壓計(jì)(CS105，CSI) 和翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)(TE525-L，Texas Electronics，USA)安裝高度分別為21m和22.5m;空氣溫濕度傳感器(HMP45C；Vaisala，Helsinki，F(xiàn)inland)在5、10、15、20m 高度處各安裝1套; 土壤溫度傳感器(TCAV107，CSI)和土壤熱通量板(HFT3， CSI)均置于地表以下5、10、20cm處；土壤水分觀測(cè)儀TDR(CS616， CS， USA)位于地表以下20cm和50cm處。風(fēng)速脈動(dòng)、超聲虛溫、CO2和H2O濃度以10Hz的頻率和所有氣象資料均采用數(shù)據(jù)采集器(CR5000，CS，USA)自動(dòng)記錄。

1.3 數(shù)據(jù)處理及計(jì)算方法

1.3.1 數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量控制

渦度相關(guān)系統(tǒng)(EC)觀測(cè)獲取的通量數(shù)據(jù)使用EC-processor 2.3[29]程序進(jìn)行處理。該程序能夠?qū)ν繑?shù)據(jù)進(jìn)行剔除、三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)[30-31]、WPL校正[32-33]、以及質(zhì)量控制[34-35]和評(píng)價(jià)。對(duì)缺失的數(shù)據(jù)運(yùn)用平均日變化(MDV)[36]法進(jìn)行插補(bǔ)，當(dāng)數(shù)據(jù)缺失時(shí)段大于2h且小于7d時(shí)使用前后7d的滑動(dòng)平均進(jìn)行插補(bǔ)，大于7d時(shí)則不進(jìn)行插補(bǔ)。

基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于氣候干旱的界定[37]，年降雨量低于多年平均年降雨量的85%即為干旱年份，4年中2007和2008年為濕潤(rùn)年，2006和2009年為干旱年；因?yàn)樯L(zhǎng)季中水分蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)力(如太陽輻射、溫度)和植物的生理響應(yīng)更強(qiáng)烈，所以本文選用生長(zhǎng)季(約從第100—300天)為研究時(shí)段；由于清晨和傍晚時(shí)太陽輻射、飽和水汽壓差、冠層蒸騰的值都非常低，導(dǎo)致計(jì)算的表層阻力相對(duì)誤差大，而且此時(shí)的阻力參數(shù)對(duì)積分通量影響很小但卻對(duì)通量平均值有著重大的影響[38- 40]，因此采用中午時(shí)段(北京時(shí)間10:00—15:00)各阻力參數(shù)的均值來評(píng)價(jià)其日變化情況。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)生理物理特性參數(shù)的計(jì)算

運(yùn)用渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)的潛熱通量(LE)計(jì)算整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)(ET)。

通過Penman-Monteith方程來推導(dǎo)中午時(shí)段(北京時(shí)間10:00—15:00)生態(tài)系統(tǒng)的表層阻力(Rs)[41]：

(1)

其中

(2)

式中，Rs為水汽傳輸?shù)谋韺幼枇?s/m)，Ri氣候阻力(s/m)，ρ為空氣密度 (kg/m3)，cp為空氣比熱1005 J kg-1K-1，δe是飽和水汽壓差(Pa)，Δ描述飽和水汽壓差隨溫度變化的斜率(Pa/K)，γ為干濕球常數(shù)(≈67 Pa/K)，A表示有效能(Rn-G)，LE為渦度相關(guān)技術(shù)觀測(cè)的潛熱通量(W/m2)，β為波文比(=H/LE)；Ra為冠層到觀測(cè)高度大氣層的空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s/m)，根據(jù)公式(3)[42-43]進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，ra,m動(dòng)量傳輸?shù)目諝鈩?dòng)力學(xué)阻力(s/m)，rb為剩余阻力(s/m)，μ為觀測(cè)高度的平均風(fēng)速(m/s)，μ*為摩擦風(fēng)速(m/s)。

相對(duì)土壤含水量是衡量生態(tài)系統(tǒng)土壤中可利用水分的良好指標(biāo)[5]，可由公式(4)計(jì)算：

(4)

