兴安落叶松过伐林水汽浓度与...化特征及其对气象因子的响应_张泽.pdf

第 卷 第 期 年 月内 蒙 古 林 业 科 技 收稿日期：修回日期：资助项目：国家自然科学基金（）作者简介：张泽（），男，内蒙古通辽人，研究生，从事森林可持续经营理论与技术研究。：通信作者：张秋良（），男，内蒙古呼和浩特人，教授，从事森林可持续经营理论与技术、森林生态研究。：兴安落叶松过伐林水汽浓度与 变化特征及其对气象因子的响应张 泽，张秋良，菅亚男，贺晓辉，黄明儒，阿拉木斯，刘 喆，关 蕾（内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特；鄂尔多斯市生态文化博物馆，内蒙古 鄂尔多斯）摘 要：本研究揭示了兴安落叶松（）过伐林不同垂直高度水汽浓度及其氧同位素比值（）生长季变化特征以及水汽浓度对气象因子的响应特征，为深入探讨兴安落叶松过伐林水交换过程及其机理提供了理论依据。通过使用氢氧稳定同位素技术廓线系统对兴安落叶松过伐林 个垂直高度水汽浓度及其氧同位素进行高频原位观测，同步观测空气温度、相对湿度、太阳辐射、风速、降水量、土壤温度、土壤含水率、饱和蒸汽压差等主要气象因子，采用通径分析法分析气象因子对水汽浓度的影响。结果表明：（）在不同生长季中，水汽浓度和 都呈单峰型变化趋势。二者最高日均峰值都出现在 月，最低日均峰值都出现在 月，二者之间呈极显著正相关关系（）。（）水汽浓度的变化受土壤温度、空气温度、相对湿度、太阳辐射、风速、土壤含水率等气象因子的影响。土壤温度是控制不同高度水汽浓度变化的主要因子（）。空气温度对不同高度水汽浓度整体表现为促进作用，风速对不同高度水浓度整体表现为抑制作用。关键词：兴安落叶松；过伐林；水汽浓度；环境因子中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：（），（）（），（），第 期张 泽等：兴安落叶松过伐林水汽浓度与 变化特征及其对气象因子的响应 ：；随着世界经济的快速发展，人类活动与工业化进程的加快导致全球气候变暖，全球气候变暖是由甲烷（）、二氧化碳（）、一氧化二氮（）等温室气体大量排放引起，温室气体中排放量占比最高的 从 亿 升高至 亿，大气浓度从 升高至 。直接或间接地导致了生态系统的物种组成、群落结构、生态功能等发生变化，同时也对陆地生态系统水资源造成影响，进而对大气环流、水循环产生影响。森林作为陆地生态系统的重要组成部分，参与了陆地生态系统水循环过程。水是森林生态系统中最活跃、影响最广泛的因子，直接影响着森林生态系统的生产力。研究森林生态系统水交换过程、动态变化特征及其影响因素，对深入探讨森林的水分耗散机制和交换过程机理，森林生态系统科学管理具有重要意义。大兴安岭林区是我国重点国有林区，由于具有高纬度、多年冻土、沼泽湿地等冷湿环境的特殊性，成为全球气候变化的敏感区。以兴安落叶松（）为主形成的我国面积最大、分布最集中的寒温带森林生态系统是该地区地带性植被。在全球变暖的影响下，暖干化现象明显。过伐林指介于原始林和次生天然林之间的一种类型，世纪，大兴安岭林区由于过度采伐和火烧的干扰，原始林退化形成了大面积的过伐林（二代更新林），约占大兴安岭森林面积的 以上，目前，正处于幼中龄演替阶段。森林结构明显改变、生物多样性减少、水源涵养、水土保持等生态系统功能下降。由于同位素分馏效应的存在，氢氧稳定同位素成为生态系统中不同形式水分运动的重要研究工具。