【doc】大蜀山马尾松人工林睛天太阳辐射光谱及光能利用率的研究

【doc】大蜀山马尾松人工林睛天太阳辐射光谱及光能利用率的研究 大蜀山马尾松人工林睛天太阳辐射光谱及 光能利用率的研究 f一7 第15卷第1期中农业气象1994年2月 大蜀山马尾松人工林晴天太阳辐射 光谱及光能利用率的研究 宛志沪刘先银<7『J/^, —1徽农,/ 摘要时台肥市郊区太蜀山马尾松^工林外辐射光谱的分布及其变化规律进行研究.发现马 尾松林xt~#l-线反射率和透射率较高,吸收率低;对紫外线吸收率较高.反射率1瑷对可见光的吸收 率高,反射率和透射率较低l率文首次将辐射光谱,热量平衡与马尾橙林对coz的同化率及光能利 用率之间的关系进行了综台的研究,测得马尾松林对00z同化速率的峰值变动在1.89—2.19rag m?s,.El平均值变动在0.8839~1.0872mg?nr?s_.光能利用率为2.03,2.17为研究 森林的合理结构提供了科学 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,对科学营林具有重要意义 关键词:马尾松林辐射光谱光鳇利用卑…一一一一 马尾松人工林内小气候特点,辐射平衡 和热量平衡各分盈的变化.早在50年代末就 由南京大学气象系的同志进行了系统的测 定,并由洪启发教授整理发表[1],嗣后不少研 究者测定过马尾松林的小气候,宛志沪等[.] 还用生态学的方法计算马尾松人工林的生产 潜力.但对马尾松林内外辐射光谱分布,热量 平衡各分量变化与森林对COz的同化速率关 系及森林光能利用率进行综合研究尚不多 见.本文运用春,夏两季6个白天实测资料探 讨了大蜀山马尾松人工林对太阳辐射光谱的 反射,吸收,透射,热量平衡各分量的变化,林 内平均风速及CO浓度的垂直分布,并用空 气动力学方法研究马尾松人工林的CO同化 速率和光能利用率.从谢揭示了马尾松林生 长发育与生态环境的关系,对建j:台理的森 林结构,提高森林生产力具有实践意义. l剥点概况殛观测方法 测点位于3J.50一N,lJ7.J0,E的合肥市西 鄢大蜀山,为亚热带北缘地区,年平均气温 】5.7?,年降水量988.4toni.坡向东南,坡面 较平整,坡度5,lO.土壤为红棕色砂壤.被 测林地面积为207hm,密度为l200株/hm, 平均树龄30年,均树高9m,平均胸径I9.5 *收辅I=i期】9g2一心一10 Ct]'J,单层林,冠层厚度为5m,平均郁闭度 0.58. 用TBQ型分光谱日射表和DPM型辐射 电流表测定林内外太阳辐射和林分反射率, 吸收率及透射率,取按对角线测定j0点的平 均值;用GH—I光合仪测定距离地面20, 50,20Ocm及冠层中部,冠层上5O,200cm处 的CO浓度;用WMS—l0型多点温度表,通 风干湿表,热球微风仪测定相应高度的温度, 湿度及风速,各气象要索每1h测定一次,为 了使不同高度资料在时jHJ上的同步性,采用 几部仪器同步观测或上下往复测定. 2结果与分析 2.1马尾松林内外太阳辐射光谱的分布 2.1.1马尾松林冠层对太阳辐射光谱的吸 收,反射及透射特征在郁闭度为068的马 尾松人工林中,冠层对太阳辐射光谱的反射, 吸收,透射差异较大.对全光反射率变动在 J3.0,33.1,吸收率为d1.7, 61.5,透射率为27.7,:34.3,其反射, 吸收,透射的日平均值分剐为165, 】7,6,523,567,25.7,31.2. 春季透射率高,反射率和吸收率低.马尾松林 对可见光的吸收率为d,f.,712,吸收 ' 25. 