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
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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(
6、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(
7、)、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
8、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
9、,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
10、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
11、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
12、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
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