随着稳定同位素技术的发展尤其是离轴积分腔输出光谱技术（，），相对于大气冷阱和同位素质谱仪检测更适合大气水汽同位素的高频野外连续观测和分析，这一技术已被许多学者应用于不同下垫面研究中，但在兴安落叶松过伐林水交换过程及机制研究方面较少。本研究采用水汽同位素廓位观测技术，在生长季期间（月），分 个垂直梯度对兴安落叶松过伐林的水汽浓度及其氧同位素比值（）进行高频原位连续观测，研究生长季水汽浓度及 变化特征及其水汽浓度与气象因子的关系，揭示水汽浓度及其 的变化特征，以及水汽浓度对气象因子的响应机理，为兴安落叶松过伐林水交换的研究提供基础理论。研究区概况与研究方法 研究区概况试验在内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外观测研究站进行，地理坐标为，海拔 ，试验区面积 万，属寒温带湿润季风气候区，年均降水量，地表蒸发量 ，年均气温 ，土壤厚度约 ，土壤类型以棕色针叶林土和沼泽土为主，连续冻土和岛状冻土交错分布。建群树种为兴安落叶松，伴生种为白桦（），灌 木 主 要 有 杜 香（）、柴桦（）、越橘（）等，草本主要有红花鹿蹄草（）、问荆（）、大叶章（）等。试验地选择试验地设置在 世纪 年代初主伐利用后形成的过伐更新林综合试验区内，试验区森林覆盖率 左右，兴安落叶松占 以上，其余为白桦，林下灌木主要为杜香，草本植物主要为红花鹿蹄草。在试验区根据林龄、密度和长势等林分因子，布设 块面积为 固定观测样地，样地基本信息如表 所示。表 观测样地基本信息 林分类型土壤类型海拔坡向坡度林龄杜香兴安落叶松林针棕壤东北幼中龄林郁闭度树种组成树高胸径凋落物厚度植被盖度 落 桦 研究方法 水汽浓度及其 观测利用试验地水汽稳定同位素廓位观测系统（，），采用离轴积分腔输出光谱（）技术，测量精度为，水汽稳定同位素分析仪与每个高度的气体采集器用外径为 的聚四氟乙烯管连接，真空泵抽气，通过多通道多路器（，）控制不同高度的气体采样时间。根据观测区森林特点，本试验设置 个高度，分别为：（近地表层）、内 蒙 古 林 业 科 技第 卷（灌木层）、（乔木冠层）、（背景大气），不同高度从低到高的顺序依次进行采样，采样时间均为 。为避免进气管路中残留气体对试验的影响，分别在近地表层、灌木层、乔木冠层、背景大气各高度转换间设置 、和 的管路清洗时间，每 完成一个采样循环，采样频率为 。于 年 月对兴安落叶松过伐林水汽浓度及其 进行高频原位连续观测。气象因子观测气象因子采用渐伐更新林综合试验区自动气象观测站（，）获得，主要观测因子为空气温度（）、相对湿度（）、太阳辐射（）、风速（）、降水量（）、土壤温度（）、土壤含水率（），每 进行一次自动观测，采样频率为 。数据处理和分析 以 与 的摩尔数之比表示，两种结果都以维也纳平均海水（，）为标准，用 表示：|（）根据空气温度（）和相对湿度（）计算出饱和蒸汽压差（）：（）（）（）式中：、均为常数，分别为 ，和。单位为，单位为。自动气象站观测的环境因子原始数据使用 软件进行处理后，导入 中，对缺失、异常数据经过均值插补、倍标准差剔除。水汽稳定廓线观测系统采集的水汽浓度、原始数据直接导入 中，缺失和异常的数据，处理方法同上。用 的单因素方差分析不同高度水汽浓度和 变化特征的差异性，以及通径分析不同高度水汽浓度对气象因子的响应。用 进行线性回归计算，计算结果得出的线性回归方程的标准系数为直接通径系数即直接控制作用（），通径系数乘以对应的相关系数为间接通径系数即间接控制作用（），相关系数为通径系数即总控制作用（）。用 、进行绘图。