式中,VWC 為50cm土壤體積含水量(%)，VWCmin和VWCmax分別為研究中土壤的凋萎濕度和田間持水量(%)。根據(jù)Granier 等人[44]的研究，當(dāng)REW<0.4時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)受到土壤水分脅迫的影響，當(dāng)REW<0.1時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)將受到嚴(yán)重的水分脅迫[45]。

1.3.3 能量閉合

能量閉合程度是檢驗(yàn)渦度相關(guān)技術(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效手段之一[46]。能量閉合比率由公式(5)[47]計(jì)算：

(5)

式中,EBR為能量平衡比率，Rn，G，H，LE分別為凈輻射、土壤熱通量、顯熱通量和潛熱通量(W/m2)。

本研究中基于半小時(shí)和日總量能量通量數(shù)據(jù)的4年平均能量平衡比率(EBR)分別為0.85和0.87，與中國(guó)通量網(wǎng)(ChinaFlux)8個(gè)站點(diǎn)的均值(0.83)[48]和通量網(wǎng)(FLUXNET)173個(gè)站點(diǎn)的均值(0.84)[49]一致。但是渦度相關(guān)技術(shù)的觀測(cè)中通常是不閉合的，除了一般常見的影響能量閉合的因素[48, 50- 52]，本站點(diǎn)下墊面上的管理活動(dòng)如灌溉、除草以及局部砍伐也有可能影響閉合程度?？傮w來說，本站點(diǎn)的能量閉合程度和其他通量網(wǎng)站點(diǎn)的一致，說明本文中渦度相關(guān)法觀測(cè)的數(shù)據(jù)是可靠的。

1.4 分析方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析、作圖采用軟件SPSS 20.0和Excel 2013；偏相關(guān)分析用來分析3個(gè)阻力參數(shù)(表層阻力、氣候阻力和空氣動(dòng)力學(xué)阻力)各自對(duì)ET的實(shí)際控制作用，即分別以其中兩個(gè)阻力參數(shù)作為控制變量來分析第3個(gè)阻力參數(shù)與ET的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)土壤含水量(REW)和降雨的變化特征

研究區(qū)降雨和相對(duì)土壤含水量的變化如圖1所示。相比于多年平均降雨量556mm(1990—2009)，干旱年2006和2009的年降雨總量分別低于其74mm和159mm，灌溉量分別為86mm和195mm；而濕潤(rùn)年2007和2008年的年降雨量則高于多年均值超過100mm(表1)。生長(zhǎng)季的降雨量占全年降雨的90%以上，除了2008年的降雨分布較均勻外，其他3a降雨則相對(duì)集中在生長(zhǎng)季中期，如2007年生長(zhǎng)季前期(DOY：100—180)只有一場(chǎng)降雨(>50mm)，而2006年和2009年生長(zhǎng)季后期(DOY：240—300)降雨稀少。相對(duì)土壤含水量(REW)的季節(jié)變化響應(yīng)于降雨量的變化，只有在降雨充沛時(shí)REW才大于0.4；基于REW劃分的生長(zhǎng)季干旱脅迫(REW<0.4)和非脅迫階段(0.4

圖1 2006—2009年生長(zhǎng)季日降雨量和相對(duì)土壤含水量的季節(jié)變化Fig.1 The seasonal variation of daily precipitation (P) and relative extractable water (REW) during growing season in 2006—2009

2.2 楊樹人工林蒸散發(fā)(ET)和生理物理參數(shù)的變化

楊樹人工林蒸散發(fā)(ET)的季節(jié)變化如圖2所示。2006—2009年生長(zhǎng)季的最大日蒸散發(fā)出現(xiàn)在7、8月份，分別為：5.63、6.31、6.15 mm/d和6.52 mm/d；累積蒸散發(fā)量分別為431、506、629mm和477mm(表2)，除2008年外，其他年份的都要小于同期的水分供應(yīng)量(降雨與灌溉之和)；干旱年份的日平均蒸散發(fā)(2.23±1.30)mm/d要顯著低于濕潤(rùn)年份的(2.67±1.47) mm/d，P< 0.001，并且干旱年份中干旱脅迫時(shí)段的日平均蒸散發(fā)要顯著低于非脅迫時(shí)段的，分別為(2.08±1.08) mm/d和(2.94±1.30) mm/d(P<0.001)。在季節(jié)尺度上，各時(shí)段的蒸散發(fā)量與水分供應(yīng)量表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(圖3)，水分供應(yīng)解釋了約71%的蒸散發(fā)變化，但在干旱和濕潤(rùn)年份表現(xiàn)出不同類型的響應(yīng)關(guān)系。相比于其他研究，本研究中楊樹在干旱年份的日平均蒸散發(fā)量顯著低于內(nèi)蒙古渾善達(dá)克地區(qū)楊樹人工林的(2.58mm/d[19]，P< 0.01)，而濕潤(rùn)年份的日蒸散發(fā)則與其無顯著差異，這說明本研究區(qū)的楊樹在同等干旱情況下，更容易受到干旱脅迫，這可能與所在區(qū)的水分供應(yīng)有關(guān)，如降雨及其分布。

