温带混交林碳水通量模拟及其对冠层分层方式的响应——耦合的气孔导度-光合作用-能量平衡模型

摘要

利用Leuning建立的耦合的光合作用、气孔导度和能量平衡方程,以将冠层分成多层的方式,包括Gaussian五点积分法、将冠层平均分为多层的方法,逐层计算温带混交林的碳水通量,最后累加至冠层尺度,以模拟CO2和H2O通量.该模型以常规气象观测数据作为驱动变量,计算出冠层与大气之间的碳水交换,与涡动相关系统的通量观测数据进行比较,分析了不同的冠层分层方式对多层模型模拟结果的影响.从3个温带混交林通量站涡动相关系统的能量平衡闭合度来看,中国长白山站CBS、韩国GDK和日本MMF站点的能量平衡比率(EBR)分别为0.76、0.66和1.07,居于国际同类观测范围(0.34-1.2)的中上水平,因此,涡动相关系统的观测数据较为可靠.从碳水通量的日变化来看,用Gaussian五点积分法将冠层分为五层的模型能较好的模拟碳水通量的“单峰形”日变化趋势.夜间Fc为负值且变化趋势较为平缓,表明生态系统进行呼吸作用释放CO2,从日出开始Fc逐渐变为正值,表明生态系统进行光合作用吸收CO2,Fc在中午时分达到最大值,下午Fc逐渐减小,日落之后又回复到夜间的负值.H2O通量的日变化曲线与CO2通量相似,且模拟值与涡动相关实测值具有较好的一致性.在多层模型中,对冠层采用不同的分层方法,对碳水通量模拟结果有一定的影响.以Gaussian五点积分法将冠层分为五层的方法作为对照,分别将冠层平均分为2、5、10、20层的方法得到的碳水通量与其进行比较.从平均值来看,分层越多,H2O通量模拟值越低,而CO2通量模拟值越高.不同的分层方法产生的差异,主要来自于不同层的辐射吸收、温湿度、风速等环境要素的垂直廓线差异,且叶片光合作用对光的响应是非线性的.