结果分析 气象因子变化特征试验期间，气象因子变化如图 所示，空气温度随时间变化整体呈先升高后下降的波动变化，最高温度达到 ，最低温度为 ，平均温度。最大降水量达 ，平均降水量为。相对湿度在空气温度和降水量的影响下呈波动性变化，平均湿度，最小湿度为。太阳辐射的变化幅度较大，最大值为 ，最小值为 ，平均值为 。2520151050-5空气温度/120100806040200相对湿度/%TaRH50403020100降水量/mm250200150100500-50太阳辐射/（Wm-2）1.21.00.80.60.40.20饱和蒸汽压差/Kpa2.52.01.51.00.50风速/（mg-1）VPDWSPSR2520151050土壤温度/4035302520151050土壤含水率/%Ts5Ts10SWC5SWC105/16/17/18/19/110/1时间（月/日）5/16/17/18/19/110/1时间（月/日）5/16/17/18/19/110/1时间（月/日）5/16/17/18/19/110/1时间（月/日）图 气象因子变化特征 第 期张 泽等：兴安落叶松过伐林水汽浓度与 变化特征及其对气象因子的响应 饱和蒸汽压差在空气温度和相对湿度的影响下变化幅度较大，最大值为 ，其中有若干天数饱和蒸汽压差为，平均值 。风速整体呈降低的趋势，最大风速为 ，最小风速为 。平均风速 。土壤含水率呈下降的趋势，土壤含水率（）和 土壤含水率（）最大值分别为 和，最小值分别为 和。土壤含水率比 土壤含水率高。土壤温度随时间变化呈先升高后下降，土壤温度（）和 土壤温度（）最大值分别为 和 ，最小值分别为 和 ，土壤温度比 土壤温度高 。水汽浓度及其 变化特征生长季兴安落叶松过伐林不同垂直高度水汽浓度及其 动态如图 所示，水汽浓度整体呈单峰型变化趋势，不同高度水汽浓度从 月 日开始升高，月 日达到峰值，然后开始下降，最高日均峰值出现在 月 日，为 ，最低日均峰值出现在 月 日，为 ，不同垂直高度水汽浓度变化相似，差异性不显著，从大到小依次顺序为：近地表层（），背景大气（），灌木 层（），乔 木 冠 层（）。整体呈单谷型变化趋势，不同垂直高度 从 月 日开始升高，月 日出现峰值，然后开始下降，最高日均峰值出现在 月 日为，最低日均峰值出现在 月 日为（见图、图）。不同垂直高度 变化相似，差异性不显著（图），从大到小依次为近地表层（）灌木层（）背景大气（）乔木冠层（）。观测期内，水汽浓度与 呈极显著正相关（），如图。5/15/216/106/307/208/98/299/1810/8时间（月/日）25 00020 00015 00010 0005 000水汽浓度/（molmol-1）近地表层灌木层乔木冠层背景大气图 不同高度水汽浓度变化特征 5/15/216/106/307/208/98/299/1810/8时间（月/日）近地表层灌木层乔木冠层背景大气-10-15-20-25-30-3518O/图 不同高度 变化特征 内 蒙 古 林 业 科 技第 卷13 00012 80012 60012 40012 20012 00011 80011 60011 40011 20011 100水汽浓度/（molmol-1）近地表层灌木层乔木冠层背景大气高度aaaa图 不同高度水汽浓度差异性分析 -10-15-2018O/aaaa近地表层灌木层乔木冠层背景大气高度图 不同高度 差异性分析 气象因子对水汽浓度的影响兴安落叶松过伐林不同垂直高度水汽浓度不仅受土壤蒸发和植物蒸腾作用影响，还受土壤温度、空气温度、相对湿度、太阳辐射、风速等气象因子的影响，5 00010 00015 00020 00025 00030 0000水汽浓度/molmol-1-35-30-25-20-15-10-5018O/y=0.000 6x+26.961R 2=0.475 5P 0.001图 与水汽浓度之间的关系 个气象因子对不同高度水汽浓度解释分别为、（表），决定生长季不同高度水汽浓度变化的主要因子为 土壤温度（）。