圖2 2006—2009生長(zhǎng)季楊樹人工林日蒸散發(fā)(ET)和中午時(shí)段生理物理參數(shù)表層阻力(Rs)、氣候阻力(Ri)和空氣動(dòng)力學(xué)阻力(Ra)Fig.2 The seasonal variation of daily evapotranspiration (ET) and midday biophysical parameters: surface resistance (Rs), climatological resistance (Ri) and aerodynamic resistance (Ra) of poplar plantation ecosystem across growing season during 2006—2009

Table 2 The amount of water supply (P+I), cumulative evapotranspiration (ET), average surface resistance (Rs), climatological resistance (Ri) and aerodynamic resistance (Ra) in poplar plantation during different periods of growing season, 2006—2009

年份Year時(shí)段Periods水分供應(yīng)Watersupply/mm表層阻力?Rs/(s/m)氣候阻力?Ri/(s/m)空氣動(dòng)力學(xué)阻力?Ra/(s/m)累積蒸散發(fā)CumulativeET/mm2006100—16376．2+56418．7(528．7)87．8(30．2)20．0(6．3)97164—192d127．8184．0(94．7)94．9(45．2)23．8(5．1)91．87193—230219．650．4(29．9)51．5(16．4)27．8(8．6)125．38231—300d43178．5(68．8)77．4(27．5)25．6(6．8)112．72100—143d61．8426．9(148．8)96．1(29．4)18．1(5．4)73．612007151—200d146．8314．1(225．6)91．7(42．8)25．3(7．1)131．48200—300396．874．1(27．3)61．1(22．7)30．4(9．2)284．29100—11753．4206．9(102．0)60．7(22．9)13．6(4．1)25．43118—155d15．6130．8(48．6)81．1(32．3)14．7(4．2)121．14156—188212．770．2(33．4)56．1(20．6)19．3(5．9)115．922008189—212d2659．3(27．1)67．4(41．1)27．8(6．8)105．41213—239173．461．5(23．7)55．8(14．3)19．3(5．2)108．41240—251d19．288．7(34．6)60．4(15．3)18．0(4．1)37．65252—300116．272．1(17．8)57．3(28．9)18．4(4．4)107．81100—158d37．6+52298．9(150．8)84．2(39．3)18．2(3．8)109．562009165—186d1．2360．5(139．8)137．4(43．8)21．2(5．9)58．21187—235265+3261．2(30．9)53．0(22．8)27．4(6．6)178．63236—300d20．4+20208．3(194．3)72．3(26．5)26．9(10．7)108．422006生長(zhǎng)季466+86231．4(338．3)a77．9(33．6)a24．0(7．4)A4312007Growingseason630192．2(190．7)a75．4(34．0)a26．9(9．3)B506．12008630118．1(115．3)b68．3(44．9)a18．5(6．3)C629．62009400+195248．9(273．3)a77．1(39．1)a23．8(8．5)A477．2干旱年(2006，2009)Dryyear240．3(306．9)A77．5(36．5)a23．9(8．0)a454．1濕潤(rùn)年(2007，2008)Wetyear153．1(159．7)B71．6(40．3)a22．5(8．9)a567．85

* 表中數(shù)據(jù)為均值(標(biāo)準(zhǔn)差)；d表示水分脅迫階段； a、b、c表示顯著性為0.05，A、B、C表示顯著性為0.01

圖3 干旱和濕潤(rùn)年份中各時(shí)段的蒸散發(fā)總量和水分供應(yīng)量的關(guān)系Fig.3 Response of the total evapotranspiration amount to the total water supply during different periods in dry and wet year

