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青藏高原与大气间能量和水汽交换通量可以从局地到全球尺度上驱动气候变化,同时增强亚洲季风、影响全球大气水分和能量循环。此外,蒸散是连接陆地生态系统水分循环和生物地球化学过程的重要变量。高寒草甸生态系统是青藏高原生态系统的重要组成部分,它在区域生物地球化学循环以及能量平衡中发挥着非常重要的作用。开展青藏高原高寒草甸生态系统能量交换通量和地表实际蒸散的直接观测研究,将有助于更好地理解青藏高原高寒草甸生态系统与气候系统之间的相互作用和影响,了解青藏高原区域的能量平衡和水循环过程。
此前关于高寒草甸能量交换和蒸散的观测研究多数位于高原的温带或亚寒带半干旱气候区,只有少数研究位于高原东缘的亚寒带半湿润或湿润区,主要分布在若尔盖高原及其周边,这一区域降水相对充沛,生长季相对较长,是青藏高原高寒草甸的重要组成部分,此前该区域的研究只在生长季或只有一周年观测,且只来自两个实验站点的研究报道。要认识该区域高寒草甸生态系统能量和水分循环规律及其环境驱动因子,需开展周年以上观测研究,这可以为深入研究青藏高原高寒草甸能量和水分循环提供科学依据。
为揭示青藏高原东缘若尔盖高原高寒草甸生态系统的能量交换和蒸散变化规律及其影响因素以及年间差异,本研究利用涡动相关法观测2013年11月1日到2015年10月31日期间高寒草甸生态系统的能量交换通量和蒸散,并分析它们的变化特征以及蒸散的主要影响因素。研究表明:
(1)能量交换通量各组成成分(净辐射、潜热通量、感热通量、土壤热通量)具有明显的日变化和季节变化特征,日变化呈“单峰型”分布,在中午左右达到最大值。第一年的年平均值分别为94.5W m-2、51.8W m-2、21.0W m-2、1.2W m-2。第二年的年平均值分别为96.3W m-2、56.0W m-2、22.4W m-2、0.9W m-2。第二年净辐射和感热通量略高于第一年,潜热通量高于第一年,第二年土壤热通量略低于第一年。净辐射第一年在春、秋季都高于第二年,夏、冬季正好相反。潜热通量第二年在春、夏、秋季都高于第一年,冬季正好相反。感热通量第一年在夏季高于第二年,其他季节则正好相反。土壤热通量第一年在春、冬季高于第二年,在夏、秋季则正好相反。地表能量分配的方式主要表现为:在生长季,潜热通量占主导地位,占净辐射约为69%-74%,在非生长季,感热通量和潜热通量基本相当,略高于潜热通量,感热通量占净辐射约为26%-27%。
(2)观测期间研究区域第一年的年累积降水量和年累积蒸散量分别为682.7mm和666.2mm。第二年的年累积降水量和年累积蒸散量分别为526.5mm和720.6mm。实际蒸散的日变化和季节变化都呈“单峰型”分布,日变化在生长季最大值为0.35-0.36mm h-1,在非生长季最大值仅为0.06-0.08mm h-1。生长季日蒸散平均速率为2.8-3.0mm d-1,非生长季则仅为0.6mm d-1。生长季蒸散量占全年蒸散量的87%,说明生态系统主要在生长季消耗水分,以蒸散的方式。蒸散第二年在春、夏、秋季均高于第一年,冬季则正好相反。
(3)青藏高原高寒草甸生态系统影响蒸散的因素主要是土壤温度、净辐射,之后才是饱和水汽压差,研究期间温度、净辐射、饱和水汽压差等因素对蒸散的综合影响较大,通过逐步多元线性回归分析发现上述因素能共同解释约89%的蒸散变异。本研究的年蒸散量/年降水量(ET/PPT)为0.98-1.37,说明绝大部分的水分通过蒸散返回到大气,第一年水分收支基本平衡,第二年水分亏损严重。
(4)第一年生长季、非生长季以及全年的植被蒸散系数分别为1.05、0.50、0.82,第二年生长季、非生长季以及全年的植被蒸散系数分别为1.17、0.40、0.83。总体上,第二年的作物系数要比第一年大,在生长季尤为明显,这与第二年蒸散值大于第一年蒸散值的结果比较一致。