如图 所示，土壤温度对近地表层、灌木层、乔木冠层处水汽浓度产生直接促进作用（），对背景大气水汽浓度通过空气温度产生间接促进作用（），空气温度对不同高度水汽浓度起到直接促进作用（），太阳辐射通过空气温度和 土壤温度对近地表层、灌木层水汽浓度产生间接促进作用（），对乔木冠层和背景大气处水汽浓度产生直接促进作用（）。相对湿度通过其他环境因子对不同高度水汽浓度产生间接促进作用（）。风速对不同高度水汽浓度起到直接抑制作用（），对乔木冠层处水汽浓度抑制最大。表 不同高度水汽浓度与环境因子的通径方程 高度通径方程相关系数显著性 近地表层近灌木层灌乔木冠层冠背景大气背 讨论与结论 讨论 水汽浓度及其 动态由于离轴积分腔输出光谱技术的发展，实现了对大气水汽同位素的高频连续观测，获得的数据更精准，所以采用一年度观测数据对兴安落叶松过伐林生长季水汽浓度和 动态变化进行分析。兴安落叶松过伐林不同高度下的水汽浓度 季动态变化特征在背景大气下层均随着高度的增加而减小，与孙守家等对华北低丘山区栓皮栎（）的研究结果及 等对华盛顿南部针叶林的研究结果相似，这是由于不同垂直高度水汽来源不同，其变化特征也存在差异，随着高度的增加水汽存在扩散的阻力。近地表层的水汽浓度和 主要来源于表层土壤水分的蒸发和草本植物的蒸腾作用，灌木层的水汽浓度和 主要来源于灌木的蒸腾作用，乔木冠层的水汽浓度和 主要来源于乔木的蒸腾作用。背景大气下的水汽浓度及其 随着垂直高度的增加而减小。整个生长季内水 第 期张 泽等：兴安落叶松过伐林水汽浓度与 变化特征及其对气象因子的响应 0.9350.391*1.261*0.561*1.263*0.831*-0.140*TaTs50.2660.9980.456RHSRTs10WS近地表层0.9350.402*1.320*0.582*1.322*0.705*-0.143*TaTs50.2660.9350.9980.456RHSRTs10WS灌木层0.9320.340*1.208*0.582*1.210*0.707*-0.126*TaTs50.2630.9980.456RHSRTs10WS乔木冠层0.325*0.553*0.597*0.558*0.114*-0.129*TaTs50.3970.9340.9980.481RHSRTs10WS背景大气 注：图中箭头表示环境因子对不同高度水汽浓度的控制作用，实线代表促进作用，虚线代表抑制作用。表示，表示，表示。图 不同高度水汽浓度与环境因子的通径分析 汽浓度呈单峰型变化趋势，与娄源海对北京山区侧柏（）林的水汽浓度变化特征相似。呈单峰型变化趋势，与路倩倩等对中国东北典型森林的研究结果相似。水汽浓度最大值出现在 月份，最大值出现在 月份，二者最小值都出现在 月份。不同高度之间水汽浓度和 差异性不显著（），与张欣对兴安落叶松天然林水汽浓度和 季变化研究结果相同。气象因子对水汽浓度的影响气象因子通过直接影响土壤蒸发和植物蒸腾，从而影响兴安落叶松林水汽浓度。