生長(zhǎng)季時(shí)段表層阻力(Rs)的季節(jié)性變化與其他研究中落葉林的Rs季節(jié)性變化特點(diǎn)相似[40,53]，在生長(zhǎng)季初期和末期Rs值較大而且變化劇烈，在中期則比較小且平穩(wěn)(圖2)。2006—2009年生長(zhǎng)季中Rs的7d滑動(dòng)平均值的變化范圍分別為：34.3—1569.3 s/m，44.9—1110.9 s/m，29.7—258.2 s/m，41.1—1186.8 s/m，其中2008的葉面積指數(shù)(LAI)標(biāo)準(zhǔn)化后的Rs(即Rs∶LAI)為45.6 s/m, 顯著低于其他年份(100.3 s/m，P<0.01)，而干旱年份的平均Rs∶LAI(106.8 s/m)約為濕潤(rùn)年份Rs的1.5倍；Rs的季節(jié)變化則響應(yīng)于干旱脅迫，如2006、2007和2009年脅迫時(shí)段的Rs要遠(yuǎn)高于非脅迫時(shí)段的(表2)，這與Tchebakova等人[54]的研究一致。本研究中干旱年份楊樹的Rs∶LAI要顯著高于Wilson等人[27]研究中的楊樹(58.6 s/m)以及Blanken等人[55]研究中的北方白楊(51.8 s/m)?？傮w上氣候阻力(Ri)在生長(zhǎng)季表現(xiàn)出雙峰趨勢(shì)，分別在6月份和10月份(圖2)；4年中生長(zhǎng)季節(jié)平均Ri為68.3 s/m，均值范圍為68.3—77.9 s/m，沒有顯著的年際差異和干濕年份間的差異(P> 0.05)，但水分脅迫時(shí)段Ri要略高于非脅迫時(shí)段的(表2)。Ri的大小體現(xiàn)了不同地域內(nèi)大氣環(huán)境對(duì)水分需求程度的差異；相比之下，本研究所在地區(qū)的Ri要遠(yuǎn)高于Wilson等人[27]研究中的各森林站點(diǎn)的Ri(t=5.91,df=741,P<0.001)，但要低于Li等人[56]研究中處于干熱氣候下葡萄園的Ri值(t=-29.87,df=741,P<0.001)。在一定程度上，由于本研究所在地區(qū)大氣對(duì)水分的更高的需求和水分供應(yīng)的短缺，所以導(dǎo)致楊樹Rs要顯著高于其他研究?？諝鈩?dòng)力學(xué)阻力(Ra)最大值出現(xiàn)在7月，除了2009年在8月；2006—2009年各生長(zhǎng)季的平均Ra存在顯著差異(P<0.01)，但是干濕年份間的Ra并無顯著差異(表2)。

3 討論

3.1 相對(duì)土壤含水量(REW)對(duì)楊樹人工林蒸散發(fā)(ET)的影響

ET與REW的相關(guān)性分析結(jié)果(表3)表明，在日尺度上，楊樹人工林只有在干旱年份中REW<0.4的情況下其ET和REW才顯著相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)> 0.217，P<0.01)，且土壤水分脅迫越嚴(yán)重，REW對(duì)ET的影響越大；在其他情況下，ET與REW不存在顯著相關(guān)關(guān)系(P> 0.05)， REW是通過影響其他因素間接地影響ET的。這說明由降雨多寡導(dǎo)致的氣候濕潤(rùn)或干旱會(huì)影響到土壤水分對(duì)楊樹蒸散發(fā)的作用。研究表明土壤水分脅迫對(duì)ET有著一定的限制作用，但會(huì)因?yàn)闀r(shí)滯和較窄的響應(yīng)范圍而有時(shí)并不明顯，只在達(dá)到一定程度時(shí)才顯現(xiàn)出來[57]。因此， REW只在氣候干旱且存在土壤水分脅迫的情況下對(duì)楊樹人工林ET有一定的影響(< 35%)，而且會(huì)隨著水分脅迫程度的增加而增加。

表3 不同土壤水分條件下干濕年份中蒸散發(fā)和相對(duì)土壤含水量、表層阻力、氣候阻力和空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)系數(shù)

