巨菌草地表能量交换特征及其影响因素_刘凤山.pdf

收稿日期:20220616修回日期:20221014基金项目:福建省科技厅重大专项(2021NZ029009);福建省自然资源厅项目(KKY22003XA);福建省农业农村厅项目(KKY22001XA);福建农林大学项目(XKJC-712021030)作者简介:刘凤山(1986)，男，副研究员研究方向:地表水热收支动态Email:liufengshan0225 163com巨菌草地表能量交换特征及其影响因素刘凤山1，2，白妮妮1，3，林占熺1，林冬梅1，王子怡1，3，丁凰文2，吴宗楠2，张雅婷2，杨谨宁2，王培丹4(1福建农林大学国家菌草工程技术研究中心，福建 福州 350002;2福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002;3福建农林大学林学院，福建 福州 350002;4顺昌县第一中学，福建 南平 353200)摘要:基于波文比能量平衡法，研究了巨菌草生长过程入射太阳辐射(d)、反射太阳辐射(u)、净辐射(n)、潜热(LH)、显热(SH)、土壤热通量(G)和波文比()等的变化动态;通过耦合系数()评价地表能量通量的影响因素，提出一种地表通量异常值插值方法的判断标准，确定 异常值为200050结果表明:采用随机森林插值方法可获得质量良好的通量数据生育期 d、u、n、LH、SH、G、和 的平均值分别为 18599 Wm2、7256 Wm2、11135 Wm2、8294Wm2、3126 Wm2、272 Wm2、038 和 06，d是季节尺度上其他参数变化的主要影响因子，LH 和 SH 同时受到冠层导度(gc)和饱和水汽压差(VPD)等因素的影响晴天 n、LH 和 SH 较高，阴天 n、LH 和 SH 较低晴天和阴天的 由 gc和n决定，生育早期具有低 gc和高 n的特征，晴天的 大于阴天;生育盛期具有高 gc和低 n的特征，晴天的 低于阴天开放科学(资源服务)标识码(OSID)关键词:巨菌草;地表能量平衡;波文比;潜热比例中图分类号:S181文献标识码:A文章编号:1671-5470(2023)03-0383-08DOI:1013323/jcnkijfafu(natsci)20230 014Patterns and influencing factors of surface energy exchangesin Giant Juncao ecosystemLIU Fengshan1，2，BAI Nini1，3，LIN Zhanxi1，LIN Dongmei1，WANG Ziyi1，3，DING Huangwen2，WU Zongnan2，ZHANG Yating2，YANG Jinning2，WANG Peidan4(1National Engineering esearch Center of JUNCAO Technology，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;2College of Life Sciences，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;3College of Forestry，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;4Shunchang No1 Middle School，Nanping，Fujian 353200，China)Abstract:Based on Bowen ratio-energy balance method，the incident solar radiation(d)，reflect solar radiation(u)，net radia-tion(n)，latent heat(LH)，sensible heat(SH)，soil heat flux(G)and Bowen ratio(=SH/LH)were analyzed during thegrowth of Giant Juncao(Cenchrus fungigraminus)，and the factors affecting surface energy flux were evaluated by coupling coeffi-cient()The results provided a judgment standard for the interpolation method of surface flux outlier The outliers were esti-mated to range from 200 to 050，indicating that good flux data can be obtained by random forest interpolation method The aver-ages of d，u，n，LH，SH and G during the entire growth stage were 18599，7256，11135，8294，3126，272 Wm2，with and being 038 and 06，respectively dwas the main factor affecting other parameters at the seasonal scale，and LH andSH were restricted by canopy conductance(gc)and saturated vapor pressure deficit(VPD)n，LH and SH values were relativelyhigher in the sunny days while lower in the cloudy