【摘 要】
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冠层导度(Canopy conductance,gc)可反映生态系统尺度上气孔的活动状态,其作为重要的生物因子,直接影响植物与大气间的碳水交换过程。蒸散(Evapotranspiration,ET)是水分循环的重要组分,在全球变化背景下,森林蒸散的变化规律及控制机制得到了广泛关注。冠层导度是影响蒸散的重要因子,因此深入细致的研究环境因子对冠层导度的影响,在此基础上研究环境和生物因子对蒸散的影响机制
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冠层导度(Canopy conductance,gc)可反映生态系统尺度上气孔的活动状态,其作为重要的生物因子,直接影响植物与大气间的碳水交换过程。蒸散(Evapotranspiration,ET)是水分循环的重要组分,在全球变化背景下,森林蒸散的变化规律及控制机制得到了广泛关注。冠层导度是影响蒸散的重要因子,因此深入细致的研究环境因子对冠层导度的影响,在此基础上研究环境和生物因子对蒸散的影响机制,有助于深入理解生态系统的能量与物质交换过程,预测生态系统对气候变化的响应和适应特征。本研究以中亚热带人工林为研究对象,以千烟洲试验站12年连续观测的蒸散、气象及遥感获取的叶面积指数数据为基础,计算了冠层导度,进而利用相关分析、逐步回归分析、结构方程模型等方法,分析了该亚热带人工林生态系统冠层导度和蒸散的季节与年际变化特征,详细剖析了环境因子对冠层导度的影响。并分析了在不同气象背景年份中,生物和环境因子对冠层导度及蒸散的影响差异。主要研究结果如下:(1)冠层导度(gc)的变化特征及环境因子对其影响:千烟洲人工林生态系统gc多年平均值为3.46±0.36 mm s-1,大多数年份峰值出现在4月,最小值出现在10月。冠层导度对环境因子的响应可能被主控因子的影响所掩盖,因此,为了深入研究环境因子对冠层导度的影响,本研究基于长期大量数据开展了细致研究。首先,饱和水汽压差(Vapor Pressure Deficit,VPD)表现为gc的主控因子,当VPD大于1.8 k Pa时,gc显著下降;当剔除VPD(0.4 k Pa<VPD<1.8 k Pa)的影响时,可发现空气温度(Air Temperature,Ta)对gc的影响,在空气温度低于28°C时,gc随Ta线性升高,继而下降;当进一步剔除VPD和Ta胁迫时,可见净辐射(Net Radiation,Rn)对gc影响,符合logistic增长模型;gc随5 cm土壤含水量(Soil water content at 5 cm depth,SWC5)对数升高;在水分胁迫或温度胁迫条件下,50 cm土壤含水量(Soil water content at 50 cm depth,SWC50)表现出了对gc的调控作用,表明该森林生态系统可利用深层土壤水抵御环境胁迫。(2)不同气象背景年份中gc对环境因子的响应存在差异:干旱年,gc随VPD线性下降,VPD可解释gc变异的97%;寒冷年,gc随SWC50线性增加,SWC50可解释gc变异的98%。浅层土壤含水量SWC5在寒冷年对gc的驱动作用最小。(3)蒸散(ET)的变化特征及环境与生物因子对其影响:多年平均日ET值为2.02±1.23mm,峰值出现在7月,最小值出现在冬季。Rn是影响ET的最主要因子,当Rn大于20 MJ m-2时,ET显著下降;ET对VPD和Ta的响应也呈先增后降的趋势,阈值分别为1.9 k Pa和30℃;ET随冠层风速(Wind Speed,WS)呈二次函数变化,当WS小于3 m s-1时,ET随WS增加而逐渐增加;当WS大于3 m s-1时,ET随WS增加逐渐减小;ET随降水量(Precipitation,PPT)线性递减。Rn、Ta和VPD在日尺度上对ET的驱动效果较为显著。但在不同时间尺度上这三个因子对ET的影响程度存在差别。日尺度和年尺度上Rn对ET控制作用最强(r~2=0.76;r~2=0.31);月尺度上VPD对ET控制作用最强(r~2=0.17)。在不同气象背景年份下ET对叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)的响应存在差异。当出现干旱胁迫或温度胁迫时,LAI对ET的调控作用减弱。(4)基于结构方程模型(SEM)分析不同年型背景下环境和生物因子对ET的影响特征:在寒冷年,环境因子对ET影响大小顺序为:Rn>VPD>Ta>SWC20>LAI;在干旱年,环境因子对ET影响大小顺序为:Rn>gc>VPD(负影响)、SWC50>Ta、LAI>WS;平均情况来看,环境因子对ET影响大小顺序为:Rn>VPD>SWC20>Ta>LAI>gc,说明Rn是该生态系统影响蒸散的主要因子,但在不同气象背景年份下Rn会与不同环境因子或生物因子对ET产生协同调控。平均而言,gc对ET存在较弱的正向驱动作用;在寒冷年,gc对ET的影响不显著;在干旱年,gc对ET存在一定的正向驱动作用。
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