兴安落叶松过伐林的主要影响气象因子为土壤温度，与张欣对兴安落叶松天然林水汽浓度对环境因子的响应研究结果相似。林分不同垂直高度受气象因子的影响程度不同，土壤温度在背景大气处呈间接作用，可能是由于背景大气处的水汽一部分来源于大气，一部分来源于兴安落叶松蒸腾作用，导致土壤温度无法直接作用于背景大气。风速主要作用于叶片，当风速较小时会将叶片周围较高的水汽浓度带走，也会降低叶片表面温度导致蒸腾减弱，从而对兴安落叶松过伐林水汽浓度起到直接抑制作用。乔木冠层为兴安落叶松针叶主要位置，当太阳辐射增强时促进兴安落叶松针叶的叶面气孔打开，蒸腾作用也随之增强。太阳辐射影响兴安落叶松叶片气孔的变化从而对水汽浓度产生影响，兴安落叶松在近地表层和灌木层处叶片数量较少并且面积较小，所以太阳辐射只能通过其他气象因子对其产生较大间接影响。结论本研究通过对兴安落叶松生长季期间环境因子和水汽浓度及其同位素组成连续观测初步得到以下结论：（）兴安落叶松过伐林水汽浓度和 整体呈单峰型变化趋势，不同高度之间差异性不显著，水汽浓度与 之间相关性极显著（）；（）气象因子对兴安落叶松过伐林不同高度水分耗散作用产生直接或间接的影响，土壤温度是控制不同高度水汽浓度的主要因子（），但 土壤温度对背景大气处水汽浓度产生间接作用，空气温度和风速对不同高度水汽浓度产生直接作用。参考文献：，（）：（下转第 页）内 蒙 古 林 业 科 技第 卷 林业资源管理，（）：，（）：孟宪宇 测树学：第 版 北京：中国林业出版社，王志波，季蒙，李永乐，等 华北落叶松人工林差分地位指数模型构建 林业资源管理，（）：王明亮，李希菲 非线性树高曲线模型的研究 林业科学研究，（）：李斌成，许业洲，袁慧，等 湖北省日本落叶松差分型立地指数模型构建 森林与环境学报，（）：唐诚 西南桦人工林生长模拟及立地质量评价 北京：中国林业科学研究院，牛亦龙，董利虎，李凤日 基于广义代数差分法的长白落叶松人工林地位指数模型 北京林业大学学报，（）：曹元帅，孙玉军 基于广义代数差分法的杉木人工林地位指数模型 南京林业大学学报（自然科学版），（）：（上接第 页），（），：李峰平，章光新，董李勤 气候变化对水循环与水资源的影响研究综述 地理科学，（）：刘珉，吴志祥 森林生态系统水循环研究概述 热带农业工程，（）：黄卓 气候变化对秦岭森林和农田生态系统碳水通量变化的影响 杨凌：西北农林科技大学，杨競夫，张秋良，张欣，等 兴安落叶松天然林树干呼吸及其对温度敏感性的变化特征 内蒙古林业科技，（）：，（）：，（），（）：张欣 寒温带兴安落叶松生态系统碳水交换过程与作用机理 呼和浩特：内蒙古农业大学，孙守家，孟平，张劲松，等 华北低丘山区栓皮栎生态系统氧同位素日变化及蒸散定量区分 生态学报，（）：，：娄源海 基于同位素技术的森林生态系统水分通量解析北京：北京林业大学，路倩倩，何洪林，朱先进，等 中国东部典型森林生态系统蒸散及其组分变异规律研究 自然资源学报，（）：吴旭 黄土丘陵区油松、沙棘耗水特性及生理响应研究杨凌：西北农林科技大学，王志超，许宇星，竹万宽，等 雷州半岛尾巨桉人工林树干液流对台风天气的响应 林业科学研究，（）：王志超，竹万宽，杜阿朋 尾巨桉旱雨两季树干液流特征分析 浙江农林大学学报，（）：徐军亮 京西山区油松、侧柏单木耗水环境影响因子评价与模拟 北京：北京林业大学，李成龙 茂兰喀斯特森林主要树种蒸腾耗水规律及其生理生态响应 贵阳：贵州大学，刘浩，张秋良，田原 兴安落叶松天然林蒸腾特征及其影响因素研究 西北农林科技大学学报（自然科学版），（）：