days Moreover，the relationship of between sunny and cloudy days depended ongcand n:the early growth stage was featured by lower gcand higher nvalues，with higher in the sunny days than that in thecloudy days;at the vigorous growth stage，gcwitnessed an uprising trend while nfollowed a downward trend，with lower in thesunny daysKey words:Cenchrus fungigraminus;surface energy balance;Bowen ratio;latent heat proportion福建农林大学学报(自然科学版)第 52 卷 第 3 期Journal of Fujian Agriculture and Forestry University(Natural Science Edition)2023 年 5 月3地表能量收支特征决定了植被生态系统的生产力和功能1 不同植被具有不同的地表能量收支特征，深入了解植物地表能量收支各组分的动态具有重要意义地表能量收支是大气中热量、水分、气体等要素的主要来源，通过改变地表能量收支来改变植被类型是区域气候变化的重要驱动因素2 地表辐射管理是减缓气候变暖的重要途径之一35 气溶胶污染严重影响植物光合作用和生态系统生产力6 地表能量收支各组分包括入射太阳辐射(downward radiation，d)、反射太阳辐射(upward radiation，u)、净辐射(net radiation，n)、潜热通量(latent heat flux，LH)、显热通量(sensible heat flux，SH)、土壤热通量(ground heat flux，G)和波文比(bowen ratio，)等d是陆地生态系统的唯一能量来源;u反映植被对太阳辐射的吸收能力，受太阳高度角、叶片光谱特征、冠层结构等因素的影响78 n的主要分配形式为LH、SH 和 G9 在郁闭冠层中，n分配与植物的气孔行为紧密相关，改变植物生理过程会对 n分配产生影响1011 反映了 n在 LH 和 SH 之间的分配情况于贵瑞等1216 对陆地生态系统如森林、草地、农田和苔原等开展地表能量收支研究，对膜下滴灌14、沙漠腹地15 和绿洲16 等进行通量监测试验巨菌草(Cen-chrus fungigraminus Z X Lin D M Lin S Lan sp nov)是一种蒺藜草属植物17，具有光合效率高、生产力高和生态功能完善等优点，在食用菌培养料、牲畜饲料、生物燃料及生态治理等领域得到广泛应用1719 巨菌草的生产效率和形态学建构与地表能量收支特征密切相关9 本研究基于波文比能量平衡法研究了巨菌草地表能量交换特征及其影响因素，对于揭示巨菌草与大气之间交互作用的机理具有重要意义1材料与方法11研究区概况研究区位于宁夏石嘴山市平罗县宝丰镇鸿盛菌草科技创新产业园(3944836N，106432796E)，海拔 1 068 m该区域年平均温度 108，年平均降水量 1917 mm，年平均相对湿度 444%，属于典型的温带大陆性半干旱气候12巨菌草的生长与管理巨菌草种植在当地耕种多年的熟地，土壤类型为壤土，060 cm 土层的氮、磷、钾的平均质量分数分别为(725050)、(105058)和(2675222)gkg1，土壤含水量为 15%25%巨菌草株行距为 06 m06 m2021 年 5 月 1 日利用种茎种植，10 月 15 日收割，8 月 13 日到 10 月 15 日收集数据其间巨菌草从07 m 长到 27 m，温度 1025，平均温度 18;8 月 25 日采用漫灌灌溉 1 次，40 cm 土层含水量从2212%提高到 2873%;发生 3 次较大的降水，总降水量 264 mm13波文比通量塔的设计波文比通量塔安装在研究区中心，塔高 10 m(图 1)通量塔 5 和 10 m 高的横臂上搭载空气温度、空气湿度、风速、风向等传感器;通过 7 m 高横臂搭载的辐射传感器测量净辐射，上行、下行短波辐射等数据土壤温度和湿度探头分别埋设在 2、4、10、20 和 40 cm 深度的土壤里，土壤热通量板分别埋设在东、西方向 5cm 深度的土壤里上述仪器的型号和精度参考文献 20 14地表能量收支的测定141数据获取方式地表能量收支各组分包括 d、u、n、LH、SH、G 和 等其中，d、u、n和 G 通过安装在波文比通量塔上的仪器直接测量;、LH 和 SH 采用波文比能量平衡法获得=SH LH=T e(1)LH=nG()1+()(2)SH=nG()1+()(3)式中:为干湿表常数(hPa1);T 为空气温度();T 为两层空气的温度差();e 为两层空气的水汽压差(hPa)483福建农林大学学报(自然科学版)第 52 卷图 1波文比通量塔Fig1Bowen ratio flux tower142异常值判定规则根据波文比能量平衡法计算 LH 和 SH，趋于1 时，LH 和 SH 的计算结果趋于无穷大，从而出现通量异常值(1)0(1)(4)异常值范围可由 值决定(式 4)，位于该范围内的 LH 和 SH 都为异常值随着 取值的不同，异常值发生变化 越小，异常值范围越大异常值判断的另一个标准是 LH 和 SH 都不超过 n2021 随着 的增大，异常值的取值范围变小，异常值比例的平均值从5774%降到 1179%，且降低的速率减慢，如表 1 所示143异常值插值根据异常值判定规则确定的通量异常值，需要进行插值填补，使之成为正常值采用预测均值匹配(PMM)和随机森林(F)两种方法进行插值PMM 方法类似于回