峰6月份在I2时前,d月份在8,l5时.对 可见光的反射率为7.9,27.4,正午小, 早晚大,呈"V"型分布,对可见光的透射率为 20.2,29.4,其吸收率,反射率,透射率 的日平均值分别为60.9,65.5,?.0 , 】】.5,23.4,27".6.马尾松对红外线 的吸收率为28.3,52.5,6月份吸收峰 在8,l0时和l4,16时,4月份吸收峰在7 , 1l时和14,15时对红外线的反射率为 20.0,51.3,呈"V"型分布,透射率为 27".5,45.6,其吸收,反射和透射日平均 值分别为39.3,46.0,25.1%, 27",0%,28.9,---33.7.马尾松林对紫外线 的吸收窜和透射率高,反射率小,其日平均值 分别为51.3,58.4,38.6,45.8, 3.0,3.1%(见表1).出此可见林冠对可 见光的吸收率高于红外线和紫外线,林冠对 紫外线的反射率最小,可见光次之,红外线聚 大. 上述结果与w.拉夏埃尔[e测得杨树叶 片的反射率,吸收率和透射率随辐射波长 而变化的规律类似.绝对值低于拉夏埃尔的 结果,这种差异是与本文采用群体数值有关 表I马尾松林冠对太阳辐射的反射率.嘎收率.透射卑1986.4.I2,14(单位w/m2) 2.I.2马尾松林内外辐射光谱的变化据 测定,林内外各光谱成份占总辐射百分比的 日变化明显.林外可见光占总辐射量的 42.0,46.7,正午大,早晨及傍晚小,红 外线占总辐射的47.8,58.0,正午小, 早晨和傍晚大,紫外线占总辐射的4.4, 5.3,林外可见光,红外线,紫外线的日平均 值分别占总辐射日平均值的45.8%, ^6.7,^9.1,53.7,4.4%,5.3.林 ?26? 内可见光日变化规律与林外相似,但可见光 占总辐射的百分比仅为32.0,44.4,而 红外线,紫外线占总辐射的百分比升高,分别 为47.5,7】.4,5.6,8.1.林内可 见光,红外线,紫外线占林内总辐射百分比的 日平均值分别为37".5"---38.6,56.0, 56.1,5.9,7.2%.即林内可见光低于林 外,红外线和紫外线高于林外. 2.2马尾松林热量平衡各分量的变化 眙如拖 船盯? 833 盯叭勰 罢sma3 地m扭;毫 髑?23{ 船8243 72a3 卯剖盯;; 朋埔拈;号一 红外线 晴天,马尾松林冠辐射平衡值约占总辐 射的60.6,在一天中,辐射平衡随日高度 角增高而增大,最大值出现在l3时左右,约 占总辐射的75.7,早晨和傍晚仅占5.1 , l.7. 林冠净得辐射能主要用于森林蒸发耗热 (LE),林冠与大气乱流热交换(P)及马尾松 林贮热量的变化根据实测温,湿度,风梯度 资料,用(I),(2)式求算LE和P,光台作用同 化潜热(LAc)和森林贮热量(M)用杂项求得: E—K—oC — p— (u— 2-- — u — D— ( :_ ~~ — -- 一 eD(1) r[1n兰兰二_12 z'一?一 P—p.Cp.K—(uz--u;)— (T;--T2)(2) .' [In—z—~--_:d] 一z'一? 式中:to.Cp,d分别为空气密度,定压比 热和零平面位移高度(m),r为干湿表常数, ul,uz;el,e2;T1,T2分别为林冠层上0.5m和 2+0n1处的风速,水汽压,温度,结果绘于图 l,图2. 圈I马尾橙热世平衡各分量的日变化 由于被测林分郁闭度低,自然整杖弱,冠 层厚,枝叶茂盛,因此,蒸发耗热,乱流热交换 分别占辐射平衡值的57.4和38,1,森林 同化潜热及贮热量仅为.5. 