Table 3 The correlation coefficient, including Pearson correlation (P) and the second order correlation coefficient (SOCC), between evapotranspiration (ET) and relative extractable water (REW), surface resistance (Rs), climatological resistance (Ri) and aerodynamic resistance (Ra) at different water condition in dry and wet year，the value in table represents coefficient (significance)

土壤水分狀況Soilwatercondition年份Year蒸散發(fā)(ET)-相對(duì)土壤含水量(REW)蒸散發(fā)(ET)-表層阻力(Rs)蒸散發(fā)(ET)-氣候阻力(Ri)蒸散發(fā)(ET)-空氣動(dòng)力學(xué)阻力(Ra)P(sig．)P(sig．)SOCC(sig．)P(sig．)SOCC(sig．)P(sig．)SOCC(sig．)REW<0．1干旱年0．323(0．002)0．163(0．187)0．09(0．478)0．213(0．084)0．165(0．19)-0．48(0．001)-0．471(0．001)濕潤(rùn)年-0．258(0．223)0．402(0．063)0．634(0．003)0．248(0．266)-0．552(0．012)-0．702(0．001)-0．543(0．013)0．1

相關(guān)系數(shù)(顯著性程度)，包括Pearson相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)SOCC

3.2 不同REW條件下Rs、Ri和Ra對(duì)ET的控制

森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)受生物和環(huán)境因素的共同影響[21- 22]，表層阻力Rs可以描述生物因素對(duì)ET的控制[28]，而環(huán)境因素對(duì)ET的控制可以借助氣候阻力Ri和動(dòng)氣動(dòng)力學(xué)Ra來評(píng)價(jià)[27]，但各影響因素間存在相互作用，因此為了進(jìn)一步分清生物和環(huán)境因子各自對(duì)ET的實(shí)際控制作用，本文采用偏相關(guān)分析，結(jié)果如表3所示。

ET和Rs、Ri及Ra的偏相關(guān)系數(shù)表明表層阻力Rs是控制ET的主導(dǎo)因素，這與其他研究結(jié)論一致[26,58]，且Rs對(duì)ET的影響受土壤水分狀況的影響；而Ri和Ra只有在特定的情況下對(duì)ET有影響；其中在濕潤(rùn)年份中REW<0.1時(shí)ET與三者都具有十分顯著的相關(guān)性。表層阻力Rs與ET的關(guān)系表現(xiàn)為：除了在嚴(yán)重水分脅迫條件(REW<0.1)下以外，ET與Rs均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(SOCC變化范圍：-0.293—-0.518，P<0.001)，ET隨著Rs的增大而減小[26]；而且無論在干旱還是濕潤(rùn)年份，Rs與ET的相關(guān)性在REW > 0.4時(shí)要高于0.1 0.4時(shí)才對(duì)ET有顯著影響(P<0.05)，且均為負(fù)相關(guān)。另外，相對(duì)于偏相關(guān)分析，通過簡(jiǎn)單的相關(guān)性分析來評(píng)價(jià)不同因子對(duì)ET的控制作用，都存在或高或低的估計(jì)偏差，甚至得出完全相反的分析結(jié)果。

4 結(jié)論

楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)季的蒸散發(fā)(ET)和表層阻力(Rs)響應(yīng)于氣候干旱而表現(xiàn)出顯著的干濕年份差異，其中干旱年份的日平均ET低于濕潤(rùn)年份約17%，對(duì)應(yīng)地，干旱年份的表層阻力(Rs∶LAI)高于濕潤(rùn)年份約50%，而氣候阻力(Ri)和空氣動(dòng)力學(xué)阻力(Ra)的年際變化并未表現(xiàn)出顯著的干濕年份差異。在季節(jié)尺度上，季節(jié)性干旱對(duì)該生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)(ET)、表層阻力(Rs)、氣候阻力(Ri)有著顯著的影響，水分供應(yīng)(降雨量與灌溉量之和)是該尺度上影響ET變化的主要因素，兩者的相關(guān)程度約為71%；在日尺度上，干濕年份中不同土壤水分條件下Rs、Ri、Ra三個(gè)因素對(duì)ET的影響程度有所差異；除了REW<0.1情況外，生物因素Rs是控制ET變化的主導(dǎo)因素，兩者間均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，Rs對(duì)ET變化的解釋程度為29.3%—51.8%，且干旱年份中Rs對(duì)ET的控制程度高于濕潤(rùn)年份。土壤水分只在干旱年份中干旱脅迫時(shí)段(REW<0.4)對(duì)ET有直接影響；不同土壤水分條件下氣候因子Ri和空氣動(dòng)力學(xué)阻力Ra對(duì)楊樹人工林ET的控制作用小于表層阻力Rs的且并未表現(xiàn)一致性。另外，簡(jiǎn)單的相關(guān)性分析不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)生物和環(huán)境因子對(duì)ET的控制作用，存在估計(jì)偏差，甚至得出完全相反的分析結(jié)果。

