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塔里木河下游位于我国极端干旱区,河岸绿洲带是阻隔塔克拉玛干沙漠和库鲁克沙漠衔接的最后屏障,其生态和战略地位越来越受到人们的重视。分析塔里木河下游河岸林与大气间水热交换规律是揭示下游河岸林生态水文过程的关键一环,是管理塔里木河水资源的重要科学基础。涡度相关技术是研究生态系统水热和CO2交换的有力工具,长期以来,针对塔里木河下游河岸林生态系统,缺少利用涡度相关技术进行生态系统水热交换的相关研究。柽柳是塔里木河下游河岸林重要的建群种之一。本文基于2011年6月9日~12月23日的涡度相关数据,评价涡度相关数据在极端干旱气候背景下塔里木河下游柽柳河岸林应用的数据质量问题,并初步揭示塔里木河下游柽柳河岸林的水热交换规律,为涡度相关技术在这一地区的应用和水热交换的进一步深入分析提供基础。
本文根据2011年9月22日至10月8日(17天白天)原始数据(采样频率为10Hz),分别依据“时段平均”和“总时段平均”得到的通量计算值的对比、不同平均时间(1~120min)条件下能量平衡比的比较、以及Ogive函数计算分析,分析了研究区不同平均时间长度对通量计算的影响,结果发现30min平均时间是涡度相关数据通量计算的合理平均时间长度,平均时间取60min能够促进研究区能量平衡闭合,而平均时间15min能够获得更多的通量信息。
2011年7月4日~11日8天的潜热通量稳态测试结果显示,研究区涡度相关湍流通量数据质量总体较好,8天384个30min数据中稳态测试比小于30%的数据有71.6%,其中白天数据稳态测试比小于30%的数据达到95%以上,数据质量很好,而夜间稳态测试比小于30%的数据仅有44%左右。仅少数夜间数据质量较差,在对通量数据进行分析应用时应予以剔除。对研究区在2011年6月9日至12月23日时间段内涡度相关数据的能量平衡闭合状况的分析发现,在进行短时间尺度的研究时,需要考虑浅层土壤热储量的影响,而在进行长时间段的研究时可以不考虑浅层土壤热储量的影响。总的能量平衡比EBR为0.85,生长盛期、落叶期和休眠期的EBR分别为0.74、0.92和0.95,落叶期和休眠期好于生长盛期。白天能量闭合状况明显好于夜间,夜间湍流微弱,摩擦风速低严重影响了观测数据的质量。而造成夜间湍流微弱的原因主要是下垫面极端干旱,地表温度下降快,从而容易产生空气逆温层,抑制了湍流运动。
塔河下游典型柽柳河岸林水热交换规律的初步研究基本结论有:
1)塔里木河下游典型柽柳河岸林在生长盛期潜热交换日均值达到约8.21MJm2d-1,而感热交换日均值仅为0.04MJm-2d-1;落叶期潜热交换日均值降至约4.80MJm-2d-1,而感热交换日均值增大到约2.63MJm-2d-1;休眠期潜热交换十分微弱,日均值仅为0.12MJm-2d-1,感热交换则升高至3.50MJm-2d-1。生长盛期河岸林平均日蒸散量为3.35mm/d,到落叶期平均日蒸散量降至1.9mm/d,而在休眠期日蒸散量接近于零,整个河岸林系统此时基本不耗水。结合降水前后蒸散日过程的比对,可以得出土壤蒸发在研究区整个蒸散中所占比重很小,可以忽略,研究区柽柳河岸林蒸散主要是植被蒸腾。
2)塔里木河下游典型柽柳河岸林潜热通量LE和感热通量H也表现出了明显的日动态,日出后开始增大,到正午前后达到最大值,然后逐渐减小,到日落接近于零。
3)生长季柽柳河岸林潜热通量远大于感热通量,揭示出植被没有受到水分胁迫,可能是因为柽柳作为典型的潜水湿生型植物,其生命活动更依赖于深层土壤水,而非降水,并且研究时段内具有充足的地下水补给。但在约为8mm的潜在蒸散的作用下,河岸林日耗水量仅为3mm左右,这可能是柽柳对干旱气候的自身适应的结果。
4)塔里木河下游柽柳河岸林蒸散规律及能量分配的季节波动主要受到了植物生长物候期的控制,与其他因素关系不明显。而蒸散日过程与潜在蒸散的日变化趋势一致,反应出植被蒸散的日过程是气象要素综合作用的结果。