(5)植被蒸散系数是实际蒸散与潜在蒸散的比值,我们试图建立植被蒸散系数与气象环境因子之间的关系,通过常规气象因素获得地表实际蒸散。我们利用观测期间第一年生长季数据建立模型,第二年生长季数据进行验证。对于本研究下垫面而言,综合各种误差评价指标,三种方法的效果优先级为:Penman-Montieth法>Priestley-Taylor法>FAO推荐植被蒸散系数法。
此前关于高寒草甸能量交换和蒸散的观测研究多数位于高原的温带或亚寒带半干旱气候区,只有少数研究位于高原东缘的亚寒带半湿润或湿润区,主要分布在若尔盖高原及其周边,这一区域降水相对充沛,生长季相对较长,是青藏高原高寒草甸的重要组成部分,此前该区域的研究只在生长季或只有一周年观测,且只来自两个实验站点的研究报道。要认识该区域高寒草甸生态系统能量和水分循环规律及其环境驱动因子,需开展周年以上观测研究,这可以为深入研究青藏高原高寒草甸能量和水分循环提供科学依据。
为揭示青藏高原东缘若尔盖高原高寒草甸生态系统的能量交换和蒸散变化规律及其影响因素以及年间差异,本研究利用涡动相关法观测2013年11月1日到2015年10月31日期间高寒草甸生态系统的能量交换通量和蒸散,并分析它们的变化特征以及蒸散的主要影响因素。研究表明:
(1)能量交换通量各组成成分(净辐射、潜热通量、感热通量、土壤热通量)具有明显的日变化和季节变化特征,日变化呈“单峰型”分布,在中午左右达到最大值。第一年的年平均值分别为94.5W m-2、51.8W m-2、21.0W m-2、1.2W m-2。第二年的年平均值分别为96.3W m-2、56.0W m-2、22.4W m-2、0.9W m-2。第二年净辐射和感热通量略高于第一年,潜热通量高于第一年,第二年土壤热通量略低于第一年。净辐射第一年在春、秋季都高于第二年,夏、冬季正好相反。潜热通量第二年在春、夏、秋季都高于第一年,冬季正好相反。感热通量第一年在夏季高于第二年,其他季节则正好相反。土壤热通量第一年在春、冬季高于第二年,在夏、秋季则正好相反。地表能量分配的方式主要表现为:在生长季,潜热通量占主导地位,占净辐射约为69%-74%,在非生长季,感热通量和潜热通量基本相当,略高于潜热通量,感热通量占净辐射约为26%-27%。
(2)观测期间研究区域第一年的年累积降水量和年累积蒸散量分别为682.7mm和666.2mm。第二年的年累积降水量和年累积蒸散量分别为526.5mm和720.6mm。实际蒸散的日变化和季节变化都呈“单峰型”分布,日变化在生长季最大值为0.35-0.36mm h-1,在非生长季最大值仅为0.06-0.08mm h-1。生长季日蒸散平均速率为2.8-3.0mm d-1,非生长季则仅为0.6mm d-1。生长季蒸散量占全年蒸散量的87%,说明生态系统主要在生长季消耗水分,以蒸散的方式。蒸散第二年在春、夏、秋季均高于第一年,冬季则正好相反。
(3)青藏高原高寒草甸生态系统影响蒸散的因素主要是土壤温度、净辐射,之后才是饱和水汽压差,研究期间温度、净辐射、饱和水汽压差等因素对蒸散的综合影响较大,通过逐步多元线性回归分析发现上述因素能共同解释约89%的蒸散变异。本研究的年蒸散量/年降水量(ET/PPT)为0.98-1.37,说明绝大部分的水分通过蒸散返回到大气,第一年水分收支基本平衡,第二年水分亏损严重。
(4)第一年生长季、非生长季以及全年的植被蒸散系数分别为1.05、0.50、0.82,第二年生长季、非生长季以及全年的植被蒸散系数分别为1.17、0.40、0.83。总体上,第二年的作物系数要比第一年大,在生长季尤为明显,这与第二年蒸散值大于第一年蒸散值的结果比较一致。
(5)植被蒸散系数是实际蒸散与潜在蒸散的比值,我们试图建立植被蒸散系数与气象环境因子之间的关系,通过常规气象因素获得地表实际蒸散。我们利用观测期间第一年生长季数据建立模型,第二年生长季数据进行验证。对于本研究下垫面而言,综合各种误差评价指标,三种方法的效果优先级为:Penman-Montieth法>Priestley-Taylor法>FAO推荐植被蒸散系数法。