2.3马尾松林光台速率及光能利用率 林冠层的光台速率受湍流界面层内垂直 方向上的平均风速分布,动量和湍流扩散通 量的影响. 2.3.1马尾松林平均风速的垂直分布不 同时问实测风速垂直剖面形状相似,在冠层 上,由于气流同粗糙的冠面摩擦和空气的粘 滞作用,风速随高度呈指数递减趋势,在林冠 层内,由于技叶的阻碍,使风速进一步衰减, 在树干区,园林缘渗入气流的作用,风速略有 提高,2m以下风速又随高度降低而减弱,风 速剖面呈…S型分布(图3). * ? ;? ? 时LD}, 图2P,LE,M+LAc占B值百分卑的日变化 注:O为总辐射}H为辐射平衡ILE为蒸发耗热}P为乱流热 交换,LAc为同化所固定的能置.M为生物贮热置,^c 为同化CO2的克数'L为耐化潜热常数(1.05X10J/g) 10 0 三9 蕈R T 图3不I司高寝半均风速剖面图 2.3.2马尾松林内CO浓度的垂直分布 将6个白天和夜晚各9次测得的不同高度上 CO浓度分别加以平均,表示林内不同高度 上CO分布状况,并绘于图4.由图可见, 白天在林冠层叶分布密集的层j欠COz浓度最 低,由此向上或向下COz浓度均有升高趋势, 贴近林地CO浓度下降+因为该林地杂草多, 枯落物少,杂草有一定同化能力.夜晚相反, ?27? 林冠和林地杂草呼吸放出CO2,,故在冠层和 林地CO2浓度高. l 恬 c簿赝(rn~/L) 图4林(浓度垂直分布 2.3.3马尾松林净光合速率和光能利用率 对于均匀且面积较大的人工林,用空气动 力学方法可不考虑平流上的差异,只考虑垂 直方向上的湍流扩散通量,用林冠层与大气 问的COz通量大小代表林冠层的净光合速 率 在中性状况下,湍流界面层内垂直方向 上的平均风速分布,动量及CO湍流扩散通 量分别为: ;U/R.In(三)(3) ^ T—K?poaU(4) _K?宝(5) 式中为高度z处平均风速,和Pt分别为 动量通量和COz通量…KK是相应的湍流 扩散系数.K为VonKaman常数,K0.帕, p,d,Z0和Ut分别是空气密度,零平面位移 粗糙性长度和摩擦速度,3c是c0浓度梯度 . 因U?=T/p K:(z--d)(6) dZ 用K代替K,则得到 Pc=z--d).是?3c(7)dZdZ ?28? 在非中性状况下: R(z--d)z?毫(?(8) 其中口=口I皿(1—5R1)-lRl>0(9) =一(1一l6R1)一Rl<0(10) 式中:分别为非中性状况下动量和 CO2湍流扩散的校正因子,Rl为Richardson 数,在绝热条件下: R.=鲁?/()号(一T1)(Zz-Z~)? (u2一U】)(1I) 式中:g为重力加速度,T,T:和U,U.分别 为Zzz高度上的绝对温度和平均风速,T一 ?(T1+T2). 据实测资料计算的R-值很小(0.001, O.003),对计算值影响不大,故用下式计算零 平面以上湍流层内CO2扩散通量: InrZ2--dm~ (I2) z二 式中:d用图解法计算,d一4.7m;林分平 均高度为9m,Z,Z2分别为9.5m和IIm,以 此计算1986年4月l2,l4日及6月l,3 日6:00,18:00时大蜀山马尾松林的CO2通 量于图5,6. 50fJ, 三 00兰 3O0 200 时?'?寸 图5夏季马尾橙林同化(速率与可见光,气温关系 由图5,6可知,春季.白天马尾松林对 CO2的同化速率变动在一0.14,】.892mg? m?s,,平均值为0.9522mg?m?s, 夏季,白天马尾松林对COz的同化速率变动 在0.1413,2.1984mg?m?s,,日平均值 为】.】584mg?m?s,,用经典半叶法测得 5月份29d的日平均净光合速率为J8.26rag m?d一,换算成CO通量为2.06rag? m?s-,?,相当于12时左右用梯度法测得 的数据.