散射辐射变化对华北山地人工林碳吸收和水分利用的影响

Solar radiation declines due to the increase of aerosol and cloudiness. However, the fraction of diffuse radiation (DRF) to solar radiation increases. The impact of diffuse radiation on net carbon uptake and water use in forest ecosystems can not be ignored. The North China is located in the warm semid-arid and semid-humid monsoon region. The area of the plantation in this region accounts for about 1/7 of the whole country and the plantation is an important carbon sink of the terrestrial ecosystem. Water vapor and CO2 fluxes will be measured by the eddy covariance method in a plantation in the hilly area of this region. The relationship between light intensity and accumulative leaf area index will be established under different sky conditions. Moreover, the influence of factors controlling leaf photosynthetic parameters will be investigated. The hourly DRF will be estimated by the climatology model to replace the stable DRF of a canopy radiative transfer and physiological and biochemical model (CABLE). The parameters in the CABLE model will be calibrated. Simulated carbon and water vapor fluxes will be validated by the ones observed by the covariance method. Based on the results obtained by the measurement and model, the impact of DRF on net carbon uptake, the components of carbon budget and water use efficiency by the plantation in the hilly area of the North China will be evaluated. The objectives of this study are to reveal the response of ecosystem photosynthesis and water use efficiency to DRF, to supply theoretical basis and data for evaluating carbon sink, the sustainable development and the study on adaptive strategies of climate change for forests.

大气中气熔胶和云的增加使地表总辐射下降，但散射辐射比例（DRF）增加，对森林生态系统碳吸收和水分利用带来不可忽略的影响。华北人工林面积占全国近1/7，是我国重要的碳汇。本研究对华北低丘山地人工林生态系统水、碳交换进行综合观测，建立不同天空状况下光强与累积叶面积指数的关系；分析叶片光合作用特征参数及其影响因素。选取考虑了冠层辐射传输和植物生理生化过程的CABLE模型，采用气候学模式估算逐时DRF替换模型中固定的DRF，对模型参数进行率定。利用涡度相关通量观测结果对模型进行验证。基于观测和模拟，系统评价天空状况及DRF变化对华北低丘山地人工林生态系统净碳吸收、碳收支各组分和水分利用的影响，揭示不同气候条件下人工林生态系统光合作用与水分利用对DRF变化的响应机制。为我国森林碳汇评价、林业可持续发展、气候变化影响及适应对策研究提供理论依据和数据支持。

大气中气熔胶和云的增加使散射辐射比例（DRF）增加。散射辐射变化对森林生态系统碳吸收和水碳耦合具有重要的影响。基于叶片和生态系统尺度上的观测数据，利用直角双曲线模型（RH）、非直角双曲线模型（NRH）以及叶子飘模型（Ye）对栓皮栎、刺槐叶片光合作用-光响应/CO2响应以及电子传递速率–光响应曲线进行了模拟；比较了S-W和P-M模型对华北山地人工林蒸散（ET）的模拟效果；利用新建的BRL-1模型模拟散射辐射，探讨了DRF变化对人工林碳吸收、水分利用的影响机制，分析了CABLE模型对人工林水、碳通量的模拟效果。在光合作用–光响应曲线的拟合精度上：Ye模型>NRH模型>RH模型。栓皮栎、刺槐阳叶最大光合速率（Pmax）分别比阴叶高24.41%和18.28%。与阳叶相比，栓皮栎、刺槐阴叶初始量子效率α分别高22.08%、15.41%，初始羧化速率（η）高6.9%、7.0%，最大电子传递速率(Jmax)低25.0%、18.0%。S-W模型对ET模拟的效果优于P-M模型。S-W模型模拟的ET对冠层阻力rsc最敏感，其次为植物冠层高度至参考高度间的空气动力学阻力（raa）。水分胁迫时，总初级生产力（GPP）和净生态系统生产力（NEP）显著降低，水分利用效率（WUE）则增加。在中度和重度水分胁迫时，多云天气条件有利于提高人工林的WUE。构建的BRL-1模型模拟的DRF与观测值具有很好的一致性。BRL-1模型模拟的DRF和观测值之间的均方根误差（RMSE）、平均偏差误差（MBE）分别为0.12、0.002，低于其它模型的值。DRF较高(0.8 ≤ DF≤ 1.0)时，α比低DRF条件下所得的值高35–54%。多云天气下Pmax比晴天天气下低22.62%。DRF为0.5时，人工林GPP最大；DRF与光能利用效率（LUE）具有显著的正相关关系，云量的增加促使了LUE的提高。考虑散射辐射的MMdif模型对GPP的模拟效果优于MM模型。与MM模型相比，MMdif模型模拟的GPP与观测值之间的决定系数R2提高了16.13%，RMSE减小了14.34%。CABLE模型能较好地模拟人工林NEP和潜热通量。本研究结果为今后准确评估人工林生态系统碳汇大小、人工林对气候变化的响应提供理论依据。