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评价陆地生态系统水碳循环及其对未来气候变化的响应,需要深入地了解不同类型生态系统一大气间物质与能量交换特征及其控制机理。草原占全球自然植被面积的32％,对陆地生态系统水碳循环过程有重要贡献。本研究以内蒙古温带荒漠草原生态系统为研究对象,应用涡度相关技术,结合气象环境因子和生物因子观测,分析了温带荒漠草原生态系统一大气间能量、水和碳通量交换动态特征及其环境控制机制。主要的研究结果如下：
⑴地表反射率日变化受太阳高度角影响,具有日出日落附近高,中午前后平稳,整体呈U形的特征。生长季地表反射率在0.20～0.34之间变化,平均为0.25:5月较高,6月下降,7～9月相对稳定,10月增大。地表反射率季节动态与冠层叶片的物候变化有关,同时也受到降水过程的扰动。地表反射率与环境因子(晴天资料)相关分析表明:土壤含水量(SWC)和叶面积指数(LAI)是影响地表反射率的关键因子。据此,建立了反映环境因子(SWC)和生物因子(LAI)共同作用的地表反射率模型,模型模拟值与观测值具有较好的一致性。
⑵能量平衡各分量(净辐射,Rm感热通量,H:潜热通量,LE:土壤热通量,G)呈单峰型日动态,白天大部分时间H/Rn>G/Rn>LE/Rm夜间G/Rn占主导；全天LE/Rn相对较小,即使在植物生长盛期也一样。较低的LE/Rn可能与荒漠草原气候干旱及植被分布稀少有关。全年H是Rn的主要能量支出项(58％)；LE其次(26％),年蒸散量(190.3 mm)大于年降水量(136.3 mm)),与多年平均降水量(PPT)接近(183.9 mm)；G所占比例较小(1％),全年基本保持平衡。然而G具有白天吸收能量,夜间释放能量:夏季储存能量,冬季释放能量的特点,在能量平衡中存在类似“能量缓存”的作用,不能被忽略。降水过程显著影响内蒙古温带荒漠草原水热交换。降水后较降水前LE峰值明显增大,而H峰值降低。生长季潜热分配(LE/Rn)主要受到SWC、饱和水汽压差(VPD)及LAI共同影响。LE/Rn随SWC增大呈增加趋势,LE/Rn随VPD增大而降低,L,E/Rn随LAI增大呈二次曲线变化。其中,LAI为0.2 m2 m-2是一个阈值。当LAI<0.2 m2m-2,SWC是LE/Rn主要驱动因子:当LAI>0.2m2m-2,SWC和LAI共同驱动LE/Rn。应用退耦因子(Q)对荒漠草原与大气间的水汽交换耦合状况分析表明,与其他草原类型相比,本研究区的Q相对较低(生长季平均O.15)。生长盛期Q相对较高,Rn是LE的主导因子；而生长前期和后期Ω相对较低,VPD是LE的主要控制因子。
⑶2008年荒漠草原不同生长阶段,LE均呈现相似的单峰型日动态,LE峰值出现在正午前后。整个生长季,日中的感热通量大于潜热通量。蒸发散(ET)季节变化明显,主要与SWC和LAI的变化有关。温带荒漠草原最大的曰蒸散率为3.8 mm day-1。生长季累计ET为150.9 mm,超过PPT(133.0 mm)13.4％。温带荒漠草原生长季作物系数(Kc,为涡度相关系统测得的ET和Penman-Monteith计算的参考蒸发散(ETo)的比值)呈现明显的季节变化。Kc平均值为O.17,明显低于其他草原生态系统的报道,表明荒漠草原受水分亏缺影响严重,SWC是ET的主要环境控制因子。Kc与环境因子的相关分析表明,Rn、SWC和空气相对湿度(RH)是Kc的主要影响因子。Kc随着Rn、SWC的增大均呈线性增加趋势,而随着RH的增大呈指数增加趋势。据此,构建了由Rn、SWC和RH共同驱动的Kc模型。应用此Kc模型以及Penman-Monteith参考蒸发散模型,构建了温带荒漠草原ET估算模型。采用2009年生长季资料对该模型进行验证表明,ET模型模拟值与观测值具有较好的一致性。
⑷温带荒漠草原半小时尺度净生态系统碳交换(NEE)最大值与最小值分别为-O.14 mg CO2 m-2 S-1和0.04 mg CO2 m-2 s-1:最大的口NEE仅有-6.0 g CO2 m-2day-1(NEE负值表示生态系统为碳吸收)。2008年全年的碳收支为.7.2 g g C m-2,表明温带荒漠草原在观测年为弱的碳汇年。生长季NEE的光响应参数较低,表观初始光能利用效率(α)和最大生态系统碳交换(NEEsat)分别为-0.004 lamol CO2μmolphotons和-2.5μmol CO2m-2 s-1。α和NEEsat随着SWC、气温(Ta)、VPD以及植被冠层发展而变化。分段函数分析结果表明:最适日间NEE的SWC、Ta和VPD值分别为12.6％、24.3℃和1.7 kPa；最适夜间NEE(生态系统呼吸,Reco)的SWC值为15％。Reco的表观温度敏感性指数(Q10)在不同生长阶段存在变异,整个生长季Q10为1.6。Q10显著受SWC的控制,当5％10％时,Q10为1.4。生长季内,NEE季节波动与LAI变化密切相关,LAI对日NEE变异的解释率为43％。