因为空气动力学法测定森林对C02 的同化速率,应枧为单位时问内单位面积上 各类松林的平均同化速率,而经典半叶法是 测定生长健壮的单株上无病虫害的针叶对 CO的同化率,即单位时闸单位叶面积上的 COz同化速率,比松林实际对COz的同化速 率高,因此,用空气动力学法测得的结果能客 观地反映森林对CO=的同化速率. 4o0 { ?0妥 200 O0 图6奋季马尾捡林同化(:过率与可光.气温关系 马尾松对co的同化速率受气温和可见 光强度的影响,春季,林分对co的同化速率 与气温呈显着正相关,其相关式为: Y一一45639+O.28?x r一0.8857.n=】8 式中:y为CO同化速率,x为气温 夏季,马尾松林对CO同化速率与气温 关系较复杂,当气温低于29?时,CO.同化速 率随气温升高而增加,高于2ffC时则相反. 用马尾松林同化co所转化的能量与同 期总辐射通量的百分比表示马尾松林光能利 甩率(r),则大蜀山马尾松林春季日甲均光能 利用率为2.02,夏季为2】2%,这表明,该 林在生长旺季的光能利用率较高.但用全林 生物量计算该林每年固定的能量与该地辐 射年总量之比,求得年平均光能利用率仅为 0.81,相当于生长旺季的386.限制该 地马尾松林对光能利用的王要因子是:日平 均气温高于I5C的活跃生长期仅为160, JgOd左右,而且夏季高温,秋季干旱.影响马 尾松林的生长. 3讨论与结语 对马尾松林内外辐射光谱成份测定发 现马尾松林对可见光,紫外线,红外线的吸收 率分别为64.5,65.8,51.8,59.5 37.2,45.8反射率分别为】0.8, I1.5.3.0,3.2%,25.3,28.5.夏 季,马尾松林对太阳辐射各光谱的吸收率高 于春季,反射事低于春季. 用空气动力学方法计算马尾松林对CO 的同化速率及光能利用率,结论合理国外在 云杉林内的研究结果表明,夏季,白天由大气 进入林冠CO2通量为l,2raga121? S--l~?,本试验春季测得峰值为】.89rag nl一"S--I ,夏季为2.198rag?m?s一,光能 利用率分别为2.O2%和2.12,可见在温 暖湿润的晴天,马尾松林光能利用率较高,说 凹马尾松属于强阳性喜温树种. 甩空气动力学法测定森林光合速率,具 有建度快,精度高等优点,各个体之间以及同 一 个体不同部位之间的差异可以忽略不计 可用此法对同地段,不同林龄的林分进行 平行测定,研究不同林龄的种群合理结构,对 科学营林具有指导意义. 参考文献 l洪启发等.马尾松曲林小气博林业科学,1963.8 (4) 2兜志沪等.安徽省马尾鼢人工林气候生产潜力的切 步研究植撕生志学与地植物学撤.198913(23 3马饮彦研究森林与大气^H](交换的微气象学法 f综述)北京林学院学】982(IJ;59~g5 4马饿彦.一块{1II钍人工林夏日的光台迩章.北京林 学院学撤.1984(I);40,6 5H.HairThc】m1crn(U2tIandtJau妯nlncds nw【hcCan~yOtaNo[wo)ySprossfo~cstXVL匕owo匕ld ?I,gtc.DrvL~on.1976.I;2蚰,82 W.拉夏埃尔.(李博等译)植物生理生态学.北京: 科学版社.一980 0Ig鲜卧一.O0?l11叶面靼.CO2交量一2丽64x1#.26+(35003412)~0.D.O? ?29? 05.0j 一.0 :._?H,一