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Control of evapotranspiration by surface resistance and environmental factors in poplar (Populus× euramericana) plantations

KANG Manchun1, CAI Yongmao2, WANG Xiaoping3, ZHA Tonggang1, ZHU Liping1, NIU Yong1, ZHOU Jie4, ZHANG Zhiqiang1,*

1 Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating, Ministry of Education, College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China 2BadalingForestFarm,Beijing102112,China3BeijingMunicipalBureauofLandscapeandForestry,Beijing100013,China4BeijingMunicipalStationofAgro-EnvironmentalMonitoring,Beijing100029,China

There is increasing concern about the sustainability of large-scale plantations in water-limited regions, with most studies indicating that the higher water use of forest plantations compared to herbaceous crops exacerbates water shortages in such areas. However, the mechanisms that control evapotranspiration in forest plantations under complex water, energy, and climatic conditions and across diverse geographical regions remain unclear. Here, we report continuous water flux data for a poplar plantation (Populus×euramericana‘74/76’) in Daxing District, Beijing, China, collected with an eddy covariance (EC) and microclimate monitoring system. Our objectives were to a) quantify the dynamics of evapotranspiration (ET), surface resistance (Rs), and climatological resistance (Ri) over dry and wet years; b) examine the direct controlling effects of biological and environmental factors onETby using partial correlation analysis under different soil moisture conditions over dry and wet years. On the interannual scale, average dailyETin dry years (2.23±1.30) mm/d was 17% lower than that in wet years; surface resistance (Rs∶LAI) increased by 50% in dry years, but there were no significant differences inRiandRabetween dry and wet years. At the seasonal scale, seasonal drought stress had a discernible impact onET,Rs, andRiof the poplar plantation, and water supply (precipitation + irrigation) caused 71% of seasonal variation inET(P<0.01). Partial correlation analysis indicated thatRswas the main factor controlling dailyET, except under severe water stress (REW<0.1), and dailyETwas negatively related toRs(second-order correlation coefficient of -0.518 to -0.293,P<0.01). The effect ofRsonETwas stronger in dry years than in wet years, and the effects ofRiandRaon dailyETwere irregular and weaker than that ofRs. DailyETof the poplar plantation was directly affected by relative extractable soil water (REW) only under water stress (REW<0.4) in dry years (Pearson coefficient 0.217-0.323,P<0.01), and it was indirectly influenced byREWunder other soil water conditions. Compared to partial correlation analysis, correlation analysis would incorrectly evaluate the effects ofRs,Ri, andRaonET.

poplar plantation; evapotranspiration; surface resistance; aerodynamic resistance; climatological resistance

國(guó)家林業(yè)行業(yè)科研專項(xiàng)(201204102)；北京市教育委員會(huì)共建項(xiàng)目；北京市林業(yè)碳匯工作辦公室觀測(cè)運(yùn)行基金；中美碳聯(lián)盟USCCC國(guó)際合作項(xiàng)目

2015- 02- 25;

日期:2015- 12- 14

10.5846/stxb201502250381

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhqzhang@bjfu.edu.cn

康滿春，蔡永茂，王小平，查同剛，朱麗平，牛勇，周潔，張志強(qiáng).表層阻力和環(huán)境因素對(duì)楊樹(Populussp.)人工林蒸散發(fā)的控制.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(17):5508- 5518.

Kang M C, Cai Y M, Wang X P, Zha T G, Zhu L P, Niu Y, Zhou J, Zhang Z Q.Control of evapotranspiration by surface resistance and environmental factors in poplar (Populus×euramericana) plantations.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5508- 5518.